隧道掘进爆破设计智能系统研究

摘要

爆破技术以其灵活、方便、快速的特点在我国大部分隧道修建中得到广泛应用。隧道掘进爆破设计的质量、速度直接影响到隧道修建的安全、质量、成本和工期，如何改变目前设计人员凭经验确定设计方案、选取单循环进尺及爆破参数、手工计算和手工绘图、计算不精确、调整修改困难、设计速度慢以及人工编制施工进度和进行施工质量管理的落后局面，已成为爆破工程、隧道工程界亟待解决的问题之一。因此，研制出功能完善的隧道爆破设计智能系统，不仅具有重要的工程应用价值，而且在提高我国爆破设计水平、设计质量和设计速度的同时，更推动了岩石爆破理论与计算机技术和人工智能的紧密结合。 本文针对目前隧道爆破开挖施工中的方案确定、爆破参数选取、炮孔布置与绘图、计算速度慢、数据管理困难、难以借鉴以往爆破资料指导后续设计等科学问题进行研究。综合运用隧道掘进爆破设计原理、计算机数据库技术、人工智能理论、神经网络技术、数学建模理论和计算机图形学原理，实现了用计算机方法替代人工进行隧道爆破设计的目标，研制出隧道爆破设计智能系统，以促进隧道爆破设计的智能化进程。 按照隧道掘进爆破的设计原理和方法提取与爆破设计相关的参数和数据及其相关的专家经验知识信息，依据数据库设计技术方法并结合提取的参数和数据，确定了适合隧道爆破设计数据的数据库及其数据表结构。由此，选择Microsoft Access系统创建了隧道爆破设计数据库bps，并根据数据表结构创建了全部数据表及其主键、索引和关系，使得隧道爆破数据库在操作和管理上达到了数据的安全性、一致性和完整性的统一。 根据传统的隧道爆破设计技术并结合计算机智能系统理论，按照软件工程方法研究提出隧道爆破设计智能系统由知识库、数据库、推理机、人机交互系统和解释机构等五部分组成，并给出了基于人工智能的一系列推理机制和搜索策略。在综合考虑安全、实用、质量、用户特点等多种因素的基础上，创建了系统管理、参数智能计算、爆破数据、布孔设计、施工设计和施工信息管理等系统功能模块。 结合目前各类隧道断面轮廓线的特点，提取出其断面参数和特征参数，建立了可用于计算机编程的隧道断面轮廓线数学模型，通过给出的隧道断面参数输入方法及算法步骤与流程，可实现任意隧道断面轮廓线的精确绘制，并给出了准确计算断面面积的计算步骤和计算公式，为隧道爆破的炮孔自适应布置奠定了基础。 根据隧道爆破设计原理和计算机技术要求，结合数学建模理论，提出了掏槽、周边、辅助、掘进等炮孔的自适应布置原则与方法，建立了相应的数学模型。该研究工作为系统实现提供了理论支持，系统据此可实现按隧道爆区地质条件和断面几何尺寸自动搜索选取最优爆破参数，并以此在隧道断面上进行自适应布置各类炮孔，且可按给出的布孔修改原则和方法进行自动调整。 运用人工神经网络理论与方法，结合隧道爆破设计的实际需要，以岩石f值、隧道断面面积、实际进尺、炮孔直径、平均线性超挖、平均线性欠挖为网络输入参数，以设计进尺、炸药单耗、周边孔距、辅助孔孔距、辅助孔排距、掘进孔孔距、掘进孔排距为网络输出参数，建立输入层节点数为6、输出层节点数为7、隐含层节点数为3的三层结构隧道爆破设计BP网络，并提出基于爆破先验知识的神经网络模型学习约束条件，实现在借鉴原有爆破设计参数和爆破效果的基础上快速、准确计算爆破参数的目标。 选择Visual C++作为隧道爆破设计智能系统的开发平台，按系统各个功能模块及其实现方法编制程序，使系统框架下的各个相互独立的模块既能顺利完成各自功能又能成为一个相互关联并运转良好的有机整体。 将开发完成的隧道爆破设计智能系统(ZXTBS)应用于武广铁路客运专线上连溪和乐善亭隧道爆破施工，设计出循环进尺分别为2.2m、2.3m和2.8m三种爆破方案。7次爆破施工的实践表明，隧道爆破设计智能系统给出的各种设计图表可直接应用于工程施工，能实现爆破参数优化、计算机自适应布孔成图和系统自我学习等目标，并在20分钟的时间内完成隧道爆破设计；爆破质量达到工程要求，并解决了施工中隧道掌子面不平整、炮孔利用率低、雷管脚线易炸断、超欠挖等问题，提高了施工质量和进度，节省了施工费用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2隧道爆破技术研究进展

1.2.1国内隧道爆破技术的发展与现状

1.2.2国外隧道爆破技术的发展与现状

1.2.3当前隧道爆破技术特点分析及发展方向

1.3智能系统的研究现状

1.3.1数据库技术现状

1.3.2人工智能发展及研究现状

1.3.3人工神经网络发展及研究现状

1.4主要研究内容与方法

1.4.1研究内容

1.4.2研究方法

第2章隧道爆破设计工艺及其数据分析

2.1概述

2.2隧道爆破设计工艺分析

2.3隧道爆破设计数据分析

2.3.1隧道爆破设计基本数据

2.3.2隧道爆破布孔设计分析

2.3.3隧道爆破施工设计分析

2.4本章小结

第3章隧道掘进爆破设计智能系统组成与结构

3.1概述

3.2基于人工智能的智能系统原理

3.2.1智能系统的基本结构

3.2.2知识库

3.2.3数据库

3.2.4推理机

3.2.5解释机构

3.2.6知识获取机构

3.2.7用户界面

3.3隧道爆破设计智能系统组成

3.3.1隧道爆破知识库

3.3.2隧道爆破设计数据库

3.3.3隧道爆破设计智能系统推理机

3.4智能系统结构与功能

3.4.1系统流程图

3.4.2隧道爆破设计智能系统结构

3.4.3智能系统模块功能

3.4.4智能系统数据流图

3.5本章小结

第4章隧道爆破设计数据库的建立

4.1数据库系统概述

4.2数据库设计原理与方法

4.3隧道掘进爆破数据库的分析与创建

4.3.1隧道掘进爆破数据库结构与模块

4.3.2隧道爆破数据库需求描述与分析

4.3.3隧道爆破数据库的概念模型

4.3.4隧道爆破数据库逻辑设计

4.3.5隧道爆破数据库物理设计

4.4本章小结

第5章隧道爆破的自适应布孔原则及其实现方法

5.1概述

5.2爆破参数的调用方法

5.2.1炮孔参数调用与取值原则与方法

5.2.2循环进尺与炮孔超深的确定

5.2.3炮孔直径与炮孔深度的确定

5.2.4炮孔实际孔网参数计算

5.2.5装药量与堵塞长度

5.3隧道断面轮廓线的计算机实现方法

5.3.1坐标系的建立与断面参数输入

5.3.2断面轮廓线控制点之间曲线形状数学模型

5.3.3隧道断面轮廓线的绘制

5.3.4断面面积计算

5.4周边孔的自适应布置原则与方法

5.4.1隧道断面轮廓线为直线时周边孔的布置方法

5.4.2隧道断面轮廓线为圆弧时周边孔的布置方法

5.5掏槽孔的自适应布置原则与方法

5.5.1楔形掏槽级数的确定原则

5.5.2掏槽孔自适应布置的实现方法

5.5.3掏槽孔布置的实现方法验算

5.6辅助孔的自适应布置原则与方法

5.7掘进孔的自适应布置原则与方法

5.8自适应布孔修改原则与实现方法

5.8.1炮孔移动的自适应布置实现方法

5.8.2炮孔增加后的自适应布置实现方法

5.8.3炮孔删除的自适应布置实现方法

5.9本章小结

第6章施工设计计算机智能化的实现方法

6.1概述

6.2钻孔后炮孔位置的修改原则与方法

6.3装药结构与炮孔剖面的实现方法

6.3.1装药结构设计的实现方法

6.3.2炮孔剖面的计算机实现方法

6.4起爆系统设计原则与实现方法

6.4.1起爆系统与爆破安全

6.4.2起爆网路绘制及其修改原则与方法

6.5隧道爆破设计智能系统的输出内容与方式

6.6本章小结

第7章基于先验知识的隧道爆破参数计算

7.1人工神经网络概述

7.1.1人工神经网络分类

7.1.2神经网络模型

7.2前馈型神经网络(BP网络)

7.2.1 BP网络的基本原理

7.2.2 BP学习算法

7.2.3前馈型人工神经网络的基本要求

7.3隧道爆破智能设计的BP网络模型

7.3.1隧道爆破设计BP网络输入输出参数

7.3.2隧道爆破设计BP网络结构

7.3.3隧道爆破设计BP网络学习算法

7.4基于爆破先验知识的学习约束条件

7.4.1隧道爆破先验知识及其关联关系

7.4.2隧道爆破设计网络模型学习约束条件

7.4.3爆破设计参数的智能计算

7.5本章小结

第8章隧道爆破设计智能系统开发研究

8.1概述

8.2隧道爆破设计智能系统开发的语言选择

8.2.1应用程序开发语言及其特点

8.2.2开发语言的选择

8.2.3 Visual C++ 6.0的特点及其相关技术

8.3隧道爆破设计智能系统开发

8.3.1系统框架的编程实现

8.3.2爆破数据模块功能的编程实现

8.3.3布孔设计的编程实现

8.3.4基于神经网络智能设计的编程实现

8.4本章小结

第9章隧道爆破设计智能系统应用

9.1隧道爆破设计智能系统应用方法

9.2系统初步应用概况

9.3系统初步应用于铁路隧道爆破施工

9.3.1系统在乐善亭与上连溪隧道的初步应用

9.3.2系统在武广铁路客运专线隧道爆破应用的综合分析

9.4系统在应用中出现的问题及其改进方法

9.5本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果