基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟方法及系统

本发明涉及岩土工程，尤其涉及一种基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、在隧道施工过程中，地下水的渗、突、涌问题颇为常见，一旦发生此类灾害，无论大小，对隧道施工的环境安全、施工质量保障、经济效益、工期进度等造成严重威胁。注浆作为一种有效封堵赋水通道与地层加固技术，在隧道施工中发挥着至关重要的作用。

3、注浆数值模拟是一种使用数值方法来模拟和分析注浆过程的技术，通过数值模拟技术在注浆施工前深入了解和研究浆液的扩散和封堵机理，对注浆加固防渗工程的设计、注浆效果预测等方面，具有重要的指导意义。在隧道施工前期，若这一环节无法有效开展，可能会导致施工方案无法得到充分的评估与优化，致使最终注浆效果不佳、产生大量的试错成本、严重时甚至会引发重大灾难事故的发生。

4、传统的注浆模拟方法如统计模型与数值模拟方法，均存在一定的局限性。统计模型方法依赖于已有数据和经验公式，预测精度较低，且无法考虑复杂的地下条件和注浆过程；数值模拟方法虽能达到一定的模拟精度，但对网格划分精度依赖性很强，而精细的网格划分意味着极高的计算复杂性与极高的时间成本，据统计，模型建立与网格生成通常占据整个项目周期80％以上的时间，且网格划分效果易受主观因素影响，存在一定的结果不稳定性。此外，参数设置的不确定性、物理模型假设的局限性、模型验证以及验证数据的限制等问题均会对注浆模拟的结果产生不确定影响。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟方法及系统，将注浆参数与地质参数抽象为拓扑节点，将注浆需考虑的参数与参数间的约束关系抽象为拓扑边，基于改进的遗传算法智能挖掘拓扑关系、绘制出拓扑图，最终通过图卷积神经网络模型对拓扑结构进行解译，实现智能化的注浆模拟。

2、在一些实施方式中，采用如下技术方案：

3、一种基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟方法，包括：

4、基于历史注浆案例提取注浆参数矩阵、地质参数矩阵以及参数连接关系矩阵，结合专家经验绘制出历史注浆案例的注浆参数拓扑图，形成拓扑图数据库；

5、基于所述拓扑图数据库对基于遗传算法的注浆拓扑关系智能约束模型进行训练优化；

6、获取待模拟注浆项目的注浆参数和地质参数，利用训练优化后的注浆拓扑关系智能约束模型，确定注浆参数的约束关系，形成最优的注浆参数拓扑图；

7、基于所述注浆参数拓扑图的节点和边信息，提取节点特征矩阵与连接关系二维邻接矩阵；将提取的图结构数据输入到图卷积神经网络模型中进行智能化注浆模拟。

8、还包括：

9、对注浆结果进行评估，根据评估结果对注浆参数进行实时优化，同时对注浆拓扑关系智能约束模型进行调参，基于重构的拓扑图结构数据重新进行注浆模拟，直至达到最佳的注浆模拟效果；

10、其中，对注浆结果进行评估的过程具体为：计算注浆模拟结果与依托于专家经验等设定的多个统计指标来评估差异程度，根据实际需求和重要性权重，对不同统计指标进行加权综合评估；若加权综合评估结果低于预设的综合评估值，则需要进行注浆参数优化以指导施工。

11、在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

12、一种基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟系统，包括：

13、数据收集模块，用于基于历史注浆案例提取注浆参数矩阵、地质参数矩阵以及参数连接关系矩阵，结合专家经验绘制出历史注浆案例的注浆参数拓扑图，形成拓扑图数据库；

14、模型优化模块，用于基于所述拓扑图数据库对基于遗传算法的注浆拓扑关系智能约束模型进行训练优化；

15、拓扑图绘制模块，用于获取待模拟注浆项目的地质参数和注浆参数，利用训练优化后的注浆拓扑关系智能约束模型，得到注浆参数的约束关系，形成最优的注浆参数拓扑图结构数据；

16、注浆模拟模块，用于基于所述注浆参数拓扑图的节点和边信息，提取节点特征矩阵与连接关系二维邻接矩阵；将提取的数据矩阵输入到图卷积神经网络模型中进行智能化注浆模拟。

17、注浆结果评估模块，用于对注浆结果进行评估，根据评估结果对注浆参数进行优化，同时对注浆拓扑关系智能约束模型进行调参，基于重构的拓扑图结构数据重新进行注浆模拟，直至达到最佳的注浆模拟效果并指导施工；

18、其中，对注浆结果进行评估的过程具体为：计算注浆模拟结果与依托于专家经验等设定的多个统计指标来评估差异程度，根据实际需求和重要性权重，对不同统计指标进行加权综合评估；若加权综合评估结果低于预设的综合评估值，则需要进行注浆参数优化。

19、在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

20、一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟方法。

21、在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

22、一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟方法。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、(1)本发明将注浆参数、地质参数以及参数连接关系抽象为拓扑图结构数据，通过注浆拓扑关系智能约束模型实现对于不同地质条件、不同约束关系、不同注浆参数情况下的注浆拓扑边与拓扑图结构信息的智能描述；基于获取的最优拓扑图进行特征矩阵提取，利用图卷积神经网络模型实现高效精准的注浆模拟与浆液扩散形态的预测，可以最大限度地实现注浆目标，为注浆智能模拟提供新思路。

25、(2)本发明提出的注浆拓扑关系智能约束模型，对传统遗传算法进行了改进，将注浆参数节点和路线信息采用二进制编码编码到基因序列中，并引入专家经验对参数与关联关系进行约束，实现拓扑节点参数空间中最优路线与拓扑图的确定与绘制。

26、(3)本发明根据学习与解译拓扑结构实现注浆的智能模拟与预测，可有效减少传统注浆数值模拟对模型网格划分的依赖性，实现更加快速的数值模拟，与更加灵活、更具针对性的参数表征，以及更加全面的信息获取。

27、(4)本发明提出了基于拓扑关系的注浆模拟参数优化反馈方法，通过对注浆模拟结果的综合评估，基于注浆评估模型反馈机制达成参数的调优以及约束关系的实时调整，并实现拓扑图结构的重构。

28、本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟方法，其特征在于，还包括：

3.如权利要求1所述的一种基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟方法，其特征在于，利用训练优化后的注浆拓扑关系智能约束模型，得到注浆参数的约束关系，具体为：

4.如权利要求3所述的一种基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟方法，其特征在于，还包括：基于专家经验随机生成个体种群，通过阈值设定约束节点属性值以及节点间的连接关系，以保证部分个体与个体间约束关系符合专家期望。

5.如权利要求1所述的一种基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟方法，其特征在于，所述节点特征矩阵的构建方法为：

6.如权利要求1所述的一种基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟方法，其特征在于，所述连接关系二维邻接矩阵的构建方法为：

7.一种基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟系统，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述的一种基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟系统，其特征在于，还包括：

9.一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现指令；存储器用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟方法。

10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟方法。

技术总结本发明公开了一种基于拓扑关系挖掘的注浆智能模拟方法及系统，包括：基于历史注浆案例提取注浆参数矩阵、地质参数矩阵以及参数连接关系矩阵，结合专家经验绘制出历史注浆案例的注浆参数拓扑图，形成拓扑图数据库；基于所述拓扑图数据库对基于遗传算法的注浆拓扑关系智能约束模型进行训练优化；获取待模拟注浆项目的地质参数和注浆参数，利用训练优化后的注浆拓扑关系智能约束模型，得到注浆参数的约束关系，形成最优的注浆参数拓扑图；基于所述注浆参数拓扑图进行特征提取，将提取的特征数据矩阵输入到图卷积神经网络模型中进行智能化注浆模拟。本发明通过获取最优拓扑图实现智能化的注浆模拟，可以最大限度地实现注浆目标。技术研发人员：许振浩,赵晟喆,李轶惠,卜泽华,张一驰,刘洋,潘东东受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20