專利名稱：：一種根據(jù)巖芯餅化識別地應(yīng)力的智能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種通過巖芯餅化識別地應(yīng)力的方法和裝置，尤其是涉及到一種基于自動(dòng)攝像技術(shù)和電腦智能分析的巖芯餅化識別地應(yīng)力的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的進(jìn)行，巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域的建設(shè)項(xiàng)目日益增多，出現(xiàn)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(xiàn)場地應(yīng)力是決定鉆井設(shè)計(jì)、施工成敗和水力致裂參數(shù)的關(guān)鍵因素。目前對于深部巖石工程的原巖地應(yīng)力而言，現(xiàn)有的水壓致裂法、應(yīng)力解除法等常規(guī)測試方法受到限制，無法實(shí)施。在高應(yīng)力環(huán)境中進(jìn)行巖石取芯過程中，常常發(fā)現(xiàn)巖芯存在著餅狀的斷裂現(xiàn)象，這些巖餅斷裂模式及餅化厚度的不同，對應(yīng)著原巖地應(yīng)力的不同分布規(guī)律，因此人們憑經(jīng)驗(yàn)通過巖石取芯過程中巖芯破壞的模式來推斷原巖應(yīng)力。但是由于巖芯餅化的機(jī)理和影響因素比較復(fù)雜，破壞模式與巖石自身性質(zhì)和應(yīng)力環(huán)境狀態(tài)均有很大的關(guān)系，這些原巖應(yīng)力的推斷方法有很大的盲目性和隨意性。
發(fā)明內(nèi)容為了克服深部原巖應(yīng)力監(jiān)測和識別方法的不足，本發(fā)明提供了一種集數(shù)碼攝像、圖象識別、數(shù)值計(jì)算與優(yōu)化的通過巖芯餅化模式自動(dòng)推測深部原巖地應(yīng)力的裝置和方法。彌補(bǔ)傳統(tǒng)的地應(yīng)力監(jiān)測方法的不足，節(jié)省可觀的監(jiān)測費(fèi)用，具有重要的意義。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的方案是先通過數(shù)碼攝像方法獲得巖芯破壞的情況，利用計(jì)算機(jī)的圖象識別技術(shù)，結(jié)合巖芯餅化力學(xué)有限元的數(shù)值模擬，采用差異進(jìn)化的優(yōu)化方法進(jìn)行破壞模式的識別，搜索到與餅化厚度一致的原巖應(yīng)力狀態(tài)。這種技術(shù)方案，利用了計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化識別能力，在原巖應(yīng)力的優(yōu)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(yīng)用的莫爾-庫侖準(zhǔn)則獲得彈性力學(xué)框架的單元安全度，在有限元中識別到單元達(dá)到極限破壞狀態(tài)，則該單元破壞。具體技術(shù)內(nèi)容如下一種根據(jù)巖芯餅化識別地應(yīng)力的方法，其特征在于包括如下步驟a、通過收集工程地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，預(yù)估地應(yīng)力范圍，選擇待識別的地應(yīng)力變b、通過攝像設(shè)備對鉆取巖芯進(jìn)行攝像，并對獲取的圖像進(jìn)行識別，即識別出巖芯裂隙的間距和角度；c、根據(jù)步驟a獲取的資料信息和步驟b已識別的圖像信息，建立巖芯鉆取的三維有限元模型，同時(shí)施加應(yīng)力邊界條件，模擬實(shí)際巖芯受力狀況，根據(jù)實(shí)際觀測的巖芯斷裂面，即餅化厚度在模型中相應(yīng)的位置設(shè)置1個(gè)以上的測點(diǎn)，后根據(jù)上述測點(diǎn)是否處于破壞狀態(tài)，通過下述地應(yīng)力識別的有約束的優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)獲取地應(yīng)力變量-式中f^min圯，i^，其中E為潛在面上觀測點(diǎn)的第i個(gè)單元的抗剪安全度《,和抗拉安全度F,,的最小值，/r為潛在破壞面上單元個(gè)數(shù)即測點(diǎn)個(gè)數(shù)；d、優(yōu)化算法初始化在步驟C的模型中所述施加應(yīng)力邊界條件后，對應(yīng)使?jié)撛谄茐拿娴膯卧獎(jiǎng)偤闷茐模瑢⒌貞?yīng)力變量作為差異進(jìn)化算法的搜索變量，將數(shù)值計(jì)算潛在破壞面的單元安全度情況作為差異進(jìn)化算法的評價(jià)值，這樣將步驟c中的數(shù)值計(jì)算嵌入到差異進(jìn)化算法中，設(shè)置差異進(jìn)化初始參數(shù)優(yōu)化變量數(shù)目和種群數(shù)量，同時(shí)設(shè)置縮放因子F和雜交概率常數(shù)CR值；設(shè)定收斂準(zhǔn)則最小適應(yīng)值或者最大迭代歩數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化搜索計(jì)算；e、算法適應(yīng)值評價(jià)結(jié)合步驟d設(shè)定的參數(shù)，差異進(jìn)化算法把每一個(gè)可能的解看成一個(gè)個(gè)體，先隨機(jī)產(chǎn)生Np個(gè)可能的地應(yīng)力變量(Np稱為種群)，根據(jù)這些地應(yīng)力變量，分別按照步驟c分別計(jì)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(xué)的框架并結(jié)合摩爾庫侖準(zhǔn)則得到的，將單元安全度與1的誤差作為適應(yīng)值，結(jié)合步驟C中的計(jì)算公式如下M^(S二幽(l-f)》進(jìn)行計(jì)算；f、變異操作縮放種群中任意兩個(gè)目標(biāo)向量個(gè)體之間的差值并疊加到種群中的第3個(gè)向量個(gè)體上，形成新的變量，計(jì)算公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中G為第G代種群，Xi(G)為第G代中向量(i=l，2，*"，Np)，Np為種群規(guī)模，每個(gè)向量個(gè)體包含D個(gè)分量，D為空間維數(shù)，對于第G代每個(gè)目標(biāo)向量，其變異向量第j分量為公式中下標(biāo)rl,r2，r3為[l,Np]中的隨機(jī)整數(shù)且互不相同，F(xiàn)為縮放因子；g、交叉操作將目標(biāo)向量A(G)與變異向量K(G+l)按照如下規(guī)則雜交，生成新的試樣向量"(G+l)，計(jì)算公式如下式中為與向量第J'個(gè)分量對應(yīng)的隨機(jī)數(shù)；CRG為雜交概率常數(shù)；rrii為在l，2，…，D中隨機(jī)挑選一個(gè)整數(shù)，以確保變異向量、」(G+l)中，至少有一個(gè)分量被試樣向量",w采用；",(G+1)是變異生成的新個(gè)體；h、選擇操作所有試樣向量",(G+1)調(diào)用步驟e進(jìn)行適應(yīng)值計(jì)算，將試樣向量仏(G+l)與原來的目標(biāo)向量Xi(G)比較，如果",(G+1)對應(yīng)較小的適應(yīng)值，則選擇向量",(G+1);反之如果，A(G)對應(yīng)較小的目標(biāo)函數(shù)值，則保留向量A(G)，這樣得到新一代Np的個(gè)體；i、判斷是否符合最小適應(yīng)值或者迭代次數(shù)的收斂準(zhǔn)則，如果不符合終止準(zhǔn)則，轉(zhuǎn)到e繼續(xù)差異進(jìn)化的迭代和數(shù)值計(jì)算，如果符合終止準(zhǔn)則，結(jié)束迭代輸出識別的地應(yīng)力結(jié)果。所述步驟C中的建立巖芯鉆取的三維有限元模型的具體操作如下在模型中的巖芯直徑和巖臺高度對應(yīng)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。一種根據(jù)巖芯餅化識別地應(yīng)力的裝置，其特征在于包括數(shù)碼相機(jī)和計(jì)算機(jī)；所述計(jì)算機(jī)包括巖餅裂隙圖像識別單元、巖芯餅化數(shù)值模擬單元和差異進(jìn)化算法單元；所述巖餅裂隙圖像識別單元，用于根據(jù)數(shù)碼照片巖芯裂隙呈現(xiàn)的顏色的差異，識別出裂隙的間距和角度；所述巖芯餅化數(shù)值模擬單元，用于根據(jù)巖芯的尺寸和力學(xué)性質(zhì)建立數(shù)值模型并進(jìn)行有限元模擬；所述差異進(jìn)化算法單元，用于根據(jù)差異進(jìn)化算法對地應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化搜索；所述數(shù)碼相機(jī)通過數(shù)據(jù)線將巖餅裂隙圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，先將巖餅裂隙圖像數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線傳輸?shù)斤灹严秷D像識別單元中，后在通過總線將識別后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綆r芯餅化數(shù)值模擬單元中，再通過總線將建立的數(shù)值模型數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲町愡M(jìn)化算法單元中進(jìn)行優(yōu)化搜索處理，最后通過數(shù)據(jù)線將結(jié)果通過計(jì)算機(jī)顯示單元進(jìn)行顯示。本發(fā)明的有益效果是通過鉆取巖芯的破壞模式來識別原巖應(yīng)力，很大程度節(jié)省了地應(yīng)力監(jiān)測的成本。利用集成智能方法識別地應(yīng)力克服了已有的巖芯破壞試驗(yàn)和先驗(yàn)信息不足的局限性，利用智能優(yōu)化和數(shù)值計(jì)算手段搜索巖芯破壞模式所對應(yīng)的原巖地應(yīng)力，避免了人為判斷餅化破壞模式的盲目性。圖1為本發(fā)明巖芯餅化的力學(xué)模型；圖2為圖1的模型剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明巖芯餅化地應(yīng)力識別裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明巖芯餅化識別地應(yīng)力的差異算法流程圖；圖5為本發(fā)明巖芯的數(shù)碼照片；圖6-a為本發(fā)明巖芯三維模型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖；圖6-b為本發(fā)明潛在破壞面的特征測點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例中差異進(jìn)化的迭代曲線示意圖；具體實(shí)施例方式如圖1、2所示為巖芯餅化的力學(xué)模型及模型剖面視圖，在巖石力學(xué)性質(zhì)測定，施工動(dòng)態(tài)和非均質(zhì)性因素忽略的條件下，巖芯餅化可以概化成圖l、2所示的模型，模型邊界應(yīng)力(對應(yīng)原巖應(yīng)力)，巖臺高度(對應(yīng)巖芯餅化的厚度L2)有著非線性的對應(yīng)關(guān)系(該關(guān)系一般通過數(shù)值模擬表達(dá))，將會(huì)造成巖芯底部的應(yīng)力集中程度和大小不同，從而決定巖芯是否破壞?？疾靾D1、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(diǎn)處于臨界破壞狀態(tài)。地應(yīng)力識別基本思想是先假設(shè)一組原巖應(yīng)力作為初值，用彈性數(shù)值法計(jì)算實(shí)際巖臺尺寸底部的應(yīng)力分布，計(jì)算與觀測一致的潛在破壞面上各單元的應(yīng)力狀態(tài)和安全系數(shù)，并判斷是否符合失效準(zhǔn)則，直到計(jì)算破壞貫通面最接近臨界破壞狀態(tài)，此時(shí)的邊界應(yīng)力即為所求。圖3是巖芯餅化地應(yīng)力識別的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置主要由數(shù)碼相機(jī)和電腦組成。先由數(shù)碼相機(jī)拍下巖芯的數(shù)碼照片，然后根據(jù)巖餅裂隙圖像識別單元對其進(jìn)行圖象識別原理，其原理是根據(jù)數(shù)碼照片巖芯裂隙呈現(xiàn)的顏色的差異，識別出裂隙的間距和角度，即獲得圖2中的U。然后由巖芯餅化數(shù)值模擬單元根據(jù)巖芯的尺寸和力學(xué)性質(zhì)建立數(shù)值模型并進(jìn)行有限元模擬，有限元中引入莫爾庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，判斷破壞的單元。最后通過差異進(jìn)化算法單元將數(shù)碼相機(jī)觀測的L2與數(shù)值模擬結(jié)果對比，進(jìn)行原巖應(yīng)力的搜索。差異進(jìn)化算法(DifferenceEvolution,DE)是一種新型直接全局優(yōu)化算法，與遺傳算法比，該算法不進(jìn)行編碼和解碼操作，使用上大為簡化。所以差異進(jìn)化算法單元主要是利用處理器根據(jù)差異進(jìn)化算法對地應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化搜索，以便得到真實(shí)地應(yīng)力的分部情況，并通過電腦的顯示單元進(jìn)行顯示，這里將差異進(jìn)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(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，具有并行運(yùn)算特性，尤其適應(yīng)于多變量復(fù)雜問題的尋優(yōu)。在DE算法中，所有的新個(gè)體以相同的幾率被選為父代，并不依賴于個(gè)體適應(yīng)度。DE算法采用貪婪選擇過程，也就是在新個(gè)體及其父代個(gè)體中挑選較優(yōu)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(gòu)造新個(gè)體方面，DE算法主要依靠變異操作。如圖4所示該巖芯餅化識別地應(yīng)力方法的具體操作歩驟如下A01:工程介紹及確定待識別的地應(yīng)力系數(shù)，通過收集工程地質(zhì)調(diào)査數(shù)據(jù)，預(yù)估地應(yīng)力范圍，選擇待識別的地應(yīng)力變量。本實(shí)施例中以研究對象為某一個(gè)高應(yīng)力地區(qū)，該區(qū)域曾經(jīng)通過微裂隙應(yīng)力試驗(yàn)、微塑性應(yīng)變恢復(fù)等多種方法進(jìn)行過地應(yīng)力研究。己有研究的資料表明，該區(qū)域的地應(yīng)力體系是豎直方向?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力方向，數(shù)值上等于上覆巖層的自重。根據(jù)巖芯的深度及巖層的密度，水平應(yīng)力和豎直應(yīng)力按照國際單位制，豎直應(yīng)力可以表示成如下公式<rv=22.62*//(D水平主應(yīng)力有待識別，以最小水平主應(yīng)力系數(shù)kl和最大水平主應(yīng)力系數(shù)k2為待識別的地應(yīng)力變量表示如下=W(3)在公式中，為豎直應(yīng)力(KPa)，H為深度(m)，匕和k2分別為最小水平主應(yīng)力系數(shù)和為最大水平主應(yīng)力系數(shù)，是大于kO小于1的小數(shù)為最小水平應(yīng)力，為最大水平主應(yīng)力(中主應(yīng)力)，kO是自重側(cè)壓力系數(shù)，可由下式求得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>由公式5-8可知，該區(qū)域地應(yīng)力體系的識別相當(dāng)于識別系數(shù)h和k2。B01(A02):巖芯鉆取(巖芯數(shù)碼攝像)，由于識別的參數(shù)是2個(gè)，考慮識別唯一性的問題，選取該區(qū)域兩個(gè)測井的兩組巖芯(前者為水平巖芯，取芯方向與最小主應(yīng)力一致，深度為2907.5m。后者為豎直巖芯，深度為3200.lm。)進(jìn)行數(shù)碼攝像，并通過計(jì)算機(jī)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。B02(B03):建立三維數(shù)值模型，根據(jù)歩驟A01獲取的資料信息和步B0KA02)己識別的圖像信息，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(gè)三維有限元模型，其中第一個(gè)豎向巖芯的模型的剖面見圖6-a所示，根據(jù)識別的巖餅厚度與巖芯半徑之比為2.11，確定巖芯潛在的破壞面，在潛在的破壞面上設(shè)測點(diǎn)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(yīng)力邊界條件，模擬實(shí)際巖芯受力狀況，根據(jù)實(shí)際觀測的巖芯斷裂面，即觀測餅化厚度在模型中相應(yīng)的位置設(shè)置的測點(diǎn)是否處于破壞狀態(tài)，通過下述地應(yīng)力識別的有約束的優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)獲取地應(yīng)力變量她C(1-(5)式中巧=min{《'，。，其中&為潛在面上觀測點(diǎn)的第i個(gè)單元的抗剪安全度《'和抗拉安全度《'的最小值，K為潛在破壞面上單元個(gè)數(shù)即測點(diǎn)個(gè)數(shù)；在模型中的巖芯直徑和巖臺高度L2對應(yīng)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(jì)算采用的材料計(jì)算參數(shù)，通過步驟A01獲得。這樣就對應(yīng)算法的每一個(gè)個(gè)體(即一組地應(yīng)力系數(shù))，根據(jù)前述步驟已經(jīng)建立的網(wǎng)格、力學(xué)參數(shù)和進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。A03:差異進(jìn)化算法初始化。在步驟B02(B03)的模型中所述施加應(yīng)力邊界條件后，對應(yīng)使?jié)撛谄茐拿娴膯卧獎(jiǎng)偤闷茐模瑢⒌貞?yīng)力變量作為差異進(jìn)化算法的搜索變量，將數(shù)值計(jì)算潛在破壞面的單元安全度情況作為差異進(jìn)化算法的評價(jià)值，這樣將歩驟c中的數(shù)值計(jì)算嵌入到差異進(jìn)化算法中，設(shè)置差異進(jìn)化初始參數(shù)優(yōu)化變量數(shù)目和種群數(shù)量，同時(shí)設(shè)置縮放因子F和雜交概率常數(shù)CR值；設(shè)定收斂準(zhǔn)則最小適應(yīng)值或者最大迭代步數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化搜索計(jì)算(數(shù)值模型的參數(shù)按照步驟C)。將地應(yīng)力變量作為差異進(jìn)化優(yōu)化的變量，將兩組巖芯潛在破壞面的單元安全度作為適應(yīng)值，進(jìn)行優(yōu)化。適應(yīng)值計(jì)算需要調(diào)用數(shù)值模型，根據(jù)勘測，主要力學(xué)參數(shù)選取如下，抗拉強(qiáng)度2.5MPa，泊松比取0.2，彈性模量E為20GPa，粘聚力為12.5MPa,內(nèi)摩擦角為27°。設(shè)置差異進(jìn)化算法的初始化參數(shù)如下粒子向量維數(shù)為2維，對應(yīng)h和k2，種群規(guī)模Np為10，算法迭代次數(shù)為40，學(xué)習(xí)因子CR=0.7，縮放因子F二O.7。根據(jù)工程情況，可設(shè)定地應(yīng)力上下限，所識別的參數(shù)ki的范圍為(0.25-1)，fe的范圍為(0.25-1)，第一代個(gè)體在0.25-1之間隨機(jī)賦值。具體的計(jì)算過程為令第G代種群中個(gè)體的數(shù)量為NP，第G代中向量可以表示為Xi(G)，i二l，2，…，NP，每個(gè)向量個(gè)體包含D個(gè)分量，DE算法過程如下1)產(chǎn)生初始種群。在D維空間里隨機(jī)產(chǎn)生滿足自變量上下界約束的NP的個(gè)個(gè)體，公式如下x(j(O)二randij(O，1)(x1JU—xijL)+XuL(6)i:l，2，…，Np;j=l，2,..，D.式中XuU、XuL分別為第j個(gè)分量的上界和下界，randi,(O，l)是[O，l]之間的隨機(jī)數(shù)。這Np個(gè)個(gè)體對應(yīng)著Np個(gè)地應(yīng)力系數(shù)。根據(jù)下公式(5)計(jì)算適應(yīng)值，式中抗剪安全度《'和抗拉安全度《可以通過有限元數(shù)值模擬計(jì)算得到。下面是進(jìn)行差異進(jìn)化算法的流程，保證個(gè)體的迭代越來越趨向最優(yōu)值。A04:個(gè)體適應(yīng)值評價(jià)，結(jié)合步驟BOl(A02)以及步驟A03設(shè)定的參數(shù)，差異進(jìn)化算法把每一個(gè)可能的解看成一個(gè)個(gè)體，先隨機(jī)產(chǎn)生Np個(gè)可能的地應(yīng)力變量(Np稱為種群)，根據(jù)這些地應(yīng)力變量，分別按照步驟B02(B03)分別計(jì)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(xué)的框架并結(jié)合摩爾庫侖準(zhǔn)則得到的，將單元安全度與1的誤差作為適應(yīng)值，結(jié)合步驟B02(B03)中的計(jì)算公式如下M""2^'"^(1—《W進(jìn)行計(jì)算；潛在破壞面上這個(gè)適應(yīng)值越小，說明這個(gè)面越接近臨界破壞，對應(yīng)的地應(yīng)力變量也就越接近真實(shí)地應(yīng)力。在上述隨機(jī)產(chǎn)生Np個(gè)個(gè)體進(jìn)行適應(yīng)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，差異進(jìn)化算法按以下歩驟進(jìn)行Np個(gè)個(gè)體(解)的迭代更新。下列差異進(jìn)化演化機(jī)制，保證了更新個(gè)體能快速地接近最優(yōu)解，即要搜索的地應(yīng)力。本文適應(yīng)值計(jì)算公式只是諸多的計(jì)算公式其中之一，可根據(jù)不同的破壞判定準(zhǔn)則進(jìn)行調(diào)整。A05:變異操作，縮放種群中任意兩個(gè)目標(biāo)向量個(gè)體之間的差值并疊加到種群中的第3個(gè)向量個(gè)體上，形成新的變量，計(jì)算公式如下-Vi,j(G+l)二x^(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=l，2，*"，Np)，Np為種群規(guī)模，每個(gè)向量個(gè)體包含D個(gè)分量，D為空間維數(shù)，對于第G代每個(gè)目標(biāo)向量，其變異向量第j分量為公式(7)中下標(biāo)rl，r2，r3為[1，Np]中的隨機(jī)整數(shù)且互不相同，F(xiàn)為縮放因子；用來調(diào)節(jié)向量差異的步長幅值，在02內(nèi)取值。以上公式是基本的變異模式，被稱作DE/rand/l模式。隨著該公式的改變，尚能形成其他模式，如DE/best/1、DE/best/2、DE/rand/2。A06:交叉操作，將目標(biāo)向量Xi(G)與變異向量Vi(G+l)按照如下規(guī)則雜交，生成新的試樣向量u,(G+l)，計(jì)算公式如下『+l、卞(G")，^啡,、L,(G+l)，?！礐i&y,(8)式中rje[O,l]為與向量第j個(gè)分量對應(yīng)的隨機(jī)數(shù);CRE[O,l]為雜交概率常數(shù)；^為在1，2，...，D中隨機(jī)挑選一個(gè)整數(shù)，以確保變異向量Vi,j(G+l)中，至少有一個(gè)分量被試樣向量Ui(G+l)采用；Ui(G+l)是變異生成的新個(gè)體。A07:選擇操作，所有試樣向量Ui(G+l)調(diào)用步驟A04進(jìn)行適應(yīng)值計(jì)算，采用貪婪搜索方法進(jìn)行選擇操作。將試樣向量Ui(G+l)與原來的目標(biāo)向量xi(G)比較，如果Ui(G+l)對應(yīng)較小的適應(yīng)值，則選擇向量Ui(G+l);反之如果，xi(G)對應(yīng)較小的目標(biāo)函數(shù)值，則保留向量Xi(G)，這樣得到新一代Np的個(gè)體。最后判斷是否符合最小適應(yīng)值或者迭代次數(shù)的收斂準(zhǔn)則(差異進(jìn)化算法的收斂曲線見圖7)，如果不符合終止準(zhǔn)則，轉(zhuǎn)到e繼續(xù)差異進(jìn)化的迭代和數(shù)值計(jì)算，如果符合終止準(zhǔn)則，結(jié)束迭代輸出識別的地應(yīng)力結(jié)果。A08:輸出地應(yīng)力，差異進(jìn)化搜索的地應(yīng)力結(jié)果見表l。表1不同適應(yīng)度函數(shù)的搜索結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>由表可見，最后識別的結(jié)果kl為0.87，k2為0.88，該應(yīng)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(qū)域的最大主應(yīng)力為豎直方向，而其它兩個(gè)主應(yīng)力在水平方向，監(jiān)測結(jié)果對應(yīng)的ki和fe分別為0.898和0.890。本文的識別結(jié)果和上述研究結(jié)果有較好的一致性。由于各單元受力的不均勻性，適應(yīng)值很難正好等于O，因?yàn)樗阉鞯慕Y(jié)果是最小值，認(rèn)為所對應(yīng)的地應(yīng)力即為識別的地應(yīng)力。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1、一種根據(jù)巖芯餅化識別地應(yīng)力的方法，其特征在于包括如下步驟a、通過收集工程地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，預(yù)估地應(yīng)力范圍，選擇待識別的地應(yīng)力變量；b、通過攝像設(shè)備對鉆取巖芯進(jìn)行攝像，并對獲取的圖像進(jìn)行識別，即識別出巖芯裂隙的間距和角度；c、根據(jù)步驟a獲取的資料信息和步驟b已識別的圖像信息，建立巖芯鉆取的三維有限元模型，同時(shí)施加應(yīng)力邊界條件，模擬實(shí)際巖芯受力狀況，根據(jù)實(shí)際觀測的巖芯斷裂面，即餅化厚度在模型中相應(yīng)的位置設(shè)置1個(gè)以上的測點(diǎn)，后根據(jù)上述測點(diǎn)是否處于破壞狀態(tài)，通過下述地應(yīng)力識別的有約束的優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)獲取地應(yīng)力變量Min{(∑i＝1Kabs(1-Fi))}式中Fi＝min{Fsi，F(xiàn)ti}，其中Fi為潛在面上觀測點(diǎn)的第i個(gè)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(gè)數(shù)即測點(diǎn)個(gè)數(shù)；d、優(yōu)化算法初始化在步驟c的所述模型中施加應(yīng)力邊界條件后，對應(yīng)使?jié)撛谄茐拿娴膯卧獎(jiǎng)偤闷茐?，將地?yīng)力變量作為差異進(jìn)化算法的搜索變量，將數(shù)值計(jì)算潛在破壞面的單元安全度情況作為差異進(jìn)化算法的評價(jià)值，這樣將步驟c中的數(shù)值計(jì)算嵌入到差異進(jìn)化算法中，設(shè)置差異進(jìn)化初始參數(shù)優(yōu)化變量數(shù)目和種群數(shù)量，同時(shí)設(shè)置縮放因子F和雜交概率常數(shù)CR值；設(shè)定收斂準(zhǔn)則最小適應(yīng)值或者最大迭代步數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化搜索計(jì)算；e、算法適應(yīng)值評價(jià)結(jié)合步驟d設(shè)定的參數(shù)，差異進(jìn)化算法把每一個(gè)可能的解看成一個(gè)個(gè)體，先隨機(jī)產(chǎn)生Np個(gè)可能的地應(yīng)力變量(Np稱為種群)，根據(jù)這些地應(yīng)力變量，分別按照步驟c分別計(jì)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(xué)的框架并結(jié)合摩爾庫侖準(zhǔn)則得到的，將單元安全度與1的誤差作為適應(yīng)值，結(jié)合步驟c中的計(jì)算公式如下Min{(∑i＝1Kabs(1-Fi))}進(jìn)行計(jì)算；f、變異操作縮放種群中任意兩個(gè)目標(biāo)向量個(gè)體之間的差值并疊加到種群中的第3個(gè)向量個(gè)體上，形成新的變量，計(jì)算公式如下Vi，j(G+1)＝xr1j(G)+F(xr2j(G)-xr3j(G))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(guī)模，每個(gè)向量個(gè)體包含D個(gè)分量，D為空間維數(shù)，對于第G代每個(gè)目標(biāo)向量，其變異向量第j分量為公式中下標(biāo)r1，r2，r3為[1，Np]中的隨機(jī)整數(shù)且互不相同，F(xiàn)為縮放因子；g、交叉操作將目標(biāo)向量xi(G)與變異向量vi(G+1)按照如下規(guī)則雜交，生成新的試樣向量ui(G+1)，計(jì)算公式如下式中rj∈為與向量第j個(gè)分量對應(yīng)的隨機(jī)數(shù)；CR∈為雜交概率常數(shù)；rni為在1，2，…，D中隨機(jī)挑選一個(gè)整數(shù)，以確保變異向量Vi，j(G+1)中，至少有一個(gè)分量被試樣向量ui，G+1采用；ui(G+1)是變異生成的新個(gè)體；h、選擇操作所有試樣向量ui(G+1)調(diào)用步驟e進(jìn)行適應(yīng)值計(jì)算，將試樣向量ui(G+1)與原來的目標(biāo)向量xi(G)比較，如果ui(G+1)對應(yīng)較小的適應(yīng)值，則選擇向量ui(G+1)；反之如果，xi(G)對應(yīng)較小的目標(biāo)函數(shù)值，則保留向量xi(G)，這樣得到新一代Np的個(gè)體；i、判斷是否符合最小適應(yīng)值或者迭代次數(shù)的收斂準(zhǔn)則，如果不符合終止準(zhǔn)則，轉(zhuǎn)到e繼續(xù)差異進(jìn)化的迭代和數(shù)值計(jì)算，如果符合終止準(zhǔn)則，結(jié)束迭代輸出識別的地應(yīng)力結(jié)果。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種根據(jù)巖芯餅化識別地應(yīng)力的方法，其特征在于所述步驟c中的建立巖芯鉆取的三維有限元模型的具體操作如下在模型中的巖芯直徑和巖臺高度對應(yīng)著歩驟b攝像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。3、一種根據(jù)巖芯餅化識別地應(yīng)力的裝置，其特征在于包括數(shù)碼相機(jī)和計(jì)算機(jī)；所述計(jì)算機(jī)包括巖餅裂隙圖像識別單元、巖芯餅化數(shù)值模擬單元和差異進(jìn)化算法單元；所述巖餅裂隙圖像識別單元，用于根據(jù)數(shù)碼照片巖芯裂隙呈現(xiàn)的顏色的差異，識別出裂隙的間距和角度；所述巖芯餅化數(shù)值模擬單元，用于根據(jù)巖芯的尺寸和力學(xué)性質(zhì)建立數(shù)值模型并進(jìn)行有限元模擬；所述差異進(jìn)化算法單元，用于根據(jù)差異進(jìn)化算法對地應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化搜索；所述數(shù)碼相機(jī)通過數(shù)據(jù)線將巖餅裂隙圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，先將巖餅裂隙圖像數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線傳輸?shù)斤灹严秷D像識別單元中，后在通過總線將識別后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綆r芯餅化數(shù)值模擬單元中，再通過總線將建立的數(shù)值模型數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲町愡M(jìn)化算法單元中進(jìn)行優(yōu)化搜索處理，最后通過數(shù)據(jù)線將結(jié)果通過計(jì)算機(jī)顯示單元進(jìn)行顯示。全文摘要本發(fā)明公開了一種根據(jù)巖芯餅化識別地應(yīng)力的智能系統(tǒng)，先通過數(shù)碼相機(jī)獲得巖芯破壞的情況，利用計(jì)算機(jī)的圖象識別技術(shù)，結(jié)合巖芯餅化力學(xué)有限元的數(shù)值模擬，采用差異進(jìn)化的優(yōu)化方法進(jìn)行破壞模式的識別，搜索到與餅化厚度一致的原巖應(yīng)力狀態(tài)。在原巖應(yīng)力的優(yōu)化識別過程中，不事先人為確定破壞形式，而是基于巖土工程廣泛應(yīng)用的莫爾-庫侖準(zhǔn)則獲得彈性力學(xué)框架的單元安全度，在有限元中識別到單元達(dá)到極限破壞狀態(tài)。本發(fā)明通過鉆取巖芯的破壞模式來識別原巖應(yīng)力，很大程度節(jié)省了地應(yīng)力監(jiān)測的成本。利用集成智能方法識別地應(yīng)力克服了已有的巖芯破壞試驗(yàn)和先驗(yàn)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(yīng)力測試領(lǐng)域廣泛推廣。文檔編號G06N3/12GK101609050SQ20091001264公開日2009年12月23日申請日期2009年7月20日優(yōu)先權(quán)日2009年7月20日發(fā)明者姜諳男申請人:大連海事大學(xué)