CN111191880B - 一种基于数字化映射的边坡全生命周期安全管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于数字化映射的边坡全生命周期安全管理方法，包括如下步骤：基于地形、地质信息构建映射边坡；基于监测、检测和探测信息耦联互馈，对构建的映射边坡进行修正；基于方法库、知识库和评判模型信息，结合修正的模型，进行边坡全生命周期安全管理。本发明通过“数字化映射”技术打造一个全面实时在线感知、数据融合共享、快速分析诊断、智能运行决策的综合运行管理“映射边坡”数字模型，从而提高边坡安全智能化管控水平，指导边坡工程的施工和运行期应急处理，确保边坡的全生命周期安全，有利于促进边坡全生命周期的安全管理，促进行业技术的发展。

Description

一种基于数字化映射的边坡全生命周期安全管理方法
技术领域
本发明涉及一种边坡全生命周期安全管理方法，尤其是一种基于数字化映射的边坡全生命周期安全管理方法。
背景技术
我国青藏高原地区将建设一批大型水电工程，由于复杂的板块构造与沉积作用、内外动力地质作用以及恶劣的自然条件，形成了大规模的堆积体滑坡群及广泛分布的碎裂松动岩体边坡。这些不良地质体在天然条件下处于临界稳定或基本稳定状态，但是在施工扰动或暴雨、地震、蓄水、水位交变等长期运行条件下，边坡稳定性演化规律复杂，采用传统的极限平衡与数值模拟稳定性分析及监测手段很难实时全面真实掌握其整体稳定性状况，是制约我国藏区水电工程安全建设与运行的重要因素。
“数字化映射”是以数字化方式为物理对象创建的虚拟模型，来模拟其现实环境中的行为，从而反映相对应的实体的全生命周期过程。把“数字化映射”技术应用于水电工程边坡领域，定义采用“数字化映射”技术创建的数字边坡模型为“映射边坡”。“孪生”的两个模型一个是存在于现实中的实体工程边坡，一个则存在于数字虚拟世界之中，通过后者可以对真实边坡的运行状况进行实时监控，及时发现潜在的安全风险，从而做到及时处理响应，防患于未然。随着5G技术的发展，“数字化映射”技术应用于水电工程边坡安全管理成为可能。
“数字化映射”不仅仅是复制，更重要的是最新电子信息、通讯等技术的应用。“孪生”过程需要借助全息数字模型建设的多种新技术手段，通过互联网、物联网、虚拟现实等各种数字化的手段，将边坡的各种指标数据映射到虚拟数字空间中，完成最终“复制”。“映射边坡”建成后，还需利用智能云平台全面展示边坡数据，实时反馈边坡安全形态，做到实时监控。以往需要采集的海量数据，通过“映射边坡”就能够轻松获取，并进行分析处理，彻底解决了缺乏统一数据平台、缺少数据分析、安全风险难以判断等难题，实现了对边坡的施工、运行全生命周期安全管理。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于数字化映射的边坡全生命周期安全管理方法，实现采用海量数据进行边坡施工、运行全生命周期安全管理。
本发明针对水电工程边坡施工、运行全生命周期安全管理问题，充分利用现有的先进技术手段，对水电工程库岸边坡进行“数字化映射”，然后采用现有的先进技术手段实现数字模型与真实边坡实现同步生长，最后采用大数据、人工智能等先进方法对边坡的实时状态进行评判，实现对边坡进行全生命周期的安全管理。
以上过程通过“映射边坡”实现了边坡全生命周期实时状态分析与安全管理，可指导边坡工程的施工和运行期应急处理，保障了边坡在自然状态、施工、暴雨、地震、长期运行等全天时全天候的安全。
一种基于数字化映射的边坡全生命周期安全管理方法，包括如下步骤：
步骤（1）、基于地形、地质信息构建映射边坡；
步骤（2）、基于监测、检测和探测信息耦联互馈，对构建的映射边坡进行修正；
步骤（3）、基于方法库、知识库和评判模型信息，结合步骤（2）的修正的模型，进行边坡全生命周期安全管理。
进一步地，步骤（1）中，基于地形、地质信息构建映射边坡包括如下步骤：
步骤1.1：利用地形测绘资料，结合边坡三维数字高程模型及三维影像图，建立边坡三维数字地形模型；根据边坡的开挖施工和地表变形情况不断修改和完善边坡三维数字地形模型；
步骤1.2：在边坡三维数字地形模型的基础上，采用地质勘探资料，建立边坡内部三维数字地质模型，根据地质信息的更新对边坡三维数字地质模型进行不断的修正与完善；
步骤1.3：根据边坡外部环境的变化，不断修正边坡三维数字地质模型外部地形、地貌、地物及地面建筑；
步骤1.4：根据逐步揭露的地质信息，采集边坡三维数字地质模型的地层、岩性、地应力、地下水、断层、裂隙、节理、岩体力学参数信息；
步骤1.5：根据边坡的治理措施和安全监测布置，采集边坡三维数字地质模型的治理措施分布及监测点布置信息；
步骤1.6：不断更新三维数字地质模型数据，即得到数字化映射边坡。
进一步地，步骤（2）中，边坡在天然工况、施工工况、地震工况、暴雨工况、蓄水工况、水位交变工况、长期运行工况或多种工况耦合作用下，获取边坡变形、应力、声波、固有振动频率、地下水、地质信息，对映射边坡数字模型进行实时更新。
进一步地，步骤（2）中，对映射边坡数字模型进行实时更新包括如下步骤：
步骤2.1：根据边坡施工开挖情况，采用倾斜摄影测量及三维激光扫描对边坡开挖后的外部形态进行建模，及时更新映射边坡的三维数字地形模型；
步骤2.2：通过边坡内外部布设的表观变形监测、深部变形监测、地下水监测、应力监测、微震动监测、光纤监测、物探法观测获取的变形、应力、声波、固有振动频率、地下水、地下物质组成信息，实时同步传输到数字化映射边坡数字模型上，对映射边坡进行实时更新；
步骤2.3：通过星载合成孔径雷达干涉测量的大范围变形监测、星载光学遥感变形监测，船/车/机载合成孔径雷达或三维激光扫描变形监测，地基合成孔径雷达或三维激光扫描变形监测，激光测振获取的边坡变形信息，实时同步传输到数字化映射边坡数字模型上，对映射边坡进行实时更新；
步骤2.4：通过地质勘探及检测，结合岩体室内外试验、模型试验、现场试验、工程经验类比、施工开挖信息及反分析，确定岩体力学参数及地应力条件，及时传输到数字化映射边坡数字模型上，对映射边坡进行实时更新；
步骤2.5：通过实时的边坡地质模型、岩体力学参数及地应力条件，进行映射边坡稳定性及应力位移数值模拟分析，通过与监测信息的实时互馈，不断修正岩体力学参数，对映射边坡的状态进行不断的修正，并同步得出最逼近真实边坡状态的映射边坡状态信息，进而实现从现实边坡变形及稳定性演化到数字边坡变形及稳定性演化的同步生长过程。
进一步地，步骤2.2中，表观变形监测包括全站仪观测、GNSS测点、测缝计；深部变形监测包括多点位移计、测斜仪、阵列式位移计SAA； 应力监测包括锚索测力计、锚杆应力计；微震动监测包括地声监测仪、次声监测仪、微震监测仪和固有振动频率监测仪。
进一步地，步骤（3）中，边坡全生命周期实时状态分析与安全管理包括如下步骤：
步骤3.1：通过映射边坡较接近真实边坡的地质结构和地层岩性、岩体力学参数信息，进行数值模拟仿真，得出边坡的变形和应力以及稳定性状态，给出边坡安全性状态的初步判断；
步骤3.2：建立方法库、知识库，基于边坡安全监测设计、施工及治理设计资料、运行期监测检测资料信息，采用机器学习、深度学习、模式识别、智能计算、自动推理构建面向边坡施工期、运行期全生命周期安全监测的主题要素知识图谱，建立适用于边坡全生命周期安全综合评估的模型，实时评估边坡性态，结合数值模拟计算成果综合评估边坡施工期或运行期实时安全性状态；
步骤3.3：对边坡全生命周期资料进行综合分析，对边坡当前的安全性状态进行实时分析，对异常部位和异常情况进行实时预警；并将异常信息及对应响应处理措施推送给相应层级的人员；并对边坡期施工方案的调整或运行期的应急加固处理进度进行实时提醒，以保证安全隐患问题能尽早处理，避免更大的损失。
进一步地，步骤3.2中，方法库包括监控指标计算、监测统计模型、预测模型、确定性模型；知识库包括监测数据异常自动判别处理、相关性分析、数据挖掘。
现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）本发明通过“数字化映射”技术打造一个全面实时在线感知、数据融合共享、快速分析诊断、智能运行决策的综合运行管理“映射边坡”数字模型，从而提高边坡安全智能化管控水平，指导边坡工程的施工和运行期应急处理，确保边坡的全生命周期安全。
（2）本发明基于GIS+BIM+VR/AR实现“映射边坡”的三维可视化现实与查询。为工程技术及管理人员提供一个虚拟的管理及培训平台，基于虚拟现实技术，综合运用3D动画、图形图像、声音等多种媒体形态模拟现场运行管理的实际情况，通过交互的方式呈现标准化管理流程。同时现场漫游能够从不同的角度帮助工程技术及管理人员了解工作现场的环境，以便于掌握在不同工作环境中需要掌握的基本工作技能，熟练掌握边坡全生命周期安全管理的基本知识与技能。
（3）边坡的运行管理和自动化管理工作中，经常涉及到工作会议及汇报，通过可视化展示会议讨论方案，本发明通过VR技术通过直接展示边坡各部位，定位到需要讨论的位置，有利于加强沟通，提升效率；同时通过三维可视化模型，可以很直观的实现运行管理方案的汇报，为领导决策提供有力的支撑。
（4）本发明通过建立三维BIM模型，将监测数据可视化，实现可视化管理。例如在监测仪器可视化中，读取数据库中监测仪器位置信息，使仪器模型在可视化场景相应位置显示。另外，通过鼠标对场景中的三维模型交互式操作，可以快速获取监测系统布置及仪器的监测信息。
（5）本发明依托三维模型，建立全生命周期信息所见即所得查询管理功能模块。建立三维模型，并给模型赋予建设及运维阶段信息，通过三维模型与底层数据库直接关联，通过查询管理模块，可以很直观的显示不同阶段相关信息。
（6）本发明基于仿真计算结果与监测检测信息等进行建筑物安全分析评价，在三维模型中同时展示计算仿真和安全监测三维云图，系统自动提取同一节点处的计算结果与监测结果进行对比分析，提高边坡安全分析评价水平。
（7）本发明结合现有的BIM和VR/AR技术，直观可视化的展示现有的各类业务数据。同时，基于BIM+VR/AR打通了水电站多源异构数据的全方位、深层次、多角度深度融合，实现了从宏观到微观、从外部到内部、从业务到管理的一体化综合展示。基于BIM完成了边坡细节的数据集成，基于模型对象集成了工程全生命周期内的设计、建设和运维信息，并实现对海量数据的进行统一归集整理、共享和融合。结合VR/AR技术，实现边坡坡数字化映射，深度融合实景边坡和虚拟边坡，为工程边坡的日常运行管理、管理培训、远程诊断等提供沉浸式的交互体验。
（8）本发明充分利用当前先进技术手段实现边坡地形地质及变形信息的获取与传输，有利于促进边坡全生命周期的安全管理，有利于最新信息技术、电子信息技术、计算机技术及网络技术等在水电工程领域的充分融合与应用，促进行业技术的发展。
附图说明
图1为边坡全生命周期安全管理的流程图；
图2为“映射边坡”构建的流程图；
图3为“映射边坡”生长的流程图；
图4为边坡安全管理的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是对本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。
实施例1
本实施例以如美水电站为例，如美水电站位于我国西藏地区澜沧江上游河段，坝址区硬质岩石深切河谷地区，高陡岸坡中上部和浅表岩体，受到持续应力释放影响，表现出强烈的松弛现象，加上高寒河谷特有的气候条件，形成碎裂松动岩体、卸荷岩体，这部分岩体在自然条件和工程因素影响（如施工开挖期间、水库蓄水以后）的变形和稳定特征成为工程重点关注的对象。如美水电站坝址区甚至枢纽区广泛分布的碎裂松动岩体边坡安全问题成为制约工程成败的重要因素。传统方法已经不再适用于如此大规模碎裂岩体边坡施工期及运行期的安全监控与管理。
本实施例的如美水电站库岸边坡基于数字化映射的水电工程边坡全生命周期安全管理方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤（1）、如美水电站“映射边坡”的构建
步骤1.1：充分利用如美水电站可行性研究阶段丰富的地形测绘资料，结合现有的三维激光扫描（LiDAR）、无人机倾斜摄影、航空摄影获取边坡三维数字高程模型（DEM）及三维影像图，建立如美水电站库岸边坡三维数字地形模型（DTM）。后期可根据边坡的开挖施工和地表变形情况不断修改和完善如美水电站库岸边坡三维数字地形模型（DTM）。
步骤1.2：在如美水电站库岸边坡三维数字地形模型（DTM）的基础上，充分采用丰富的地质勘探资料，建立边坡内部三维数字地质模型，后期随着地质揭露认识的不断深入对如美水电站库岸边坡三维数字地质模型进行不断的修正与完善。
步骤1.3：根据后期如美水电站库岸边坡外部环境的变化，不断修正边坡三维数字地质模型外部地形、地貌、地物及地面建筑等。
步骤1.4：根据逐步揭露的地质信息，不断完善如美水电站库岸边坡三维数字地质模型的地层、岩性、地应力、地下水、断层、裂隙、节理、岩体力学参数等信息。
步骤1.5：根据施工期如美水电站库岸边坡的治理措施和安全监测布置，不断完善如美水电站库岸边坡三维数字地质模型的治理措施分布及监测点布置信息等。
步骤1.6：通过上述获取如美水电站库岸边坡的多维度信息，并通过传感器物联网数据传输保存数据，建立的“数字化映射”边坡数字模型，即“映射边坡”。
步骤（2）、如美水电站“映射边坡”的生长
如美水电站库岸边坡在天然工况、施工工况、地震工况、暴雨工况、蓄水工况、水位交变工况、长期运行工况或多种工况耦合作用下，采用多种安全监测及检测手段获取边坡变形、应力、声波、固有振动频率、地下水、地质等信息，采用物联网实时传输给“映射边坡”数字模型进行实时更新。
步骤2.1：根据如美水电站库岸边坡施工开挖情况，采用倾斜摄影测量及三维激光扫描（LiDAR）对边坡开挖后的外部形态进行建模，及时更新“映射边坡”的三维数字地形模型。
步骤2.2：如图3所示，通过如美水电站库岸边坡内外部布设的表观变形监测（全站仪观测、GNSS测点、测缝计等）、深部变形监测（多点位移计、测斜仪、阵列式位移计SAA等）、地下水监测、应力监测（锚索测力计、锚杆应力计等）、微震动监测（地声监测仪、次声监测仪、微震监测仪、固有振动频率监测仪等）、光纤监测、物探法观测等多种接触式监测传感器获取的变形、应力、声波、固有振动频率、地下水、地下物质组成等信息，实时同步传输到“数字化映射”边坡数字模型上，对“映射边坡”进行实时更新。
步骤2.3：通过星载合成孔径雷达干涉测量（InSAR）的大范围变形监测、星载光学遥感变形监测，船/车/机载合成孔径雷达（SAR）或三维激光扫描（LiDAR）变形监测，地基合成孔径雷达（SAR）或三维激光扫描（LiDAR）变形监测，激光测振等多种非接触式变形监测技术获取的如美水电站库岸边坡变形信息，实时同步传输到 “数字化映射”边坡数字模型上，对如美水电站“映射边坡”进行实时更新。
步骤2.4：通过地质勘探及检测（坑/槽探、钻探、地球物理探测、声波检测等），结合岩体室内外试验、模型试验、现场试验等方法，结合工程经验类比及反分析等方法，确定如美水电站库岸边坡岩体力学参数及地应力条件等，及时传输到“数字化映射”边坡数字模型上，对如美水电站“映射边坡”进行实时更新。
步骤2.5：通过实时的边坡地质模型、岩体力学参数及地应力条件等，进行“映射边坡”稳定性及应力位移数值模拟分析（含确定性数值分析及非确定性随机数值模拟），通过与监测信息的实时互馈，不断修正岩体力学参数，对“映射边坡”的状态进行不断的修正，并同步得出最逼近真实边坡状态的如美水电站“映射边坡”状态信息。
以上过程对“映射边坡”进行不断的实时更新，实现了从如美水电站库岸边坡变形及稳定性演化到数字边坡变形及稳定性演化的同步生长过程。
步骤（3）、如美水电站库岸边坡安全管理
步骤3.1：通过如美水电站“映射边坡”较接近真实边坡的地质结构和地层岩性、岩体力学参数等信息，进行数值模拟仿真（含确定性数值分析及非确定性随机数值模拟），得出边坡的变形和应力以及稳定性状态，给出如美水电站库岸边坡安全性状态的初步判断。
步骤3.2：建立包括监控指标计算、监测统计模型、预测模型、确定性模型等的方法库。建立监测数据异常自动判别处理、相关性分析、数据挖掘等的知识库。基于边坡安全监测设计、施工及治理设计资料、运行期监测检测资料等信息，采用机器学习、深度学习、模式识别、智能计算、自动推理等人工智能技术构建面向边坡施工期、运行期全生命周期安全监测的主题要素知识图谱，建立适用于如美水电站库岸边坡全生命周期安全综合评估模型，实时评估边坡性态，结合数值模拟计算成果综合评估如美水电站库岸边坡施工期或运行期实时安全性状态。
步骤3.3：边坡安全状态预警根据分级预警模型、知识图谱、知识库、推理库、人工智能，对如美水电站库岸边坡全生命周期资料等进行综合分析，对如美水电站库岸边坡当前的安全性状态进行实时分析，对异常部位和异常情况进行实时预警。并将异常信息及对应响应处理措施推送（包括web端、手机短信、app端、微信信息、微信公众号、微信小程序等）给相应层级的人员。并对如美水电站库岸边坡期施工方案的调整或运行期的应急加固处理进度进行实时提醒，以保证安全隐患问题能尽早处理，避免更大的损失，如图4所示。
本实施例通过GIS+BIM+VR/AR等现有技术组合，实现如美水电站库岸边坡“映射边坡”数字模型的三维可视化展示与查询，如图2所示。
以上过程通过“映射边坡”实现了如美水电站库岸边坡全生命周期实时状态分析与安全管理，可指导边坡工程的施工和运行期应急处理，保障了如美水电站库岸边坡在自然状态、施工、暴雨、地震、长期运行等全天时全天候的安全。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于数字化映射的边坡全生命周期安全管理方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤（1）、基于地形、地质信息构建映射边坡；
步骤（2）、基于监测、检测和探测信息耦联互馈，对构建的映射边坡进行修正；
边坡在天然工况、施工工况、地震工况、暴雨工况、蓄水工况、水位交变工况、长期运行工况或多种工况耦合作用下，获取边坡变形、应力、声波、固有振动频率、地下水、地质信息，对映射边坡数字模型进行实时更新；对映射边坡数字模型进行实时更新包括如下步骤：
步骤2.1：根据边坡施工开挖情况，采用倾斜摄影测量及三维激光扫描对边坡开挖后的外部形态进行建模，及时更新映射边坡的三维数字地形模型；
步骤2.2：通过边坡内外部布设的表观变形监测、深部变形监测、地下水监测、应力监测、微震动监测、光纤监测、物探法观测获取的变形、应力、声波、固有振动频率、地下水、地下物质组成信息，实时同步传输到数字化映射边坡数字模型上，对映射边坡进行实时更新；
步骤2.3：通过星载合成孔径雷达干涉测量的大范围变形监测、星载光学遥感变形监测，船/车/机载合成孔径雷达或三维激光扫描变形监测，地基合成孔径雷达或三维激光扫描变形监测，激光测振获取的边坡变形信息，实时同步传输到数字化映射边坡数字模型上，对映射边坡进行实时更新；
步骤2.4：通过地质勘探及检测，结合岩体室内外试验、模型试验、现场试验、工程经验类比、施工开挖信息及反分析，确定岩体力学参数及地应力条件，及时传输到数字化映射边坡数字模型上，对映射边坡进行实时更新；
步骤2.5：通过实时的边坡地质模型、岩体力学参数及地应力条件，进行映射边坡稳定性及应力位移数值模拟分析，通过与监测信息的实时互馈，不断修正岩体力学参数，对映射边坡的状态进行不断的修正，并同步得出最逼近真实边坡状态的映射边坡状态信息，进而实现从现实边坡变形及稳定性演化到数字边坡变形及稳定性演化的同步生长过程；
步骤（3）、基于方法库、知识库和评判模型信息，结合步骤（2）的修正的模型，进行边坡全生命周期安全管理。
2.根据权利要求1所述的基于数字化映射的边坡全生命周期安全管理方法，其特征在于：步骤（1）中，基于地形、地质信息构建映射边坡包括如下步骤：
步骤1.1：利用地形测绘资料，结合边坡三维数字高程模型及三维影像图，建立边坡三维数字地形模型；根据边坡的开挖施工和地表变形情况不断修改和完善边坡三维数字地形模型；
步骤1.2：在边坡三维数字地形模型的基础上，采用地质勘探资料，建立边坡内部三维数字地质模型，根据地质信息的更新对边坡三维数字地质模型进行不断的修正与完善；
步骤1.3：根据边坡外部环境的变化，不断修正边坡三维数字地质模型外部地形、地貌、地物及地面建筑；
步骤1.4：根据逐步揭露的地质信息，采集边坡三维数字地质模型的地层、岩性、地应力、地下水、断层、裂隙、节理、岩体力学参数信息；
步骤1.5：根据边坡的治理措施和安全监测布置，采集边坡三维数字地质模型的治理措施分布及监测点布置信息；
步骤1.6：不断更新三维数字地质模型数据，即得到数字化映射边坡。
3.根据权利要求1所述的基于数字化映射的边坡全生命周期安全管理方法，其特征在于：
步骤2.2中，表观变形监测包括全站仪观测、GNSS测点、测缝计；深部变形监测包括多点位移计、测斜仪、阵列式位移计SAA；
应力监测包括锚索测力计、锚杆应力计；微震动监测包括地声监测仪、次声监测仪、微震监测仪和固有振动频率监测仪。
4.根据权利要求1所述的基于数字化映射的边坡全生命周期安全管理方法，其特征在于：步骤（3）中，边坡全生命周期实时状态分析与安全管理包括如下步骤：
步骤3.1：通过映射边坡较接近真实边坡的地质结构和地层岩性、岩体力学参数信息，进行数值模拟仿真，得出边坡的变形和应力以及稳定性状态，给出边坡安全性状态的初步判断；
步骤3.2：建立方法库、知识库，基于边坡安全监测设计、施工及治理设计资料、运行期监测检测资料信息，采用机器学习、深度学习、模式识别、智能计算、自动推理构建面向边坡施工期、运行期全生命周期安全监测的主题要素知识图谱，建立适用于边坡全生命周期安全综合评估的模型，实时评估边坡性态，结合数值模拟计算成果综合评估边坡施工期或运行期实时安全性状态；
步骤3.3：对边坡全生命周期资料进行综合分析，对边坡当前的安全性状态进行实时分析，对异常部位和异常情况进行实时预警；并将异常信息及对应响应处理措施推送给相应层级的人员；并对边坡期施工方案的调整或运行期的应急加固处理进度进行实时提醒，以保证安全隐患问题能尽早处理，避免更大的损失。
5.根据权利要求4所述的基于数字化映射的边坡全生命周期安全管理方法，其特征在于：步骤3.2中，方法库包括监控指标计算、监测统计模型、预测模型、确定性模型；知识库包括监测数据异常自动判别处理、相关性分析、数据挖掘。
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