开采过程多源信息融合与集成分析技术研究

论文摘要

本文通过对开采过程中各种信息源进行研究,在总结了地质几何模型中的面模型、体模型、数据结构模型和工程巷道模型及力学分析数值模拟模型的特点的基础上,建立了基于扩展B-REP的统一空间数据共通模型；在研究了信息融合基本理论的基础上,总结了开采过程中地质测量、数值模拟、采动监测等数据源的多尺度性、多语义性的特点,建立了开采过程中多源信息的标准体系与协议；研究了微震监测等多源信息的特征,建立了采动信息处理的流程,并且利用了小波分析算法对微震监测的信号进行滤波,总结了图像类的增加技术；对于微震监测的应力场与数值模拟的应力场进行了二维图像融合,为解释应力的集中与岩体稳固性分析与预测提供了第三种途径。主要的内容如下：（1）从多源信息融合的概念出发,对适合于我国地下矿山特点的信息融合技术及集成分析平台的内涵进行了系统研究和深入的探讨。提出了集成分析系统的建设目标、研究内容以及实现的关键技术,对开展我国地下矿山信息融合与集成协同分析工作具有积极的推动作用。研究了已经建立的几何模型、工程模型、数值模型,提出集成共通模型的感念,并且初步阐述了共通模型数据集成的机制与原理,该模型以XML为数据的组织结构,可以灵活的兼容各种信息,并且易于搜索与查询显示。（2）针对开采过程中可以得到的多源信息,研究了微震信号的产生机理、声发射的传播及定位原理,分析了微震监测得到的信息格式；总结了钻孔摄像、声波探测、应力应变监测等常见的监测多源信息。针对量纲不一致,无法进行多源数据的直接融合处理的问题,进行量纲的统一与标准化处理,提出了开采过程中信息标准化的概念与体系,并且制定了基于XMPP的标准化协议与接口定义。针对波形数据的预处理,研究并运用了小波去噪的算法；针对钻孔摄像等图像类型的预处理,阐述了统一图像格式的变换与图像增强技术；针对应力、位移类的数据,分析了监测数据的误差,根据时空效应修正的理论,设计了数据预处理的流程。（3）概述了信息融合的基本原理与信息融合模型,说明了信息融合的体系结构与层级结构,总结了可以用于开采过程中的信息融合算法,进行了微震监测数据与数据模拟分析数据的融合,说明了融合的步骤与使用的算法,并给出了融合的结果,提出了解释测量数据结果与推理数据结果的综合的第三种解释方法；针对钻孔摄像数据与声波监测数据的融合,提出了变动增益系数的统计插值法,该方法根据波速大小通过线性变化得到增益系数,有效地完成了两者数据的融合,实验结果表明,钻孔摄像图像较原始图像清晰,易于裂隙的识别。（4）对集成分析系统进行了系统架构设计,提出了系统的总体架构模型,并且从功能架构、系统逻辑架构、系统技术架构、系统数据架构及系统部署架构进行了详细的阐述。研究了系统的关键功能,并且对系统采用的关键技术进行了调查。研究了基于Hoops三维可视化技术方法,进行了关键功能模块开发与关键技术的研究,完成了系统地整体实现,结合红透山项目与焦家项目进行了实际应用,集中展示了项目中的数据、数值模拟与图像的研究成果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 多模型融合技术研究
• 1.2.2 多源信息融合技术研究
• 1.2.3 信息集成分析研究
• 1.3 研究内容
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 关键问题
• 1.4 研究方法与论文章节安排
• 1.4.1 研究方法
• 1.4.2 论文章节安排
• 第2章 开采过程中共通模型构建研究
• 2.1 地质几何模型构建研究
• 2.1.1 面模型
• 2.1.2 体模型
• 2.1.3 集成数据结构模型
• 2.2 工程模型构建研究
• 2.2.1 巷道模型概述
• 2.2.2 井巷三维建模
• 2.3 力学分析数值模型构建研究
• 2.3.1 数值模拟求解过程
• 2.3.2 岩石力学数值计算的网格模型
• 2.4 共通模型构建研究
• 2.4.1 地质几何三维数据结构
• 2.4.2 共通模型空间数据集成的机制
• 2.4.3 基于扩展B-REP的模型空间数据集成策略
• 2.4.4 基于XML的共通模型的构建
• 第3章 开采过程多源信息采集与预处理
• 3.1 开采过程中信息的来源
• 3.1.1 微震监测
• 3.1.2 钻孔摄像
• 3.1.3 声波探测
• 3.1.4 应力应变监测
• 3.1.5 数值模拟
• 3.2 开采过程中各种信息的标准化
• 3.2.1 标准化的概念
• 3.2.2 标准化的体系
• 3.2.3 采动监测信息的标准化
• 3.3 微震数据的预处理
• 3.3.1 信号的去噪
• 3.3.2 数字滤波器的概念与分类
• 3.3.3 小波分析理论及其应用
• 3.3.4 小波变换的时频特性
• 3.3.5 应用小波分析理论对信号去噪过程分析
• 3.4 开采过程数值模拟分析结果的预处理
• 3.5 钻孔摄像数据的预处理
• 3.5.1 统一图像格式的变换
• 3.5.2 图像增强
• 3.6 声波探测数据的预处理
• 3.6.1 探测原始信号的去噪
• 3.6.2 探测点波速世界坐标计算
• 3.7 位移监测数据的预处理
• 3.7.1 监测数据误差源分析
• 3.7.2 监测数据的时、空效应修正
• 3.7.3 数据预处理流程
• 第4章 开采过程多源信息融合
• 4.1 多源信息融合概述
• 4.1.1 信息融合的基本原理
• 4.1.2 信息融合模型
• 4.1.3 信息融合的体系结构
• 4.1.4 信息融合的层次结构
• 4.2 开采过程信息融合算法
• 4.2.1 物理模型类识别算法
• 4.2.2 基于特征的推理技术
• 4.2.3 认知模式类识别算法
• 4.3 微震监测数据与数值模拟分析技术融合算法
• 4.3.1 图像融合介绍
• 4.3.2 图像融合步骤
• 4.3.3 融合算法的选择
• 4.3.4 数字计算数据来源
• 4.3.5 融合的过程与效果
• 4.4 钻孔摄像数据与声波监测数据融合算法
• 4.4.1 声波监测数据二维图像化处理
• 4.4.2 融合算法
• 4.4.3 实验结果
• 第5章 开采过程多源信息融合与集成分析系统架构设计
• 5.1 设计原则和方法
• 5.1.1 架构设计原则
• 5.1.2 应用系统设计方法
• 5.2 总体设计及架构模型
• 5.3 系统功能架构
• 5.3.1 基础平台
• 5.3.2 绘图、建模与辅助设计子系统
• 5.3.3 采动仿真子系统
• 5.3.4 监测数据管理与可视化子系统
• 5.3.5 有限元输入输出子系统
• 5.3.6 集成显示分析子系统
• 5.3.7 Web子系统
• 5.5 系统逻辑架构
• 5.6 系统技术架构
• 5.7 系统数据架构
• 5.8 系统部署架构
• 5.8.1 基于云平台的集成显示协同分析平台的部署
• 5.8.2 基于云平台的集成分析系统的部署
• 5.9 系统性能指标
• 5.9.1 集成分析软件性能指标
• 5.9.2 WEB软件性能指标
• 第6章 开采过程多源信息融合与集成分析系统实现与应用
• 6.1 系统的开发环境
• 6.2 系统实现的关键模块
• 6.2.1 图形引擎
• 6.2.2 事件引擎
• 6.2.3 签入/签出
• 6.3 系统实现关键技术
• 6.3.1 Qt、Hoops
• 6.3.2 图形视图框架
• 6.3.3 动画
• 6.3.4 脚本
• 6.3.5 插件（组件）机制
• 6.3.6 ActiveX
• 6.3.7 SVG
• 6.4 系统运行效果与应用
• 6.4.1 系统主界面
• 6.4.2 基础平台
• 6.4.3 监测数据管理与可视化子系统
• 6.4.4 集成显示子系统
• 6.4.5 Web子系统
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间参加的科研项目及获得成果