專利名稱：：根據巖芯餅化識別地應力的智能裝置的制作方法
技術領域：
：本實用新型涉及一種通過巖芯餅化識別地應力的方法和裝置，尤其是涉及到一種基于自動攝像技術和電腦智能分析的巖芯餅化識別地應力的系統。
背景技術：
：隨著我國基礎建設的進行，巖石力學與工程領域的建設項目日益增多，出現越來越多的深部巖石工程，例如深部采礦工程、深部石油開采工程等。深部工程的現場地應力是決定鉆井設計、施工成敗和水力致裂參數的關鍵因素。目前對于深部巖石工程的原巖地應力而言，現有的水壓致裂法、應力解除法等常規測試方法受到限制，無法實施。在高應力環境中進行巖石取芯過程中，常常發現巖芯存在著餅狀的斷裂現象，這些巖餅斷裂模式及餅化厚度的不同，對應著原巖地應力的不同分布規律，因此人們憑經驗通過巖石取芯過程中巖芯破壞的模式來推斷原巖應力。但是由于巖芯餅化的機理和影響因素比較復雜，破壞模式與巖石自身性質和應力環境狀態均有很大的關系，這些原巖應力的推斷方法有很大的盲目性和隨意性。
發明內容為了克服深部原巖應力監測和識別方法的不足，本實用新型提供了一種集數碼攝像、圖象識別、數值計算與優化的通過巖芯餅化模式自動推測深部原巖地應力的裝置和方法。彌補傳統的地應力監測方法的不足，節省可觀的監測費用，具有重要的意義。本實用新型解決其技術問題所采用的方案是先通過數碼攝像方法獲得巖芯破壞的情況，利用計算機的圖象識別技術，結合巖芯餅化力學有限元的數值模擬，采用差異進化的優化方法進行破壞模式的識別，搜索到與餅化厚度一致的原巖應力狀態。這種技術方案，利用了計算機的數值計算和優化識別能力，在原巖應力的優化識別過程中，不事先人為確定破壞形式(拉伸破壞、或剪切破壞)，而是基于巖土工程廣泛應用的莫爾_庫侖準則獲得彈性力學框架的單元安全度，在有限元中識別到單元達到極限破壞狀態，則該單元破壞。具體技術內容如下—種根據巖芯餅化識別地應力的裝置，其特征在于包括數碼相機和計算機；所述計算機包括巖餅裂隙圖像識別單元、巖芯餅化數值模擬單元和差異進化算法單元；所述巖餅裂隙圖像識別單元，用于根據數碼照片巖芯裂隙呈現的顏色的差異，識別出裂隙的間距和角度；所述巖芯餅化數值模擬單元，用于根據巖芯的尺寸和力學性質建立數值模型并進行有限元模擬；所述差異進化算法單元，用于根據差異進化算法對地應力進行優化搜索；所述括數碼相機通過數據線將巖餅裂隙圖像傳輸到計算機中，先將巖餅裂隙圖像數據通過計算機內部總線傳輸到餅裂隙圖像識別單元中，后在通過總線將識別后的數據傳輸到巖芯餅化數值模擬單元中，再通過總線將建立的數值模型數據傳輸到巖芯餅化數值模擬單元中進行優化搜索處理，最后通過數據線將結果通過計算機顯示單元進行顯示。本實用新型的有益效果是通過鉆取巖芯的破壞模式來識別原巖應力，很大程度節省了地應力監測的成本。利用集成智能方法識別地應力克服了已有的巖芯破壞試驗和先驗信息不足的局限性，利用智能優化和數值計算手段搜索巖芯破壞模式所對應的原巖地應力，避免了人為判斷餅化破壞模式的盲目性。圖1為本實用新型巖芯餅化的力學模型；圖2為圖1的模型剖面結構示意圖；圖3為本實用新型巖芯餅化地應力識別裝置的結構示意圖；圖4為本實用新型巖芯餅化識別地應力的差異算法流程圖；圖5為本實用新型巖芯的數碼照片；圖6_a為本實用新型巖芯三維模型網格結構示意圖；圖6-b為本實用新型潛在破壞面的特征測點結構示意圖；圖7為本實用新型實施例中差異進化的迭代曲線示意具體實施方式如圖1、2所示為巖芯餅化的力學模型及模型剖面視圖，在巖石力學性質測定，施工動態和非均質性因素忽略的條件下，巖芯餅化可以概化成圖1、2所示的模型，模型邊界應力(對應原巖應力)，巖臺高度(對應巖芯餅化的厚度L2)有著非線性的對應關系(該關系一般通過數值模擬表達)，將會造成巖芯底部的應力集中程度和大小不同，從而決定巖芯是否破壞。考察圖1、2巖臺高度L2的巖芯底部的潛在破壞面，如果能夠形成厚度為L2的巖餅，則說明該面上的點處于臨界破壞狀態。地應力識別基本思想是先假設一組原巖應力作為初值，用彈性數值法計算實際巖臺尺寸底部的應力分布，計算與觀測一致的潛在破壞面上各單元的應力狀態和安全系數，并判斷是否符合失效準則，直到計算破壞貫通面最接近臨界破壞狀態，此時的邊界應力即為所求。圖3是巖芯餅化地應力識別的裝置的結構示意圖，該裝置主要由數碼相機和電腦組成。先由數碼相機拍下巖芯的數碼照片，然后根據巖餅裂隙圖像識別單元對其進行圖象識別原理，其原理是根據數碼照片巖芯裂隙呈現的顏色的差異，識別出裂隙的間距和角度，即獲得圖2中的L2。然后由巖芯餅化數值模擬單元根據巖芯的尺寸和力學性質建立數值模型并進行有限元模擬，有限元中引入莫爾庫侖強度準則，判斷破壞的單元。最后通過差異進化算法單元將數碼相機觀測的L2與數值模擬結果對比，進行原巖應力的搜索。差異進化算法(DifferenceEvolution,DE)是一種新型直接全局優化算法，與遺傳算法比，該算法不進行編碼和解碼操作，使用上大為簡化。所以差異進化算法單元主要是利用處理器根據差異進化算法對地應力進行優化搜索，以便得到真實地應力的分部情況，并通過電腦的顯示單元進行顯示，這里將差異進化算法單元集成在所述的電腦中。DE算法對初始值無要求，收斂速度快，對各種非線性函數適應性強，具有并行運算特性，尤其適應于多變量復雜問題的尋優。在DE算法中，所有的新個體以相同的幾率被選為父代，并不依賴于個體適應度。DE算法采用貪婪選擇過程，也就是在新個體及其父代個體中挑選較優的作為下一代，與遺傳算法相比，具有更快收斂速度。DE算法依然保留著類似遺傳算法的三種遺傳操作，包括雜交、變異和選擇，但無須編碼解碼。在構造新個體方面，DE算法主要依靠變異操作。[0019]如圖4所示該巖芯餅化識別地應力方法的具體操作步驟如下A01:工程介紹及確定待識別的地應力系數，通過收集工程地質調查數據，預估地應力范圍，選擇待識別的地應力變量。本實施例中以研究對象為某一個高應力地區，該區域曾經通過微裂隙應力試驗、微塑性應變恢復等多種方法進行過地應力研究。已有研究的資料表明，該區域的地應力體系是豎直方向為最大主應力方向，數值上等于上覆巖層的自重。根據巖芯的深度及巖層的密度，水平應力和豎直應力按照國際單位制，豎直應力可以表示成如下公式ov=22.62*H(1)水平主應力有待識別，以最小水平主應力系數kl和最大水平主應力系數k2為待識別的地應力變量表示如下[0023]oH=k2*ov(2)[0024]oh=ov(3)在公式中，ov為豎直應力(KPa)，H為深度(m)，、和k2分別為最小水平主應力系數和為最大水平主應力系數，是大于kO小于l的小數Oh為最小水平應力，011為最大水平主應力(中主應力)，kO是自重側壓力系數，可由下式求得[0026]k。=u/(l_u)(4)由公式5-8可知，該區域地應力體系的識別相當于識別系數、和k2。[0028]B01(A02):巖芯鉆取(巖芯數碼攝像)，由于識別的參數是2個，考慮識別唯一性的問題，選取該區域兩個測井的兩組巖芯(前者為水平巖芯，取芯方向與最小主應力一致，深度為2907.5m。后者為豎直巖芯，深度為3200.lm。)進行數碼攝像，并通過計算機圖象分析，得到前者巖餅厚度與巖芯半徑之比為2.11;后者巖餅厚度與巖心半徑之比為1.09。[0029]B02(B03):建立三維數值模型，根據步驟A01獲取的資料信息和步B01(A02)已識別的圖像信息，建立巖芯鉆取的三維有限元模型，如圖6所示的兩組巖芯的情況，將其分別概化建立2個三維有限元模型，其中第一個豎向巖芯的模型的剖面見圖6-a所示，根據識別的巖餅厚度與巖芯半徑之比為2.ll，確定巖芯潛在的破壞面，在潛在的破壞面上設測點1、2、3、……9如圖6-b所示。用同樣的方法可以建立水平巖芯的模型。再施加應力邊界條件，模擬實際巖芯受力狀況，根據實際觀測的巖芯斷裂面，即觀測餅化厚度在模型中相應的位置設置的測點是否處于破壞狀態，通過下述地應力識別的有約束的優化問題的目標函數獲取地應力變量血(1-聰(5)式中&=min{Fsi，Fti}，其中&為潛在面上觀測點的第i個單元的抗剪安全度Fsi和抗拉安全度Fti的最小值，K為潛在破壞面上單元個數即測點個數；在模型中的巖芯直徑和巖臺高度L2對應著步驟b攝象獲得的巖芯直徑和巖餅厚度，模型一般取立方體，邊長為巖芯直徑的58倍。其中模型計算采用的材料計算參數，通過步驟A01獲得。這樣就對應算法的每一個個體(即一組地應力系數)，根據前述步驟已經建立的網格、力學參數和進行數值計算。A03:差異進化算法初始化。在步驟B02(B03)的模型中所述施加應力邊界條件后，對應使潛在破壞面的單元剛好破壞，將地應力變量作為差異進化算法的搜索變量，將數值計算潛在破壞面的單元安全度情況作為差異進化算法的評價值，這樣將步驟c中的數值計算嵌入到差異進化算法中，設置差異進化初始參數優化變量數目和種群數量，同時設置縮放因子F和雜交概率常數CR值；設定收斂準則最小適應值或者最大迭代步數，進行優化搜索計算(數值模型的參數按照步驟C)。將地應力變量作為差異進化優化的變量，將兩組巖芯潛在破壞面的單元安全度作為適應值，進行優化。適應值計算需要調用數值模型，根據勘測，主要力學參數選取如下，抗拉強度2.5MPa，泊松比取0.2，彈性模量E為20GPa，粘聚力為12.5MPa，內摩擦角為27。。設置差異進化算法的初始化參數如下粒子向量維數為2維，對應、和k2，種群規模Np為10，算法迭代次數為40，學習因子CR=0.7，縮放因子F=0.7。根據工程情況，可設定地應力上下限，所識別的參數kj勺范圍為(0.25-l)，k2的范圍為(0.25-1)，第一代個體在0.25-1之間隨機賦值。具體的計算過程為令第G代種群中個體的數量為NP，第G代中向量可以表示為Xi(G)，i=1，2，…，NP，每個向量個體包含D個分量，DE算法過程如下[0034]1)產生初始種群。在D維空間里隨機產生滿足自變量上下界約束的NP的個個體，公式如下Xij(O)=randij(O，1)(XijU-Xij丄)+Xij丄(6)[0036]i=l，2，...，Np;j=l，2，…，D.式中XijU、XijL分別為第j個分量的上界和下界，randij(O，1)是[0，1]之間的隨機數。這Np個個體對應著Np個地應力系數。根據下公式(5)計算適應值，式中抗剪安全度Fsi和抗拉安全度Fti可以通過有限元數值模擬計算得到。下面是進行差異進化算法的流程，保證個體的迭代越來越趨向最優值。A04:個體適應值評價，結合步驟B01(A02)以及步驟A03設定的參數，差異進化算法把每一個可能的解看成一個個體，先隨機產生Np個可能的地應力變量(Np稱為種群)，根據這些地應力變量，分別按照步驟B02(B03)分別計算潛在破壞面單元的安全度，其中單元安全度是基于彈性力學的框架并結合摩爾庫侖準則得到的，將單元安全度與1的誤差作為適應值，結合步驟B02(B03)中的計算公式如下M!'W(S二afo(l-巧)》進行計算；潛在破壞面上這個適應值越小，說明這個面越接近臨界破壞，對應的地應力變量也就越接近真實地應力。在上述隨機產生Np個個體進行適應值計算的基礎上，差異進化算法按以下步驟進行Np個個體(解)的迭代更新。下列差異進化演化機制，保證了更新個體能快速地接近最優解，即要搜索的地應力。本文適應值計算公式只是諸多的計算公式其中之一，可根據不同的破壞判定準則進行調整。A05:變異操作，縮放種群中任意兩個目標向量個體之間的差值并疊加到種群中的第3個向量個體上，形成新的變量，計算公式如下Vi,j(G+l)=xrlj(G)+F(xr2j(G)-xr3j(G))(7)其中:G為第G代種群，Xi(G)為第G代中向量(i=1，2，…，Np)，Np為種群規模，每個向量個體包含D個分量，D為空間維數，對于第G代每個目標向量，其變異向量第j分量為公式(7)中下標rl，r2，r3為[l，Np]中的隨機整數且互不相同，F為縮放因子；用來調節向量差異的步長幅值，在02內取值。以上公式是基本的變異模式，被稱作DE/rand/1模式。隨著該公式的改變，尚能形成其他模式，如DE/best/l、DE/best/2、DE/rand/2。[0042]A06:交叉操作，將目標向量Xi(G)與變異向量Vi(G+l)按照如下規則雜交，生成新的試樣向量Ui(G+l)，計算公式如下6[0043]<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(8)式中rjg[oa]為與向量第j個分量對應的隨機數；CRg[O，l]為雜交概率常數；r^為在1，2，...，D中隨機挑選一個整數，以確保變異向量Vi，j(G+l)中，至少有一個分量被試樣向量Ui(G+l)采用；Ui(G+l)是變異生成的新個體。A07:選擇操作，所有試樣向量Ui(G+l)調用步驟A04進行適應值計算，采用貪婪搜索方法進行選擇操作。將試樣向量Ui(G+l)與原來的目標向量xi(G)比較，如果Ui(G+l)對應較小的適應值，則選擇向量Ui(G+l);反之如果，xi(G)對應較小的目標函數值，則保留向量Xi(G)，這樣得到新一代Np的個體。最后判斷是否符合最小適應值或者迭代次數的收斂準則(差異進化算法的收斂曲線見圖7)，如果不符合終止準則，轉到e繼續差異進化的迭代和數值計算，如果符合終止準則，結束迭代輸出識別的地應力結果。A08:輸出地應力，差異進化搜索的地應力結果見表1。表1不同適應度函數的搜索結果<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>[0050]由表可見，最后識別的結果kl為0.87，k2為0.88，該應力條件下上述巖芯最符合觀測的破壞情況。已有的研究表明，該區域的最大主應力為豎直方向，而其它兩個主應力在水平方向，監測結果對應的、和k2分別為0.898和0.890。本文的識別結果和上述研究結果有較好的一致性。由于各單元受力的不均勻性，適應值很難正好等于0，因為搜索的結果是最小值，認為所對應的地應力即為識別的地應力。以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術領域：
的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，根據本實用新型的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。權利要求一種根據巖芯餅化識別地應力的裝置，其特征在于包括數碼相機和計算機；所述計算機包括巖餅裂隙圖像識別單元、巖芯餅化數值模擬單元和差異進化算法單元；所述巖餅裂隙圖像識別單元，用于根據數碼照片巖芯裂隙呈現的顏色的差異，識別出裂隙的間距和角度；所述巖芯餅化數值模擬單元，用于根據巖芯的尺寸和力學性質建立數值模型并進行有限元模擬；所述差異進化算法單元，用于根據差異進化算法對地應力進行優化搜索；所述數碼相機通過數據線將巖餅裂隙圖像傳輸到計算機中，先將巖餅裂隙圖像數據通過計算機內部總線傳輸到餅裂隙圖像識別單元中，后在通過總線將識別后的數據傳輸到巖芯餅化數值模擬單元中，再通過總線將建立的數值模型數據傳輸到差異進化算法單元中進行優化搜索處理，最后通過數據線將結果通過計算機顯示單元進行顯示。專利摘要本實用新型公開了一種根據巖芯餅化識別地應力的裝置，其特征在于包括數碼相機和計算機；數碼相機通過數據線將巖餅裂隙圖像傳輸到計算機中，先將巖餅裂隙圖像數據通過計算機內部總線傳輸到餅裂隙圖像識別單元中，后在通過總線將識別后的數據傳輸到巖芯餅化數值模擬單元中，再通過總線將建立的數值模型數據傳輸到差異進化算法單元中進行優化搜索處理，最后通過數據線將結果通過計算機顯示單元進行顯示。該裝置通過鉆取巖芯的破壞模式來識別原巖應力，很大程度節省了地應力監測的成本。利用集成智能方法識別地應力克服了已有的巖芯破壞試驗和先驗信息不足的局限性，避免了人為判斷餅化破壞模式的盲目性適于在地應力測試領域廣泛推廣。文檔編號G01L1/00GK201535704SQ20092001547公開日2010年7月28日申請日期2009年7月20日優先權日2009年7月20日發明者姜諳男申請人:大連海事大學