一种基于多源感知与自主决策的智能化地质钻机系统及控制方法与流程

本发明属于地质钻探装备，特别是涉及一种基于多源感知与自主决策的智能化地质钻机系统。

背景技术：

1、地质钻探是矿产资源勘探、工程地质勘察和地质灾害防治等领域的基础性技术手段。钻探作业过程中，钻进参数的选择直接决定了钻进效率、钻孔质量和作业安全。钻进参数主要包括钻压、转速和冲洗液流量，其中钻压决定了钻头对孔底岩体的破碎能力，转速影响钻头的切削效率，冲洗液流量则承担着冷却钻头、携带岩屑和保护孔壁的多重功能。这三个参数的合理匹配需要根据当前钻进地层的岩性类别和钻孔深度进行动态调整，软土地层需要小钻压、适中转速和大流量冲洗液以防止孔壁坍塌，硬岩地层则需要大钻压、高转速以维持钻进效率，而在破碎岩体中钻进时则需要严格控制钻压和转速以避免孔壁失稳和卡钻事故。然而，地层岩性在钻进深度方向上往往复杂多变，软硬互层、断层破碎带、风化蚀变带等非均质地质构造频繁出现，使得钻进参数的实时调整成为一项高度依赖操作人员经验的复杂决策任务。

2、现有技术中，传统地质钻机的操作方式主要依赖操作人员通过观察返渣颜色、感知钻机振动和听辨机械噪声等表象特征来判断地层变化，再根据个人经验手动调节液压阀和变速档位来调整钻进参数。部分改进型钻机通过加装单一类型的传感器实现了对特定钻进参数的监测，例如在立轴油缸上安装压力传感器监测给进压力、在电机轴上安装转速传感器监测回转速度、通过电流电压传感器间接估算钻进扭矩等。这些改造方案将传感器采集的数据显示在仪表盘或监控屏幕上，供操作人员参考，但传感器数据与执行机构之间并未形成闭环控制链路,操作人员仍需根据数据显示手动操作液压手柄、调节阀和控制开关来调整钻进参数。近年来，石油钻井领域出现了随钻测量技术和基于机器学习的岩性识别方法，通过随钻测井数据或地表钻进参数反演地层岩性，但这些技术主要应用于深部油气钻探场景，依赖昂贵的随钻测量仪器和专业测井数据，难以直接移植到浅层地质钻探工程中。

3、上述现有技术存在以下缺陷：首先，操作人员依赖经验判断地层变化存在主观性和滞后性，操作人员培养周期长且经验难以量化传承，在复杂地层中人工判断的准确率有限，往往在地层变化已经发生并导致钻进异常后才被动调整参数，错失最优调整窗口。其次，现有传感器改造方案的感知维度单一，通常仅监测压力、转速等两至三个参数，缺乏对振动、倾角、流量等多维物理量的同步感知能力，数据之间缺少融合分析机制，无法从多维特征中提取地层响应信息。再次，传感器采集的数据未被用于生成闭环控制指令，执行机构仍依赖人工操作调整，感知与执行之间存在数据链断裂，未能实现从地层识别到参数优化的自动化决策。此外，现有方案缺乏对冲洗液流量的自动调控机制和对卡钻风险的量化评估手段，无法在异常工况发生前进行预警和主动保护。总体而言，现有技术尚未实现从多源感知、地层识别、参数决策到执行控制的完整自动化闭环；因此，需要提出一种基于多源感知与自主决策的智能化地质钻机系统及控制方法来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于多源感知与自主决策的智能化地质钻机系统，旨在克服现有地质钻机感知维度单一、数据链断裂、地层识别依赖人工经验、参数调控粗放且缺乏闭环控制导致钻进效率低和事故率高的缺陷，具有多源异构传感器融合感知、双模冗余地层自动识别、三级递进自适应决策、双回路闭环执行控制和多维度安全保护一体化的特点。

2、为实现上述技术方案，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于多源感知与自主决策的智能化地质钻机系统，包括：集成化数控中心、地质钻机主体和模块化可拆卸塔架；

4、集成化数控中心包含多元融合感知模块、实时决策控制模块和双模式执行系统；

5、多元融合感知模块通过部署于地质钻机主体上的多类型传感器组实时采集钻进参数、机械状态及地层响应数据，并采用扩展卡尔曼滤波算法对多类型传感器组的异构数据进行时间同步与融合状态估计，输出融合后的钻进状态向量；

6、实时决策控制模块接收钻进状态向量，执行地层识别层、参数匹配层和安全校验层三级递进决策，地层识别层将钻进状态向量输入随机森林分类器以输出当前地层岩性类别及置信度，参数匹配层以岩性类别为索引从地层-钻进参数对照表中检索目标钻压值与目标转速值并结合钻孔深度进行深度补偿，安全校验层对补偿后的目标参数进行设备额定范围与地层安全边界校验后输出最终控制目标参数；

7、双模式执行系统包括电机变频控制系统、液压比例阀控制系统、辅助电磁换向阀控制系统、声光报警系统及水量控制系统，支持智能控制指令与人工操作指令的并行输入及无扰切换；

8、模块化可拆卸塔架挂接于地质钻机主体上，塔架顶部设置有两个滑轮，卷扬机的钢丝绳通过两个滑轮将卷扬力转换为钻杆上提下放的拉力，实现钻杆的自动起落。

9、优选地，所述多类型传感器组包括压力传感器、位移传感器、转速传感器、六轴传感器、倾角传感器、进水流量传感器、回水流量传感器和温湿度传感器；所述压力传感器数量为三个，分别安装于多路液压阀座、立轴油缸顶升油口和立轴油缸下压油口，用于监测系统压力、上提压力和下压力；所述位移传感器安装于立轴油缸旁，用于监测立轴位移量；所述转速传感器数量为两个，分别安装于电机轴和立轴，用于监测电机转速和立轴转速；所述六轴传感器数量为两个，分别安装于钻机机身及立轴，用于感知机身姿态、监测机身振动及立轴姿态变化；所述倾角传感器安装于立轴，用于监测钻孔倾角；所述进水流量传感器和所述回水流量传感器分别安装于进水管路和孔口回水管处，用于监测循环水量；所述温湿度传感器安装于控制箱内部，用于监测运行环境温湿度。

10、优选地，所述多元融合感知模块中扩展卡尔曼滤波的数据融合过程为：以gps授时信号为统一时间基准对各传感器数据打上utc时间戳，设定宽度为500ms、步长为100ms的滑动时间窗口，将窗口内各通道异步数据按时间戳线性内插至窗口中心时刻，形成时间对齐的多通道数据帧；将系统压力、上提压力、下压力、立轴位移、电机转速、立轴转速、机身三轴加速度、机身三轴角速度、钻孔倾角、进水流量和回水流量构建为观测向量输入扩展卡尔曼滤波器，滤波器过程模型采用恒加加速度模型，输出融合后的钻进状态向量；

11、所述实时决策控制模块的地层识别层在每个融合周期内，基于钻进状态向量计算钻进阻力特征值、振动能量特征值、转速波动特征值、流量变化特征值和泥浆消耗累积特征值共五项地层响应特征值，组成地层响应特征向量输入所述随机森林分类器，随机森林分类器包含200棵cart决策树，以基尼系数为分裂准则，每棵决策树进行独立分类投票，以得票率最高者作为地层岩性识别结果，以得票率作为置信度；

12、所述参数匹配层中，当置信度大于或等于0.6时以岩性识别结果为键值直接检索地层-钻进参数对照表获取目标钻压基准值和目标转速基准值，当置信度小于0.6时取随机森林输出的概率值最高的两个候选岩性类别及其概率，对两类的对照表参数按概率比例加权插值生成过渡性基准值；深度补偿公式为：

13、；

14、其中为检索或插值得到的钻压基准值，为钻杆单位长度质量，为重力加速度，为当前钻孔深度；所述安全校验层将补偿后的目标钻压值与液压系统最大允许压力及地层容许最大钻压比较取最小值，将目标转速值与变频器额定转速比较取最小值，输出最终控制目标参数对。

15、优选地，所述液压比例阀控制系统包括电磁比例换向阀和电磁比例溢流阀；所述电磁比例换向阀的控制信号为正负0至10伏电压量，通过485通讯模块将主控信号转换为对应的模拟电压，用于控制立轴给进速度和给进力的无级比例调节；所述电磁比例溢流阀的控制信号为4至20毫安标准电流信号，通过专有信号转换控制板将0至10伏电压信号转换为4至20毫安电流信号后输出，用于实现系统压力的精准设定和动态调节；所述485通讯模块支持双通道正负0至10伏信号输出，同时控制所述电磁比例换向阀和所述电磁比例溢流阀。

16、优选地，所述辅助电磁换向阀控制系统包括前后控制油缸和卡盘油缸，所述前后控制油缸由一个电磁换向阀独立控制，所述卡盘油缸由另一个电磁换向阀独立控制；

17、所述电机变频控制系统支持485信号通讯，所述集成化数控中心通过485通讯接口向变频器发送转速给定指令并接收运行状态反馈；

18、所述水量控制系统包括电动调节阀、进水流量传感器、回水流量传感器和水量控制单元，水量控制单元根据地层岩性类别和钻孔深度按分区规则动态生成目标冲洗液流量，并以进水流量传感器实时测量值为反馈、通过增量式pid算法驱动电动调节阀开度使实际冲洗液流量跟踪目标值，同时通过进出水流量差值持续监测孔内漏失和涌水工况。

19、优选地，所述无扰切换包括切换触发、状态冻结、控制量对齐和影子跟随四个环节；

20、切换触发条件包括：操作人员按下控制台上的物理切换按钮、系统自检检测到任一485通讯模块连续3个通讯周期未返回有效响应帧、或实时决策控制模块输出的地层识别置信度连续10个控制周期低于0.3，满足任一条件时系统启动切换流程；

21、状态冻结为切换启动时，双模式执行系统立即冻结当前控制周期的全部控制量，包括电磁比例换向阀电压值、电磁比例溢流阀电流值、变频器转速给定值、前后控制油缸电磁换向阀开关状态、卡盘油缸电磁换向阀开关状态和电动调节阀开度值，形成六元控制状态快照存储于共享内存区；

22、控制量对齐为：当从智能模式切换至人工模式时，将人工操作台上操纵杆、旋钮和按键的电气零位通过线性映射函数重新映射至冻结的控制状态快照值，使操纵装置当前位置对应的输出等于冻结时的控制量，映射关系为：

23、；

24、其中为冻结控制量，为操纵杆灵敏度系数由出厂标定确定，为重新计算的零位映射点使的当前物理位置对应；当从人工模式切换回智能模式时，智能控制器首先读取当前人工操作对应的各控制量值作为增量式pid控制器的初始输出值，再在每个控制周期逐步过渡至智能算法计算的目标值；

25、影子跟随为切换至人工模式后，智能控制器继续在后台以影子模式运行，每个控制周期计算理论目标控制量但不输出至执行机构，当理论目标控制量与人工实际控制量的偏差超过对应控制通道量程的15%且持续超过5秒时，hmi界面弹出提示信息建议操作人员确认当前操作。

26、优选地，一种基于多源感知与自主决策的智能化地质钻机系统的控制方法，包括以下步骤：

27、s1，通过多类型传感器组以500ms为周期同步采集进回水流量、立轴上提压力、立轴下压力、系统压力、位移量、转速、机身振动数据及钻孔倾角数据；

28、s2，对采集到的多源数据进行滑动中值滤波和时间对齐预处理后，计算钻进阻力特征值、振动能量特征值、转速波动特征值、流量变化特征值和泥浆消耗累积特征值共五项地层响应特征值，将地层响应特征向量输入随机森林分类器实时反演当前钻进地层的岩性类别及置信度；

29、s3，根据识别到的地层岩性类别和置信度，从预设的钻压-转速匹配参数库中检索或加权插值生成目标钻压值与目标转速值，并经深度补偿和安全边界校验后输出最终控制目标参数；在钻进过程中根据钻孔深度与临界深度的关系动态调整立轴油缸作用方式，临界深度由目标钻压值和钻杆单位长度自重确定；

30、s4，生成自适应控制指令，通过钻压控制回路和转速控制回路各自的增量式pid控制器分别驱动电磁比例溢流阀和变频器，使实际钻进参数跟踪最终控制目标参数；

31、s5，持续监测设备运行状态，计算卡钻风险指数，当超过设定阈值或检测到异常工况时，触发声光报警并自动停机，或按所述无扰切换流程移交至人工控制模式。

32、优选地，步骤s2中所述五项地层响应特征值的计算公式为：钻进阻力特征值：

33、；

34、其中为下压力，为融合周期内立轴位移变化量，为融合周期时长；振动能量特征值：

35、；

36、其中为融合周期内六轴传感器采样点数，、、为第个采样点的机身三轴加速度；转速波动特征值，其中为融合周期内立轴转速的标准差，为该周期内立轴转速的均值；流量变化特征值：

37、；

38、其中为融合周期内流量传感器采样点数，和为第个采样点的进水流量和回水流量；泥浆消耗累积特征值：

39、；

40、其中为流量传感器采样间隔。

41、优选地，步骤s3中所述临界深度，其中为目标钻压值，为钻杆单位长度质量，m/s²，的物理含义为钻杆自重恰好等于目标钻压时的钻孔深度；当时判定为浅孔钻进阶段，立轴油缸施加下压力，其中为液压系统浮动背压，此阶段油缸主动下压以补偿钻杆自重不足；当时判定为过渡阶段，下压力随深度增加线性递减至零；当时判定为深孔钻进阶段，立轴油缸切换为上提控制模式，上提力，通过油缸上提以部分抵消钻杆自重、防止钻杆全部重量压在钻头上造成钻压过大，使钻头对孔底的有效压力始终维持在的允许偏差范围内；

42、当地层岩性类别发生切换时，控制参数从当前值过渡至新目标值，其中表示控制参数当前值，表示控制参数新目标值，控制参数包括钻压目标值、转速目标值和冲洗液流量目标值；过渡过程采用s型加减速曲线在预设过渡时间内平滑过渡，第个控制周期的目标参数值为，其中为过渡总周期数，为控制周期，归一化s型函数：

43、；

44、陡度参数，该分段定义确保过渡过程精确起始于、终止于，在起止两端变化率接近零以避免液压冲击和孔壁损伤，同时在中间段快速过渡以缩短响应时间；根据地层硬度级差确定，级差越大越长。

45、优选地，步骤s5中所述卡钻风险指数的量化计算模型为：

46、；

47、；

48、；

49、；

50、其中、、为权重系数；为压力异常指数，为最近30秒下压力的滑动平均值，为正且持续增大时表明钻头遭遇异常阻力；为扭矩异常指数，为变频器反馈的当前电机电流有效值，为最近30秒电流的滑动平均值；为流量异常指数，当，否则，增大表明循环通道受阻；当时判定存在卡钻风险；该三指标加权融合方案使卡钻判断依据覆盖了机械阻力、旋转阻力和循环通道三个独立物理维度，任一维度单独异常时综合指数不一定触发阈值，只有多维同时恶化才判定为卡钻，大幅降低误报率，单独使用压力指标无法区分卡钻和正常遇到硬岩，单独使用扭矩指标对钻杆轻度卡滞不敏感，单独使用流量指标在正常地层变化时也可能波动，三者融合弥补了单一指标的盲区。

51、本发明的有益效果为：

52、1，本发明通过集成化数控中心构建闭环控制架构，由多元融合感知模块采用扩展卡尔曼滤波对多类型传感器组的十五维异构数据进行时间同步与融合状态估计，输出融合后的钻进状态向量，再由实时决策控制模块执行地层识别层、参数匹配层和安全校验层三级递进决策，生成最终控制目标参数，最后通过双模式执行系统中的钻压控制回路和转速控制回路各自的增量式pid控制器分别驱动电磁比例溢流阀和变频器，实现了钻进参数的全自动闭环调节；该方案从根本上摆脱了对操作人员经验判断的依赖，解决了现有技术中钻探过程严重依赖人工实时调整、操作人员培养周期长、人为判断存在滞后性和主观性从而导致作业效能瓶颈的缺陷，使地质钻机具备独立完成复杂地层钻进任务的能力，提升了作业的一致性和可靠性。

53、2，本发明通过部署六轴传感器、压力传感器、位移传感器、转速传感器、流量传感器及倾角传感器等多类型传感器组，从多个物理维度同步采集钻进阻力、振动能量、转速波动和进出水流量差等数据，基于融合状态向量计算钻进阻力特征值、振动能量特征值、转速波动特征值、流量变化特征值和泥浆消耗累积特征值共五项地层响应特征值，并采用随机森林主分类器与bp神经网络辅助分类器构成的双模冗余架构进行地层岩性类别的实时反演，当两分类器识别结果不一致时主动降置信度并触发加权插值策略。该方案解决了现有技术中操作员仅能通过返渣颜色和钻机振动等表象特征推测岩性、对隐伏破碎带、薄层互层和软硬岩突变等复杂地质构造识别能力不足的缺陷，为后续自适应参数调整提供了可靠的地层依据。

54、3，本发明通过实时决策控制模块根据地层识别结果和钻孔深度动态生成钻压和转速控制参数组合，驱动比例换向阀、比例溢流阀和变频器实现给进压力与转速的连续无级调节，同时通过水量控制单元按地层分区规则动态调整冲洗液流量以兼顾护壁、携屑和冷却需求；在安全保护层面，系统通过三指标加权融合的卡钻风险指数实时评估钻进安全性，当风险超过阈值或检测到异常工况时触发声光报警和自动停机，并通过切换触发、状态冻结、控制量对齐和影子跟随四环节实现智能控制与人工操作的无扰切换，确保切换瞬间不产生控制量跳变。该方案解决了现有技术中钻进参数采用固定档位或简单阈值控制、无法根据地层力学特性实时动态调整，以及因参数调整不当频繁引发卡钻、钻杆断裂和孔壁坍塌等事故的缺陷，显著增强了系统在非均质复杂地层中的适应能力，降低了事故风险，保障了作业安全性。