一种二维水平定向钻进轨迹计算方法、装置及介质制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种二维水平定向钻进轨迹计算方法，本方法考虑了悬链线钻孔轨迹设计方法和经典“斜直线

【技术实现步骤摘要】
一种二维水平定向钻进轨迹计算方法、装置及介质


[0001]本专利技术涉及岩土工程领域，具体来说，涉及一种二维水平定向钻进轨迹计算方法、装置及介质。

技术介绍

[0002]水平定向钻进指的是施工过程中在较浅深度范围的地表土层，按照预先设计的钻孔轨迹先行钻进一个较小的导向孔，然后卸下导向钻头换上扩孔钻头反向对已经形成的导向孔进行扩孔，与此同时扩孔钻头后牵扯待铺管线进入孔内完成管线铺设。作为一种近些年发展迅速非开挖施工技术方法，水平定向钻进施工灵活，成本低，对周边环境扰动小，正逐渐取代传统的开挖施工方法成为城市内地下管线安装、更换的主流施工手段。水平定向钻进穿越距离的不断提高，意味着穿越区段内地质条件更加多变，面临的工程问题也随之更加复杂，重复无效的钻进对于工程成本的提高难以估计，因对长距离穿越的水平定向钻进轨迹的设计优化问题进行研究，找到兼具安全稳定和经济效益的最优钻孔轨迹具有重要的工程意义。
[0003]在实际工程中，绝大多数仍是在钻进施工时依靠随钻测量技术根据现场情况实时更新钻进轨迹。考虑具体的轨迹模型和参数对钻孔轨迹进行设计优化，主流方法仍是以曲线
‑
直线组合的空间曲线模型为主，国内众多学者针对不同的优化目标提出了相应的优化模型和方法展开了深入研究(具体参考文献1、2)；国外亦有学者提出了以悬链线轨迹形式为主的钻孔轨迹设计优化方法，获得了回拖力较小，管道应力分布合理，管线寿命较长的轨迹形式。
[0004]参考文献1：杨先亢等，悬链法在水平定向钻轨迹设计中的应用，非开挖技术，2010年4月第1期。
[0005]参考文献2：陈军红，非开挖导向钻进钻轨迹优化设计，山西建筑，2007年1月第33卷第2期。
[0006]本实施例提供的背景描述用于总体上呈现本公开的上下文的目的。除非本实施例另外指示，在该章节中描述的资料不是该申请的权利要求的现有技术并且不要通过包括在该章节内来承认其成为现有技术。

技术实现思路

[0007]针对相关技术中的上述技术问题，本专利技术提出一种二维水平定向钻进轨迹计算方法，其包括如下步骤：
[0008]S1，根据获取的水平定向钻进轨迹起点与终点的水平穿越长度A，纵向高差Δz，利用悬链线钻孔轨迹模型建立所述水平定向钻进轨迹的第一轨迹方程，利用“五段法”钻孔轨迹模型建立所述水平定向钻进轨迹的第二轨迹方
[0009]^程并建立所述第二轨迹方程的约束条件；根据所述第一轨迹方程的纵坐标z
i
和所述第二轨迹方程的纵坐标z
i
作为拟合程度评估函数；根据最大泥浆压力MAP和最小泥浆
压力MDP建立所述第二轨迹方程的泥浆压力约束条件；
[0010]S2，将所述第二轨迹方程的轨迹参数转化为改进的径向移动算法IRMO
[0011]^的基础变量矩阵，根据所述第一轨迹方程的纵坐标z
i
和所述第二轨迹方程的纵坐标z
i
作为拟合程度评估函数并结合IRMO算法实现“五段法”钻孔轨迹与悬链线轨迹的最佳拟合，确定两者的最佳拟合区间；
[0012]S3，将最佳拟合区间确定为轨迹长度优化的最佳优化区间，结合所述最大泥浆压力MAP和最小泥浆压力MDP建立所述第二轨迹方程的泥浆压力约束条件并采用IRMO算法在最佳优化区间内搜索求解轨迹长度多维非线性目标函数的最优值，得到最佳优化区间内的钻进轨迹长度的最优钻进轨迹长度。
[0013]具体的，所述“五段法”钻孔轨迹模型的六个轨迹参数如下：入口段直线段长度L1；入口段直线段倾角θ1；入口段过渡圆弧半径R2；中心轨迹直线段长度L3；出口段过渡圆弧半径R4；出口段直线段倾角θ2。
[0014]具体的，所述步骤S2还包括：
[0015]S2.1根据所确定的六个轨迹参数，确定每个轨迹参数的初始取值范围x
jmax
和x
jmin，
其中，j＝nod＝6；
[0016]S2.2在步骤S2.1的取值范围内随机生成nop个初始位置点，由nop个初始位置点建立初始种群，所述初始位置点的数值信息通过计算式得出；
[0017]x(i，j)＝x
jmin
+rand(0，1)(x
jmax
‑
x
jmin
)
[0018]其中，x(i，j)为生成的第i个初始位置点的第j个轨迹参数；rand(0，1)为在0到1之间的随机数；
[0019]S2.3确定生成新的预位置点的更新条件，具体的如下，
[0020][0021][0022]其中，Y
i，jk
是指第k代新生成的第i个位置点的第j个参数变量；Centre
jk
是指第k代中心位置的第j个参数变量；w
k
为惯性权值，随迭代次数递减，用于决定算法的收敛速度；k是指当前迭代次数；G是指最大迭代次数；
[0023]中心位置随着当代最优位置的Rbestx
k
和全局最优位置Gbestx
k
的移动而移动，具体的，
[0024]Centre
k+1
＝Centre
k
+0.4(Gbestx
k
‑
Centre
k
)+0.5(Rbestx
k
‑
Centre
k
),
[0025]其中，Centre
k
为第k代的中心位置；Centre
k+1
为第k
‑
1代的中心位置；
[0026]S2.4采用更新条件生成新的预位置点Y
ik
，并通过拟合程度评估函数f1(x)计算出各预位置点Y
ik
对应的适应度值；
[0027]S2.5更新位置信息，具体的，将第k代预位置点的适应度值fitness(Y
ik
)与第k
‑
1代位置点的适应度值fitness(X
ik
‑1)进行比较，若fitness(Y
ik
)<fitness(X
ik
‑1)，则需要更新位置点信息，令fitness(X
ik
)＝fitness(Y
ik
)，X
ik
＝Y
ik
；否则，令fitness(X
ik
)＝fitness(X
ik
‑1)，X
ik
＝X
ik
‑1；其中，X
ik
为第k代第i个位置点；X
ik
‑1为第k
‑
1代第i个位置点；Y
ik
为第k代
生成的第i个预位置点；
[0028]S2.6确定当代最优位置Rbestx
k
和全局最优位置Gbestx
k...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维水平定向钻进轨迹计算方法，其包括如下步骤：S1，根据获取的水平定向钻进轨迹起点与终点的水平穿越长度A，纵向高差Δz，利用悬链线钻孔轨迹模型建立所述水平定向钻进轨迹的第一轨迹方程，利用“五段法”钻孔轨迹模型建立所述水平定向钻进轨迹的第二轨迹方程并建立所述第二轨迹方程的约束条件；根据所述第一轨迹方程的纵坐标和所述第二轨迹方程的纵坐标z
i
作为拟合程度评估函数；根据最大泥浆压力MAP和最小泥浆压力MDP建立所述第二轨迹方程的泥浆压力约束条件；S2，将所述第二轨迹方程的轨迹参数转化为改进的径向移动算法IRMO的基础变量矩阵，根据所述第一轨迹方程的纵坐标和所述第二轨迹方程的纵坐标z
i
作为拟合程度评估函数并结合IRMO算法实现“五段法”钻孔轨迹与悬链线轨迹的最佳拟合，确定两者的最佳拟合区间；S3，将最佳拟合区间确定为轨迹长度优化的最佳优化区间，结合所述最大泥浆压力MAP和最小泥浆压力MDP建立所述第二轨迹方程的泥浆压力约束条件并采用IRMO算法在最佳优化区间内搜索求解轨迹长度多维非线性目标函数的最优值，得到最佳优化区间内的钻进轨迹长度的最优钻进轨迹长度。2.根据权利要求1所述的方法，所述“五段法”钻孔轨迹模型的六个轨迹参数如下：入口段直线段长度L1；入口段直线段倾角θ1；入口段过渡圆弧半径R2；中心轨迹直线段长度L3；出口段过渡圆弧半径R4；出口段直线段倾角θ2。3.根据权利要求2所述的方法，所述步骤S2还包括：S2.1根据所确定的六个轨迹参数，确定每个轨迹参数的初始取值范围x
jmax
和x
jmin，
其中，j＝nod＝6；S2.2在步骤S2.1的取值范围内随机生成nop个初始位置点，由nop个初始位置点建立初始种群，所述初始位置点的数值信息通过计算式得出；x(i，j)＝x
jmin
+rand(0，1)(x
jmax
‑
x
jmin
)其中，x(i，j)为生成的第i个初始位置点的第j个轨迹参数；rand(0，1)为在0到1之间的随机数；S2.3确定生成新的预位置点的更新条件，具体的如下，S2.3确定生成新的预位置点的更新条件，具体的如下，其中，Y
i，jk
是指第k代新生成的第i个位置点的第j个参数变量；Centre
jk
是指第k代中心位置的第j个参数变量；w
k
为惯性权值，随迭代次数递减，用于决定算法的收敛速度；k是指当前迭代次数；G是指最大迭代次数；中心位置随着当代最优位置的Rbestx
k
和全局最优位置Gbestx
k
的移动而移动，具体的，Centre
k+1
＝Centre
k
+0.4(Gbestx
k
‑
Centre
k
)+0.5(Rbestx
k
‑
Centre
k
),其中，Centre
k
为第k代的中心位置；Centre
k+1
为第k
‑
1代的中心位置；S2.4采用更新条件生成新的预位置点Y
ik
，并通过拟合程度评估函数f1(x)计算出各预
位置点Y
ik
对应的适应度值；S2.5更新位置信息，具体的，将第k代预位置点的适应度值fitness(Y
ik
)与第k
‑
1代位置点的适应度值fitness(X
ik
‑1)进行比较，若fitness(Y
ik
)＜fitness(X
ik
‑1)，则需要更新位置点信息，令fitness(X
ik
)＝fitness(Y
ik
)，X
ik
＝Y
ik
；否则，令fitness(X
ik
)＝fitness(X
ik
‑1)，X
ik
＝X
ik
‑1；其中，X
ik
为第k代第i个位置点；X
ik
‑1为第k
‑
1代第i个位置点；Y
ik
为第k代生成的第i个预位置点；S2.6确定当代最优位置Rbestx
k
和全局最优位置Gbestx
k
，具体的，将更新后的第k代中的fitness(X
ik
)中的最小值的位置点作为当代最优位置Rbestx
k
；将更新后的前k代中的fitness(X
ik
)中的最小值的位置点作为全局最优位置Gbestx
k
；S2.7更新全局最优位置，具体的，比较当代最优位置的Rbestx
k
的适应度值fitness(Rbestx
k
)与全局最优位置Gbestx
k
的适应度值fitness(Gbestx
k
)；若fitness(Rbestx
k
)＜fitness(Gbestx
k
)，则需要更新全局最优位置，令fitness(Gbestx
k
)＝fitness(Rbestx
k
)，Gbestx
k
＝Rbestx
k
；否则，令fitness(Gbestx
k
)＝fitness(Gbestx
k
‑1)，Gbestx
k
＝Gbestx
k
‑1。4.根据权利要求3所述的方法，钻孔轨迹长度适应度函数f2(x)＝L1+R2·
θ1+L3+R4·
θ2+L5；其中，L1为入口段直线段长度、L3为中心轨迹直线段长度、L5为出口段直线段长度，R2为入土圆弧段的半径、R4为出口段过渡圆弧半径，θ1为入口段直线段倾角、θ2为出口段直线段倾角。5.根据权利要求4所述的方法，所述步骤S3具体包括：获得六个轨迹参数的最佳优化区间x
Bjmax
和x
Bjmin
，选择钻孔轨迹长度适应度函数f2(x)代替步骤S2.4中的拟合程度评估函数f1(x)，利用IRMO算法对最佳优化区间内轨迹的最短长度进行优化搜索，其算法搜索步骤同S2.1
‑
S2.7。6.一种二维水平定向钻进轨迹计算装置，其包括如下单元：模型建立单元，用于根据获取...

【专利技术属性】
技术研发人员：金亮星，韦俊杰，罗春洼，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：