隧道地质综合超前预报专家系统及其实现方法
【专利摘要】一种隧道地质综合超前预报专家系统及其实现方法。包括隧道地质综合超前预报专家系统主模块、隧道洞内地质调查装置、隧道洞内物探装置以及超前水平钻探装置；隧道地质综合超前预报专家系统主模块通过数据读取与输出接口分别与隧道洞内地质调查装置、隧道洞内物探装置、超前水平钻探装置连接；隧道地质综合超前预报专家系统主模块包括隧道地质宏观预报子模块、隧道洞内地质调查分析子模块、物探方法选择与探测结果分析子模块、掌子面前方不良地质预报子模块、超前水平钻探及结果分析子模块以及生成处置措施子模块。本发明能够帮助隧道地质超前预报工作者开展隧道地质预报工作，又不降低预报的准确性。
【专利说明】隧道地质综合超前预报专家系统及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及隧道地质领域，特别是一种隧道地质综合超前预报专家系统及其实现方法。
【背景技术】
[0002]在隧道开挖施工过程中经常出现突发大规模塌方、冒顶、突水、涌泥等工程事故并诱发地表塌陷、地表水资源枯竭及地表生态环境等灾害。因此，如何准确预报施工掌子面前方是否存在断层破碎带、富水带及溶洞暗河等不良地质就成为了隧道施工中亟待解决的关键问题。
[0003]隧道地质超前预报技术已经从原来单一的预报手段发展到地质分析与物探结合的综合预报技术。中国专利CN101403797A公开了一种地下工程施工超前地质预报系统及其预报方法，主要提供一种包括隧道内地震波接收器、地震波采集器和地震波数据处理分析系统的地下工程施工超前地质预报系统。中国专利CN201110380960.1公开了一种地下工程超前地质预报的方法，主要提供了一种包括长期超前地质预报、中期超前地质预报、短期超前地质预报和临兆超前地质预报四个阶段的预报方法。
[0004]隧道地质超前预报是一个极为复杂的过程，隧道地质超前预报工作者既要保证预报结果准确性又要使预报过程尽量不耽误施工时间。这就要求隧道地质超前预报工作者不仅要具有能快速分析整理地质资料和现场探测数据的能力，同时也要具有扎实的地质知识和高水平的物探解译技术。然而，我国从事隧道地质预报的工作者技术水平良莠不齐，很多时候超前地质预报效果并不理想。因此，在现有技术的基础上，开发一套能帮助一些不太成熟的隧道超前地质预报工作者来从事隧道地质预报工作的专家系统，对提高现场隧道超前地质预报精度，减少隧道建设过程中地质灾害发生，具有十分重要的现实意义。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种隧道地质综合超前预报专家系统及其实现方法。它能够一体化、智能化实现隧道地质宏观预报、隧道洞内地质调查、物探设备选择与现场探测、掌子面前方不良地质预报、超前水平钻探测与处置方案提出。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种隧道地质综合超前预报专家系统，包括隧道地质综合超前预报专家系统主模块、隧道洞内地质调查装置、隧道洞内物探装置以及超前水平钻探装置；隧道地质综合超前预报专家系统主模块通过数据读取与输出接口分别与隧道洞内地质调查装置、隧道洞内物探装置、超前水平钻探装置连接；隧道地质综合超前预报专家系统主模块包括隧道地质宏观预报子模块、隧道洞内地质调查分析子模块、物探方法选择与探测结果分析子模块、掌子面前方不良地质预报子模块、超前水平钻探及结果分析子模块以及生成处置措施子模块。
[0007]所述隧道洞内地质调查装置包括掌子面及边墙摄影系统、地质罗盘、卷尺及绘图工具，[0008]所述隧道洞内物探装置包括地质雷达、瞬变电磁仪及TSP系统三种设备，
[0009]所述超前水平钻探装置包括钻机与现场记录系统。
[0010]所述隧道地质宏观预报子模块包括初始资料录入、隧址区地质情况宏观判断、预报结果输出与存储、划分风险等级及重点预报地段三个部分；
[0011]所述隧道洞内地质调查分析子模块包括掌子面及边墙摄影资料读取与其他相关初始资料录入、已开挖段地质资料分析、掌子面前方地质情况判断、结果输出与保存四个部分；
[0012]所述物探方法选择与探测结果分析子模块包括物探方法选择、提出仪器现场参数与测点或测线布置方式、物探结果读取与存储、物探结果初步解译、解译结果输出与保存五个部分；
[0013]所述掌子面前方不良地质预报子模块是将隧道地质宏观预报结果、隧道洞内地质调查分析结果与物探解译结果综合分析，对掌子面前方地质情况做出判段，判断结果作为提出处置方案的依据；
[0014]所述超前水平钻探及结果分析子模块包括选择超前水平钻设备并确定钻点布设位置、现场记录结果读取、钻探结果分析、掌子面前方地质情况判断、结果输出与保存五个部分；
[0015]所述生成处置措施子模块是依据掌子面前方不良地质预报与超前水平钻探分析结果提出相应的处置方案。
[0016]一种适用于所述隧道地质综合超前预报专家系统的实现方法，包括如下步骤:
[0017](I)搜集已有勘察设计成果、区域地质资料和地表补充调查资料；启动隧道地质宏观预报子模块，按界面要求录入宏观地质预报所需初始信息，系统自动对隧址区地质情况进行宏观判断，并进行风险等级及重点预报地段划分；将宏观地质预报初始信息与结果按桩号保存于数据库中，
[0018](2)使用洞内地质调查装置包括掌子面及边墙摄影系统、地质罗盘、卷尺及绘图工具，记录掌子面及边墙地质情况；启动隧道洞内地质调查分析子模块，读取掌子面及边墙地质记录资料；系统自动依据掌子面及边墙地质记录资料分析隧道已开挖段地质情况并根据已开挖段地质情况判断掌子面前方地质情况；将隧道掌子面及边墙地质记录资料与洞内地质调查分析结果按桩号保存于数据库中，
[0019](3)启动物探方法选择与探测结果分析子模块，系统自动分析隧道地质宏观预报、隧道洞内地质调查结论与常见各种物探方法特点，并提出合适的物探方法组合、每种仪器现场最佳探测参数与测点或测线布置方式；依据专家系统指示，设置仪器参数、布置测点或测线并进行现场探测；读取每种探测方法现场探测结果，提取探测图像与数据特征，并初步解译探测结果；按掌子面桩号将物探结果、仪器参数、测点或测线布置情况分类保存于数据库中，
[0020](4)启动掌子面前方不良地质预报子模块，输入所预报掌子面桩号，系统自动调出宏观地质预报结论、洞内地质调查结论与掌子面物探初步解译结果，并综合分析各种结果判断掌子面前方地质情况，包括是否存在不良地质体、不良地质体类型、位置与规模；若掌子面前方地质条件较好、不存在不良地质体，则输出预报结果，结束预报，进行下一步施工，若掌子面前方存在不良地质体，则进入超前水平钻探及结果分析子模块；按桩号将掌子面前方不良地质预报结果保存于数据库中，
[0021](5)启动超前水平钻探及结果分析子模块，系统自动依据掌子面前方不良地质预报结果选择超前水平钻设备并确定钻点布设位置并进行现场钻探；读取现场记录结果，系统自动分析钻探结果并最终确定掌子面前方地质情况；按桩号将超前水平钻探分析结果保存于数据库中，
[0022](6)启动生成处置措施子模块，系统自动调取掌子面前方不良地质预报与超前水平钻探分析结果，并生成相应的处置方案，按桩号将生成的处置措施保存于数据库中。
[0023]本发明的突出优点在于:
[0024]能够一体化、智能化实现隧道地质宏观预报、隧道洞内地质调查、物探设备选择与现场探测、掌子面前方不良地质预报、超前水平钻探测与处置方案提出。能够帮助不太成熟的隧道超前地质预报工作者开展隧道地质预报工作，又不降低预报的准确性。对提高现场隧道超前地质预报精度，减少隧道建设过程中地质灾害发生，具有十分重要的现实意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明所述的隧道地质综合超前预报专家系统整体结构示意图。
[0026]图2为本发明所述的隧道地质综合超前预报专家系统主模块具体实施结构图。
[0027]图3为本发明所述的隧道地质综合超前预报专家系统工作流程示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明。
[0029]如图1所示，本发明所述的隧道地质综合超前预报专家系统，包括隧道地质综合超前预报专家系统主模块、隧道洞内地质调查装置、隧道洞内物探装置以及超前水平钻探装置；隧道地质综合超前预报专家系统通过数据读取与输出接口分别与隧道洞内地质调查装置、隧道洞内物探装置、超前水平钻探装置连接；隧道地质综合超前预报专家系统主模块包括隧道地质宏观预报子模块、隧道洞内地质调查分析子模块、物探方法选择与探测结果分析子模块、掌子面前方不良地质预报子模块、超前水平钻探及结果分析子模块以及生成处置措施子模块，
[0030]所述隧道洞内地质调查装置包括掌子面及边墙摄影系统、地质罗盘、卷尺及绘图工具，
[0031]所述隧道洞内物探装置包括地质雷达、瞬变电磁仪及TSP系统三种设备，
[0032]所述超前水平钻探装置包括钻机与现场记录系统。
[0033]所述隧道地质宏观预报子模块包括初始资料录入、隧址区地质情况宏观判断、预报结果输出与存储、划分风险等级及重点预报地段三个部分；
[0034]所述隧道洞内地质调查分析子模块包括掌子面及边墙摄影资料读取与其他相关初始资料录入、已开挖段地质资料分析、掌子面前方地质情况判断、结果输出与保存四个部分；
[0035]所述物探方法选择与探测结果分析子模块包括物探方法选择、提出仪器现场参数与测点或测线布置方式、物探结果读取与存储、物探结果初步解译、解译结果输出与保存五个部分；[0036]所述掌子面前方不良地质预报子模块是将隧道地质宏观预报结果、隧道洞内地质调查分析结果与物探解译结果综合分析，对掌子面前方地质情况做出判段，判断结果作为提出处置方案的依据；
[0037]所述超前水平钻探及结果分析子模块包括选择超前水平钻设备并确定钻点布设位置、现场记录结果读取、钻探结果分析、掌子面前方地质情况判断、结果输出与保存五个部分；
[0038]所述生成处置措施子模块是依据掌子面前方不良地质预报与超前水平钻探分析结果提出相应的处置方案。
[0039]如图2所示，为实现隧道地质综合超前预报专家系统主模块各子模块功能，本专家系统主模块具体实施包括知识库、推理机、数据库、人机交互界面以及解释机。
[0040](I)知识库
[0041]知识库是专家系统核心部件之一，高质量的知识库是隧道地质综合超前预报专家系统成功的关键。
[0042]知识库的设计包括知识来源、知识获取、知识表示、知识分类与知识管理五个方面。
[0043]隧道地质综合超前预报专家系统知识来源包括地质理论分析成果、隧道地质专家经验及隧道地质预报工程实例。理论分析成果包括已成熟的地质学理论、计算公式，隧道地质超前预报相关规程、规范，物探方法研究成果，此类知识可信度较大。人类专家经验和知识是隧道地质预报专家系统重要知识来源。人类专家，不仅包括在隧道地质超前预报研究方面有造诣的学者，还包括长期从事隧道地质超前预报和隧道施工的工作技术人员。以这些经验为来源的知识，往往具有较大的模糊性。对隧道地质超前预报工作过程中成功或失败案例进行总结，也是系统知识的重要来源。
[0044]从上述各类知识来源中获取知识的过程和技术称之为知识获取。知识获取方式有人工获取和智能获取两种，本专家系统采用人工获取和智能获取相结合的方式。
[0045]隧道地质超前预报知识种类多且复杂，要求知识表达方式能够将其复杂的内部结构知识及诸多因果关系准确完整地表示出来。所述隧道地质超前预报专家系统知识库中的知识采用“产生式规则+框架”表示方式。
[0046]为了便于知识管理和不断更新，需要将隧道地质超前预报知识进行分类存储。所述知识库包括隧道地质宏观预报、隧道洞内地质调查分析、物探方法选择与探测结果分析、掌子面前方不良地质预报、超前水平钻探及结果分析以及生成处置措施六类知识；
[0047]知识库管理系统是知识库的重要组成部分，包括知识修改、知识查询与知识解释功能，负责对知识进行管理与维护。
[0048](2)推理机
[0049]推理机作用于整个推理过程，负责组织、协调并控制整个专家系统推理，推理机的设计包括专家系统语言、推理方向、推理顺序控制与不确定性推理。
[0050]所述专家系统语言采用CLIPS与VC++共同编制。
[0051 ] 所述推理方向采用正向与逆向相结合的混合推理方式。
[0052]所述推理顺序控制采用对规则设置优先等级的方法控制规则执行先后顺序。
[0053]隧道地质综合超前预报专家系统中大量的知识是不精确的和不确定的，在推理过程中需要采用不确定推理对不确定知识进行处理，根据经验对一个事物或一件事情为真的相信程度称之为可信度。
[0054]所述不确定性推理采用基于可信度的加权规则不确定性推理方法。这样不仅解决了多个证据对结论支持的重要程度不同和各个证据之间的独立性与依赖性不同的表示问题，而且还解决了当证据不完整时不确定推理问题，同时也能解决了不同专家间意见分岐或不同方面知识的不协调性。
[0055]对于具有多个证据且各证据重要程度不同的不确定性推理，用产生式规则表示为:
[0056]
【权利要求】
1.一种隧道地质综合超前预报专家系统，其特征在于，包括隧道地质综合超前预报专家系统主模块、隧道洞内地质调查装置、隧道洞内物探装置以及超前水平钻探装置；隧道地质综合超前预报专家系统主模块通过数据读取与输出接口分别与隧道洞内地质调查装置、隧道洞内物探装置、超前水平钻探装置连接；隧道地质综合超前预报专家系统主模块包括隧道地质宏观预报子模块、隧道洞内地质调查分析子模块、物探方法选择与探测结果分析子模块、掌子面前方不良地质预报子模块、超前水平钻探及结果分析子模块以及生成处置措施子模块， 所述隧道洞内地质调查装置包括掌子面及边墙摄影系统、地质罗盘、卷尺及绘图工具， 所述隧道洞内物探装置包括地质雷达、瞬变电磁仪及TSP系统三种设备， 所述超前水平钻探装置包括钻机与现场记录系统。
2.根据权利要求1所述的隧道地质综合超前预报专家系统，其特征在于: 所述隧道地质宏观预报子模块包括初始资料录入、隧址区地质情况宏观判断、预报结果输出与存储、划分风险等级及重点预报地段三个部分； 所述隧道洞内地质调查分析子模块包括掌子面及边墙摄影资料读取与其他相关初始资料录入、已开挖段地质资料分析、掌子面前方地质情况判断、结果输出与保存四个部分； 所述物探方法选择与探测结果分析子模块包括物探方法选择、提出仪器现场参数与测点或测线布置方式、物探结果读取与存储、物探结果初步解译、解译结果输出与保存五个部分； 所述掌子面前方不良地质预报子模块是将隧道地质宏观预报结果、隧道洞内地质调查分析结果与物探解译结果综合分析，对掌子面前方地质情况做出判段，判断结果作为提出处置方案的依据；` 所述超前水平钻探及结果分析子模块包括选择超前水平钻设备并确定钻点布设位置、现场记录结果读取、钻探结果分析、掌子面前方地质情况判断、结果输出与保存五个部分； 所述生成处置措施子模块是依据掌子面前方不良地质预报与超前水平钻探分析结果提出相应的处置方案。
3.一种适用于权利要求1所述的隧道地质综合超前预报专家系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)搜集已有勘察设计成果、区域地质资料和地表补充调查资料；启动隧道地质宏观预报子模块，按界面要求录入宏观地质预报所需初始信息，系统自动对隧址区地质情况进行宏观判断，并进行风险等级及重点预报地段划分；将宏观地质预报初始信息与结果按桩号保存于数据库中， (2)使用洞内地质调查装置包括掌子面及边墙摄影系统、地质罗盘、卷尺及绘图工具，记录掌子面及边墙地质情况；启动隧道洞内地质调查分析子模块，读取掌子面及边墙地质记录资料；系统自动依据掌子面及边墙地质记录资料分析隧道已开挖段地质情况并根据已开挖段地质情况判断掌子面前方地质情况；将隧道掌子面及边墙地质记录资料与洞内地质调查分析结果按桩号保存于数据库中， (3)启动物探方法选择与探测结果分析子模块，系统自动分析隧道地质宏观预报、隧道洞内地质调查结论与常见各种物探方法特点，并提出合适的物探方法组合、每种仪器现场最佳探测参数与测点或测线布置方式；依据专家系统指示，设置仪器参数、布置测点或测线并进行现场探测；读取每种探测方法现场探测结果，提取探测图像与数据特征，并初步解译探测结果；按掌子面桩号将物探结果、仪器参数、测点或测线布置情况分类保存于数据库中， (4)启动掌子面前方不良地质预报子模块，输入所预报掌子面桩号，系统自动调出宏观地质预报结论、洞内地质调查结论与掌子面物探初步解译结果，并综合分析各种结果判断掌子面前方地质情况，包括是否存在不良地质体、不良地质体类型、位置与规模；若掌子面前方地质条件较好、不存在不良地质体，则输出预报结果，结束预报，进行下一步施工，若掌子面前方存在不良地质体，则进入超前水平钻探及结果分析子模块；按桩号将掌子面前方不良地质预报结果保存于数据库中， (5)启动超前水平钻探及结果分析子模块，系统自动依据掌子面前方不良地质预报结果选择超前水平钻设备并确定钻点布设位置并进行现场钻探；读取现场记录结果，系统自动分析钻探结果并最终确定掌子面前方地质情况；按桩号将超前水平钻探分析结果保存于数据库中， (6)启动生成处置措施子模块，系统自动调取掌子面前方不良地质预报与超前水平钻探分析结果，并生成相应的`处置方案，按桩号将生成的处置措施保存于数据库中。
【文档编号】G01V11/00GK103513293SQ201310475456
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】周东, 刘宗辉, 吴恒, 谢杰, 郭文广, 龙飞, 黄俊评, 李政, 刘昭军 申请人:广西大学