基于多源数据融合的钻机超前地质探测系统.pdf

Ap r i l 2 00 7 机 电 与 自动化 金 属 矿 山 METAL MI NE 总 第 3 7 0期 2 0 0 7 年 第4期 基亏多源数据融合 的钻机超前地质探测系统术 陈 东 吴庆鸣 程怀舟 张 强 1 ，武 汉大学； 2 ． 南京南瑞 集团公 司国电 自动化研 究院 摘要在地下工程施工中， 为保障施工安全， 很有必要开展超前地质探测， 但 由于地质体的复杂性， 要准确 达到预报要求难度很大。针对目前超前地质探测中常用的钻孔探测法， 通过对钻机钻孔过程中的冲击力、 推进力、 转矩等多个参数进行监测， 并用多传感器数据融合技术处理传感器提供的信息， 弥补了单纯使用钻机钻进速度单 一 参数的不足， 从而提高钻机实时超前地质探测的预报精度和预报效率。工程试验验证了该方法的合理性， 达到 了提前预警减少漏报误报的目的。 关键词 多源数据融合钻机超前地质探 测 M u l t i - S e n s o r Da t a F u s i o n - Ba s e d Dr i l l i n g i n Ad v a n c e d Ge o l o g i c a l E x p l o r a t i o n C h e n D o n g Wu Q i n g m i n g C h e n g H u a i z h o u Z h a n g Q i a n g 1 ． Wu h a n U n i v e r s i t y ； 2 ．N a n j i n g A u t o m a t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e ， N a n j i n g N a n r u i G r o u p C o m p a n y Ab s t r a c t I n u n d e r g r o u n d c o n s t r u c t i o n，t o e n s u r e t h e e n g i n e e ri n g s a f e t y，i t i s v e r y n e c e s s a ry t o C a lT y o u t t h e a d v a n c e d g e o l o g i c a l e x p l o r a t i o n ． Ho w e v e r ，i t i s v e ry d i f fi c u l t t o o b t a i n a n a c c u r a t e p r e d i c t i o n d u e t o t h e c o mp l e x i t y o f g e o l o g i c a l b o d y ．I n t h e r e s e a r c h o f d ril l i n g t h a t i s c o mmo n l y u s e d a t p r e s e n t i n t h e a d v a n c e d g e o l o g i c a l e x p l o r a t i o n， mo n i t o rin g o n t h e p a r a me t e r s s u c h a s i mp a c t f o r c e，p r o p u l s i o n f o r c e，t o r q u e ，e t c ． ，wa s ma d e i n c o mb i n a t i o n wi t h t h e s e n s o r i n f o r ma t i o n t r e a t e d b y mu l t i s e n s o r d a t a f u s i o n t e c h n i q u e ，w h i c h h a s e l i mi n a t e d t h e d e fi c i e n c y o f u s i n g o n l y t h e s i n g l e p a r a me t e r o f p e n e t r a t i o n s p e e d a n d t h u s i mp r o v e d t h e p r e d i c t i o n a c c u r a c y a n d e f fi c i e n c y o f t h e d ri l l i n g i n r e a l t i me a d v a n c e d g e o l o g i c al e x p l o r a t i o n ．T h e me t h o d h a s b e e n p r o v e n r a t i o n a l a n d c a n a c h i e v e t h e a i m o f r e d u c i n g t h e e mi s s i o n o r e r r o r i n p r e a l a rm i n g ． Ke y wo r d s Mu l t i s e n s o r d a t a f u s i o n，Dr i l l ，Ad v a n c e d g e o l o g i c a l e x p l o r a t i o n 随着我国经济的高速发展 ， 对地下空间的开发 呈逐年上升的趋势 ， 由于在施工前的地质勘查不可 能做得十分详尽， 因此在施工中就会出现一些不可 预见的地质灾害， 例如涌水 、 岩溶 、 瓦斯 、 断层 、 膨胀 岩、 高地应力、 围岩大变形等， 因此， 在掘进过程中， 必须有超前地质探测的保证 。超前地质探测的手段 多种多样 ， 但 由于地质体的复杂性 ， 要准确地达到预 报的要求难度很大； 客观地讲 ， 目前最常用最直接的 勘探措施仍是钻孔探测法 J 。 钻孔探测法是在隧洞掌子面上进行钻孔 ， 以探 明隧洞开挖面前方地质情况的一种方法 ； 根据使用 钻具的不同分为取芯分析法和水平钻速法两种 ， 其 中水平钻速法是通过分析凿岩机在同一断面至少 3 个不在 同一直线钻孔的钻速情况 ， 运用实体 比例法 投影确定结 构面的形状并实施 预报 J 。应用水平 钻速法开展地质探查具有方法简单 、 快速实用 的特 点， 但预报效果受机械 和人工操作等 随机 因素影响 较大。为了消除这些因素的影响 ， 实现 自动测试预 报 ， 本文尝试采用多种传感器全面采集凿岩钻机钻 进过程中的冲击力、 推进力、 转矩等信息， 并用多传 感器数据融合技术处理传感器提供的信息， 从而提 高钻机实时超前地质探测的预报精度和预报效率。 工程试验验证 了该方法的合理性。 1 钻机参数与岩性 间关系及信息融合模型 凿岩机在凿岩时， 通过 向钎头 同时施加冲击力 和连续的回转力矩 ， 使得岩石在 冲击力和切 削力的 联合作用下破碎成孔 。钻孔的过程实际上也是钻具 与岩体相互作用的过程 ， 凿岩机破碎岩石效率取决 于岩体的种类、 结构以及钻头齿单位接触面上的载 荷 比载荷 和钻头转速 ， 其钻孔速度可以按式 1 计算 引 “ 十五” 国家重大技术 装备 研制项 目 子题 编号 Z Z 0 20 30 3 0 2 0 2 。 陈东 1 9 6 8 一 ， 男 ， 武汉 大学动 力与机械 学院副 教授 ， 在读 博士 ， 4 3 0 0 7 2湖北省武汉市。 49 维普资讯 总第 3 7 0期 金 鬣 砖 2 0 0 7年第4期 1 2E B fT r 一 ， 1 为该系统的信息融合模型。 式中， 为钻孔速度； E 为冲击能 为冲击频率； T r 为钻头到岩石的能量传递 系数 ； E 为岩石破碎 比 功 ； A ． ． 为钎杆断面积。 上式表 明钻孔速度与 冲击能和冲击频率成 正 比， 与岩石强度成反 比； 如果在钻进过程 中， 保持推 进力 、 冲击压力 、 转速 、 扭矩 、 钻头直径等决定冲击能 量的参数不变 ， 则钻孔速度基本上只受地层因素影 响， 就可以利用钻进速度变化来预测岩性软 、 硬变化 和断层破碎带。 但是， 在钻进过程 中， 钻杆受到摩擦力和阻力矩 的作用 ， 钻杆钻进越深 ， 所受的摩擦力和阻力矩越 大， 相应的钻杆作用在岩壁上 的有效功越小 ； 另外 ， 受机械和人工操作等随机因素影响， 推进力 、 冲击压 力 、 转速、 泵压 、 扭矩都可能发生变化， 使得钻孔速度 随岩性的变化受这些因素的影响而被掩盖。通过对 采集到的钻机在钻进过程中的钻孔速度 、 推进力 、 冲 击压力、 水压、 转速等参数的分析， 发现这些参数都 和岩体的结构参数有关而且相互之间也存在相互影 响的关系， 因此可以利用多源数据融合的思想 ， 通过 对采集到的钻机工作参数进行数据融合 ， 用融合后 的数据取代钻孔速度这一个参数参与预报模型的计 算 ， 从而提高预报精度。 数据融合是一个多级 、 多层 面的数据处理过程 ， 主要完成对来 自多个信息源的数据进行 自动检测 、 相关 、 估计及组合等处理 J 。图 1 是 多传感器数据 融合的示意图， 传感器之间的冗余数据增强了系统 的可靠性， 传感器之间的互补数据扩展了单个传感 器的性能， 使得多传感器信息融合系统具有较强的 鲁棒性。 冗余信息 互补信息 图 1 多传 感器融合示意 多传感器信息融合本质上是一个由底层到高层 对多源信息进行整合、 分析及综合处理的过程， 系统 的信息融合分为 3 个层次结构， 即数据层、 通信控制 层和决策应用层。超前钻探地质探测系统选用异质 的多个传感器 ， 数据 只能在决策层进行融合 。图 2 冲击 、推进 i 3 ． 转 转 速 、冲洗水压 力等参数信 采集 对采集到的信 I 进行模数转 换及数据预处 理，并进行存 储 、调用等控 制操 作 数据物理层 通信控制层 决策应刚层 图2 钻机超前地质探测的多传感器信息融合模型 1 数据物理层。根据超前水平钻机和需要获 取参数的特点 ， 选取压力 、 转速 、 扭矩等多种传感器 对所测信号进行采集 ， 通过硬件来实现所需 的参数 信号。 2 通信控制层。对数据物理层所测得的信号 使用带有屏蔽层的双绞信号线作为信号传输介质 ， 进行 A ／ D转换并进行预处理 ， 以滤除数据采集过程 中现场环境下的干扰和噪声 ， 并利用控制指令进行 存储 、 调用。 3 决策应用层。把处理后的传感器输出信号 作特征提取， 根据所提取的特征信号进行数据融合； 把融和结果与岩性的知识样本库 通过样本得到 密切联系起来 ， 就可完成对掌子 面前方岩体 的地质 预报。 数据融合方法采用经典 的自适应加权融合估计 算法， 它的模型如图 3 所示。这种数据融合方法不 要求知道传感器测量数据的任何先验知识， 只是靠 传感器所提供的测量数据 ， 就可得 出均方误差最小 的数据融合值 J 。 传 感 器 l W 卜 ＼ ＼ ＼ 数 传感器2 一 卜 _ 一 据 ● 融 △ t ／ ∑ 传感器一 图 3 自适应 加权 融合估计算法模型 因为系统中不同的传感器都有相应的加权数， 在总均方误差最小这一最优条件下 ， 根据各个传感 器所得到的测量值以 自适应的方式寻找其对应的权 数 ， 可使融合后的 达到最优。 2 系统的硬件结构 钻机地质超前探测系统的硬件系统结构如图4 所示。该系统由钻机、 传感器、 信号调理电路、 数据 采集卡 、 工控机及打印机等组成 ； 其中传感器组将采 集到的非电压信号转换成电压信号， 并将此信号 A ／ D转换为可由微处理器处理 的数字量； 经过数字化 嚣 维普资讯 陈 东等 基 于多源数据融合的钻机超前地质探测 系统 2 0 0 7年第4期 后的电信号需要经过整形 、 转换 、 放大和滤波等预处 理 ， 以滤除数据采集过程 中现场环境下的干扰和噪 声 ， 经处理后的 目标信号作特征提取 ， 根据所提取 的 特征信号， 进行数据融合， 最终输出结果。 图 4硬件 系统结构 考虑到现场试验的钻机可能为液压钻机 ， 也可 能为风动凿岩机， 选择的传感器必须有较强的适应 性 ， 因此 ， 在搜集 了国内外大量液压钻机和风动凿岩 机的工作参数后， 在该系统中用 到的传感器有位移 传感器 、 压力传感器和转速传感器 3种 ， 转速传感器 的型号为 K H M 一 0 3 D A， 位移传感器 型号为 P T 5 MA 一 2 0 0一N 3 4一B K一4 2 0 RC 2 5 ， 压力变送器型号为 J Y B T OH V G， 它们具有成本低 、 体积小 、 寿命 长 、 选择性和稳定性好等特性。以上传感器对钻进过程 的多参数进行监测 ，配以智能判别技术， 可 以达到 提前预警 、 减少漏报误报 、 提高可靠性的目的。 上位机 以 Wi n d o w s 2 0 0 0为平 台， 以 N I 公 司的 虚拟仪器软件 L a b wi n d o w s ／ c V I 5 ． 5为开发工具 ， 数 据采集卡采用的是研华公司的 P C I 一1 7 1 0卡作为模 拟信号与数字信号转换元件， 依靠计算机的强大的 数据处理和分析功能 ， 对所采集的数据进行显示 、 贮 存 、 分析 、 再现。计算机处理系统作为多传感器的数 据融合中心， 数据融合方法采用自适应加权融合估 计算法 ， 以充分提取岩体特征 ； 融合处理后的传感器 信息和预报模型进行参考 比较 ， 就 可以对前方 的地 质情况进行预测。 3 工 程实例 本文所述方法在某引水工程的施工支洞进行了 试验。该隧洞所经过的地段岩性为角砾溶岩 、 杂砂 岩 、 安山岩 、 凝灰岩等 ， 其弱风化熔岩类饱和轴抗压 强度为 2 2～ 5 1 MP a以上 ， 碎屑岩类强度在 3 3 MP a 以上； 支洞地段无较大的断裂通过； 洞室多数洞段为 渗水至滴水 ， 局部有滴水至线流状态 ， 采用钻爆法开 挖。由于钻凿炮孑 L 采 用的是风动凿岩机 ， 因此本次 试验采用所开发的地质预报仪结合风动凿 岩机进 行。 在试验之初， 结合已确定了的某一型号钻机， 在 该隧洞不 同的地层结构上进行 了钻速试验 ， 得出了 具用统计意义 的关于地质变化 的判断标准如表 1所 示 。 表 1 钻孔速度与岩体 关系 岩体描述 学 塑 层 带 内 断 层 泥， 碎 裂 及 松 散 结 构 ， 岩 石 强 风 化 ， 岩 性 软 9 习珂 断层带内岩石破 碎， 岩石 中等风化 ， 地下水作用较为 明显 6 9 誊 块 裂 结 构 ， 岩 石 中 等 风 化 ， 有 地 下 水 作 用 ， 岩 石 中 等 4 6 坚 硬 块体结构 ， 岩石微风化或新鲜 ， 无地下水作用 ， 岩石坚硬 3 5 本结构 ， 岩石新鲜 未风化 ， 无地下 水作用 ， 岩石 坚硬完 3 试验 中主要采集凿岩机在钻凿炮孑 L 过程中的钻 速 、 风压 、 水压 、 转速和钻进深度等参数 ， 由于在掌子 面上需要钻凿的炮孑 L 较多 ， 每台钻机需要钻凿多个 炮孑 L ， 为方便仪器布置 ， 在测试时主要记录钻凿的中 心孑 L 和底边孑 L 。 试验所获得的数据如图 5所示。图中风动凿岩 机所用压缩空气的压力值处于 4～6个大气压 4 2 0 ～ 6 3 0 P a 之间， 在记 录初期 出现 了一些游离的点 ， 是由于刚开钻时钻机不太稳定造成的； 虽然在洞 口 的压缩空气站提供的压力达到 8个大气压 8 4 0 P a 以上 ， 由于当时掌子面 已距离洞 口有 1 6 3 6 m， 压缩 空气的沿程阻力损失很大 ， 造成凿岩机实际使用的 压缩空气压力不到 5个大气压 5 2 5 P a ， 比风动凿 岩机设计使用的压力低 ， 凿岩机成孑 L 速度比较慢。 从水压力曲线图可以看出， 冲洗水的压力基本 上维持在 l 0～l 2个大气压 1 0 5 0～1 2 6 0 P a 之间， 变化也不是太大， 近似可 以认 为其变化是线性 的。 水压力 比较高一方面是水泵出水压力高造成 的， 另 一 方面是由于该洞室是一个斜井 ， 施工方的供水是 从洞 口供给的， 自然就形成了一个高程差 。 从钻杆转动转速变化曲线 图可以看 出， 钻杆 的 转速一般是在 2到 5转／ 秒 ， 有突变点 ， 但突变的点 不多， 主要是 由于施钻工人操作造成的。进给速度 变化曲线 图是利用位移传感器通过计算得到的瞬时 速度值。由图可见速度变化范围是在 0～2 0 m m ／ s ， 波动比较大 ， 由这个数据无法判断岩体的地质构造。 经过数据融合处理后钻机钻进速度也显示在图 5中， 从 图中可见 ， 钻机钻进的速度基本上在 4～ 6 下转第 6 5页 维普资讯 仲梁维等 颚式破碎机数字化开发平 台 2 0 0 7年第4期 中， 也可以将整个三维模型和约束关系导入虚拟现 实系统中， 在 V R设备的辅助下进行虚拟制造 、 装配 和运行_ 5 ] 。图 5显示 了在 A d a ms 软件 中进行运动 学和动力学分析的结果。如果在分析过程中发现设 计有不合理处 ， 则返 回相应处再次设计 ， 直到设计符 合要求。 图5 运动学和动力学分析 3结语 颚式破碎机数字化开发平台通过人工智能进行 方案设计， 可对结构进行系统的参数优化 ， 使用方便 简单 ， 实现了设计 、 绘图、 虚拟制造 的一体化。实践 证明平台设计可靠， 效率高， 设计的颚式破碎机满足 要求 参考文献 [ 1 ] 廖汉元， 孔建益， 钮国辉． 颚式破碎机[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 江洪 ， 李仲兴 ， 邢启恩． S o l i d wo r k s 2 0 0 3二次 开发基础 与实 例教程 [ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 仲梁维， 曾晓菁， 邹绪平． 谐波齿轮传动C A D系统研究[ J ] ． 上 海理工大学学报 ， 2 0 0 2 2 ； 1 4 9 1 5 2 ． [ 4] 仲梁维 ， 张 国全 ， 等． 计算 机辅助设计 与制造 [ M] ． 北 京 中国 林业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 方毅钦， 仲梁维， 于晓． 矿山设备虚拟现实系统的实现[ J ] ． 金属矿 山， 2 0 0 7 1 6 7 - 6 9 ． 收稿 日期2 0 0 7 - 0 2 1 0 十一十”十一 十一十一”十一十一 十一十一”十一十 十一十一”一十一十一十n一十”十一十一十 ”十一十”十一十””十一十一 ， ‘ 卜 一十”十一 ‘ 卜 一 ‘ ”十” ‘ 卜 ” ‘ 卜 “ ‘ 一 ‘ 卜 上接第 5 l页 缩空气压力 冲洗水压力 钻杆 的转速 钻进 的速度 融合后 的 钻 时速度 图 5融合前后的进给 速度曲线 mm ／ s 之间， 比较稳 定。通过钻机钻进 的速度基本 上在 4～ 6 mm ／ s 之 间这个现象可以认为 ， 在钻机钻 孔所经过的岩体 区间其地质特性基 本没 有发生变 化 ， 经过与预报模型进行对照， 认为该部分岩体属于 块裂结构 ， 岩石 中等风化 ， 中等坚硬。这个结论和开 挖后所见是一致的。 本次试验采用的是风动凿岩机 ， 同有固定推进 器的液压凿岩机相比， 不可控制的因素很 多； 而且风 动凿岩机钻孔的环境非常恶劣， 不利 于开展测试 预 报工作 。虽然这样， 但通 过本次工程试验表明可以 通过数据融合后的钻进速度指标来分析岩体的结构 情况， 而且结果表现出了稳定性和可靠性。 4结语 基于钻机的超前地质探测系统将多个传感器组 合使用 ， 对钻机钻孔过程中的多个参数进行监测， 采 用了自适应加权融合估计算法进行数据融合， 配以 智能模糊判别技术 ， 弥补 了单纯使用钻机钻进速度 单一参数的不足， 有效地提高了系统的探测灵敏度， 通过反复的模拟试验和工程试验， 建立了初步的灾 害地质预报模型。工程试验证 明了系统工作的准确 性 、 可行性 、 实用性， 达到了提前预警减少漏报误报 的目的。应用多传感器数据融合技术 的钻机预报系 统是对 当前钻机超前地质预报系统的一种智能化改 进和完善 ， 具有十分广阔的工程应用前景。 参考文献 [ 1 ] 何继善 ， 等． 隧道超前探测方法技术 与应用研究 [ J ] ． 工程 地球 物理学报 ， 2 0 0 4 8 ． 2 9 3 - 2 9 8 [ 2 ] 王良奎． 多种超前地质预报方法在隧道施工中的应用[ J ] ． 金 属矿 山， 2 0 0 1 1 1 4 5 _ 4 7 ． [ 3 ] 郑磊． 怎样选择凿岩钻机 [ J ] ． 凿岩机械气动Ⅲ J 具 ， 1 9 9 7 4 5 O- 5 5 ． [ 4 ] E d w a M L， Wa l t z a n d J a m e s L i n a s ． Mu h i s e n s o r D a t a F u s i o n [ M]． Ne wy o r k Ar t e c h Ho u s e， I NC， 1 9 9 0． [ 5 ] 腾召胜 ， 等． 智能检测系统与数据融合 [ M] ． 北京 机械工业 出 版社， 1 9 9 9 ． 收稿 日期2 0 0 7 -02 -05 6 5 维普资讯