一种基于数字孪生的桩机施工全过程智能监测方法与流程

本发明涉及数字孪生，尤其涉及一种基于数字孪生的桩机施工全过程智能监测方法。

背景技术：

1、桩机施工是桩基础工程中的关键环节，施工过程涉及钻进、提钻、注浆、复搅、成桩质量控制等多个连续工序。随着智能建造和工程机械数字化的发展，现有技术中已出现利用传感器、工业网关、定位系统和施工管理平台对桩机施工过程进行监测的方案，能够采集钻进深度、钻进速度、钻杆转速、动力头扭矩、注浆压力、注浆流量、桩机姿态等施工参数，并通过数字孪生模型对桩机运行状态和桩体施工过程进行可视化展示。

2、然而，现有桩机施工全过程监测方法通常以单根桩为监测对象，主要依据当前桩的实时施工参数进行阈值判断或异常报警。已完成桩的施工数据大多仅用于生成施工记录或质量报告，难以进一步转化为后续桩施工可调用的施工经验数据，也难以挖掘不同桩位、不同深度段、施工响应、异常类型和质量结果之间的隐含关联。现有数字孪生模型在桩施工前仍主要依赖地质勘察资料和当前实时数据，不能充分利用已施工桩揭示出的地下状态信息。

3、桩机施工中的漏浆敏感带、硬夹层、软弱夹层、孔壁失稳区等地下异常结构通常具有空间连续性，而现有技术多停留在单点异常识别或单桩参数报警层面，难以提前重构地下连续异常结构，也难以判断当前桩未来施工路径是否会与异常结构发生交会。现有预警方式通常在施工参数超限或质量缺陷形成后才触发，缺少对质量状态是否接近不可逆损伤边界的识别机制，导致施工调整滞后，难以及时阻断缩径、断桩、夹泥、漏浆扩大或桩体不连续等不可逆质量缺陷。

4、因此，如何提供一种基于数字孪生的桩机施工全过程智能监测方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提出一种基于数字孪生的桩机施工全过程智能监测方法，本发明利用桩群施工记忆场、改进metapath2vec跨桩记忆投影、地下异常拓扑脊线重构和可逆—不可逆质量损伤阈面判定技术，将已完成桩的深度分段施工数据转化为当前桩及后续桩可复用的施工风险先验信息，并在当前桩施工过程中提前识别漏浆敏感带、硬夹层、软弱夹层等地下连续异常结构，判断施工状态是否接近不可逆质量损伤边界，进而生成禁入施工动作集合和最小恢复动作序列，具备已施工桩数据复用能力强、地下异常结构识别提前性高、数字孪生模型动态校准准确、施工风险预警及时和成桩质量控制针对性强的优点。

2、根据本发明实施例的一种基于数字孪生的桩机施工全过程智能监测方法，包括：

3、获取桩机施工全过程数据，构建初始数字孪生体；

4、对桩机施工全过程数据进行深度分段处理，生成对应深度段的施工记忆原子并构建异构施工记忆图，采用改进metapath2vec模型执行跨桩记忆投影，获得当前桩未施工深度段的施工风险先验状态，构建桩群施工记忆场；

5、从桩群施工记忆场中提取异常施工记忆原子，基于异常施工记忆原子构建地下异常拓扑图，对地下异常拓扑图进行连通拟合，生成地下异常拓扑脊线；

6、将当前桩施工路径与地下异常拓扑脊线进行交会判断，当当前桩施工路径与地下异常拓扑脊线存在交会关系时，更新当前桩数字孪生体中的地层状态、施工风险状态和桩体质量状态；

7、基于更新后的当前桩数字孪生体构建当前深度段的质量状态向量，建立可逆—不可逆质量损伤阈面，判断当前施工状态是否处于不可逆损伤临界状态，当判断结果为处于不可逆损伤临界状态时，生成禁入施工动作集合和最小恢复动作序列；

8、根据最小恢复动作序列调整当前桩施工过程中的施工控制参数，在当前深度段施工完成后生成质量锁定结果，将质量锁定结果转换为新的施工记忆原子回灌至桩群施工记忆场以更新数字孪生体。

9、可选的，所述桩机施工全过程数据包括桩位坐标数据、施工深度数据、钻进速度数据、提钻速度数据、钻杆转速数据、动力头扭矩数据、液压压力数据、注浆压力数据、注浆流量数据、桩机姿态数据、钻杆振动数据、施工时间数据、施工工艺阶段数据以及成桩质量结果数据。

10、可选的，所述构建初始数字孪生体，包括：

11、解析工程设计数据得到桩位坐标、设计桩径、设计桩长和桩间距，建立桩位空间孪生体；

12、解析地质勘察数据得到不同深度段的地层类型、地层厚度、地层强度和地下水状态，建立地层状态孪生体；

13、解析桩机设备参数得到动力头参数、钻杆参数、液压系统参数和注浆系统参数，建立桩机设备孪生体；

14、解析施工工艺参数得到钻进参数、提钻参数、注浆参数和复搅参数，建立施工工艺孪生体；

15、根据设计桩径、设计桩长、桩体垂直度要求和注浆充盈要求，建立桩体质量孪生体。

16、可选的，所述获得当前桩未施工深度段的施工风险先验状态，构建桩群施工记忆场，包括：

17、按照预设深度间隔对已完成桩的施工全过程数据进行分段处理，提取每一深度段对应的桩位标识、深度段标识、施工响应特征、地层状态特征、异常类型特征和质量结果特征，并封装为施工记忆原子；

18、以施工记忆原子为基础构建异构施工记忆图，异构施工记忆图包括桩位节点、深度段节点、施工响应节点、地层状态节点、异常类型节点和质量结果节点，在桩位节点与深度段节点之间建立空间从属边，在深度段节点与施工响应节点之间建立响应映射边，在施工响应节点与异常类型节点之间建立异常触发边，在异常类型节点与质量结果节点之间建立质量影响边，在深度段节点与地层状态节点之间建立地层对应边；

19、构建改进metapath2vec模型，所述改进metapath2vec模型包括依次连接的施工语义元路径生成层、跨桩记忆投影层和风险先验聚合层；

20、在施工语义元路径生成层中设置三类有向元路径，第一类有向元路径为桩位节点、深度段节点、地层状态节点、深度段节点、桩位节点组成的地层迁移元路径，第二类有向元路径为桩位节点、深度段节点、施工响应节点、异常类型节点、质量结果节点组成的异常质量元路径，第三类有向元路径为深度段节点、异常类型节点、质量结果节点、异常类型节点、深度段节点组成的缺陷回溯元路径；

21、在跨桩记忆投影层中，将当前桩未施工深度段作为查询节点接入异构施工记忆图，根据桩位空间距离、深度段距离、有向元路径匹配结果和质量结果一致性，从已完成桩的施工记忆原子中筛选可投影记忆原子，将可投影记忆原子对应的地层状态、异常类型和质量结果投影至所述查询节点，得到当前桩未施工深度段的施工风险先验状态；

22、在风险先验聚合层中，将当前桩未施工深度段的施工风险先验状态、对应的可投影记忆原子、桩位空间位置、深度段位置和记忆投影来源写入同一空间索引结构，形成桩群施工记忆场。

23、可选的，所述生成地下异常拓扑脊线，包括：

24、从桩群施工记忆场中读取施工记忆原子、当前桩未施工深度段的施工风险先验状态、桩位空间位置、深度段位置和记忆投影来源，根据施工响应突变、地层状态异常、异常类型标记和质量结果异常提取异常施工记忆原子；

25、将异常施工记忆原子转换为地下异常节点，每个地下异常节点包含桩位标识、深度段标识、空间位置、施工响应特征、异常类型、质量结果和施工风险先验状态，并根据地下异常节点之间的空间邻近关系、深度连续关系、异常类型关联关系和质量结果关联关系建立候选拓扑连接；

26、对候选拓扑连接进行多关系一致性筛选，保留同时满足空间邻近、深度连续、异常关联和质量关联的候选拓扑连接，将保留后的地下异常节点和拓扑连接组成地下异常拓扑图；

27、对地下异常拓扑图进行分层连通搜索，先在同一深度层内连接异常类型一致的地下异常节点，形成横向异常片段，再在相邻深度层之间连接异常演化方向一致的横向异常片段，形成纵向异常链条，最后将横向异常片段和纵向异常链条融合为地下异常结构单元；

28、根据地下异常结构单元中地下异常节点的空间排列顺序、深度变化方向、异常演化方向和质量结果一致性，提取表示地下异常连续走向的中心路径，并将所述中心路径与对应的异常类型、影响深度范围、影响桩位范围、异常强度等级和质量关联结果绑定，生成地下异常拓扑脊线。

29、可选的，所述更新当前桩数字孪生体中的地层状态、施工风险状态和桩体质量状态，包括：

30、根据当前桩的桩位坐标、设计桩长、当前施工深度和施工方向生成当前桩施工路径，并将所述当前桩施工路径映射至包含地下异常拓扑脊线的数字孪生空间中；

31、读取地下异常拓扑脊线绑定的异常类型、影响深度范围、影响桩位范围、异常强度等级和质量关联结果，将地下异常拓扑脊线的空间覆盖范围与当前桩施工路径进行位置匹配；

32、当当前桩施工路径进入地下异常拓扑脊线的影响桩位范围且当前桩施工路径对应的深度区间落入地下异常拓扑脊线的影响深度范围时，判定当前桩施工路径与地下异常拓扑脊线存在交会关系，记录交会深度段、交会异常类型和交会异常强度等级；

33、根据交会深度段、交会异常类型和交会异常强度等级，将当前桩数字孪生体中对应深度段的地层状态更新为与地下异常拓扑脊线关联的地层状态，将当前桩数字孪生体中对应深度段的施工风险状态更新为与交会异常类型关联的施工风险状态；

34、根据质量关联结果更新当前桩数字孪生体中对应深度段的桩体质量状态，将更新后的地层状态、施工风险状态和桩体质量状态写入当前桩数字孪生体。

35、可选的，所述生成禁入施工动作集合和最小恢复动作序列，包括：

36、从更新后的当前桩数字孪生体中读取当前深度段的地层状态、施工风险状态、桩体质量状态、地下异常拓扑脊线交会结果和当前施工控制参数，并生成当前深度段的质量状态向量，所述质量状态向量包括孔壁稳定状态、注浆充盈状态、垂直度状态、桩土扰动状态、缺陷累积状态和桩体完整性状态；

37、基于已完成桩的质量锁定结果建立质量状态样本库，将质量结果合格且未触发恢复动作的深度段标记为正常样本，将触发恢复动作后质量结果合格的深度段标记为可逆异常样本，将出现缩径、断桩、夹泥、孔壁坍塌、漏浆扩大或桩体不连续质量结果的深度段标记为不可逆损伤样本；

38、按照地层状态、异常类型和施工工艺阶段对所述质量状态样本库进行分组，在每一组内提取可逆异常样本与不可逆损伤样本之间的状态分界记录，并将所述状态分界记录映射至当前桩数字孪生体的对应深度段，形成初始可逆—不可逆质量损伤阈面；

39、根据当前桩施工路径与地下异常拓扑脊线的交会深度、交会异常类型和异常强度等级，对初始可逆—不可逆质量损伤阈面进行脊线扰动修正，将处于漏浆敏感脊线、硬夹层脊线、软弱夹层脊线或孔壁失稳脊线影响范围内的深度段设置为脊线约束深度段，在脊线约束深度段内生成修正后的可逆—不可逆质量损伤阈面；

40、将当前深度段的质量状态向量与修正后的可逆—不可逆质量损伤阈面进行状态逼近判断，当当前质量状态由正常状态进入可逆异常状态且继续朝向不可逆损伤状态演化时，判定当前施工状态处于不可逆损伤临界状态；

41、当当前施工状态处于不可逆损伤临界状态时，根据当前施工控制参数、交会异常类型和质量状态向量生成禁入施工动作集合和最小恢复动作序列，禁入施工动作集合包括导致质量状态越过修正后的可逆—不可逆质量损伤阈面的施工动作，最小恢复动作序列包括使质量状态返回可逆异常状态或正常状态的施工动作。

42、可选的，所述在当前深度段施工完成后生成质量锁定结果，包括：

43、将最小恢复动作序列解析为有序施工控制指令，按照有序施工控制指令调整当前桩施工过程中的施工控制参数，所述施工控制参数包括钻进速度、提钻速度、钻杆转速、注浆压力、注浆流量、停钻稳压时间和复搅参数；

44、在调整施工控制参数后采集当前深度段的施工响应数据和质量状态数据，将施工响应数据和质量状态数据写入当前桩数字孪生体，以更新当前深度段的地层状态、施工风险状态和桩体质量状态；

45、在当前深度段施工完成后生成质量锁定结果，所述质量锁定结果包括桩位标识、深度段标识、施工响应特征、地下异常拓扑脊线交会结果、禁入施工动作集合、最小恢复动作序列、调整后的施工控制参数和最终质量状态；

46、将质量锁定结果转换为新的施工记忆原子，将新的施工记忆原子回灌至桩群施工记忆场，使桩群施工记忆场更新已完成桩与当前桩之间的跨桩记忆投影关系，将更新后的桩群施工记忆场同步至数字孪生体。

47、本发明的有益效果是：

48、本发明通过将已完成桩的施工全过程数据进行深度分段并生成施工记忆原子，进一步构建桩群施工记忆场，使已完成桩不再仅作为施工记录或质量报告保存，而是转化为当前桩及后续桩施工过程中可调用的施工风险先验信息。通过改进metapath2vec模型执行跨桩记忆投影，能够挖掘桩位、深度段、施工响应、异常类型和质量结果之间的隐含关联，提高已施工桩数据的复用价值，使数字孪生体在当前桩施工前即可获得更接近现场真实地层状态的先验支撑。

49、本发明通过从桩群施工记忆场中提取异常施工记忆原子，并基于异常施工记忆原子的时空连续性、异常关联性和质量关联性构建地下异常拓扑图，进而生成地下异常拓扑脊线，能够提前识别漏浆敏感带、硬夹层、软弱夹层、孔壁失稳区等具有空间连续性的地下异常结构。相比于现有技术中基于单根桩实时参数的局部报警方式，本发明能够判断当前桩施工路径与地下异常拓扑脊线之间的交会关系，并提前更新当前桩数字孪生体中的地层状态、施工风险状态和桩体质量状态，提高施工风险识别的提前性和准确性。

50、本发明通过构建当前深度段的质量状态向量和可逆—不可逆质量损伤阈面，能够在施工质量缺陷尚未不可逆形成前判断当前施工状态是否处于不可逆损伤临界状态，并生成禁入施工动作集合和最小恢复动作序列。由此，系统不再仅在参数超限或质量缺陷形成后进行报警，而是能够在缩径、断桩、夹泥、漏浆扩大或桩体不连续等质量问题形成前进行主动阻断和施工参数调整，提高成桩质量控制的针对性、及时性和可追溯性。