数字孪生驱动矿山修复工程全过程仿真模拟方法与流程

本发明涉及模型仿真，特别是指数字孪生驱动矿山修复工程全过程仿真模拟方法。

背景技术：

1、模型仿真技术领域围绕物理对象、空间几何、状态参数和过程规则建立计算模型，由测绘设备、传感器、工程记录和数据库取得地形、地质、水文、设备位置、施工进度等数据，经终端或服务器进行建模、参数赋值、时序计算、场景显示和结果存储。其中，传统数字孪生驱动矿山修复工程全过程仿真模拟方法是指针对采坑、边坡、排土场、覆土区和植被恢复区等矿山修复对象，将无人机影像、激光点云、地质勘查记录、环境监测数值和施工台账导入仿真平台，建立矿区三维场景与工程过程模型，按照开挖整形、回填压实、排水布置、覆土播植和养护监测的工序顺序，结合时间节点、空间位置、材料用量、设备路径和监测阈值进行状态更新、过程推演和图形显示。

2、传统矿山修复全过程仿真多以整体三维场景和预设工序顺序为基础，测绘数据，监测数值和施工台账进入平台后主要用于状态展示和过程推演，采坑、边坡、排土场、覆土区和植被恢复区之间的空间差异，工序依赖和施工资源约束缺少联动表达，现场实测状态变化传递至后续仿真节点时存在滞后，局部偏差会使设备路径，材料需求和施工时间节点仍沿原有流程延续，仿真结果与现场进程对应关系产生偏移。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种数字孪生驱动矿山修复工程全过程仿真模拟方法，以使矿山修复对象的空间状态、工序依赖、现场实测反馈和施工资源输出能够在同一仿真链条中关联处理，减少预设仿真流程与现场修复进程之间的对应偏移。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种数字孪生驱动矿山修复工程全过程仿真模拟方法，包括以下步骤：获取所述矿山修复区域的测绘数据、环境监测数据和施工记录数据；基于测绘数据提取的工程对象边界和空间位置将所述矿山修复区域划分为多个所述修复单元，并为每个所述修复单元建立包含地形状态、工序状态、材料需求、设备可达性和监测状态的所述数字孪生状态字段；根据施工记录数据提取的修复工序、空间相邻关系、排水关系和施工资源关系生成所述工序依赖图，并将所述工序依赖图中与同一修复单元存在前后置依赖、空间邻接依赖、排水影响依赖或施工资源占用依赖的工序节点确定为关联工序节点；基于所述工序依赖图和所述数字孪生状态字段对各所述修复单元进行全过程仿真推演，并通过布设于矿山修复区域内的监测传感器、无人机巡检设备、测量设备以及施工设备反馈记录，获取现场实测数据；将现场实测数据映射至对应所述修复单元，计算对应所述修复单元的状态偏差量，并依据状态偏差量修正对应所述修复单元及关联工序节点的仿真状态；当状态偏差量满足异常触发条件时，确定受影响修复单元范围并对受影响修复单元范围内的工序顺序、设备路径和材料需求进行局部重算；当状态偏差量不满足异常触发条件时，依据修正后的仿真状态输出设备路径、材料调用顺序和施工时间节点。

3、在一种递进的技术方案中，获取所述矿山修复区域的测绘数据、环境监测数据和施工记录数据时，测绘数据包括由无人机影像采集得到的地表影像数据和由激光扫描设备采集得到的点云高程数据，环境监测数据包括由布设于采坑、边坡、排土场、覆土区和植被恢复区的监测传感器采集得到的位移数据、含水状态数据和排水状态数据，施工记录数据包括由施工终端或施工数据库生成的工序时间、材料用量和设备位置记录。进一步地，对所述测绘数据、所述环境监测数据和所述施工记录数据按照采集时间和空间坐标进行同步校验，当同一修复对象对应的数据采集时间处于同一仿真周期且空间坐标落入同一工程对象边界时，将对应数据写入同一数据集合，当数据采集时间或空间坐标不满足同步校验条件时，保留上一仿真周期内已经通过同步校验的数据集合作为当前仿真周期的输入。

4、在一种递进的技术方案中，依据所述工程对象边界和所述空间位置将所述矿山修复区域划分为多个所述修复单元时，先根据采坑边界、边坡坡面、排土场范围、覆土作业面、排水汇流路径和植被恢复分区确定候选单元边界，再将候选单元边界与所述测绘数据中的地表影像数据和点云高程数据进行匹配，当候选单元边界与地表影像数据中的对象边缘及点云高程数据中的高程变化线均满足重合条件时，将候选单元边界确定为所述修复单元的单元边界。进一步地，为每个所述修复单元建立所述数字孪生状态字段时，将地形高程差、坡度和覆土厚度写入所述地形状态，将当前工序节点、前置工序完成标识和后续工序等待标识写入所述工序状态，将材料类型、材料计划用量和材料到场状态写入所述材料需求，将设备通行路径、设备当前位置和路径占用状态写入所述设备可达性，将位移数据、含水状态数据和排水状态数据写入所述监测状态。

5、在一种递进的技术方案中，根据所述修复工序、所述空间相邻关系、所述排水关系和所述施工资源关系生成所述工序依赖图时，将开挖整形、回填压实、排水布置、覆土播植和养护监测分别设为工序节点，为每个工序节点配置前置完成条件、执行对象和资源需求，当相邻修复单元的前置完成条件、排水上下游条件和资源可用条件均满足时，将对应工序节点写入可执行节点序列，当任一条件不满足时，将对应工序节点写入等待节点序列。进一步地，基于所述工序依赖图和所述数字孪生状态字段对各所述修复单元进行全过程仿真推演时，按照所述可执行节点序列读取每个工序节点对应的所述地形状态、所述工序状态、所述材料需求、所述设备可达性和所述监测状态，根据工序节点的执行顺序更新对应所述修复单元的仿真状态，并将未进入所述可执行节点序列的工序节点保持在所述等待节点序列中。

6、在一种递进的技术方案中，将所述现场实测数据映射至对应的所述修复单元并计算对应的所述修复单元的所述状态偏差量时，按照所述现场实测数据的采集坐标、采集时间和数据类型，将点云高程数据、位移数据、含水状态数据、排水状态数据和工序时间匹配至处于相同仿真周期和相同空间范围的所述修复单元，当所述现场实测数据与所述数字孪生状态字段中的对应字段存在数值差异或状态标识差异时，生成所述状态偏差量，并将所述状态偏差量写入对应的所述修复单元及所述关联工序节点的仿真状态。

7、在一种递进的技术方案中，当所述状态偏差量满足所述异常触发条件时，将产生所述状态偏差量的所述修复单元作为异常源单元，并依据所述空间相邻关系、所述排水关系和施工资源关系确定受影响修复单元范围，对所述受影响修复单元范围内已进入所述可执行节点序列且未完成的工序节点进行回退，并重新计算对应的工序顺序、设备路径和材料需求。

8、在一种递进的技术方案中，当所述状态偏差量不满足所述异常触发条件时，按照所述工序依赖图中各工序节点的执行顺序读取所述材料需求、所述设备可达性和所述施工资源关系；先将所述设备当前位置与所述设备通行路径进行匹配生成所述设备路径；再将所述材料到场状态与工序节点的所述资源需求进行匹配生成所述材料调用顺序；并依据所述设备路径、所述材料调用顺序和对应工序节点的仿真周期生成所述施工时间节点。

9、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

10、本发明中，通过基于测绘数据提取的工程对象边界和空间位置划分修复单元，并为修复单元配置地形状态、工序状态、材料需求、设备可达性和监测状态，矿山修复对象在仿真过程中形成可独立更新的状态载体；通过修复工序、空间相邻关系、排水关系和施工资源关系生成工序依赖图，仿真推演能够按照单元状态和节点依赖进行；现场实测数据映射至对应修复单元后计算状态偏差量，并修正关联工序节点，异常触发条件成立时对受影响范围进行局部重算，使设备路径、材料调用顺序和施工时间节点与修正后的仿真状态相对应。