基于IRMO算法的水平定向钻进轨迹设计优化方法研究

作     者：韦俊杰 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金亮星

授予年度：2023年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：非开挖工程 水平定向钻进 轨迹设计优化 障碍物规避 智能优化算法 多目标优化 

摘      要：面对复杂的地质环境和原有地下障碍物分布,钻进轨迹的设计优化对于实现高效、安全的水平定向钻进(HDD)具有重要意义。本文针对水平定向钻进过程中的复杂地质条件和障碍物分布带来的轨迹设计优化问题,考虑地层岩土体参数、障碍物参数和轨迹的几何设计特征,讨论钻进轨迹的设计优化方案,从钻孔孔壁稳定性、两阶段式的轨迹设计优化、复杂复合曲线式轨迹设计和多目标优化四个方面研究HDD轨迹的设计优化模型,并结合相应的智能优化算法实现了钻进轨迹的最优化设计。论文主要研究内容和结论如下:(1)分别针对复杂地质条件和地下障碍物分布条件,提出了对应的HDD轨迹设计优化方法:为保证在复杂地质条件下安全、高效地钻进,本文考虑地层剪切破坏时的泥浆压力边界条件和轨迹几何设计参数之间的关系,确定了钻孔孔壁稳定性的几何约束条件。结合悬链线法建立了分段式轨迹设计模型,分别以轨迹拟合度和轨迹长度为优化目标,提出钻孔稳定性约束下的两阶段HDD轨迹设计优化方法。为了合理规避地下障碍物的同时保证安全、高效地钻进,本文基于障碍物参数确定的轨迹离散控制点,构造三次样条曲线型HDD钻进轨迹,依据工程条件确定几何模型的等式和不等式约束条件,建立了复杂复合曲线型HDD轨迹设计模型。考虑到复杂轨迹形式下不同优化目标之间的相互冲突,引入多目标优化理论,提出复杂形式HDD轨迹的多目标优化方法。(2)构建了一种由多维变量矩阵表示钻进轨迹的数学优化模型,结合改进径向移动算法(IRMO算法),提出了基于IRMO算法的HDD轨迹设计优化方法,并编制了相应的轨迹设计优化程序。结合工程实例,验证了本文方法的合理性和优越性。研究结果表明,本文方法能够在考虑钻孔稳定性条件的同时优化钻进轨迹设计长度,为复杂地质条件下的HDD轨迹设计优化提供了新的解决思路。并且相比于其他智能优化算法,IRMO算法的全局搜索优化能更强,计算结果稳定,为解决HDD轨迹设计优化问题提供了有效手段。(3)针对复杂形式轨迹的优化问题具有非线性、多约束、多目标等特性,提出基于支配关系和径向移动原理的多目标改进径向移动算法(MOIRMO算法),并编制了相应的轨迹多目标优化程序。通过仿真模拟测试,验证了MOIRMO算法相比其他多目标优化算法的综合性能更优。结合工程实例,验证了基于MOIRMO算法的复杂HDD轨迹多目标设计优化方法的可行性和优越性。研究结果表明,本文方法所得的轨迹设计方案不仅可以实现障碍物的合理规避,并且得到的轨迹长度更小、轨迹复杂度更低,为解决复杂障碍物分布条件下的水平定向钻进轨迹设计提供了新的解决途径。图44幅,表16个,参考文献102篇