一种立井井筒多保真全场应变预测与轻量化可视化方法及系统

本发明属于矿井结构安全监测、有限元代理建模、全场物理量预测与数字孪生可视化，具体涉及一种立井井筒多保真全场应变预测与轻量化可视化方法及系统。

背景技术：

1、立井井筒是地下矿山提升、通风、排水和人员运输的重要通道，长期承受温度、地应力、地下水及采动扰动等多种作用。井壁结构响应沿深度和周向呈现明显非均匀性，局部区域可能出现应变集中。现有应变计、光纤传感器和位移监测装置通常只能获得有限位置的离散信息，难以直接形成井筒连续全场应变分布。

2、精细有限元模型能够获得复杂载荷作用下的全场结构响应，但细网格模型的单工况求解成本较高，难以在需要频繁更新的数字孪生平台中直接在线调用。采用单一高保真度代理模型时，高保真样本数量有限，容易造成训练成本与预测精度之间的矛盾；同时，单个工况包含数万节点的轴向和环向应变输出，若逐节点建立代理模型，将显著增加建模规模和参数管理负担。

3、利用粗网格、中网格和细网格有限元模型可获得不同计算成本和精度层级的多保真数据，但不同保真度网格的节点数量和空间位置并不一致，不能直接对对应节点建立统一代理关系；如果各保真度分别降维，还可能使相同阶次的模态系数缺乏一致的物理含义，影响跨保真差异建模。

4、此外，高分辨率有限元预测网格与轻量化三维渲染网格在节点数量和空间位置上通常不一致。直接降低有限元预测网格规模会损失全场响应的空间分辨率，而直接采用高分辨率网格进行三维渲染又会增加数据加载、交互和刷新负担。因此，需要一种能够统一不同保真度应变场空间、压缩高维全场响应、融合低中高保真信息，并将高保真预测场独立映射至轻量化渲染网格的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种立井井筒多保真全场应变预测与轻量化可视化方法及系统，以解决高保真有限元样本生成成本高、不同保真度应变场节点空间不一致、高维全场响应难以直接建模以及高分辨率预测网格与轻量化渲染网格难以兼顾的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、步骤一，构建多保真参数化有限元样本。建立井筒等效参数化有限元模型，获取表征井筒温度作用、机械载荷作用和局部水压力作用的工况参数；在嵌套工况设计下，分别利用粗网格、中网格和细网格有限元模型获得低保真、中保真和高保真轴向总应变场及环向总应变场。

4、步骤二，统一不同保真度应变场空间。以高保真网格节点为统一参考，通过

k近邻反距离加权将低保真和中保真应变场对齐至高保真参考节点，形成节点维度和空间位置一致的多保真训练矩阵。

5、步骤三，建立共享pod低维表征。分别在统一高保真节点空间内构建轴向总应变共享pod基底和环向总应变共享pod基底，并将低保真、中保真和高保真快照投影至对应的共享基底，使各保真度相同阶次的模态系数具有一致的空间物理含义。

6、步骤四，建立三级自回归co-rbf模型。以低保真模态系数训练基础径向基函数模型，以中保真模态系数与尺度校正后的低保真预测模态系数之间的残差训练中—低保真残差模型，以高保真模态系数与尺度校正后的中保真预测模态系数之间的残差训练高—中保真残差模型，通过逐级尺度校正和残差补偿预测高保真模态系数。

7、步骤五，重构高保真全场应变。将目标工况输入参数归一化后输入三级自回归co-rbf模型，获得轴向和环向高保真模态系数，并通过对应的共享pod空间模态和平均应变场重构高保真参考节点上的全场应变。

8、步骤六，进行轻量化可视化映射。离线预计算高保真参考节点到三维轻量化渲染顶点的

k近邻索引和反距离权重，在线阶段将重构后的高保真应变场加权映射至轻量化顶点，完成三维云图更新、应变分量切换、关键区域观察及阈值提示。

9、本发明还提供一种用于实现上述方法的系统，包括多保真有限元样本生成模块、应变场空间统一模块、共享本征正交分解基底构建模块、三级自回归协同径向基函数预测模块、高保真全场应变重构模块以及三维轻量化映射与可视化模块。

10、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

11、1、本发明在嵌套工况设计下协同利用粗、中、细网格有限元响应，使大量低成本样本用于学习总体变化规律，中保真样本作为低、高保真之间的过渡层，减少对大量高保真样本的依赖。

12、2、本发明将不同保真度应变场统一至高保真参考节点，并采用共享pod基底进行低维表征，避免不同网格节点不一致以及各保真度分别降维导致模态坐标不一致的问题。

13、3、本发明通过低—中—高三级自回归co-rbf模型，对相邻保真度之间的尺度关系和残差进行逐级校正，提高有限高保真样本条件下的全场预测能力。

14、4、本发明将高保真全场预测与轻量化三维映射分开处理，不直接简化高保真预测网格，使数值精度评价与渲染网格规模相互解耦。

15、5、本发明在线阶段无需调用有限元求解器，也无需重新搜索节点邻域，仅执行输入归一化、少量模态系数预测、全场矩阵重构和顶点加权求和，能够降低数字孪生平台的在线计算与渲染负担。

1.一种立井井筒多保真全场应变预测与轻量化可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种立井井筒多保真全场应变预测与轻量化可视化方法，其特征在于，所述步骤s1中的工况输入参数包括等效温度场系数、等效机械载荷系数和局部等效水压力；

3.根据权利要求1所述的一种立井井筒多保真全场应变预测与轻量化可视化方法，其特征在于，所述步骤s1中的嵌套工况设计包括：在低保真工况集合中选取中保真工况，并在所述中保真工况集合中进一步选取高保真工况，使高保真工况集合包含于中保真工况集合且中保真工况集合包含于低保真工况集合；所述低、中保真共享工况点用于建立中—低保真尺度校正关系和残差关系，所述中、高保真共享工况点用于建立高—中保真尺度校正关系和残差关系。

4.根据权利要求1所述的一种立井井筒多保真全场应变预测与轻量化可视化方法，其特征在于，所述步骤s2中的k近邻反距离加权方法具体包括：对于高保真参考节点空间中的第i个目标节点，从待映射的低保真或中保真源网格中选取距离所述目标节点最近的k个源节点，所述目标节点与第j个源节点之间的欧氏距离、归一化权重和映射结果分别为：

5.根据权利要求1所述的一种立井井筒多保真全场应变预测与轻量化可视化方法，其特征在于，所述步骤s3中的共享本征正交分解基底按照如下方式构建：分别将统一至高保真参考节点空间的轴向总应变快照和环向总应变快照组成对应的应变快照矩阵，所述应变快照矩阵的每一列对应一个工况下的应变快照；采用同一平均应变场对同一应变分量的低保真、中保真和高保真快照进行中心化，并对中心化应变快照矩阵进行奇异值分解：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于所述步骤s4中的各阶模态系数，任取其中一阶并将其阶次记为r，所述低—中—高三级自回归协同径向基函数模型满足：

7.根据权利要求6所述的一种立井井筒多保真全场应变预测与轻量化可视化方法，其特征在于，所述步骤s4中的低保真径向基函数模型、中—低保真残差径向基函数模型和高—中保真残差径向基函数模型均采用高斯径向基函数构建，其一般形式为：

8.根据权利要求1所述的一种立井井筒多保真全场应变预测与轻量化可视化方法，其特征在于，所述步骤s5中的高保真全场应变重构包括将预测得到的各阶高保真模态系数与对应的共享本征正交分解空间模态进行线性组合，并叠加对应应变分量的平均应变场；所述步骤s6中的三维轻量化映射包括在离线阶段预先计算并存储高保真参考节点与三维轻量化渲染顶点之间的邻域索引和归一化权重，并在在线阶段保持高保真全场应变重构分辨率不变，根据所述邻域索引和归一化权重将高保真全场应变映射至三维轻量化渲染顶点；所述高保真全场应变预测向量表示为：

9.一种立井井筒多保真全场应变预测与轻量化可视化系统，用于实现权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，包括：