一种基于仿蚁体寻迹技术的隧道节理面自生长式建模方法

1.本发明涉及山岭隧道工程技术领域，更具体涉及一种基于仿蚁体寻迹技术的隧道节理面自生长式建模方法。


背景技术：

2.岩体隧道大多围岩地质条件复杂多变，具有不连续性、不均匀性和各向异性，使得隧道施工难度大且工程地质灾害风险高。隧道节理面的展布形态、物理力学强度和组合情况控制着围岩的力学行为和稳定性，准确建立节理面模型是隧道安全设计和施工的关键问题。为建立隧道节理面模型，目前国内外隧道领域专家提出了多种节理面模型和建模方法。但目前的节理面模型在建模过程中考虑的地质信息大多为开挖面上的数据，即建立的模型未充分考虑到现有的地质数据且受人为主观因素的影响较大，进而导致模型后续分析可靠度较低。
3.有鉴于此，有必要对现有技术中的建模方法予以改进，以解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于公开一种基于仿蚁体寻迹技术的隧道节理面自生长式建模方法，解决现有结构面模型表达地质信息不全面、受人为主观因素的影响较大和后续分析可靠度低的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于仿蚁体寻迹技术的隧道节理面自生长式建模方法，基于仿蚁体寻迹技术中仿蚁体爬行时始终选择最短路径，最终选择的最短路径最大可能地会经过隧道节理面的原理，将仿蚁体播撒在获取的含有丰富地质构造信息的地球物理勘探数据资料、含有隧道开挖面迹线信息的三维点云数据、以及超前地质钻孔获得的钻孔点位信息共同组成的离散数据中，通过仿蚁体的爬行和信息素的释放实现基于仿蚁体寻迹技术的隧道节理面自生长式建模；
6.具体包括如下步骤：
7.s1，初始化仿蚁体，设置仿蚁体参数，包括仿蚁体数量n，最大迭代次数t
max
，信息素强度因子q，信息素挥发因子ρ以及启发因子β共5个参数；
8.s2，初始化仿蚁体的信息素矩阵，使得每一条路径和每一节点处的初始信息素浓度相等，信息素矩阵中包含地质构造信息、节理面迹线信息，以及超前地质钻孔获得的钻孔点位信息；
9.s3，仿蚁体开始爬行，并计算爬行路径中任意相邻两个离散数据节点qi(xi，yi，zi)与qj(xj，yj，zj)之间的相对起伏度，计算公式如下：
[0010][0011]
判断该节点处所有路径是否满足预设节理面条件，即相对起伏度绝对值小于既定阈值，仿蚁体在此条满足预设节理面条件的路径上释放信息素进行标记，并继续爬行，并对
所有满足预设节理面条件的路径识别汇集成整条最短路径，记录第一次寻迹结果；
[0012]
s4，更新信息素矩阵，开始迭代，再次进行最短路径的寻迹和识别，判断是否到达最大迭代次数，当达到最大迭代次数，整理分析每一次迭代后记录的最短路径，将这些最短路径拟合，生长出最终的隧道节理面模型。
[0013]
作为本发明的进一步改进，所述步骤s4中，当未到达最大迭代次数时，重新更新信息素矩阵，并再次迭代。
[0014]
作为本发明的进一步改进，所述步骤s1中，采用交叉对比的方法确定仿蚁体寻迹技术的相关参数，首先将信息素强度因子q，信息素挥发因子ρ以及启发因子β三个参数组合并逐一调整选择最优区间，然后加入仿蚁体数量n和最大迭代次数tmax两个对结果影响明显的参数一一调整进行选择。
[0015]
作为本发明的进一步改进，所述步骤s3中，预设节理面条件通过控制相对起伏度阈值实现。
[0016]
作为本发明的进一步改进，所述步骤s4中，最大迭代次数由离散数据体规模决定。
[0017]
作为本发明的进一步改进，所述步骤s3中，仿蚁体在寻迹过程中信息素决定路径选择的概率计算公式如下：
[0018][0019]
式中，τ
ij
表示信息素矩阵中任意相邻两个离散数据节点qi(xi，yi，zi)与qj(xj，yj，zj)之间的信息素量，p
ij
表示仿蚁体在节点处的转换概率，n是仿蚁体需要爬行的所有节点数量。
[0020]
作为本发明的进一步改进，所述s4步骤中，信息素矩阵更新规则如下：
[0021]
τ
ij
(t 1)＝(1-ρ)τ
ij
(t) δτ
ij
[0022][0023]
式中，δτ
ij
表示信息素的增量，δτ
ijk
表示第k只仿蚁体某一次循环中在相邻两个离散数据节点qi(xi，yi，zi)与qj(xj，yj，zj)之间释放的的信息素量，m是所有仿蚁体的数量。
[0024]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0025]
一种基于仿蚁体寻迹技术的隧道节理面自生长式建模方法充分利用和表达了多源地质信息，建立的结构面模型精度高，极大地缩小了节理面模型与真实节理面之间的差异，从而克服传统结构面模型表达地质信息不全面、受人为主观因素影响较大和后续分析可靠度低的问题。相比于传统的节理面建模方式，方法综合利用获取地地质构造信息，节理面迹线信息，以及超前地质钻孔获得的钻孔点位信息建立仿蚁体寻迹技术的离散数据库，所建立节理面模型更为全面地反映了各地质因素的影响；定义相对起伏度，利用节理面的固有属性预设节理面条件，控制仿蚁体在节点处的转移概率。将仿蚁体播撒在获取的含有丰富地质构造信息的地球物理勘探数据资料和含有隧道开挖面迹线信息的三维点云数据共同组成的离散数据中，通过仿蚁体的爬行和信息素的释放实现了节理面的自生长式建模，减少了人为主观因素对建模过程的影响，较于传统方法建立的模型可靠度高，可进一步用于后续的数值分析。
附图说明
[0026]
图1为本发明一种基于仿蚁体寻迹技术的隧道节理面自生长式建模方法的流程图；
[0027]
图2为本发明一种基于仿蚁体寻迹技术的隧道节理面自生长式建模方法中隧道节理面自生长模型示意图。
[0028]
其中，图2中：1、代表所有最短路径拟合的隧道节理面模型；2、代表离散数据节点；3、代表仿蚁体；10、代表仿蚁体寻找的最短路径。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
[0030]
请参图1至图2所示出的本发明一种基于仿蚁体寻迹技术的隧道节理面自生长式建模方法的一种具体实施方式。
[0031]
步骤一、初始化仿蚁体、确定仿蚁体寻迹技术相关参数
[0032]
在获取的含有丰富地质构造信息的地球物理勘探数据资料和含有隧道开挖面迹线信息的三维点云数据共同组成的离散数据体中播撒一定数量的仿蚁体，并初始化仿蚁体。初始化仿蚁体需要设置的参数包括仿蚁体数量n，最大迭代次数tmax，信息素强度因子q，信息素挥发因子ρ和启发因子β共5个参数。
[0033]
仿蚁体寻迹技术中的5个参数与数据体规模和复杂程度有关，需根据实际情况选择合适的参数，以保证仿蚁体寻迹技术的普适性和鲁棒性。采用交叉对比的方法选择最合适的仿蚁体寻迹技术的参数。首先将信息素强度因子q，信息素挥发因子ρ和启发因子β三个参数组合并逐一调整选择最优区间，然后加入蚁数量n和最大迭代次数t
max
两个对结果影响明显的参数一一调整进行选择。
[0034]
步骤二、初始化仿蚁体的信息素矩阵
[0035]
建立的信息素矩阵中除了包含地质构造信息、节理面迹线信息，还包括一些超前地质钻孔获得的钻孔点位信息。初始化信息素矩阵，设置为每一条路径和每一个节点处的初始信息素浓度都相等。
[0036]
步骤三、仿蚁体开始爬行，并计算爬行路径中任意相邻两个离散数据节点qi(xi，yi，zi)与qj(xj，yj，zj)之间的相对起伏度，计算公式如下：
[0037][0038]
判断该节点处所有路径是否满足预设节理面条件，即相对起伏度绝对值小于既定阈值，仿蚁体在此条满足预设节理面条件的路径上释放信息素进行标记，并继续爬行，并对所有满足预设节理面条件的路径识别汇集成整条最短路径，记录第一次寻迹结果；相对起伏度的既定阈值由结构面规模大小决定。
[0039]
仿蚁体寻迹技术中仿蚁体爬行时始终选择最短路径，沿着离散数据体爬行，最后选择的最短路径必然最大可能地经过隧道节理面。当仿蚁体在寻迹过程中找到疑似节理面的最短路径时，仿蚁体会释放出特定的信息素，代入公式
[0040][0041]
通过改变转移概率将其他仿蚁体召集到此处。当其他仿蚁体识别到该信息素后会到达附近继续进行寻迹，不断爬行寻找更多满足预设节理面条件的地方，直到完成整条最短路径的寻迹和识别过程。
[0042]
步骤四、节理面模型的建立
[0043]
仿蚁体完成一次节理面的寻迹和识别后，记录寻迹的结果并根据公式
[0044]
τ
ij
(t 1)＝(1-ρ)τ
ij
(t) δτ
ij
[0045][0046]
更新信息素矩阵，重新开始迭代，直至达到最大迭代次数。最大迭代次数由离散数据体规模决定。满足迭代终止条件后，仿蚁体不再进行寻迹，整理分析每一次迭代后记录的最短路径，将这些最大可能地经过隧道节理面的路径拟合，生长出最终的隧道节理面模型。
[0047]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。