一种压水试验异常预判与闭环控制方法与流程

本发明涉及岩体水文地质原位试验与智能控制，尤其是一种压水试验异常预判与闭环控制方法。

背景技术：

1、钻孔压水试验是评价岩体透水性的核心原位水文地质试验手段，常规按照低压升压、中压升压、高压、中压降压、低压降压五阶段完成注水作业，通过记录各阶段稳定压力、流量构建p-q曲线，以此判别岩体水力响应类型。目前行业内已实现压力、流量的电子仪表采集与自动化调压，可完成试验数据自动存储与设备基础反馈控制，但现有技术仍存在诸多缺陷。

2、现有方案大多依赖固定稳定阈值以及试验结束后人工对离散p-q代表点判读异常，难以区分传感器噪声、阀门卡滞、管路泄漏、栓塞失效等设备、过程故障与岩体本身产生的扩张、冲蚀、充填类非线性地质水力响应，易误删具备地质研究价值的试验数据。同时传统手段多为事后异常告警，无法依托连续时序数据预判压力振荡、建压迟缓、栓塞失压等潜在失稳风险；异常告警与处置控制相互割裂，异常出现后依赖操作人员经验开展处置，处置动作缺少安全约束与执行有效性证实环节。此外，现有方案缺少闭环复核机制，处置完成后无法自动验证异常是否消除，原始试验过程、处置记录难以完整追溯；部分机器学习辅助识别方案直接输出设备控制量，易引发超压等安全风险，也未区分试验边界是否发生改变来差异化开展后续复测与恢复流程，试验质量与自动化程度受限。

3、鉴于此有必要提出一种压水试验异常预判与闭环控制方法以解决或至少缓解上述缺陷。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种压水试验异常预判与闭环控制方法，以解决现有技术中压水试验异常识别易混淆设备故障与地质响应、缺少预判能力、控制动作缺少安全约束、无差异化闭环处置复核机制的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种压水试验异常预判与闭环控制方法，所述方法包括：

3、获取钻孔压水试验的压力时序和流量时序，对压水试验设备执行自检，得到设备完整性证据；

4、基于当前试验阶段提取满足稳定条件的水力稳定窗口，并基于所述水力稳定窗口提取p-q物理特征，所述p-q物理特征用于表征压力与流量之间的物理响应关系；

5、将所述压力时序和所述流量时序输入预训练的时序异常识别模型，得到时序异常识别结果；

6、根据所述时序异常识别结果、所述p-q物理特征和所述设备完整性证据对所述钻孔压水试验进行异常判定，获得异常判定结果，所述异常判定结果为设备或过程异常状态、地质响应状态或者待复核状态；

7、基于所述异常判定结果、所述当前试验阶段和所述压水试验设备的设备配置信息生成多个候选诊断动作，从所述多个候选诊断动作中，确定符合当前试验阶段合法动作要求、设备可执行条件及安全边界约束的实际动作，并执行所述实际动作；

8、根据所述实际动作及其实际响应结果判断试验边界条件是否改变；若是，则重新执行设备自检；若否，则输出试验数据结果，并将所述试验数据结果作为训练样本对所述时序异常识别模型进行迭代更新。

9、优选地，所述对压水试验设备执行自检，得到设备完整性证据，包括：

10、对压力采集通道和流量采集通道分别执行压力零点检查和无流量零点检查，并对注水管路执行排气；

11、在注水出口与试段隔离时，执行封闭管路保压检查，得到管路完整性证据；未形成隔离条件时，将所述封闭管路保压检查对应的证据标记为不可用；

12、在电子栓塞压力通道有效时，根据栓塞压力与当前水压力之间的密封压差、栓塞压力上限和栓塞压力下降速率确定栓塞密封状态；未配置电子栓塞压力通道时，根据预设保压时长内机械压力表的起止读数和栓塞保压记录，形成低置信替代证据；

13、根据各项检查结果及其有效状态形成所述设备完整性证据，在所述低置信替代证据不足以确定栓塞密封状态时，将对应的栓塞密封证据标记为不足。

14、优选地，所述基于当前试验阶段提取满足稳定条件的水力稳定窗口，包括：

15、根据目标压力序列和升降压方向确定当前试验阶段，所述当前试验阶段为低压升压阶段、中压升压阶段、高压阶段、中压降压阶段或者低压降压阶段；

16、在压力进入当前试验阶段的目标压力允许带后建立候选窗口，根据所述候选窗口内的压力和流量计算压力偏差指标、流量极差指标及流量回归斜率；

17、在所述候选窗口达到预设持续时长，且所述压力偏差指标、所述流量极差指标及所述流量回归斜率的绝对值均满足对应阈值条件时，将所述候选窗口确定为水力稳定窗口，将窗口内有效压力值和有效流量值的中位数分别确定为阶段代表压力和阶段代表流量；

18、在压力退出所述目标压力允许带、控制动作发生变化或者异常状态未解除时，清零候选计时。

19、优选地，所述基于所述水力稳定窗口提取p-q物理特征，包括：

20、根据高压阶段的阶段代表压力和阶段代表流量建立经过原点的参考直线，计算低压升压阶段和中压升压阶段的参考流量及形状偏差，参照如下公式：

21、

22、

23、其中，表示对应阶段的参考流量，表示对应阶段的代表压力，表示高压阶段的代表压力，表示高压阶段的代表流量，表示对应阶段的形状偏差，表示对应阶段的代表流量，表示防止流量归一化分母为零的正小量，且；

24、对同一设定压力级的升压水力稳定窗口和降压水力稳定窗口，根据阶段代表压力的匹配误差、窗口完整性及压力和流量通道的有效状态，确定配对证据的可用状态和配对置信度，在配对证据可用且对应阶段代表压力匹配时，计算回滞偏差参照如下公式：

25、

26、

27、其中，表示低压阶段重复压力处的回滞偏差，表示低压降压阶段的代表流量，表示低压升压阶段的代表流量，表示中压阶段重复压力处的回滞偏差，表示中压降压阶段的代表流量，表示中压升压阶段的代表流量；

28、计算相邻升压压力区间的流量-压力离散斜率差：

29、

30、其中，表示离散斜率差，表示低压升压阶段的代表压力，表示中压升压阶段的代表压力，表示防止压力差分母为零的正小量；

31、根据所述形状偏差、所述回滞偏差及所述离散斜率差构造所述p-q物理特征，为各特征设置独立可用掩码，仅在对应阶段完成且所需证据可用时启用对应特征；

32、其中，阶段代表压力的匹配误差超过允许范围时拒绝配对，处于允许范围但阶段代表压力不相等时，通过共同压力插值或者流量与压力比值归一化计算回滞偏差，不以零值替代尚未形成或者不可用的特征。

33、优选地，所述将所述压力时序和所述流量时序输入预训练的时序异常识别模型，得到时序异常识别结果，包括：

34、按试验阶段分别对所述压力时序和所述流量时序进行稳健标准化，构造时序窗口，将所述时序窗口、阶段编码、通道有效掩码、所述p-q物理特征及其可用掩码输入所述时序异常识别模型；

35、通过局部时间卷积分支提取局部时序特征，通过阶段演化分支提取阶段动态响应特征，通过带阶段掩码的长时依赖分支提取跨阶段关联特征，并通过物理特征分支对当前可用的p-q物理特征进行编码，其中，所述长时依赖分支不访问未来阶段数据；

36、通过门控融合层对各分支输出进行融合：

37、

38、其中，表示融合特征，表示第编码的门控权重，表示第编码的分支特征，且；

39、根据融合特征输出异常类别概率和当前窗口的重构结果，并根据有效通道的重构残差计算学习异常分值：

40、

41、其中，表示学习异常分值，表示有效特征通道数，表示第通道残差权重，表示第通道阶段稳健标准化特征，表示重构预测头对第通道在时刻输出的重构值；

42、将所述异常类别概率和所述学习异常分值作为所述时序异常识别结果。

43、优选地，根据所述时序异常识别结果、所述p-q物理特征和所述设备完整性证据对所述钻孔压水试验进行异常判定，获得异常判定结果，包括：

44、根据数据完整性、仪表状态、水力过程、密封状态及阶段顺序进行规则筛查，得到规则异常量，并根据操作或控制事件后的实测反馈及压力与流量响应相对于预期响应的偏差，计算控制响应一致性异常量；

45、将所述规则异常量、所述学习异常分值和所述控制响应一致性异常量归一化至可比尺度后，计算综合异常分值：

46、

47、其中，表示综合异常分值，表示规则异常量，表示学习异常分值，表示控制响应一致性异常量，、、分别表示对应异常分值的非负权重，且满足；

48、根据同一设定压力级的升压水力稳定窗口和降压水力稳定窗口形成升降压配对证据，并根据两个窗口的代表压力匹配误差、窗口完整性及压力和流量通道的有效状态，确定所述升降压配对证据的可用状态及配对置信度；

49、根据所述设备完整性证据、当前压力与流量响应及操作或控制事件形成设备过程证据分支，并根据当前可用的p-q物理特征形成地质响应证据分支，结合所述综合异常分值和异常类别概率进行异常性质判定；

50、在存在满足设备或过程异常判据的证据时，输出设备或过程异常状态，不以所述地质响应证据分支可用作为前提；

51、在未触发设备或过程异常判据、关键设备完整性证据有效且可用的升降压配对证据符合预设p-q物理模式时，输出地质响应状态；

52、在不存在足以确定设备或过程异常的证据且存在关键证据不足、分支冲突或者配对置信度不足时，输出待复核状态。

53、优选地，所述基于所述异常判定结果、所述当前试验阶段和所述压水试验设备的设备配置信息生成多个候选诊断动作，从所述多个候选诊断动作中，确定符合当前试验阶段合法动作要求、设备可执行条件及安全边界约束的实际动作，包括：

54、在所述异常判定结果为设备或过程异常状态时，根据异常判定依据确定异常原因假设，结合当前试验阶段和设备配置信息生成多个候选诊断动作，并为各候选诊断动作确定控制对象、变化方向、变化幅度、预期压力与流量响应及允许响应时间；

55、将所述异常原因假设允许且符合当前试验阶段合法动作要求、设备可执行条件及安全边界约束的动作组成安全动作集合，并对用于原因假设评价的动作施加地质状态保持边界约束，从所述多个候选诊断动作中确定实际动作：

56、

57、其中，表示实际动作，表示安全动作集合，表示安全动作集合内待比较的候选动作向量，表示候选诊断动作，表示动作距离的半正定权重矩阵，表示相应加权范数。

58、优选地，所述执行所述实际动作，包括：

59、通过设备执行接口下发实际动作对应的控制量，或者将实际动作转换为包含控制对象、变化方向及操作转角、操作圈数或操作时长的人工操作指令；

60、根据执行反馈或者压力与流量的持续响应确认实际动作已执行，采用人工操作时，根据人工确认后压力或流量首次出现持续响应的时刻确定实际动作起点，执行未证实时冻结当前试验阶段，不进入效果复核；

61、在试验边界条件未改变且未突破所述地质状态保持边界时，待动作过渡过程结束并恢复至动作前的试验阶段和设定压力级、代表有效压力进入允许带后，采集复测窗口；

62、在模型版本、判定阈值和阶段编码一致的条件下，根据动作前后共同有效且构造方法相同的证据，计算动作前后的异常分值，并计算动作有效度；

63、在实测响应符合预期响应、所述动作有效度达到预设有效阈值且恢复条件满足时，提高所述异常原因假设的置信度；在实测响应不符合预期响应或者所述动作有效度未达到预设有效阈值时，降低所述异常原因假设的置信度并升级处置；

64、在实际动作涉及管路修复、栓塞重新安装或充气、停泵卸压而改变试验边界条件，或者突破所述地质状态保持边界时，重新执行设备自检，并在自检通过后重启相应试验阶段，不通过所述动作有效度直接评价异常原因假设。

65、优选地，所述对压水试验设备执行自检之前还包括：

66、采用如下公式换算得到试段有效压力：

67、

68、其中，为试段有效压力，为孔口压力传感器输出的表压力，为水的密度，为重力加速度，为压力传感器测点至压力计算零线的竖向高差，为与当前流量和管路状态对应的管路压力损失。

69、优选地，所述计算动作有效度通过如下公式计算：

70、

71、其中，表示动作前异常分值，表示动作后异常分值，表示防止分母为零的正小量。

72、与现有技术相比，本发明所提供的具有如下的有益效果：

73、本发明所提供的一种压水试验异常预判与闭环控制方法，将异常识别由离散阶段代表点拓展至全过程连续压力、流量时序，融合设备完整性证据、p-q物理特征与时序模型识别结果实现排他式异常判定，可有效区分设备或过程异常、具备地质解释资格的地质响应与待复核状态，兼顾设备故障排查与岩体水力地质信息保留，依托时序异常识别模型实现试验失稳趋势预判，候选诊断动作经过阶段合法性、设备可执行性以及多重安全边界校验后得到实际动作，规避模型直接输出控制量带来的安全隐患，同时按照试验边界条件是否改变差异化执行设备自检或输出试验结果，实现异常识别-诊断控制-结果复核的闭环管控，完整留存试验全流程数据用于后续模型迭代更新，提升压水试验智能化水平、试验结果可靠性与过程可追溯性。