本发明涉及矿用检测，具体提供一种台网监测能力评估方法。
背景技术：
1、由于地下矿井开采活动，可能会引起急剧释放能量的事件，这些灾害通常具有突发性，可能导致人员伤亡、财产损失和对环境的影响。其中包括：岩爆，瓦斯（甲烷）爆炸，煤尘爆炸，冲击地压，顶板事故。
2、为减少矿井动力灾害造成的影响，需要加强矿井的震动监测。震动监测是预测和预防动力灾害事故的重要工具，通过收集事故发生的前兆信息进行灾害预警，从而避免人员伤亡和减少财产损失。
3、目前，针对矿震台网监测能力评估的方法，基本上是利用矿震目录进行分析，或是计算最小完备性震级(pmc)，或是根据目录中震源位置和台站位置信息计算各台站的置信空间，亦或是将监测区分区计算震相拾取概率作为监测能力的指标，数据量大，计算繁琐。而对台站记录到的波形数据中提取监测能力未有涉及，无法满足现场从根本上对矿震一体化台网监测能力评估的要求。
技术实现思路
1、震动监测的能力可以通过台网监测能力评估进行评价，由于矿震台网中的每个台站都能记录到一系列矿震波形，这些波形蕴含着矿震事件的能量和走时。通过不同台站的走时误差和能量衰减，可以评估台网的震动监测能力。因此，台网监测能力评估是矿震研究中非常基础且重要的一项内容。
2、本发明的技术任务是针对上述存在的问题，基于统计学的监测能力评估方法，提供一种台网监测能力评估方法。
3、一种台网监测能力评估方法，所述方法基于走时误差和波形质量误差，根据台站布设位置、波形数据以及监测范围，计算得到单台站的监测能力得分，再将各单台站监测能力得分叠加并归一化，得到台网监测能力评估值；
4、所述方法的实现包括：
5、步骤一：通过深度学习模型nes计算数值解，通过有限差分计算解析解，计算走时误差；
6、步骤二：根据波形数据的振幅衰减和射线追踪，计算波形质量误差；
7、步骤三：综合能力评估；
8、其中，射线追踪等效为走时问题，对于每次计算，给定任意台站的位置并将其作为射线追踪初始点，利用快速行进法正演得到走时场梯度信息，然后从初始点开始，沿走时梯度方向，按固定步长迭代追踪求取射线路径，直至射线追踪到激发点位置处。
9、更进一步的，所述方法在已知台站位置和震源位置，给定速度模型的前提下，计算得到地震波传播到各台站的走时ti；
10、根据互易定理，将台站位置作为震源，在监测范围内以台站为中心，地震波传播相同走时ti的范围看作单台站监测范围；
11、根据实际台站定位存在的误差，确定走时ti+δt的范围是矿震事件高发点的可能性位置，通过求解三维程函方程，求解到所述可能性位置。
12、更进一步的，所述三维程函方程的求解公式为：
13、
14、其中，为欧几里得范数，和表示相对于震源和台站坐标的梯度运算符，是速度模型， 为边界条件；
15、所述方程定义了所有源-台站对的走时，并受边界条件的约束。
16、更进一步的，所述三维程函方程的求解过程如下：
17、首先建立一个层状速度模型，将监测范围划分40*40*40的网格，参考台网的定位误差划分，将网格步长分别为90m*90m*30m；
18、设定监测区8个台站坐标作为模拟震源，监测范围内每个网格节点作为台站坐标，以有限差分计算得到的走时为解析解，以深度学习模型-nes计算得到的走时为数值解；
19、其中，解析解无误差，数值解有误差；
20、将所述数值解与解析解差的绝对值作为每个节点的绝对误差，其定义公式为：
21、
22、式中，为第i个节点处的误差，和分别是第i个节点处的数值解和解析解；
23、将所述绝对误差作为衡量台网监测能力评估的指标，其中，绝对误差小，监测能力强，绝对误差高，监测能力低。
24、更进一步的，所述方法以深度学习模型-nes计算数值解的过程包括：
25、所述通过基于pinn概念的新型神经程函求解器nes模型求解得到数值解，其中，nes模型的输入是台站坐标和速度模型，求解过程如下：
26、首先经过一个坐标缩放层，将输入的和映射到[-1,1]；
27、经过一个4层，每层75个神经元，激活函数选用高斯函数，初始权重以随机方法初始化的全连接神经网络来求解偏微分方程，输出震源到台站的走时场，其中，θ代表权重。
28、更进一步的，所述nes模型依据互易定理采用改进的因式分解，公式如下：
29、
30、其中，为距离函数，是神经网络输出，是边界函数或者激活函数，是sigmoid函数。
31、更进一步的，所述nes模型选择基于哈密顿量的l1范数作为损失函数，反向传播通过调整权重达到最小值，此时网络输出的是精确度最高的，计算公式如下：
32、
33、
34、其中，表示任意台站和任意震源的衰减函数，表示震源-台站对的数量，是哈密顿算子，损失函数基于哈密顿量的l1范数，通过测试得到最优解为；
35、其中基于哈密顿算子的损失函数是无量纲的，由实际速度模型控制。
36、更进一步的，所述方法以有限差分计算解析解过程包括：
37、所述是基于有限差分方法得到的解析解，将三维速度模型部分划分为若干正方体网格，求解三维程函方程，求解过程包括：
38、a点可设为震源点，走时为0，各个网格点的慢度为s，网格间距为h，则有：
39、
40、
41、
42、
43、上式中tb、tc、tg分别是一维、二维、三维有限差分算子，使用以上算子对划分的40*40*40的网格点进行计算，得到整个计算区域的解析走时；
44、将各个台站的走时误差叠加并归一化后得到总的走时误差图。
45、更进一步的，所述步骤二波形质量误差的计算过程包括：
46、根据前期大量数据收集，拟合监测区矿震台站振幅幅值与距离之间的关系，波形质量误差计算式如下：
47、
48、其中r代表振幅，表征波形质量误差，r代表距离，表征波形质量误差，来求取射线路径；
49、求解射线路径的过程是解程函方程的过程；
50、在各向同性介质，初至波前向传播的方向与射线的方向垂直，走时梯度的方向为射线的方向；
51、将射线追踪等效为走时问题，对于每次计算，给定任意台站的位置并将其作为射线追踪初始点，利用快速行进法正演得到走时场梯度信息，然后从初始点开始，沿走时梯度方向，按固定步长迭代追踪求取射线路径，直至射线追踪到激发点位置处；
52、以代表追踪点的当前位置，初始值为台站位置，h代表追踪补偿，下一追点的位置可表示为：
53、
54、其中，走时场通过所述步骤一过程计算获得，采用中心差分公式计算网格各节点走时梯度在三个不同方向上的分量，所述中心差分公式如下：
55、
56、对于计算区域中的非网格节点，所述速度模型中任意一点的梯度通过三线性插值公式近似，所述三线性插值公式如下：
57、
58、其中，∆x，∆y，∆z分别代表x,y,z方向上的网格间距，∇t1∽∇t8代表包含该点长方体网格八个顶点处对应的网格节点走时梯度，通过计算四次一阶导数来近似射线方程的taylor展开，取多个预估点处的走时梯度加权平均作为rn处的梯度值，即：
59、
60、其中：
61、
62、
63、
64、
65、进行迭代计算，当与激发点之间的距离小于给定误差的阈值，或者追踪路径的长度远小于追踪补偿时，则结束追踪计算；
66、通过上述的计算得到一系列的射线路径点的坐标；
67、射线路径距离的计算如下：
68、
69、把射线路径计算得到的结果代入到所述波形质量误差计算式中，得到最后的波形质量误差。
70、更进一步的，所述步骤三中能力评估的过程如下：
71、将台网走时误差进行叠加归一化后，监测区域的平均走时误差为:
72、scorett=100-100e
73、其中，e为归一化后的监测区平均走时误差，为走时误差得分；
74、将台网波形质量误差进行归一化，监测区域的平均波形衰减误差为:
75、scoreat=100-100a
76、其中a为归一化后的监测区平均波形质量误差，scoreat为波形质量误差得分；
77、联合走时误差和波形质量误差评估台网监测能力需要给相同的权重进行综合赋分，所以，台网的监测能力综合赋分为：
78、 。
79、与现有技术相比，本发明提供了评价矿震监测台网监测能力，并给出了从计算走时误差，计算波形质量误差，再综合赋分，这样的一套完整的方法计算流程。本发明方法依据已有的矿震台网布局，从台站记录数据入手，方便且数据好获取，从原理层面对台网监测能力进行客观评估，为设备排查和台网优化提供了一个可靠的数值依据，具有以下突出的有益效果：
80、1、数据易获取
81、本发明方法从最原始的数据记录，找到衡量监测能力的要点。相较于已有的方法需要大量的波形事件，震相文件，矿震目录等，只需要台网的布设位置，速度模型，监测范围即可实施评估。对于走时误差利用互易定理，利用解析解和数值解的误差作为评估指标，对于波形质量误差，利用能量随距离的衰减作为评估指标。本发明方法可融入现有的绝大多数矿震一体化监测系统。
82、2、对台网定位能力的指导性强
83、通过对台网监测能力进行评估，能够确定台网定位矿震事件低误差区域和高误差区域，这种评估通常涉及分析台网的空间布局、台站之间的距离、检测设备的灵敏度，以及地质结构对波传播的影响等多个因素。通过这些信息，可以绘制出台网在不同地区定位准确度的空间分布图，从而明确指出哪些区域的矿震事件可以被较为精确地定位，哪些区域可能会面临较大的定位误差。进一步地，通过识别定位误差较大的区域，研究人员和工程师可以有针对性地增设台站，调整台站的位置，或者升级检测设备，以提高这些区域的监测和定位精度。
84、3、方法新颖
85、本发明首次采用走时误差和波形质量误差联合评估台网监测能力。在走时误差计算中提出衡量走时误差的标准“绝对误差”，在波形质量误差计算中，拟合波形质量误差的标准“r=0.5206ln(r)+0.0481”，综合赋分中根据重要性分别赋予1：1的权重。
1.一种台网监测能力评估方法，其特征在于，所述方法基于走时误差和波形质量误差，根据台站布设位置、波形数据以及监测范围，计算得到单台站的监测能力得分，再将各单台站监测能力得分叠加并归一化，得到台网监测能力评估值；
2.根据权利要求1所述的一种台网监测能力评估方法，其特征在于，
3.根据权利要求2所述的一种台网监测能力评估方法，其特征在于，所述三维程函方程的求解公式为：
4.根据权利要求2或3所述的一种台网监测能力评估方法，其特征在于，
5.根据权利要求4所述的一种台网监测能力评估方法，其特征在于，
6.根据权利要求5所述的一种台网监测能力评估方法，其特征在于，
7.根据权利要求5所述的一种台网监测能力评估方法，其特征在于，
8.根据权利要求5所述的一种台网监测能力评估方法，其特征在于，所述方法以有限差分计算解析解过程包括：
9.根据权利要求3所述的一种台网监测能力评估方法，其特征在于，所述步骤二波形质量误差的计算过程包括：
10.根据权利要求9所述的一种台网监测能力评估方法，其特征在于，所述步骤三中能力评估的过程如下：
