不良地质隧道随钻测量电磁波数据数字化表示方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种不良地质隧道随钻测量电磁波数据数字化表示方法和装置，方法包括：一、设备安装就位施工时，随钻测量，以第一电磁波信号发射；二、控制器接收第一电磁波信号，构建信号判别模型，识别第一电磁波信号；三、将识别后的第一电磁波信号还原，得到的测量数据进行分析生成控制指令，将控制指令转换为第二电磁波信号发射；四、接收第二电磁波信号，经识别和解码处理还原控制指令，并进行钻孔控制；五、对钻孔定位测量以及钻孔轨迹的测量，绘制三维图显示设计地质及钻探不良地质位置。装置包括计算机、控制器和探管组件；控制器包括第一电磁波交互模块和信号识别模块；探管组件安装在钻杆上，探管组件包括第二电磁波交互模块。

【技术实现步骤摘要】
不良地质隧道随钻测量电磁波数据数字化表示方法和装置
本专利技术涉及数据处理与隧道工程施工
，特别涉及一种不良地质隧道随钻测量电磁波数据数字化表示方法和装置。
技术介绍
在隧道工程施工中，常需要使用钻头进行钻孔，钻孔需要实时进行钻头控制，以钻孔状态，必要时进行相应调整，保证隧道工程施工的顺利进行和质量，在不良地质状况下进行隧道工程施工中这一点显得尤其重要。目前，隧道施工中随钻测量的数据传输一般有线方式和无线方式，采用有线的数据传输方式把钻孔姿态数据从孔内传输到孔口，需要使用可以通电缆线的钻杆与姿态测量仪器连接，这种钻杆加工复杂，成本高；数据传输的质量还会受到接头处密封情况的影响；无线方式是采用脉冲信号透过泥浆传输，但在泥浆中包含较多空气或者泡沫时，传输速率低，只能单向传输；有线方式和无线方式都不能满足数据实时准确传输需要，从而影响了对钻孔的实时控制。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种不良地质隧道随钻测量电磁波数据数字化表示方法，包括以下步骤：S100设备安装就位，在隧道施工进行钻孔时，跟随钻头测量钻孔的倾斜角、方位角和面向角，并把测量数据转化为第一电磁波信号，探管组件将第一电磁波信号发射出来；S200控制器接收第一电磁波信号，构建信号判别模型，将待识别的第一电磁波信号的波形作为输入信号，输入到信号判别模型进行识别；S300将识别后的第一电磁波信号传输给解码模块，进行滤波、放大、比较和解码，经解码还原后得到的测量数据进行显示、存储和分析，根据分析结果生成控制指令，控制器将控制指令转换为第二电磁波信号并发射出来；S400探管组件接收第二电磁波信号，经识别和解码处理还原控制指令，并根据控制指令进行钻孔控制；S500对每个钻孔进行开孔定位精确测量以及钻孔轨迹的精确测量，绘制钻孔定位三维图，显示设计地质及钻探不良地质位置。可选的，在S200步骤中，所述信号判别模型的构建过程如下：S210获取识别的信号样本，提取多维特征向量；S220对多维特征向量进行归一化处理，包括：建立信号样本的薛定谔方程：上式中，表示电磁波函数总能量的哈密顿算符；表示信号样本的电磁波函数；表示虚数；表示约化普朗克常数；表示时间；将电磁波函数归一化，即上式中，表示磁量子数；通过上述处理将量纲转化为无量纲；S230构建分类器，将信号样本分类为训练集样本和测试集样本；S240确定持向量机的动力函数C、径向基核函数参数G，采用模拟算法进行优化，并利用Metropolis算法控制模拟，对训练集样本进行深度学习和训练，得到给定地质的参数最优值，设定信号判别初步模型；S250将测试集样本输入信号判别模型进行识别验证，根据验证情况对信号判别初步模型进行修正，得到信号判别模型。可选的，在S300步骤中，所述控制指令的生成与发射过程具体如下：首先，将测量数据中的钻孔倾斜角、方位角和面向角与相应角度的设计值进行对比，采用以下公式分别计算得到各角度偏差率：其中，表示钻孔倾斜角、方位角或者面向角的角度偏差率；表示倾斜角、方位角或者面向角的角度测量值，表示倾斜角、方位角或者面向角的角度设计值；其次，保存测量数据与计算结果，根据各角度偏差率的正、负判断偏差方向，生成反方向调节纠正相应角度的控制指令；最后，控制器将控制指令转换成第二电磁波信号进行发射。可选的，在S100步骤中，所述测量数据包括钻头表面温度和钻头表面压力，测量钻头表面温度和钻头表面压力用于评估钻头寿命。可选的，在S300步骤中，根据钻头表面温度和钻头表面压力，采用以下公式计算钻头寿命：上式中，表示钻头寿命；表示钻头转速；表示钻头半径的中间值；表示钻头表面压力；表示钻头高度；表示钻孔地层温度；表示分配系数，；、表示相关系数，，；表示自然常数；表示钻头与地层接触的表面积；表示钻头表面温度；表示钻头沿高度方向的半径微分。本专利技术还提供了一种不良地质隧道随钻测量电磁波数据数字化表示装置，包括计算机、控制器和探管组件；所述计算机包括服务器、存储器和显示器；所述控制器包括第一电磁波交互模块和信号识别模块，所述信号识别模块与服务器连接，所述第一电磁波交互模块与信号识别模块连接，所述信号识别模块内置信号判别模型；所述探管组件安装在钻杆上，所述探管组件包括电池、供电管理模块、第二电磁波交互模块、执行模块和角度测量模块，所述角度测量模块分别与供电管理模块、钻头和钻头电机连接，所述第二电磁波交互模块分别与供电管理模块、执行模块和角度测量模块连接，电池与供电管理模块连接，所述执行模块与钻头电机连接。可选的，所述第一电磁波交互模块和第二电磁波交互模块都包括电磁波信号的发射器和接收器。可选的，所述控制器还包括报警器，所述计算机包括故障报警模块，所述报警器与故障报警模块连接，用于在设备发生故障时发出故障报警信号，故障报警信号同时在显示器上显示。可选的，所述计算机还包括图形转化模块，所述图形转化模块分别与服务器和显示器连接。可选的，所述探管组件还包括温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和压力传感器安装在钻头上，所述温度传感器和压力传感器都与第二电磁波交互模块连接。本专利技术的不良地质隧道随钻测量电磁波数据数字化表示方法和装置，通过探管组件测量钻孔的倾斜角、方位角和面向角，将测量数据转换为第一电磁波信号，采用无线电磁波方式进行数据传输，用控制器接收，采用信号判别模型对第一电磁波信号进行识别，排除干扰，然后对测量数据进行解码，解码后通过计算机对测量数据进行分析并生成控制指令，存储测量数据和分析结果，控制器把控制指令转换为第二电磁波信号进行发射，由探管组件接收第二电磁波信号，对第二电磁波信号解码还原，按照控制指令对钻头电机进行控制；另外还根据钻孔定位测量与轨迹测量数据绘制三维图，在显示器上显示出设计地质及钻探不良地质位置。通过角度测量模块用于测量钻孔的倾斜角、方位角和面向角，第一电磁波交互模块和第二电磁波交互模块用于采用无线电磁波方式进行数据交互，服务器用于对测量数据进行分析并生成控制指令，存储器存储测量数据和分析结果，执行模块用于执行控制指令对钻头电机进行控制，供电管理模块对第二电磁波交互模块和角度测量模块的供电进行智能化控制。对于测量数据和控制指令的传输采用无线电磁波方式，不需要信号连接线，使得钻机的钻杆不需要设置电缆线穿连结构，降低了钻杆的成本；另外电磁波的传输对介质没有特殊要求，不会因介质变化而影响信号的强弱与传输，避免信号传输迟滞或者失效。本方案还对电磁波信号进行识别处理，排除不良电磁波干扰，增强数据信号的可靠性和可信度；通过把测量数据和分析结果转化为图形进行显示，向操作人员更直观地展现隧道钻孔的具体情况，使得操作人员可以及时把握或者调节钻机的钻孔操作，提高钻孔效率；供电管理模块对第二电磁波交互模块和角度测量模块的供电进行智能化控制，根据需要自动进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种不良地质隧道随钻测量电磁波数据数字化表示方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS100设备安装就位，在隧道施工进行钻孔时，跟随钻头测量钻孔的倾斜角、方位角和面向角，并把测量数据转化为第一电磁波信号，探管组件将第一电磁波信号发射出来；/nS200 控制器接收第一电磁波信号，构建信号判别模型，将待识别的第一电磁波信号的波形作为输入信号，输入到信号判别模型进行识别；/nS300将识别后的第一电磁波信号传输给解码模块，进行滤波、放大、比较和解码，经解码还原后得到的测量数据进行显示、存储和分析，根据分析结果生成控制指令，控制器将控制指令转换为第二电磁波信号并发射出来；/nS400探管组件接收第二电磁波信号，经识别和解码处理还原控制指令，并根据控制指令进行钻孔控制；/nS500对每个钻孔进行开孔定位精确测量以及钻孔轨迹的精确测量，绘制钻孔定位三维图，显示设计地质及钻探不良地质位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种不良地质隧道随钻测量电磁波数据数字化表示方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100设备安装就位，在隧道施工进行钻孔时，跟随钻头测量钻孔的倾斜角、方位角和面向角，并把测量数据转化为第一电磁波信号，探管组件将第一电磁波信号发射出来；
S200控制器接收第一电磁波信号，构建信号判别模型，将待识别的第一电磁波信号的波形作为输入信号，输入到信号判别模型进行识别；
S300将识别后的第一电磁波信号传输给解码模块，进行滤波、放大、比较和解码，经解码还原后得到的测量数据进行显示、存储和分析，根据分析结果生成控制指令，控制器将控制指令转换为第二电磁波信号并发射出来；
S400探管组件接收第二电磁波信号，经识别和解码处理还原控制指令，并根据控制指令进行钻孔控制；
S500对每个钻孔进行开孔定位精确测量以及钻孔轨迹的精确测量，绘制钻孔定位三维图，显示设计地质及钻探不良地质位置。


2.根据权利要求1所述的不良地质隧道随钻测量电磁波数据数字化表示方法，其特征在于，在S200步骤中，所述信号判别模型的构建过程如下：
S210获取识别的信号样本，提取多维特征向量；
S220对多维特征向量进行归一化处理，包括：
建立信号样本的薛定谔方程：



上式中，表示电磁波函数总能量的哈密顿算符；表示信号样本的电磁波函数；表示虚数；表示约化普朗克常数；表示时间；
将电磁波函数归一化，即



上式中，表示磁量子数；
通过上述处理将量纲转化为无量纲；
S230构建分类器，将信号样本分类为训练集样本和测试集样本；
S240确定持向量机的动力函数C、径向基核函数参数G，采用模拟算法进行优化，并利用Metropolis算法控制模拟，对训练集样本进行深度学习和训练，得到给定地质的参数最优值，设定信号判别初步模型；
S250将测试集样本输入信号判别模型进行识别验证，根据验证情况对信号判别初步模型进行修正，得到信号判别模型。


3.根据权利要求1所述的不良地质隧道随钻测量电磁波数据数字化表示方法，其特征在于，在S300步骤中，所述控制指令的生成与发射过程具体如下：
首先，将测量数据中的钻孔倾斜角、方位角和面向角与相应角度的设计值进行对比，采用以下公式分别计算得到各角度偏差率：



其中，表示钻孔倾斜角、方位角或者面向角的角度偏差率；表示倾斜角、方位角或者面向角的角度测量值，表示倾斜角、方位角或者面向角的角度设计值；
其次，保存测量数据与计算结果，根据各角度偏差率的正...

【专利技术属性】
技术研发人员：高军，陈志明，谭发刚，吴德兴，黄正凯，张旭东，罗红明，林晓，杨立云，项小珍，陈敏，汤宇，刘德安，王圣，彭学军，杨文国，谢晓波，李行利，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42