[发明专利]一种根据岩芯饼化识别地应力的智能系统

摘要

本发明公开了一种根据岩芯饼化识别地应力的智能系统，先通过数码相机获得岩芯破坏的情况，利用计算机的图象识别技术，结合岩芯饼化力学有限元的数值模拟，采用差异进化的优化方法进行破坏模式的识别，搜索到与饼化厚度一致的原岩应力状态。在原岩应力的优化识别过程中，不事先人为确定破坏形式，而是基于岩土工程广泛应用的莫尔-库仑准则获得弹性力学框架的单元安全度，在有限元中识别到单元达到极限破坏状态。本发明通过钻取岩芯的破坏模式来识别原岩应力，很大程度节省了地应力监测的成本。利用集成智能方法识别地应力克服了已有的岩芯破坏试验和先验信息不足的局限性，避免了人为判断饼化破坏模式的盲目性。适于在地应力测试领域广泛推广。

主权项

1、一种根据岩芯饼化识别地应力的方法，其特征在于包括如下步骤：a、通过收集工程地质调查数据，预估地应力范围，选择待识别的地应力变量；b、通过摄像设备对钻取岩芯进行摄像，并对获取的图像进行识别，即识别出岩芯裂隙的间距和角度；c、根据步骤a获取的资料信息和步骤b已识别的图像信息，建立岩芯钻取的三维有限元模型，同时施加应力边界条件，模拟实际岩芯受力状况，根据实际观测的岩芯断裂面，即饼化厚度在模型中相应的位置设置1个以上的测点，后根据上述测点是否处于破坏状态，通过下述地应力识别的有约束的优化问题的目标函数获取地应力变量：Min{(∑_i＝1^Kabs(1-F_i))}式中F_i＝min{F_si，F_ti}，其中F_i为潜在面上观测点的第i个单元的抗剪安全度F_si和抗拉安全度F_ti的最小值，K为潜在破坏面上单元个数即测点个数；d、优化算法初始化：在步骤c的所述模型中施加应力边界条件后，对应使潜在破坏面的单元刚好破坏，将地应力变量作为差异进化算法的搜索变量，将数值计算潜在破坏面的单元安全度情况作为差异进化算法的评价值，这样将步骤c中的数值计算嵌入到差异进化算法中，设置差异进化初始参数：优化变量数目和种群数量，同时设置缩放因子F和杂交概率常数CR值；设定收敛准则：最小适应值或者最大迭代步数，进行优化搜索计算；e、算法适应值评价：结合步骤d设定的参数，差异进化算法把每一个可能的解看成一个个体，先随机产生Np个可能的地应力变量(Np称为种群)，根据这些地应力变量，分别按照步骤c分别计算潜在破坏面单元的安全度，其中单元安全度是基于弹性力学的框架并结合摩尔库仑准则得到的，将单元安全度与1的误差作为适应值，结合步骤c中的计算公式如下：Min{(∑_i＝1^K abs(1-F_i))}进行计算；f、变异操作：缩放种群中任意两个目标向量个体之间的差值并叠加到种群中的第3个向量个体上，形成新的变量，计算公式如下：V_i，j(G+1)＝x_r1j(G)+F(x_r2j(G)-x_r3j(G))其中：G为第G代种群，x_i(G)为第G代中向量(i＝1，2，…，Np)，Np为种群规模，每个向量个体包含D个分量，D为空间维数，对于第G代每个目标向量，其变异向量第j分量为：公式中下标r1，r2，r3为[1，Np]中的随机整数且互不相同，F为缩放因子；g、交叉操作：将目标向量x_i(G)与变异向量v_i(G+1)按照如下规则杂交，生成新的试样向量u_i(G+1)，计算公式如下：式中r_j∈[0，1]为与向量第j个分量对应的随机数；CR∈[0，1]为杂交概率常数；rn_i为在1，2，…，D中随机挑选一个整数，以确保变异向量V_i，j(G+1)中，至少有一个分量被试样向量u_i，G+1采用；u_i(G+1)是变异生成的新个体；h、选择操作：所有试样向量u_i(G+1)调用步骤e进行适应值计算，将试样向量u_i(G+1)与原来的目标向量x_i(G)比较，如果u_i(G+1)对应较小的适应值，则选择向量u_i(G+1)；反之如果，x_i(G)对应较小的目标函数值，则保留向量x_i(G)，这样得到新一代Np的个体；i、判断是否符合最小适应值或者迭代次数的收敛准则，如果不符合终止准则，转到e继续差异进化的迭代和数值计算，如果符合终止准则，结束迭代输出识别的地应力结果。