一种超大型三维深部工程灾害孕育过程数字孪生系统

本发明涉及深部工程灾害物理模拟及数字孪生，尤其涉及一种超大型三维深部工程灾害孕育过程数字孪生系统。

背景技术：

1、超大型三维深部工程灾害物理模拟试验是研究深部工程灾害的重要技术手段，通过超大型三维深部工程灾害物理模拟设施，再现深部工程灾害的孕育过程，揭示灾害孕育机理等关键科学问题。其中，模型重构、试验观测与机理研究是三个关键任务。

2、数字孪生技术通过实现物理实体在数字空间中的多物理量、多尺度数字模型映射，能够数字化反映物理模拟试验的全生命周期过程，其直观、便捷、沉浸式交互、仿真推演能力，能够丰富上述关键任务的实现手段。

3、深部工程灾害物理模拟试验具有复杂地质构造、极端环境条件、多种复杂工程活动的显著特征，对模型重构、试验观测、机理研究三个关键任务提出了巨大挑战。超大型三维深部工程灾害孕育过程数字孪生需要重点突破如下技术：

4、①深部复杂地质数字孪生体精准构建。深部多相多组分复杂地质体包含断层、褶皱、硬性结构面，以及油气藏、咸水层等地质构造，在进行数字孪生体构建时，要求不仅做到精细化几何重构，还要具备精准的结构力学、流体力学等基础物理属性。此外，还需要精准构建施加在地质体中的高地应力、高地温、高水压等多场耦合环境向量场。如何依托数字孪生体精准构建上述基础物理系统与耦合向量场，是数字孪生系统面临的首要问题。

5、②深部工程灾害孕育全过程全透明实时观测。数字孪生系统旨在实时观测试验全过程全要素信息，包括岩体内破裂、位移、应力等参数特征，应力场、压力场、温度场等变化特征，以及开挖过程中机器人的实时位置与行为姿态信息。在此过程中，动态渲染的计算开销巨大，主要原因包括两个方面，一是基础物理系统复杂度极高，涉及复杂地质构造及其物理属性，并与耦合向量场等多个基础机理模型交织叠加；二是计算需求极大，由深埋隧道与地下洞室开挖、深部金属矿与油气开采、深部地热开发等工程活动的复杂工序产生了巨大的计算负荷。因此，如何通过提升基础机理模型计算效率，实现数字孪生体的实时动态渲染，是全过程全透明试验观测的关键问题。

6、③基于数物模型交互的深部工程灾害孕育机理探究。机理仿真技术主要基于有限差分法、有限元法、离散元法等数值模拟方法，但无法有效应对深部复杂地质条件。在深部工程灾害孕育机理尚不清晰的前提下，数字孪生系统无法进行精准的仿真推演，只能停留在“数字模型可视化”的初级阶段。现有支持数物模型互操作的数字孪生系统大多用于工业界，仅支持对物理实体的设计优化。然而，深部工程灾害物理模拟试验要求数字孪生系统提供效率高、周期短、代价低的深部工程灾害孕育机理探究手段，目前未见相关成果。因此，如何与主体试验装置实现紧密配合，通过数物模型持续交互与一致性验证，逐步修正、优化数字孪生内的深部工程灾害孕育机理模型，进而探明深部工程灾害孕育机理，实现数字孪生到“支撑科学机理探究”阶段的跨越，是数字孪生系统面对的核心挑战。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种超大型三维深部工程灾害孕育过程数字孪生系统，实现超大型三维深部工程灾害物理模拟试验的数字孪生。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种超大型三维深部工程灾害孕育过程数字孪生系统，包括深部复杂地质数字孪生体构建模块、实时动态渲染模块、深部工程灾害孕育机理模型初始化模块、数物模型孪生一致性验证模块、深部工程灾害孕育机理模型迭代优化模块和物理实体交互控制模块；所述深部复杂地质数字孪生体构建模块，用于构建深部复杂地质数字孪生体；所述实时动态渲染模块，用于加速渲染数字孪生所映射的地质体内部的结构变形与破坏过程，深部工程灾害的物理现象，以及工程活动实时状态；所述深部工程灾害孕育机理模型初始化模块，用于完成尚不明确的深部工程灾害孕育机理模型的初始化，得到深部工程灾害孕育初始机理模型；所述数物孪生一致性验证模块，对数字孪生体推演预测结果与物理实体的试验结果进行偏差检测，得到数物孪生一致性评估结果；所述深部工程灾害孕育机理模型迭代优化模块，依据数物孪生一致性评估结果，对深部工程灾害孕育机理模型进行持续修正与优化，以得到精准的深部工程灾害孕育机理模型；所述物理实体交互控制模块，通过超大型三维深部工程灾害物理模拟设施的硬件控制接口，结合虚拟现实设备对超大型三维深部工程灾害物理模拟设施进行交互式控制。

3、优选地，所述超大型三维深部工程灾害孕育过程数字孪生系统还包括多元监测信息时空演化融合显示模块、物理模拟试验设施紧急避险模块和物理模拟试验方案智能实时修正模块；所述多元监测信息时空演化融合显示模块，将超大型三维深部工程灾害物理模拟设施的多元监测信息进行时空演化分析，并精准叠加到数字孪生体中进行融合显示；所述物理模拟试验设施紧急避险模块，基于从超大型三维深部工程灾害物理模拟设施采集到的多元监测数据以及数字孪生体内的运行数据，得到超大型三维深部工程灾害物理模拟设施的综合运行状态指标，预测物理模拟设施即将面临的安全问题及其相应解决方案，并通过物理实体交互控制模块对物理模拟设施进行控制，实现紧急避险；所述物理模拟试验方案智能实时修正模块，将数字孪生体推演预测结果与当前输入超大型三维深部工程灾害物理模拟设施的试验方案的预期结果进行偏离度评估，依据偏离度评估结果对试验方案进行实时修正。

4、优选地，所述深部复杂地质数字孪生体构建模块构建深部复杂地质数字孪生体的具体方法为：

5、首先，依据打印地质体模型，重构深部多相多组分的复杂数字地质体模型；其次，通过构建地质体的基础物理机理模型，将地质体及其内部构造的基础物理性质融入数字地质体模型，得到基础物理系统；最后，构建基础物理系统中的耦合环境向量场，形成深部复杂地质数字孪生体，还原深部工程地质构造与环境条件。

6、优选地，所述实时动态渲染模块，通过设计渲染加速结构，对数字孪生体进行基于统计采样的动态渲染，提升基础物理机理模型的计算效率与数字孪生体的动态渲染效率，实现岩体以及工程活动状态与效果的实时动态渲染；数字孪生体动态渲染包括以下步骤：

7、步骤s1：通过对超大型三维深部工程灾害物理模拟设施的试验控制参数、多元监测信息进行序列化处理，并处理为通用格式，得到通用格式的物理模拟试验数据；

8、步骤s2：构建用于高效运算的数据结构作为数据容器，将通用格式物理模拟试验数据封装到高效的数据容器中进行运算，形成耦合向量场数据；

9、步骤s3：使用多重重要性采样方法对耦合向量场数据进行概率估算，基于概率估算结果渲染耦合向量场数据，实现耦合向量场渲染加速；

10、步骤s4：对耦合向量场数据进行预设属性调整与渲染，实现数字孪生体的动态渲染；

11、步骤s5：基于体积渲染、预估算密度渲染，对数字孪生体进行性能优化，保证数字孪生体的实时渲染性能。

12、优选地，所述深部工程灾害孕育机理模型初始化模块，针对数字孪生体内非传感器监测区域中未监测的深部工程灾害孕育过程状态数据，使用数据驱动的统计推断方法得出估计结果，形成数字孪生体内完整的深部工程灾害孕育过程状态数据空间；采用数值分析方法对数据空间进行拟合，得到深部工程灾害孕育初始机理模型。

13、优选地，所述数物孪生一致性验证模块，进行物理实体的试验结果与数字孪生体推演预测结果之间的数物孪生一致性评估；对比数字孪生体推演预测结果与物理模拟试验结果，得到试验状态一致性评估结果；然后通过智能模型比对技术得到深部工程灾害孕育机理模型一致性评估结果；基于评估结果验证数字孪生体内的深部工程灾害孕育机理是否逼近真实机理模型，并分析偏差原因。

14、优选地，所述深部工程灾害孕育机理模型迭代优化模块，基于深部工程灾害孕育初始机理模型，通过深部工程灾害孕育过程状态数据空间统计推断与拟合，得到深部工程灾害孕育近似机理模型；通过数物孪生一致性验证、状态数据空间统计推断、状态数据空间拟合的迭代循环，持续对深部工程灾害孕育近似机理模型进行修正与优化，获得精准的深部工程灾害孕育机理模型。

15、优选地，所述多元监测信息时空演化融合显示模块，通过可视化手段将数字孪生体的仿真结果在终端进行多维度和更加直观的展示，具体方法为：

16、通过数据感知与采集手段从超大型三维深部工程灾害物理模拟设施获取多元监测信息；对多元监测信息进行规约化处理，构建用于高效可视化的数据容器，将多元监测信息以三维形式封装到可视化数据容器中，结合数据融合与可视化分析技术实现多元监测信息的融合展示；依据多元监测信息中的时序信息对融合展示结果进行实时更新，对多元监测信息的时空演化过程进行实时融合显示。

17、优选地，所述物理实体交互控制模块，对超大型三维深部工程灾害物理模拟设施的硬件设备进行数字化建模，并与超大型三维深部工程灾害物理模拟设施的控制接口对接，通过控制接口实现与超大型三维深部工程灾害物理模拟设施硬件设备通信和控制，并结合虚拟现实设备实现沉浸式交互。

18、优选地，所述物理模拟试验设施紧急避险模块，基于超大型三维深部工程灾害物理模拟设施多元监测信息的运行状态指标计算方法，将运行状态指标计算结果作为输入进行数字孪生体推演，对推演结果进行基于时序特征的建模，预测物理模拟设施的综合运行状态指标，进而对物理模拟设施即将面临的安全问题进行预警；采用智能决策技术实时生成解决方案，通过物理实体交互控制模块，对超大型三维深部工程灾害物理模拟设施进行及时控制，实现紧急避险。

19、优选地，所述物理模拟试验方案智能实时修正模块，采用修正后的深部工程灾害孕育机理模型进行数字孪生体精准推演，并结合智能预测技术对试验过程进行预测；将推演预测结果与输入超大型三维深部工程灾害物理模拟设施的试验方案的预期结果进行偏离度评估，当偏离程度大于容忍阈值时，分析试验过程偏离原因，并依据偏离状态信息，采用智能决策技术对当前试验方案进行实时修正与优化。

20、本发明提供的数字孪生系统旨在实现超大型三维深部工程灾害孕育过程的数字孪生，具体包括：

21、①重构深部复杂地质数字孪生体；

22、②渲染并观测地质体内部结构变形与破坏过程，岩爆、大变形、大体积塌方等深部工程灾害的孕育过程、物理现象，以及开挖、采矿、注入、地热开发等工程活动实时状态；

23、③深部工程灾害孕育过程中的多元监测信息时空演化融合显示；

24、④持续修正与优化深部工程灾害孕育机理模型；

25、⑤通过数字模型对物理实体进行沉浸式交互控制；

26、⑥控制物理模拟试验设施进行智能紧急避险；

27、⑦控制物理模拟试验设施进行试验方案智能实时修正。

28、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种超大型三维深部工程灾害孕育过程数字孪生系统，①精准构建数字孪生体，能够融合多相多组分复杂地质体几何与物理属性重构，精准重构物理模拟试验的基础物理系统，以及多场耦合环境向量场；②通过提升基础机理模型计算效率，实现数字孪生体的实时动态渲染，保证系统具备物理模拟试验全过程全透明实时观测能力，以及物理实体与数字模型的实时交互能力；③在数物模型持续交互过程中，迭代式修正和优化深部工程灾害孕育机理模型，能够为探明深部工程灾害孕育机理提供支撑。

29、本发明的数字孪生系统为深部工程灾害物理模拟试验提供“精准重构-试验观测-数物交互-探明机理”的全周期数字孪生能力，实现数字孪生系统从“数字模型可视化”或“物理实体辅助优化”的初级阶段到“支撑科学机理探究”阶段的突破，有效满足深部工程灾害物理模拟试验数字孪生在精准重构深部复杂地质体、全过程全透明试验观测、深部工程灾害孕育机理探究、基于精准推演的仿真试验先行的要求。