本發(fā)明涉及基坑工程領(lǐng)域，特別是涉及一種基于數(shù)字孿生的基坑鋼支撐軸力伺服調(diào)控方法。

背景技術(shù)：

1、鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)是一種新興的基坑變形主動控制技術(shù)，其通過對土體主動施加應(yīng)力并產(chǎn)生強(qiáng)制變形，從而減小甚至逆轉(zhuǎn)基坑變形。鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)對土體變形的控制效果取決于其軸力設(shè)定值；當(dāng)前工程實(shí)踐中該設(shè)定值多依賴工程師經(jīng)驗(yàn)判斷，易導(dǎo)致控制失效或過度保守。數(shù)值模型可以分析鋼支撐軸力設(shè)定值與基坑變形之間的關(guān)系來進(jìn)一步優(yōu)化軸力調(diào)控方案。土體參數(shù)作為數(shù)值模型的重要輸入?yún)?shù)，對計(jì)算結(jié)果有顯著影響。但由于場地勘察資料十分有限，且土體參數(shù)本身具有不確定性，數(shù)值模型得到的預(yù)測與實(shí)際監(jiān)測往往存在較大差異，從而影響了伺服鋼支撐軸力調(diào)控方案的可靠性。因此，亟需開發(fā)高效代理模型，以降低動態(tài)更新過程中所需的計(jì)算成本，并融合施工過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)更新土體參數(shù)及其不確定性，在工程場景中及時(shí)合理地提出伺服鋼支撐軸力調(diào)控方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于背景技術(shù)存在的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于數(shù)字孿生的基坑鋼支撐軸力伺服調(diào)控方法。該方法基于數(shù)字孿生技術(shù)、深度學(xué)習(xí)算法和數(shù)據(jù)同化技術(shù)，分析伺服系統(tǒng)中軸力設(shè)定值對基坑變形的影響，為工程師提供科學(xué)合理的基坑鋼支撐軸力伺服調(diào)控方案，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明顯著提高了基坑鋼支撐軸力伺服調(diào)控的智能化水平，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。

2、本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案來完成的：一種基于數(shù)字孿生的基坑鋼支撐軸力伺服調(diào)控方法，步驟如下：

3、s1.基坑工程仿真模塊，

4、構(gòu)建基坑數(shù)值模型，確定基坑數(shù)值模型的關(guān)鍵土體參數(shù)和軸力參數(shù)的范圍，并利用深度學(xué)習(xí)算法構(gòu)建以關(guān)鍵土體參數(shù)和伺服鋼支撐軸力為輸入的基坑變形預(yù)測代理模型；

5、s2.物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測模塊，

6、通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)采集基坑變形數(shù)據(jù)與伺服鋼支撐軸力數(shù)據(jù)；

7、s3.土體參數(shù)更新模塊，

8、將s1中基坑變形預(yù)測代理模型作為概率反分析中的正向計(jì)算模型，結(jié)合貝葉斯定理，通過數(shù)據(jù)同化技術(shù)同化s2中的基坑變形數(shù)據(jù)，動態(tài)更新關(guān)鍵土體參數(shù)，獲得關(guān)鍵土體參數(shù)的后驗(yàn)樣本；

9、s4.變形預(yù)測與軸力調(diào)控模塊，

10、預(yù)設(shè)多組伺服鋼支撐軸力調(diào)控方案，將s3中關(guān)鍵土體參數(shù)的后驗(yàn)樣本和預(yù)設(shè)調(diào)控方案中的伺服鋼支撐軸力參數(shù)輸入s1基坑變形預(yù)測代理模型，預(yù)測下一階段的基坑變形，并提出合理的軸力伺服調(diào)控方案。

11、進(jìn)一步的，所述s1中，構(gòu)建基坑變形預(yù)測代理模型的具體步驟如下：

12、s11.基坑數(shù)值模型，對裝配有鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的基坑工程進(jìn)行有限元數(shù)值建模；

13、s12.結(jié)合工程設(shè)計(jì)資料、文獻(xiàn)資料、地勘報(bào)告確定有限元數(shù)值模型關(guān)鍵土體參數(shù)和軸力參數(shù)的取值范圍，所述軸力參數(shù)為伺服鋼支撐的軸力值；

14、s13.基于拉丁超立方抽樣方法，對關(guān)鍵土體參數(shù)與軸力參數(shù)進(jìn)行抽樣，生成n組參數(shù)組合樣本；

15、s14.通過s11中有限元數(shù)值模型進(jìn)行正向計(jì)算，獲取各樣本對應(yīng)的基坑變形響應(yīng)計(jì)算結(jié)果，以關(guān)鍵土體參數(shù)和軸力參數(shù)組合為輸入特征、對應(yīng)的基坑變形響應(yīng)為輸出標(biāo)簽，構(gòu)建包含 n組映射關(guān)系的基坑變形預(yù)測代理模型數(shù)據(jù)集，其中 n為不小于1000的整數(shù)；

16、s15.將s14中數(shù)據(jù)集按8:2比例劃分為訓(xùn)練集與測試集，利用訓(xùn)練集對雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（bilstm）進(jìn)行模型訓(xùn)練，構(gòu)建基坑變形預(yù)測代理模型；

17、s16.通過所述測試集進(jìn)行驗(yàn)證，采用均方誤差（mse）或均方根誤差（rmse）或平均絕對誤差（mae）或決定系數(shù)（r2）指標(biāo)評價(jià)模型的性能。

18、進(jìn)一步的，所述基坑變形數(shù)據(jù)包括多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的基坑側(cè)向變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，所述伺服鋼支撐軸力數(shù)據(jù)為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集的裝置有伺服系統(tǒng)的鋼支撐的軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)。

19、進(jìn)一步的，所述s3中概率反分析的步驟如下：

20、s31.通過s1中關(guān)鍵土體參數(shù)的取值范圍或由上一次更新得到的關(guān)鍵土體參數(shù)的后驗(yàn)樣本，確定當(dāng)前更新的關(guān)鍵土體參數(shù)的先驗(yàn)分布和先驗(yàn)樣本；

21、s32.基于s2中基坑側(cè)向變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，考慮各個(gè)基坑變形監(jiān)測點(diǎn)之間相互獨(dú)立，對各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)建立獨(dú)立的似然函數(shù)，并建立多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)之間的聯(lián)合似然函數(shù)，其中聯(lián)合似然函數(shù)為單監(jiān)測點(diǎn)的似然函數(shù)的乘積；

22、s33.將s2中伺服鋼支撐軸力數(shù)據(jù)作為軸力參數(shù)值，將s31中關(guān)鍵土體參數(shù)的先驗(yàn)樣本作為關(guān)鍵土體參數(shù)值，輸入至基坑變形預(yù)測代理模型，獲得一組基于所述關(guān)鍵土體參數(shù)的先驗(yàn)樣本的基坑變形預(yù)測值；

23、s34.將s33的基坑變形預(yù)測值輸入s32的聯(lián)合似然函數(shù)公式獲得似然函數(shù)值，再結(jié)合貝葉斯定理，同化s2中的基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過馬爾可夫鏈蒙特卡洛（mcmc）模擬抽樣得到關(guān)鍵土體參數(shù)的后驗(yàn)樣本，獲得后驗(yàn)樣本的統(tǒng)計(jì)特征。

24、進(jìn)一步的，s31中關(guān)鍵土體參數(shù)迭代優(yōu)化由采用基坑變形預(yù)測代理模型的序貫貝葉斯更新框架實(shí)現(xiàn)，首次更新時(shí)，關(guān)鍵土體參數(shù)的先驗(yàn)樣本依據(jù)所述關(guān)鍵土體參數(shù)在s1中確定的參數(shù)取值范圍，采用均勻分布或高斯分布參數(shù)分布進(jìn)行初始化抽樣，后續(xù)更新時(shí)，上一次參數(shù)更新得到關(guān)鍵土體參數(shù)的后驗(yàn)樣本作為下一次參數(shù)更新時(shí)關(guān)鍵土體參數(shù)的先驗(yàn)樣本。

25、進(jìn)一步的，s4中變形預(yù)測與軸力調(diào)控模塊的具體步驟如下：

26、s41.根據(jù)s1中軸力參數(shù)的范圍，結(jié)合基坑工程實(shí)際施工工況，預(yù)設(shè)多組伺服鋼支撐軸力調(diào)控方案；

27、s42.將s3中獲得的土體參數(shù)后驗(yàn)樣本和s41中預(yù)設(shè)多組伺服鋼支撐軸力調(diào)控方案的伺服軸力值輸入到s1基坑變形預(yù)測代理模型，獲得不同伺服鋼支撐軸力調(diào)控方案下的下一開挖階段的基坑變形預(yù)測；

28、s43.根據(jù)基坑變形控制要求，采用失效概率定量評估伺服鋼支撐軸力調(diào)控方案的合理性，提出合理的基坑鋼支撐軸力伺服調(diào)控方案。

29、進(jìn)一步的，所述基坑變形控制要求應(yīng)包括容許的最大基坑變形值和最大值失效概率值。

30、進(jìn)一步的，所述失效概率表示了失效樣本占總樣本的比重，所述樣本的基坑變形預(yù)測大于所述最大基坑變形值，則所述樣本記為失效樣本。

31、進(jìn)一步的，所述土體參數(shù)的后驗(yàn)樣本的統(tǒng)計(jì)特征包括均值和方差。

32、本發(fā)明中的有益效果：

33、（1）本發(fā)明基于深度學(xué)習(xí)中的雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（bilstm），構(gòu)建了基坑變形預(yù)測的代理模型，該代理模型能夠提供與傳統(tǒng)數(shù)值模型高度一致的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)顯著提高計(jì)算效率。同時(shí)將該代理模型用作貝葉斯參數(shù)更新過程中的正向計(jì)算模型，能有效降低貝葉斯更新時(shí)的計(jì)算成本，提高了工程應(yīng)用的可行性。

34、（2）本發(fā)明采用基于貝葉斯理論的數(shù)據(jù)同化技術(shù)，通過同化基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)更新土體參數(shù)，從而提高代理模型預(yù)測準(zhǔn)確性，進(jìn)一步準(zhǔn)確評估伺服鋼支撐軸力設(shè)定值對基坑變形的影響，從而提出科學(xué)合理的基坑鋼支撐軸力伺服調(diào)控方案。