基于代理模型的地下洞室施工通风方案优化方法与流程

本发明属于水利水电工程施工，具体涉及一种应用于地下洞室的施工通风方案优化方法。

背景技术：

1、水利水电工程地下洞室开挖施工过程中，爆破产生大量粉尘、co等有害气体，严重威胁施工人员的生命健康，施工通风是降低炮烟粉尘浓度、保障施工安全的必要措施。此外，水电工程地下洞室具有埋深大、空间跨度大、密闭性高的特点，洞室内复杂的风流场致使局部粉尘回旋滞留，无法快速排出洞室，导致爆破所需的通风散烟时间偏长，施工通风成为了影响施工安全、制约施工进度的重要因素。

2、然而，目前水电站地下洞室施工通风方案大多依赖于工程经验，采取风机全功率运行的方式，忽略了风机风量等因素与通风散烟时间的非线性关系，不仅未能有效降低通风散烟时间，还会导致能源的极大浪费。迫切需要一种可行的方法，实现地下洞室不同施工通风方案的高效预测，进而选出利于通风效果的最优方案，从而解决地下洞室工程施工通风的难题，保障施工环境安全、提高施工通风效率、减小通风能耗。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于代理模型的地下洞室施工通风方案优化方法，本发明方法能够保障施工环境安全，提高通风散烟效率，减少通风能耗。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、基于代理模型的地下洞室施工通风方案优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

4、(10)有限元模型建立：根据地下洞室的实际结构尺寸和当前施工进度，建立地下洞室施工通风污染物运移有限元模型；

5、(20)模型有效性验证：地下洞室爆破施工完成后，使用监测仪器对各测试点风速大小、污染物浓度值进行现场测量，将试验结果与有限元模拟结果进行对比，验证有限元模型的有效性；

6、(30)优化变量选取：根据以往工程经验及相关规范，对地下洞室施工通风设备的布置方式进行分析，确定需要优化的变量及其取值范围；

7、(40)优化目标确定：确定通风方案优化效果的指标，包括通风散烟时间、除尘率、断面平均风速指标，选择关键指标作为主要优化目标；

8、(50)优化变量采样：采用拉丁超立方抽样方法，在待优化参数空间进行采样，得到各优化变量的组合通风方案，样本点个数由代理模型所需的最小值拟定；

9、(60)样本点仿真：对优化变量组合通风方案分别进行有限元数值计算，得到各通风方案下的目标值，获取代理模型数据集；

10、(70)代理模型构建：根据数据集构建rbf神经网络代理模型，将数据集划分为训练集与测试集，采用决定系数r2、平均绝对误差mae、均方根误差rmse评价代理模型的拟合效果，精度不满足时增加样本个数；

11、(80)模型多目标优化：采用多目标粒子群优化算法对目标函数进行求解，获取pareto解集，采用topsis法对pareto前沿进行方案比选，最终获取兼顾通风效率与通风能耗的优选方案。

12、进一步所述(10)有限元模型建立步骤包括：

13、(11)三维物理模型建立：使rhino、solidworks等三维建模软件建立地下洞室施工通风三维物理模型，包含某一施工阶段的地下洞室及风管布置方案物理模型；

14、(12)网格划分：使用四面体或六面体等网格进行有限元网格划分；

15、(13)有限元模型建立：采用欧拉-拉格朗日两相流模型，对网格模型设置相应的边界条件，建立地下洞室施工通风污染物运移有限元模型。

16、进一步所述(30)优化变量选取包括：

17、(31)通风设备布置方式：洞室通风方式包含压入式、抽出式、组合式，根据洞室施工阶段及开挖层数确定风机及风管口布置位置；

18、(32)待优化变量取值范围：根据洞室开挖需风量计算确定风机风量取值范围，根据风机有效射程及爆破安全距离确定风管口至掌子面距离取值范围。

19、进一步所述(32)风机风量取值范围是：风量最小值为洞室开挖需风量值，风量最大值为风机的最大允许风量。

20、进一步所述(60)样本点仿真是：对优化变量组合通风方案分别进行cfd数值计算，使用fluent软件模拟计算各通风方案，通过监测点数据后处理，得到各通风方案下的目标值，获取代理模型数据集。

21、进一步所述(70)代理模型构建步骤包括：

22、(71)对通风方案数据集进行归一化处理，公式为：

23、

24、xi为归一化后的数据，x为原始数据，xmax是x中的最大值，xmin是x中的最小值；

25、(72)将归一化后的数据集按照7：3比例划分训练集与测试集；

26、(73)搭建rbf神经网络，将训练集输入三层神经网络进行训练和调参，得到训练好的rbf神经网络；

27、(74)将测试集输入神经网络进行预测，采用决定系数r2、平均绝对误差mae、均方根误差rmse来评价预测值和模拟值的偏差，若模型精度不满足预期，增加样本点个数，并重复步骤(70)。

28、本发明有益效果：本发明通过代理模型的方法构建了地下洞室施工通风方案与施工通风效果的预测模型，考虑了风机风量、风管布置位置、风管口至掌子面距离等因素对通风散烟时间的非线性映射关系；通过拉丁超立方试验设计方法使得样本空间更加均匀，有效控制了样本点个数及模拟次数，采用改进的多目标粒子群优化算法，实现了通风布置方案的快速寻优。

技术特征：

1.基于代理模型的地下洞室施工通风方案优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述基于代理模型的地下洞室施工通风方案优化方法，其特征在于所述(10)有限元模型建立步骤包括：

3.根据权利要求1所述基于代理模型的地下洞室施工通风方案优化方法，其特征在于所述(30)优化变量选取包括：

4.根据权利要求3所述基于代理模型的地下洞室施工通风方案优化方法，其特征在于：所述(32)风机风量取值范围是：风量最小值为洞室开挖需风量值，风量最大值为风机的最大允许风量。

5.根据权利要求1所述基于代理模型的地下洞室施工通风方案优化方法，其特征在于：所述(60)样本点仿真是：对优化变量组合通风方案分别进行cfd数值计算，使用fluent软件模拟计算各通风方案，通过监测点数据后处理，得到各通风方案下的目标值，获取代理模型数据集。

6.根据权利要求1所述基于代理模型的地下洞室施工通风方案优化方法，其特征在于：所述(70)代理模型构建步骤包括：

技术总结本发明公开了基于代理模型的地下洞室施工通风方案优化方法，包括：有限元模型建立，模型有效性验证，优化变量选取，优化目标确定，优化变量采样，样本点仿真，代理模型构建，评价代理模型的拟合效果，模型多目标优化。本发明采用改进的多目标粒子群优化算法对目标函数进行求解，获取施工通风优选方案；本发明通过代理模型的方法构建了地下洞室施工通风方案与施工通风效果的预测模型，考虑了风机风量、风管布置位置、风管口至掌子面距离等因素对通风散烟时间的非线性映射关系；通过拉丁超立方试验设计方法使得样本空间更加均匀，有效控制了样本点个数及模拟次数，采用改进的多目标粒子群优化算法，实现了通风布置方案的快速寻优。技术研发人员：唐子龙,郑光明,余佳,胡鹏飞,段荣洁,佟大威,邓豪文,邓洪,余红玲,苏睿,吕祥鑫,王伟受保护的技术使用者：中国水利水电第七工程局有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/29