CN115060329A - 一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统，涉及地理信息预测领域。一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统，包括：监测模块，通信模块，供电模块，系统计算处理模块以及地形变化显示模块；其中，所述监测模块和通信模块均与供电模块电性相接；所述监测模块等间距埋设在被监测区域内；本发明通过在被检测区域内的多个监测线内埋设监测模块，采集监测线的实时土体应变信息和温度变化信息，对岩溶上方的土体变形进行实时监测，以监测数据为基础，在系统计算处理模块内建立信息数据库，生成数据趋势图，并通过与物理塌陷模型试验中获取的地面塌陷的临界数据进行比较，进而实现对岩溶塌陷的实时监测和超前预测。

Description

一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统
技术领域
本发明属于地理信息预测技术领域，具体地说，涉及一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统。
背景技术
在岩溶塌陷信息化预测系统中，由于岩溶塌陷的发育受到岩溶发育的不均匀性和岩溶水作用的周期性影响，发育更为复杂，在空间上具有隐蔽性、发育过程具有累进性、塌陷的发生具有突发性特点，使监测工作面临诸多问题，一般都难以用地面常规监测手段来预报监测塌陷。
数字孪生又称数字双胞胎，是将工业产品、制造系统、城市等复杂物理系统的结构、状态、行为、功能和性能映射到数字化的虚拟世界，通过实时传感、连接映射、精确分析和沉浸交互来刻画、预测和控制物理系统，实现复杂系统虚实融合，使系统全要素、全过程、全价值链达到最大限度的闭环优化。
通过数字孪生算法可以实现将云理论运用到岩溶塌陷分析预测中，并确定各项影响指标的权重，建立相应的预测模型，可迅速、准确的判断岩溶产生塌陷的可能性程度，有鉴于此特提出一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统来对岩溶塌陷进行信息化预测。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种可以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统。
为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统，其特征在于，包括：
监测模块，通信模块，供电模块，系统计算处理模块以及地形变化显示模块；
其中，所述监测模块和通信模块均与供电模块电性相接；
所述监测模块等间距埋设在被监测区域内，用于实时监测所在监测区域内的土体应变和温度变化；
所述通信模块分别与监测模块和系统计算处理模块电性相接，用于将所述监测模块检测的数据实时发送给系统计算处理模块；
所述系统计算处理模块用于接收所述通信模块发送过来的实时数据信息，计算所得各个监测区域的土体应变和温度变化值，建立实时信息数据库，并结合物理塌陷模型试验中获取的地面塌陷的地形应变数据，在计算出监测区域的临界地形应变值后进行实时预警；
所述地形变化显示模块用于对系统计算处理模块计算出的各个监测区域的土体应变和温度变化值进行显示，以便工作人员对计算出的数据进行查验；
所述供电模块分别与监测模块和通信模块电性相接，用于对所述监测模块和通信模块进行单独供电，从而便于所述监测模块和通信模块可以铺设的更远，以便实现远距离的数据传输。
进一步地，所述监测模块包括监测光缆和通信光缆，所述监测光缆埋设在各个被监测区域的地下，所述监测光缆与通信光缆电性相接，所述监测光缆通过通信光缆向通信模块实时传输所在监测区域内的土体应变和温度变化，所述监测光缆可以对土体的应变和温度变化进行实时监测。
更进一步地，所述通信模块包括数据接收模块和数据传输模块，所述数据接收模块与通信光缆电性相接，所述数据接收模块接收的数据通过数据传输模块远程输送给系统计算处理模块进行计算，所述数据传输模块为远程数据连接桥。
还进一步地，所述系统计算处理模块包括数据统计模块、监控预测中心计算机，所述数据统计模块用于对通信模块远程传输过来的数据进行整合处理，所述监控预测中心计算机用于对整合的数据进行储存和计算。
再进一步地，所述系统计算处理模块还包括数据预处理模块，所述数据预处理模块用于对通信模块远程传输过来的数据进行初步处理，以便将数据中的异常数值进行剔除。
再进一步地，所述监控预测中心计算机包括数据记录储存模块与数字孪生计算模块，所述数据记录储存模块用于对监测模块所监测的数据进行记录储存，以便数字孪生计算模块可以对物理塌陷模型试验中获取的地面塌陷的地形应变数据和实际监测的数据进行结合计算，从而便可精准的建立相应的预测模型，可迅速、准确的判断岩溶产生塌陷的可能性程度。
再进一步地，还包括：数据实时显示模块与塌陷预警模块，所述数据实时显示模块可以实时显示数字孪生计算模块所计算的数值，以便工作人员对计算的数值进行查验，所述塌陷预警模块可以将监控预测中心计算机接收的实时数据信息与系统设定土体临界应变值进行对比，判断检测区域的实时数据是否超出临界应变值，对将要发生的地质灾害作出预测，同时发出地质灾害预警信息。
再进一步地，所述供电模块包括太阳能光伏板、充放电模块以及蓄电池，所述太阳能光伏板可以安装在检测区域旁光照充足的地方，所述蓄电池可以将太阳能光伏板产生的电量通过充放电模块储存起来或为监测模块和通信模块进行供电。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明通过在被检测区域内的多个监测线内埋设监测模块，采集监测线的实时土体应变信息和温度变化信息，对岩溶上方的土体变形进行实时监测，以监测数据为基础，在系统计算处理模块内建立信息数据库，生成数据趋势图，并通过与物理塌陷模型试验中获取的地面塌陷的临界数据进行比较，进而实现对岩溶塌陷的实时监测和超前预测。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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附图。
在附图中：
图1为本发明提出的一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统的系统框图；
图2为本发明提出的一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统的系统步骤示意图；
图3为本发明提出的一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统的系统流程示意图。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
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，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：
参照图1-图3，一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统，包括：
监测模块，通信模块，供电模块，系统计算处理模块以及地形变化显示模块；
其中，监测模块和通信模块均与供电模块电性相接；
监测模块等间距埋设在被监测区域内，用于实时监测所在监测区域内的土体应变和温度变化；
通信模块分别与监测模块和系统计算处理模块电性相接，用于将监测模块检测的数据实时发送给系统计算处理模块；
系统计算处理模块用于接收通信模块发送过来的实时数据信息，计算所得各个监测区域的土体应变和温度变化值，建立实时信息数据库，并结合物理塌陷模型试验中获取的地面塌陷的地形应变数据，在计算出监测区域的临界地形应变值后进行实时预警；
地形变化显示模块用于对系统计算处理模块计算出的各个监测区域的土体应变和温度变化值进行显示，以便工作人员对计算出的数据进行查验；
供电模块分别与监测模块和通信模块电性相接，用于对监测模块和通信模块进行单独供电，从而便于监测模块和通信模块可以铺设的更远，以便实现远距离的数据传输。
其中，监测模块包括监测光缆和通信光缆，监测光缆埋设在各个被监测区域的地下，监测光缆与通信光缆电性相接，监测光缆通过通信光缆向通信模块实时传输所在监测区域内的土体应变和温度变化，监测光缆可以对土体的应变和温度变化进行实时监测。
其中，通信模块包括数据接收模块和数据传输模块，数据接收模块与通信光缆电性相接，数据接收模块接收的数据通过数据传输模块远程输送给系统计算处理模块进行计算，数据传输模块为远程数据连接桥。
其中，系统计算处理模块包括数据统计模块、监控预测中心计算机，数据统计模块用于对通信模块远程传输过来的数据进行整合处理，监控预测中心计算机用于对整合的数据进行储存和计算。
其中，系统计算处理模块还包括数据预处理模块，数据预处理模块用于对通信模块远程传输过来的数据进行初步处理，以便将数据中的异常数值进行剔除。
其中，监控预测中心计算机包括数据记录储存模块与数字孪生计算模块，数据记录储存模块用于对监测模块所监测的数据进行记录储存，以便数字孪生计算模块可以对物理塌陷模型试验中获取的地面塌陷的地形应变数据和实际监测的数据进行结合计算，从而便可精准的建立相应的预测模型，可迅速、准确的判断岩溶产生塌陷的可能性程度。
其中，供电模块包括太阳能光伏板、充放电模块以及蓄电池，太阳能光伏板可以安装在检测区域旁光照充足的地方，蓄电池可以将太阳能光伏板产生的电量通过充放电模块储存起来或为监测模块和通信模块进行供电。
本系统采用数据库管理，将任意监测区域的数据进行提取分析，统一存储在一个数据库中，合理、高效的管理各类监测数据，以统一的方式管理、输入、分析、输出这些数据，并结合物理塌陷模型试验中获取的地面塌陷的临界数据，将接近临界数据的监测区段准确找出，以判断土体是否存在变形破坏对地面塌陷进行预测。
下面结合具体的实施情况，对该基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统进行具体的解读：
首先在被监测区域内选取多个监测线，在检测线地下埋设监测光缆和通信光缆，监测光缆实现对所监测线内土体应变和温度变化的监测，监测光缆的监测以气温高低向系统计算处理模块传输数据，例如：上午与夜晚气温较低，此时检测光缆则以每三小时为间隔向向系统计算处理模块传输数据，在中午与下午气温相对较高时，此时检测光缆则以每一小时为间隔向向系统计算处理模块传输数据，通信光纤将监测光缆的实时数据传输给数据接收模块，然后再通过远程数据连接桥将实时监测的数据远程传输给系统计算处理模块中的数据预处理模块，由系统预处理模块对远程传输过来的数据进行初步处理，以便将数据中的异常数值进行剔除，然后被处理后的数据便会传输到数据统计模块中，以便对数据进行整理，接着整理后的数据便会传输到监控预测中心计算机中，由监控预测中心计算机将数据储存到数据记录储存模块中，而数据孪生计算模块可以对物理塌陷模型试验中获取的地面塌陷的地形应变数据和数据记录储存模块中的数据进行整合计算，建立数据库，并生成数据趋势图，通过地形变化显示模块显示出来，以便工作人员对数据的变化进行查验，接着监控预测中心计算机再将实时计算出的的土体应变数据与预先设定的物理塌陷模型试验中获取的地面塌陷的临界数据进行比对，判断监测线的实时数据是否超出临界值，即可对岩溶塌陷的趋势作出预测。
实施例2：
参照图1-图3，一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统，包括：
监测模块，通信模块，供电模块，系统计算处理模块以及地形变化显示模块；
其中，监测模块和通信模块均与供电模块电性相接；
监测模块等间距埋设在被监测区域内，用于实时监测所在监测区域内的土体应变和温度变化；
通信模块分别与监测模块和系统计算处理模块电性相接，用于将监测模块检测的数据实时发送给系统计算处理模块；
系统计算处理模块用于接收通信模块发送过来的实时数据信息，计算所得各个监测区域的土体应变和温度变化值，建立实时信息数据库，并结合物理塌陷模型试验中获取的地面塌陷的地形应变数据，在计算出监测区域的临界地形应变值后进行实时预警；
地形变化显示模块用于对系统计算处理模块计算出的各个监测区域的土体应变和温度变化值进行显示，以便工作人员对计算出的数据进行查验；
供电模块分别与监测模块和通信模块电性相接，用于对监测模块和通信模块进行单独供电，从而便于监测模块和通信模块可以铺设的更远，以便实现远距离的数据传输。
其中，监测模块包括监测光缆和通信光缆，监测光缆埋设在各个被监测区域的地下，监测光缆与通信光缆电性相接，监测光缆通过通信光缆向通信模块实时传输所在监测区域内的土体应变和温度变化，监测光缆可以对土体的应变和温度变化进行实时监测。
其中，通信模块包括数据接收模块和数据传输模块，数据接收模块与通信光缆电性相接，数据接收模块接收的数据通过数据传输模块远程输送给系统计算处理模块进行计算，数据传输模块为远程数据连接桥。
其中，系统计算处理模块包括数据统计模块、监控预测中心计算机，数据统计模块用于对通信模块远程传输过来的数据进行整合处理，监控预测中心计算机用于对整合的数据进行储存和计算。
其中，系统计算处理模块还包括数据预处理模块，数据预处理模块用于对通信模块远程传输过来的数据进行初步处理，以便将数据中的异常数值进行剔除。
其中，监控预测中心计算机包括数据记录储存模块与数字孪生计算模块，数据记录储存模块用于对监测模块所监测的数据进行记录储存，以便数字孪生计算模块可以对物理塌陷模型试验中获取的地面塌陷的地形应变数据和实际监测的数据进行结合计算，从而便可精准的建立相应的预测模型，可迅速、准确的判断岩溶产生塌陷的可能性程度。
其中，供电模块包括太阳能光伏板、充放电模块以及蓄电池，太阳能光伏板可以安装在检测区域旁光照充足的地方，蓄电池可以将太阳能光伏板产生的电量通过充放电模块储存起来或为监测模块和通信模块进行供电。
更进一步的是，还包括：数据实时显示模块与塌陷预警模块，数据实时显示模块可以实时显示数字孪生计算模块所计算的数值，以便工作人员对计算的数值进行查验，从而便于计算得出的数据更加准确，塌陷预警模块可以将监控预测中心计算机接收的实时数据信息与系统设定土体临界应变值进行对比，判断检测区域的实时数据是否超出临界应变值，对将要发生的地质灾害作出预测，同时发出地质灾害预警信息。
本发明通过在被检测区域内的多个监测线内埋设监测模块，采集监测线的实时土体应变信息和温度变化信息，对岩溶上方的土体变形进行实时监测，以监测数据为基础，在系统计算处理模块内建立信息数据库，生成数据趋势图，并通过与物理塌陷模型试验中获取的地面塌陷的临界数据进行比较，进而实现对岩溶塌陷的实时监测和超前预测。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统，其特征在于，包括：
监测模块，通信模块，供电模块，系统计算处理模块以及地形变化显示模块；
其中，所述监测模块和通信模块均与供电模块电性相接；
所述监测模块等间距埋设在被监测区域内，用于实时监测所在监测区域内的土体应变和温度变化；
所述通信模块分别与监测模块和系统计算处理模块电性相接，用于将所述监测模块检测的数据实时发送给系统计算处理模块；
所述系统计算处理模块用于接收所述通信模块发送过来的实时数据信息，计算所得各个监测区域的土体应变和温度变化值，建立实时信息数据库，并结合物理塌陷模型试验中获取的地面塌陷的地形应变数据，在计算出监测区域的临界地形应变值后进行实时预警；
所述地形变化显示模块用于对系统计算处理模块计算出的各个监测区域的土体应变和温度变化值进行显示，以便工作人员对计算出的数据进行查验；
所述供电模块分别与监测模块和通信模块电性相接，用于对所述监测模块和通信模块进行单独供电，从而便于所述监测模块和通信模块可以铺设的更远，以便实现远距离的数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统，其特征在于：所述监测模块包括监测光缆和通信光缆，所述监测光缆埋设在各个被监测区域的地下，所述监测光缆与通信光缆电性相接，所述监测光缆通过通信光缆向通信模块实时传输所在监测区域内的土体应变和温度变化，所述监测光缆可以对土体的应变和温度变化进行实时监测。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统，其特征在于：所述通信模块包括数据接收模块和数据传输模块，所述数据接收模块与通信光缆电性相接，所述数据接收模块接收的数据通过数据传输模块远程输送给系统计算处理模块进行计算，所述数据传输模块为远程数据连接桥。
4.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统，其特征在于：所述系统计算处理模块包括数据统计模块、监控预测中心计算机，所述数据统计模块用于对通信模块远程传输过来的数据进行整合处理，所述监控预测中心计算机用于对整合的数据进行储存和计算。
5.根据权利要求4所述的一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统，其特征在于：所述系统计算处理模块还包括数据预处理模块，所述数据预处理模块用于对通信模块远程传输过来的数据进行初步处理，以便将数据中的异常数值进行剔除。
6.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统，其特征在于：所述监控预测中心计算机包括数据记录储存模块与数字孪生计算模块，所述数据记录储存模块用于对监测模块所监测的数据进行记录储存，以便数字孪生计算模块可以对物理塌陷模型试验中获取的地面塌陷的地形应变数据和实际监测的数据进行结合计算，从而便可精准的建立相应的预测模型，可迅速、准确的判断岩溶产生塌陷的可能性程度。
7.根据权利要求6所述的一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统，其特征在于，还包括：数据实时显示模块与塌陷预警模块，所述数据实时显示模块可以实时显示数字孪生计算模块所计算的数值，以便工作人员对计算的数值进行查验，所述塌陷预警模块可以将监控预测中心计算机接收的实时数据信息与系统设定土体临界应变值进行对比，判断检测区域的实时数据是否超出临界应变值，对将要发生的地质灾害作出预测，同时发出地质灾害预警信息。
8.根据权利要求7所述的一种基于数字孪生算法的岩溶塌陷信息化预测系统，其特征在于：所述供电模块包括太阳能光伏板、充放电模块以及蓄电池，所述太阳能光伏板可以安装在检测区域旁光照充足的地方，所述蓄电池可以将太阳能光伏板产生的电量通过充放电模块储存起来或为监测模块和通信模块进行供电。
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