（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100000）

傳統(tǒng)的地質(zhì)鉆探除地形條件對(duì)機(jī)具安置有影響外，幾乎任何條件下均可使用鉆探方法，并且可以得到較為真實(shí)可靠的巖石樣本，缺點(diǎn)是費(fèi)用高、耗費(fèi)較多人力物力并且需要進(jìn)一步對(duì)巖心進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)才能得到完整的勘探信息。鉆井過程監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)在于可以通過實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到鉆速規(guī)律來擬合對(duì)應(yīng)巖石的巖性和力學(xué)參數(shù)信息。但是，DPM同樣存在一些需要解決的問題，比如鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭型號(hào)、鉆頭磨損程度都會(huì)對(duì)鉆速產(chǎn)生影響，如果只用鉆速來擬合所有的巖石性質(zhì)是難以做到的，但是多變量的分析會(huì)增加分析的復(fù)雜程度而且不直觀，不利于推廣使用。而機(jī)器學(xué)習(xí)算法具有通過經(jīng)驗(yàn)自動(dòng)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合DPM大數(shù)據(jù)可以解決鉆井過程中的經(jīng)驗(yàn)性問題，比如識(shí)別數(shù)據(jù)中的“噪音數(shù)據(jù)”和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)鉆井動(dòng)態(tài)。

通過鉆井過程監(jiān)測(cè)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，傳統(tǒng)的地質(zhì)鉆探取芯缺點(diǎn)得到彌補(bǔ)，將會(huì)帶來更加準(zhǔn)確、快捷的鉆探效果。

1 已有研究

香港大學(xué)岳中琦等人在國內(nèi)最新開始在工程勘察領(lǐng)域進(jìn)行鉆井過程監(jiān)測(cè)的研究，并且已經(jīng)應(yīng)用在工程上[1，2]。他們發(fā)明的設(shè)備可以記錄鉆機(jī)每一時(shí)刻的轉(zhuǎn)速、油壓和鉆機(jī)機(jī)頭的位移，通過這些參數(shù)篩選出純鉆進(jìn)過程與其對(duì)應(yīng)的深度，并且得到了一個(gè)規(guī)律：同一鉆機(jī)和鉆頭對(duì)同一塊巖石塊體的鉆進(jìn)速度是個(gè)常速。他們根據(jù)這條規(guī)律把鉆速的突變點(diǎn)作為巖土層界面的分界點(diǎn)，與實(shí)際人工編錄比較發(fā)現(xiàn)相差無幾。并且通過鉆井過程監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步研究了與巖石塊體的單軸抗壓強(qiáng)度、大小和地下分布，以及它們之間界面斷面的產(chǎn)狀、延伸、凸凹起伏平整度、厚度和充填物質(zhì)的物理和力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系。

M.Galende-Hernández等人介紹了一種基于隨鉆測(cè)量（MWD）的隧道施工方法[3]：通過對(duì)開挖面進(jìn)行隨鉆測(cè)量（MWD）巖石特征描述和專家知識(shí)，得出巖體等級(jí)（RMR）估計(jì)。使用了著名的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）和計(jì)算智能（CI）技術(shù)。此外，還獲得了一個(gè)可收集和“可解釋”的知識(shí)基礎(chǔ)，將隨鉆測(cè)量的特征開挖面和RMR聯(lián)系起來。通過一個(gè)實(shí)際的隧道實(shí)例計(jì)算，結(jié)果表明該方法具有良好的使用性能：使用15條模糊規(guī)則、3個(gè)語言變量和3個(gè)語言術(shù)語生成的知識(shí)庫，RMR估計(jì)的準(zhǔn)確性高，誤差測(cè)試3%。

2 研究方法和流程

2.1 數(shù)據(jù)采集

圖1 液壓回轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)和構(gòu)件示意圖

通過在鉆機(jī)上安裝油壓傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和位移傳感器對(duì)鉆機(jī)的油壓、鉆桿轉(zhuǎn)速和機(jī)頭位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖1所示，監(jiān)測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)采集頻率為每秒一次。數(shù)據(jù)采集過程中，記錄鉆機(jī)穩(wěn)定鉆進(jìn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，供后期篩選數(shù)據(jù)參考。

（2）選擇算法。針對(duì)數(shù)據(jù)分析的不同階段，采取相應(yīng)的適合的算法。整個(gè)算法體系中，分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)等三種算法。首先，監(jiān)督學(xué)習(xí)是通過已有的一部分輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)之間的相應(yīng)關(guān)系。生成一個(gè)函數(shù)，將輸入映射到合適的輸出，比如分類和回歸。其代表的算法有K-近鄰算法、支持向量機(jī)、決策樹、樸素貝葉斯、邏輯回歸這五種[4]。其次，無監(jiān)督學(xué)習(xí)直接對(duì)輸入數(shù)據(jù)集進(jìn)行建模，數(shù)據(jù)集中沒有預(yù)先做的標(biāo)簽。比如聚類和降維。其代表算法有最大期望算法、K-MEANS聚類、稀疏自編碼器、限制波爾茲曼機(jī)，高斯混合模型等五種[5]。最后，半監(jiān)督學(xué)習(xí)問題是從樣本的角度出發(fā)利用少量標(biāo)注樣本和大量未標(biāo)注樣本進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)。也是綜合利用有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)和沒有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，來生成合適的分類函數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)篩選

該鉆孔位于延安，是一個(gè)地質(zhì)勘察鉆探孔，鉆孔深度為244.5m。有取芯對(duì)應(yīng)的DPM數(shù)據(jù)61750組，時(shí)間間隔為1秒。

本文針對(duì)鉆井過程監(jiān)測(cè)對(duì)工程地質(zhì)勘探的輔助作用，只研究純鉆進(jìn)過程，所以需要剔除掉停工、鉆機(jī)空轉(zhuǎn)、提鉆等未鉆進(jìn)的情況。除了可以通過記錄純鉆進(jìn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的篩選以外，還可以根據(jù)通過兩類機(jī)器學(xué)習(xí)算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分離。

2.3 數(shù)據(jù)建模

通常情況下，4k技術(shù)電視播放實(shí)踐一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化工作流程按照時(shí)間先后可以分為策劃拍攝、制作節(jié)目、節(jié)目備播、播出等四個(gè)部分。上述整個(gè)過程都需要資料管理的支持。媒體資產(chǎn)管理的范疇十分廣泛，節(jié)目備播以及資料管理都是其組成部分。其中，策劃拍攝是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)化工作流程的起點(diǎn)，重要性較強(qiáng)。在節(jié)目制作環(huán)節(jié)，需要使用到大量的素材，這些素材普遍來源于外拍、收錄和采集。此外，在節(jié)目播出之前，必須進(jìn)行嚴(yán)格的審查，依據(jù)播出串聯(lián)單對(duì)播出素材進(jìn)行全面檢查，切實(shí)保障其質(zhì)量。在播出環(huán)節(jié)，必須嚴(yán)格遵循節(jié)目串聯(lián)單的順序。

出于預(yù)測(cè)地層巖性及完整性的功能需要，將采用監(jiān)督學(xué)習(xí)的算法來預(yù)測(cè)。又因?yàn)椴煌牡貙有再|(zhì)對(duì)應(yīng)有不同的鉆機(jī)參數(shù)，相同地層對(duì)應(yīng)的鉆機(jī)參數(shù)具有一類特征，所以在這個(gè)目標(biāo)預(yù)測(cè)中我采用了k-近鄰算法（knn算法）。

Now P can be rewritten asNGis the grids number of FEM model.According to the modal orthogonality principle,P equals zero.Similarly,Then Eq.(16)can besimplified as

我國的中西部地區(qū)深居內(nèi)陸，地形崎嶇，經(jīng)濟(jì)落后，因而對(duì)外貿(mào)易發(fā)展難度較大，我國內(nèi)地也長期以來缺乏經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高，能為其他經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后的內(nèi)陸地區(qū)提供發(fā)展經(jīng)驗(yàn)的模板。而京津冀地區(qū)通過雄安新區(qū)推動(dòng)發(fā)展的例子，為云貴川，黑吉遼等內(nèi)陸地區(qū)提供了一種創(chuàng)新科技型發(fā)展模式。同時(shí)，也提升了區(qū)域建設(shè)對(duì)可持續(xù)發(fā)展理念的重視。有利于我國內(nèi)陸地區(qū)加快其傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造、第三產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。雄安新區(qū)通過為我國內(nèi)陸多區(qū)域的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化提供模板，推動(dòng)著我國中西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)了我國內(nèi)陸地區(qū)區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程。

（3）加載算法與測(cè)試結(jié)果。

在本節(jié)內(nèi)容中，我將結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法用一個(gè)鉆井過程監(jiān)測(cè)的實(shí)例來預(yù)測(cè)地層巖性與完整性。

2.4 目標(biāo)預(yù)測(cè)

通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，我們可以對(duì)巖石的巖性和完整性進(jìn)行預(yù)測(cè)，如果有巖石的抗壓強(qiáng)度訓(xùn)練集，還可以對(duì)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行回歸預(yù)測(cè)。

3 應(yīng)用實(shí)例與結(jié)果分析

82例患者中，急性血栓9例，血栓大?。洪L0.6～22.0 cm，直徑0.7～3.3 cm，彩色多普勒超聲檢查病變靜脈管腔明顯增寬，其內(nèi)充滿低或無回聲，血管壁與血栓界限清晰，無增厚，病變處無血流信號(hào)；陳舊性血栓73例，其中28例為伴有再通的不全性血栓，彩色多普勒超聲顯示病變靜脈管徑粗細(xì)不等，管壁局限性或彌漫性增厚，管腔內(nèi)有強(qiáng)弱不等的實(shí)性回聲，與血管壁分界不清，局部管腔血流充盈缺損，血流變細(xì)，周邊有縫隙狀血流信號(hào)。

將經(jīng)過篩選得到的純鉆進(jìn)過程的數(shù)據(jù)通過算法進(jìn)行分析。

3.1 數(shù)據(jù)來源

由于鉆井過程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集是連續(xù)的，而鉆機(jī)的工作是間斷性的，并且鉆機(jī)工作期間純鉆進(jìn)時(shí)間也是斷斷續(xù)續(xù)的，所以需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，把沒有意義的數(shù)據(jù)剔除，便于分析。

3.2 算法選擇及輸入因素選擇

（1）選擇變量。要想通過對(duì)鉆機(jī)的參數(shù)監(jiān)測(cè)從而識(shí)別巖石的各項(xiàng)性質(zhì)和力學(xué)指標(biāo)必須要了解巖機(jī)相互作用的機(jī)理。其中鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆速是最重要的幾個(gè)參數(shù)，前三個(gè)參數(shù)可以說是“因”，而第四個(gè)參數(shù)是“果”。這四個(gè)參數(shù)也是數(shù)據(jù)分析所要選擇的參數(shù)。首先，不同性質(zhì)的巖石作用在鉆機(jī)上，體現(xiàn)在鉆機(jī)上是各個(gè)參數(shù)的變化；其次，相同的鉆機(jī)參數(shù)作用在巖石上，最能體現(xiàn)的是鉆進(jìn)速度的不同，但是這種情況在施工過程中比較少，施工過程不會(huì)保持著同樣的參數(shù)讓鉆機(jī)鉆進(jìn)，他們會(huì)根據(jù)鉆進(jìn)的情況來調(diào)整鉆壓、轉(zhuǎn)速，以便快速鉆進(jìn)，這對(duì)利用DPM數(shù)據(jù)進(jìn)行地層分析提出了挑戰(zhàn)。

跟蹤采樣周期為0.1 s，測(cè)距精度為100 m，測(cè)角精度為0.001 5 rad，進(jìn)行100次蒙特卡洛，得到的3種算法跟蹤結(jié)果如圖2～圖5所示。

輸入的因素有轉(zhuǎn)速、油壓、鉆速、地層深度等四個(gè)因素。輸出為巖層的巖性和完整性，其中巖性標(biāo)簽有14種，完整性標(biāo)簽有4種，分別為完整、較完整、較破碎、破碎如圖2所示。

圖2 地層原始情況

3.3 結(jié)果分析

訓(xùn)練數(shù)據(jù)集數(shù)量為3040組，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集數(shù)量為49133組。預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為0.86013。

4 結(jié)論

從科學(xué)研究上講，DPM采集的數(shù)據(jù)可以幫助我們用量化的方式來評(píng)價(jià)地層信息，并且為工程提供可靠的地質(zhì)情況。通過DPM，人們可以快捷、有效、定量、客觀地測(cè)量或計(jì)算得到巖石塊體的單軸抗壓強(qiáng)度、大小和地下分布，以及它們之間界面斷面的產(chǎn)狀、延伸、凸凹起伏平整度、厚度和充填物質(zhì)的物理和力學(xué)性質(zhì)。DPM為進(jìn)一步完善和解決現(xiàn)有工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法存在的諸多問題提供了一條可行的途徑和手段。在傳統(tǒng)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法、巖體地質(zhì)條件和DPM的基礎(chǔ)上，可建立新的方法和規(guī)范來快捷、有效、定量和客觀地評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量。更可將這個(gè)新方法和規(guī)范推廣到全世界巖土工程界。DPM鉆孔過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)將成為一種常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)，成為巖土工程生產(chǎn)力的一部分，從而有效地降低巖土工程中的事故和災(zāi)難。

從工程管理角度上講，DPM可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以知道鉆機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，進(jìn)而可以防止虛假鉆孔和虛假編錄。