基于水文数字孪生的顶管吊装控制系统及控制方法与流程

本发明涉及顶管吊装控制，具体为基于水文数字孪生的顶管吊装控制系统及控制方法。

背景技术：

1、取水头部顶管机是一种专门用于取水工程，特别是在需要穿越复杂地形或水域时，进行管道铺设的机械设备，它采用顶管技术，将预制管道顶入地下或水下，无需大面积开挖，从而实现对取水头部等水利设施的管道连接。该设备通常由推进系统、管道系统、泥浆循环系统和控制系统等部分组成。

2、取水头部顶管机的工作原理主要基于顶管技术，取水头部顶管机根据施工环境和管道规格的不同，可分为多种类型，如长距离输送顶管机、大口径顶管机等。取水头部顶管机广泛应用于水利、市政、交通等领域的管道施工，特别是在以下场景中表现出色：取水头部建设：在河流、湖泊等水域建设取水头部时，需要穿越河床或堤防，顶管机能够实现对管道的快速铺设，减少施工难度和成本。

3、数字孪生模型是一种创新的技术应用，它通过在虚拟空间中创建物理对象的数字化表示，实现对物理对象在现实环境中行为特征的模拟，数字孪生模型指的是以数字化方式在虚拟空间呈现物理对象，即以数字化方式为物理对象创建虚拟模型，模拟其在现实环境中的行为特征，它是一个应用于整个产品生命周期的数据、模型及分析工具的集成系统。

4、在申请公布号为cn112794208a的中国发明专利中，提供一种吊装方法，所述方法包括：获取现场的多个现场施工图像以及吊装作业设备的吊装作业信息，所述吊装作业信息包括起吊位置信息和落钩位置信息；在所述吊装作业设备根据执行指令进行吊装作业的过程中，根据所述现场施工图像和吊装作业信息在地面控制端对所述吊装作业的执行进行监控。本发明提供的技术方案，使操作者能够在塔下对吊装作业设备进行正常作业，从而减少安全隐患、提高施工效率。

5、结合以上申请及现有技术中的内容：

6、在确定顶管的安装区域后，需要对顶管进行吊装，但是在对顶管吊装时，吊装区域内的水文条件可能会存在一定的异常，例如，水体的流速较平时更快，波浪的波高、频率及泥沙含量等也较平常值较大等，在受到这些异常的外部因素的干扰时，顶管吊装的精度会受到一定程度影响，针对这种情况，现有的顶管吊装控制方法中，通常是在吊装数据产生变化时，通过人为操作来调整吊装过程，使吊装过程能够顺利完成，但是这种情形下，缺乏对顶管吊装的风险管控以及精细化控制，在吊装风险即将产生时不能及时进行处理，这就容易导致顶管吊装的稳定性较低，顶管吊装精度较差。

7、为此，本发明提供了基于水文数字孪生的顶管吊装控制系统及控制方法。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了基于水文数字孪生的顶管吊装控制系统及控制方法，通过使用多重线性回归分析从若干个环境条件内筛选出风险因素，依据风险因素与风险预案间的对应性，由风险预案库输出相应的风险预案；由监测网络采集吊装过程数据，并由吊装数据构建偏差度，若获取的偏差度超过偏差阈值，向外部发出预警信号；由顶管吊装修正知识图谱为顶管吊装过程给出修正方案，判断修正方案是否可行，并在顶管吊装过程中由水文数据构建变动系数，若变动系数超过预期，发出报警指令。对顶管吊装过程的完成形成辅助，在当前水文环境存在一定程度的异常时，降低水文因素带来的影响，从而解决了背景技术中提出的技术问题。

3、（二）技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、基于水文数字孪生的顶管吊装控制方法，包括，监测吊装区域内的水文状态数据并构建水文环境数据集合，由水文环境数据集合构建环境异常度，若环境异常度超过预期，向外部发出数据采集指令；

6、获取吊装区域内的环境条件数据、顶管及其吊装数据，在制定吊装方案后训练获取顶管吊装数字孪生模型，使用顶管吊装数字孪生模型对吊装方案进行测试，由测试数据构建顶管吊装的可行度，依据获取的可行度验证吊装方案是否可行；其中，依据吊装进度将吊装过程分割为若干个吊装阶段，在每个吊装阶段结束时，获取相应的起吊速度及平衡度，对两者做线性归一化处理，将相应的数据值映射至区间内，依据如下方式构建可行度：

7、权重系数：，，且，，为吊装阶段的个数；为第 i个吊装阶段的平衡度，为平衡度的均值，为平衡度的合格标准值；为第 i个吊装阶段的起吊速度，为起吊速度的均值，为起吊速度的合格标准值；

8、使用多重线性回归分析从若干个环境条件内筛选出风险因素，依据风险因素的风险程度计算环境条件的风险度，若风险度超过预设的风险阈值，依据风险因素与风险预案间的对应性，由风险预案库输出相应的风险预案；

9、在吊装区域内安装监测网络，由监测网络采集吊装过程数据，并由吊装数据构建偏差度，若获取的偏差度超过偏差阈值，向外部发出预警信号；

10、接收到预警信号后，由顶管吊装修正知识图谱为顶管吊装过程给出修正方案，使用顶管吊装数字孪生模型对修正方案进行测试，依据测试数据判断修正方案是否可行，并在顶管吊装过程中由水文数据构建变动系数，若获取的变动系数超过预期，向外部发出报警指令。

11、进一步的，在吊装区域内安装水文监测设备，监测吊装区域内的水文状态数据，汇总后构建水文环境数据集合；由水文环境数据集合构建环境异常度，其中，对水体流速及泥沙含量做线性归一化处理，将相应的数据值映射至区间内，依据如下方式：

12、权重系数：，，且；，为监测节点总数，为第 i个监测节点上的水体流速，为水体流速的均值；为第 i个监测节点上的泥沙含量，为泥沙含量的均值。

13、进一步的，接收到数据采集指令后，采集吊装区域内的水文状态数据及土层状态数据，完成实时数据采集后再获取相应的历史数据，将获取的数据汇总后，抽取部分数据作为样本数据；根据顶管的规格数据，吊装区域内的水文数据及土层数据，为顶管吊装制定吊装方案，吊装方案包括：吊装路径、起吊点、固定方法及吊装步骤，对应的吊装设备；

14、将顶管规格数据、吊装区域内水文及土质数据等汇总构建后构建顶管吊装数据集合；由顶管吊装数据集合内的部分数据作为样本数据，由样本数据对初始模型进行训练，获取顶管吊装数字孪生模型；

15、使用顶管吊装数字孪生模型对吊装方案进行测试，获取相应的测试数据，由测试数据构建顶管吊装时的可行度，若获取的可行度低于可行性阈值，获取优化后的吊装方案，将其作为目标吊装方案。

16、进一步的，在不同的环境条件下，使用顶管吊装数字孪生模型对目标吊装方案进行测试并获取相应的可行度，以吊装可行度作为因变量，以环境条件参数作为自变量，进行多重线性回归分析并构建相应的线性回归方程；

17、从线性回归方程中获取与环境条件参数对应的回归系数，若回归系数的值超过预期，则将对应的环境条件系数作为风险因素；计算环境条件的风险度，若获取的风险度超过预设的风险阈值，为顶管吊装过程收集和制定若干个风险预案，汇总构建相应风险预案库。

18、进一步的，在两个不同的风险因素间作相关性分析并获取相应的相关性系数，以相关性系数计算各个风险因素的中心度，方式如下：

19、其中，为第 i个风险因素与第 j个风险因素间的相关性系数，为相关性系数的均值，为风险因素的个数；在获取各个风险因素的回归系数及中心度后，在无量纲条件下计算环境条件的风险度，方式如下：

20、权重系数：，，且，为第 i个风险因素的中心度，为中心度的均值，为第 i个风险因素的回归系数，为回归系数的均值。

21、进一步的，在吊装区域内搭建吊装监测网络，由吊装监测网络采集顶管吊装过程数据，将采集到的过程数据汇总构建吊装过程数据集合；由吊装过程数据集合构建偏差度其中，对各个起吊节点上的起吊角度及起吊高度做线性归一化处理，将相应的数据值映射至区间内，依据如下方式：

22、权重系数：，，且；，为起吊节点总数，为第 i个起吊节点上的起吊角度，为相应的标准参考值；为第 i个起吊节点上的起吊高度，为相应的标准参考值。

23、进一步的，采集吊装过程中的各项数据，进行特征提取后获取若干个修正特征，由顶管吊装作为目标词，预先搭建顶管吊装修正知识图谱；依据修正特征与顶管吊装修正方案之间的对应性，由顶管吊装修正知识图谱为顶管吊装过程给出修正方案，修正方案包括：对吊装过程中的速度、高度、角度进行调整。

24、进一步的，使用顶管吊装数字孪生模型对修正方案进行测试，并由测试数据构建若干个吊装时的偏差度，由偏差度构建相应的修正系数，若修正系数不超过修正阈值，对修正方案的各个参数进行优化，执行优化后的修正方案对吊装过程进行修正；修正系数的构建方式如下：

25、其中，，为测试次数，为第 i个测试时的偏差度，为偏差度的均值。

26、进一步的，对吊装过程进行修正并继续执行吊装过程时，采集吊装区域内的水文数据并构建环境异常度，将执行吊装方案前后的各个子阶段依据时间轴排序并一一对应，依据环境异常度的变动构建变动系数；

27、若变动系数超过预设的变动阈值，向外部发出报警指令；在接收到报警指令后采取应急措施，或者依据当前的风险因素，由风险预案库输出相应的风险预案；变动系数的构建方式如下：

28、其中，为第 i个子阶段的变动中间值，为其均值，，为子阶段的个数，及分别为执行吊装方案前后第 i个子阶段的环境异常度，及为相应的均值。

29、基于水文数字孪生的顶管吊装控制系统，包括：水文状态监测单元，监测吊装区域内的水文状态数据并构建水文环境数据集合，由水文环境数据集合构建环境异常度，若环境异常度超过预期，发出数据采集指令；

30、模型构建单元，获取吊装区域内的环境条件数据、顶管及其吊装数据，在制定吊装方案后训练获取顶管吊装数字孪生模型，使用顶管吊装数字孪生模型对吊装方案进行测试，由测试数据构建顶管吊装的可行度，依据获取的可行度验证吊装方案是否可行；

31、预案构建单元，使用多重线性回归分析从若干个环境条件内筛选出风险因素，依据风险因素的风险程度计算环境条件的风险度，若风险度超过预设的风险阈值，依据风险因素与风险预案间的对应性，由风险预案库输出相应的风险预案；

32、测试单元，在吊装区域内安装监测网络，由监测网络采集吊装过程数据，并由吊装数据构建偏差度，若获取的偏差度超过偏差阈值，向外部发出预警信号；

33、修正单元，接收到预警信号后，由顶管吊装修正知识图谱为顶管吊装过程给出修正方案，使用顶管吊装数字孪生模型对修正方案进行测试，依据测试数据判断修正方案是否可行，并在顶管吊装过程中由水文数据构建变动系数，若变动系数超过预期，向外部发出报警指令。

34、（三）有益效果

35、本发明提供了基于水文数字孪生的顶管吊装控制系统及控制方法，具备以下有益效果：

36、1、依据环境异常度判断当前的水文环境是否存在异常，若存在异常且异常程度较高，将当前的异常水文状态的影响程度考虑在内，在进行顶管吊装施工时，对顶管吊装的安全性形成保障。

37、2、由采集的数据作为样本数据并训练获取顶管吊装数字孪生模型，依据顶管吊装数字孪生模型可以对吊装方案及吊装过程进行测试，通过若干次测试后确定当前吊装方案的可行性，在实际进行吊装时降低吊装的风险性。

38、3、由获取的测试数据构建相应可行度，依据可行度能够对吊装方案形成筛选，以可行度作为判断标准，对吊装方案是否可行进行判断，若是方案不可行，对吊装方案进行修正或者重新制定，在对顶管吊装前确保顶管吊装方案具有一定的可行性。

39、4、对风险因素带来的风险性的大小进行评估，并确定对吊装施工的影响程度，若影响程度较大，则可以预先制定相应的风险预案，在风险因素的风险程度进一步增加时，由风险预案库为风险因素输出相应的风险预案，从而在实际产生风险时能够紧急进行处理，确保顶管吊装过程中的安全性和可靠性。

40、5、将获取到的监控数据和预设参考数据进行比对并构建相应的偏差度，依据偏差度对吊装状态的偏差程度进行评估和判断，若当前的偏差程度较大，对当前的吊装过程进行修正或重新展开吊装，确保吊装过程能够顺利完成，提高顶管吊装施工的成功率。

41、6、由顶管吊装调整知识图谱及时给出修正方案，若顶管仍处于吊装状态，能够节省修正方案的制定时间，提高效率；通过构建的修正系数能够对修正方案是否可行进行评估，并在不可行时对修正方案进行一次或多次优化，直至完成对吊装过程的调整，能够对顶管吊装过程的完成形成辅助，在当前水文环境存在一定程度的异常时，降低水文因素带来的影响。

42、7、对吊装区域内的水文数据的变化进行实时监测，由获取的监测数据构建相应的变动系数，依据变动系数的值对吊装区域内的环境风险进行判断，若是环境风险较大，能够以此作为起始节点，对吊装过程进行终止或选择对应风险预案进行紧急处理，保障吊装过程的顺利完成，提高顶管吊装的稳定性。