基于数字孪生的公路边坡监测预警系统及设备

1.本发明实施例涉及边坡灾害风险防控技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的公路边坡监测预警系统及设备。


背景技术：

2.公路作为最基础、最广泛的交通基础设施，是连接其他各种运输方式、发挥综合交通网络运输效率的重要保障。随着基础建设力度的加大，公路建设发展迅猛，而与之相关的公路边坡防治建设中的边坡稳定性也面临着挑战。在公路边坡的施工及运营过程中，边坡灾害时有发生，严重威胁了公路沿线人民的生命财产安全。目前对于公路边坡灾害防控主要还停留在理论研究阶段，依赖于工程经验对边坡稳定性进行判别，难以实时监测边坡的动态过程，并缺少可用于真实公路边坡灾害的预警系统。而建立与真实公路边坡并行的孪生虚拟边坡，将边坡所处地形地貌特征、边坡工程规划建设、管理运行等在虚拟空间中仿真模拟，可提高边坡灾害风险防控水平，减少资源浪费。随着科学技术水平的提高，数字孪生(digital twin)技术在工程灾害的监测与预警方面脱颖而出。因此，开发一种基于数字孪生的公路边坡监测预警系统及设备，可以有效克服上述相关技术中的缺陷，就成为业界亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种基于数字孪生的公路边坡监测预警系统及设备。
4.第一方面，本发明的实施例提供了一种基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，包括：物理实体模块为真实公路边坡的基础空间信息，采用遥感等技术收集处理公路边坡的静态信息，采用智能感应设备获取公路边坡所处自然环境的动态变化；虚拟模型模块为通过建筑信息建模将真实公路边坡的静态信息和动态变化一一映射到数字孪生公路边坡实景模型中，构建的三维公路边坡实景模型能够精准感知边坡变化，并通过连接模块实时反映到虚拟模型模块中；服务模块为数字孪生公路边坡模型的实际应用，用于及时发布公路边坡灾害预警信息和防控决策，基于建立的公路边坡智能操控体系，实现对公路边坡安全的动态监测和灾变预警，通过科学计算整体把握公路边坡灾变演化过程，实现公路边坡风险分级并制定最优的防控措施；孪生数据模块是数字孪生公路边坡的构建基础，包括数据的接收、处理与传递，通过建立数据存储管理平台，通过数据挖掘与融合技术将来自物理实体模块、虚拟模型模块和服务模块的多元异构数据集成，依靠高性能数据分析，以可视化形式呈现边坡动态发展过程，反演边坡的空间场景；连接模块，用于通过全接入的移动互联网等协同高速网络，实现数据的及时传输和更新。
5.在上述系统实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，物理实体模块中的静态信息包括地形地貌、岩土体参数、公路交通和建筑楼宇分布，动态变化包括公路边坡所处自然环境变化。
6.在上述系统实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，所述地形地貌为公路边坡的几何外形信息，包括：平面形态、垂直剖面形态以及纵剖面形态；其中，平面形态是公路边坡的地貌形态在平面坐标系上的投影形貌；垂直剖面形态，包括边坡坡形、坡面长和坡度；纵剖面形态包括起伏特征和纵剖面大小。
7.在上述系统实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，所述岩土体参数为构成公路边坡的岩土体材料的基本物理参数，包括：岩土体强度、孔隙水压力、渗流系数以及传热特性。
8.在上述系统实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，所述公路交通和建筑楼宇分布为公路交通轨道和建筑楼宇相对于边坡的空间地理位置。
9.在上述系统实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，所述虚拟模型模块，包括：公路边坡灾变全过程可视化模块，用于基于构建的三维实景模型，通过大变形数值模拟方法实时反演公路边坡在不同自然环境下的运行状况；稳定性与风险评估模块，用于通过人工智能分析公路边坡灾害的致灾因子，结合滑坡稳定性分析方法确定公路边坡灾害的易发程度以及潜在的滑坡风险，滑坡风险包括滑坡运移距离、运动速度和堆积厚度，以及承载体的影响范围。
10.在上述系统实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，所述虚拟模型模块，还包括：公路边坡灾变预警模块为基于孪生数据模块的及时反馈，采用人工智能方法建立公路边坡的预警系统，通过无线传输提高边坡灾害预警信息的高效传递。
11.在上述系统实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，所述虚拟模型模块，还包括：公路边坡灾害防控模块，用于通过大数据技术收集已有公路边坡灾害成功防控的工程实例，并建立相应的防控数据库，当稳定性与风险评估模块评估了边坡灾害的易发程度和潜在滑坡风险后，公路边坡灾害防控模块立即通过机器学习算法在已有防控数据库中分析推算出最优的防控措施，将最优策略通过连接模块传递至虚拟模型模块实现公路边坡灾害防控的可视化验证。
12.第二方面，本发明的实施例提供了一种电子设备，包括：
13.至少一个处理器；以及
14.与处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
15.存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令能够执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统。
16.第三方面，本发明的实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机实现第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统。
17.本发明实施例提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统及设备，通过虚拟数字孪生体高效反映公路边坡实时状态，实现灾变全过程模拟、预警信息公布和防治决策预演规划，可以实现三维公路边坡灾变演变全过程的可视化，并提高边坡灾害风险预测精度，显著提高公路边坡工程的风险防控水平。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统结构示意图；
20.图2为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图；
21.图3为本发明实施例提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统运行流程示意图。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
23.本发明实施例提供了一种基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，参见图1，该系统包括：物理实体模块为真实公路边坡的基础空间信息，采用遥感等技术收集处理公路边坡的静态信息，采用智能感应设备获取公路边坡所处自然环境的动态变化；虚拟模型模块为通过建筑信息建模将真实公路边坡的静态信息和动态变化一一映射到数字孪生公路边坡实景模型中，构建的三维公路边坡实景模型能够精准感知边坡变化，并通过连接模块实时反映到虚拟模型模块中；服务模块为数字孪生公路边坡模型的实际应用，用于及时发布公路边坡灾害预警信息和防控决策，基于建立的公路边坡智能操控体系，实现对公路边坡安全的动态监测和灾变预警，通过科学计算整体把握公路边坡灾变演化过程，实现公路边坡风险分级并制定最优的防控措施；孪生数据模块是数字孪生公路边坡的构建基础，包括数据的接收、处理与传递，通过建立数据存储管理平台，通过数据挖掘与融合技术将来自物理实体模块、虚拟模型模块和服务模块的多元异构数据集成，依靠高性能数据分析，以可视化形式呈现边坡动态发展过程，反演边坡的空间场景；连接模块，用于通过全接入的移动互联网等协同高速网络，实现数据的及时传输和更新。
24.基于上述系统实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，物理实体模块中的静态信息包括地形地貌、岩土体参数、公路交通和建筑楼宇分布，动态变化包括公路边坡所处自然环境变化。
25.基于上述系统实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，所述地形地貌为公路边坡的几何外形信息，包括：平面形态、垂直剖面形态以及纵剖面形态；其中，平面形态是公路边坡的地貌形态在平面坐标系上的投影形貌；垂直剖面形态，包括边坡坡形、坡面长和坡度；纵剖面形态包括起伏特征
和纵剖面大小。
26.基于上述系统实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，所述岩土体参数为构成公路边坡的岩土体材料的基本物理参数，包括：岩土体强度、孔隙水压力、渗流系数以及传热特性。
27.基于上述系统实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，所述公路交通和建筑楼宇分布为公路交通轨道和建筑楼宇相对于边坡的空间地理位置。
28.基于上述系统实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，所述虚拟模型模块，包括：公路边坡灾变全过程可视化模块，用于基于构建的三维实景模型，通过大变形数值模拟方法实时反演公路边坡在不同自然环境下的运行状况；稳定性与风险评估模块，用于通过人工智能分析公路边坡灾害的致灾因子，结合滑坡稳定性分析方法确定公路边坡灾害的易发程度以及潜在的滑坡风险，滑坡风险包括滑坡运移距离、运动速度和堆积厚度，以及承载体的影响范围。
29.基于上述系统实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，所述虚拟模型模块，还包括：公路边坡灾变预警模块为基于孪生数据模块的及时反馈，采用人工智能方法建立公路边坡的预警系统，通过无线传输提高边坡灾害预警信息的高效传递。
30.基于上述系统实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，所述虚拟模型模块，还包括：公路边坡灾害防控模块，用于通过大数据技术收集已有公路边坡灾害成功防控的工程实例，并建立相应的防控数据库，当稳定性与风险评估模块评估了边坡灾害的易发程度和潜在滑坡风险后，公路边坡灾害防控模块立即通过机器学习算法在已有防控数据库中分析推算出最优的防控措施，将最优策略通过连接模块传递至虚拟模型模块实现公路边坡灾害防控的可视化验证。
31.本发明实施例提供的基于数字孪生的公路边坡监测预警系统及设备，通过虚拟数字孪生体高效反映公路边坡实时状态，实现灾变全过程模拟、预警信息公布和防治决策预演规划，可以实现三维公路边坡灾变演变全过程的可视化，并提高边坡灾害风险预测精度，显著提高公路边坡工程的风险防控水平。
32.在另一实施例中，如图1所示，一种基于数字孪生的公路边坡监测预警系统，包括物理实体模块1、虚拟模型模块2、服务模块3、孪生数据模块4和连接模块5。
33.物理实体模块1：即真实公路边坡的基础空间信息，利用遥感等技术收集处理公路边坡的静态信息(地形地貌、岩土体参数、公路交通和建筑楼宇的分布等)，采用智能感应设备获取公路边坡所处自然环境的动态变化。其中，地形地貌是公路边坡的几何外形信息，即平面形态、垂直剖面形态以及纵剖面形态；平面形态是公路边坡的地貌形态在平面坐标系上的投影形貌；垂直剖面形态，包括边坡坡形、坡面长、坡度等。纵剖面形态包括起伏特征、大小等。岩土体参数是构成公路边坡的岩土体材料的基本物理参数如强度、孔隙水压力、渗透系数以及传热特性等。公路交通和建筑楼宇分布主要指公路交通轨道和建筑楼宇相对于边坡的空间地理位置。自然环境的动态变化，主要包括降雨、气温、地震等。
34.虚拟模型模块2：即公路边坡的三维实景模型。通过建筑信息建模技术将真实公路边坡的静态信息和动态变化一一映射到数字孪生公路边坡实景模型中。构建的三维公路边
坡实景模型能够精准感知边坡变化情况，并通过“连接模块”实时反映到“虚拟模型模块”中。
35.服务模块3：数字孪生公路边坡模型的实际应用。通过建立公路边坡智能操控体系，实现对公路边坡安全的动态监测和灾变预警等，通过科学计算整体把握公路边坡灾变演化过程，洞悉边坡灾变机理，实现公路边坡风险分级并制定最优的防控措施。服务模块主要包括灾变全过程可视化模块、稳定性与风险评估模块、公路边坡灾变预警模块、公路边坡灾害防控模块。其中，公路边坡灾变全过程可视化模块基于构建的三维实景模型，通过大变形数值模拟方法实时反演公路边坡在不同自然环境下的运行状况；稳定性与风险评估模块是通过人工智能技术分析公路边坡灾害的致灾因子，结合滑坡稳定性分析方法确定公路边坡灾害的易发程度以及潜在的滑坡风险。滑坡风险主要包括滑坡运移距离、运动速度和堆积厚度，以及承载体(公路交通和楼宇建筑)的影响范围；公路边坡灾变预警模块是基于“孪生数据模块”的及时反馈，利用人工智能方法建立公路边坡的预警系统，通过无线传输提高边坡灾害预警信息的高效传递；公路边坡灾害防控模块通过大数据技术收集了已有公路边坡灾害成功防控的工程实例并建立了相应的防控数据库，当稳定性与风险评估模块评估了边坡灾害的易发程度和潜在滑坡风险后，灾害防控模块立即通过机器学习算法在已有防控数据库中分析推算出最优的防控措施。同时，经最优策略通过“连接模块”传递至“虚拟模型模块”实现公路边坡灾害防控的可视化验证。
36.孪生数据模块4：数字孪生公路边坡的构建基础，主要包括数据的接收、处理与传递。通过建立数据存储管理平台，通过数据挖掘与融合技术将来自“物理实体模块”、“虚拟模型模块”和“服务模块”的多元异构数据集成，依靠高性能数据分析，以可视化形式呈现边坡动态发展过程，反演边坡的空间场景。
37.连接模块5：表示通过全接入的移动互联网等协同高速网络实现数据的及时传输和更新。
38.参见图3，基于数字孪生的公路边坡监测预警系统的运行过程，包括：
39.通过遥感技术获取“物理实体模块1”公路边坡的地形地貌、公路交通、建筑楼宇等具体信息，基于地质勘察报告获取岩土体参数、自然环境(水文地质条件等)信息，利用大数据手段处理收集的信息并建立物理实体模块数据库。在公路边坡的合适位置处设置若干监测点，布设传感器(温度传感器、位移传感器、拾震器、土壤水分传感器等)以全面监测边坡所处自然环境(温度、位移、地震、降雨等)的变化情况。将以上公路边坡基本信息以及传感器监测数据通过“连接模块5”传输至“孪生数据模块4”存储管理。
40.从“孪生数据模块4”中调取步骤1获取的公路边坡空间信息，通过建筑信息建模技术构建公路边坡三维实景模型(“虚拟模型模块2”)；通过精准感知公路边坡监测点的传感器变化，由“连接模块5”数据传输将边坡的实际运行情况实时反馈至虚拟模型模块中，实现公路边坡实时动态的三维可视化。
41.通过数字孪生模型实时监测公路边坡的运行状态，基于“虚拟模型模块2”中的模块1(灾变全过程可视模块)，通过大变形数值模拟方法实时反演公路边坡在不同自然环境下的运行状况。基于“虚拟模型模块2”中的模块2(稳定性与风险评估模块)，通过人工智能技术分析公路边坡灾害的致灾因子，结合滑坡稳定性分析方法确定公路边坡灾害的易发程度以及潜在的滑坡风险。其中，滑坡风险主要包括滑坡运移距离、运动速度和堆积厚度，以
及对承载体(公路交通和楼宇建筑)的影响范围。基于“虚拟模型模块2”中的模块3(灾变预警模块)，根据“孪生数据模块4”的及时反馈，利用人工智能方法建立公路边坡的预警系统，通过无线传输提高边坡灾害预警信息的高效传递。基于“虚拟模型模块2”中的模块4(灾害防控模块)，通过大数据技术收集了已有公路边坡灾害成功防控的工程实例并建立了相应的防控数据库，当模块3评估了边坡灾害的易发程度和潜在滑坡风险后，灾害防控模块立即通过机器学习算法在已有防控数据库中分析推算出最优的公路边坡灾害防控措施，并基于数字孪生模型公路边坡灾害防控的可视化验证。
42.通过“虚拟模型模块2”的科学计算和决策分析，利用“连接模块5”将公路边坡灾害的预警信息和防控决策等及时发布至“服务模块3”中。
43.本发明实施例的系统是依托电子设备实现的，因此对相关的电子设备有必要做一下介绍。基于此目的，本发明的实施例提供了一种电子设备，如图2所示，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)、通信接口(communications interface)、至少一个存储器(memory)和通信总线，其中，至少一个处理器，通信接口，至少一个存储器通过通信总线完成相互间的通信。至少一个处理器可以调用至少一个存储器中的逻辑指令，以实现系统实施例中提供的各种系统。
44.此外，上述的至少一个存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的全部系统或部分系统。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
45.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
46.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)实现各个实施例或者实施例的一些部分所述的方法或系统。
47.附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。基于这种认识，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际
上可以基本并行地执行，有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
48.需要说明的是，术语"包括"、"包含"或者其任何其它变体意在涵盖非排它性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括
……
"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
49.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。