基于数字孪生的铁路全线线路基沉降预警监测系统的制作方法

本发明属于计算机辅助工程设计与数字孪生数据处理，具体为基于数字孪生的铁路全线线路基沉降预警监测系统。

背景技术：

1、铁路线路基沉降监测通常以沿线布设的沉降观测数据、线路里程信息、历史检修记录和既有工程资料为基础，将全线按照预设里程长度划分为若干监测区段，并分别建立各区段的沉降时间序列；现有数字孪生方案一般将每一监测区段对应为一个虚拟线路基单元，在虚拟空间中保存区段位置、历史沉降量、当前沉降量、沉降变化速率和预测状态，再按照固定周期接收新增观测数据，对虚拟线路基单元的状态进行覆盖更新或递推更新；对于相邻区段之间的关联关系，常见做法是根据地理邻近性建立固定连接，并利用相邻区段的沉降均值、变化趋势或相关系数描述空间影响，当某一区段数据发生变化时，系统根据既定关联关系同步修正相邻区段的预测结果；此类方案能够形成铁路全线的数字化状态映射，但孪生单元的划分边界、参数共享范围和空间关联通常在模型建立阶段即被确定，后续运行过程中较少根据局部沉降演化特征进行调整。

2、在沉降数据处理方面，现有技术通常将实测沉降值与数字孪生预测值之间的差值作为模型误差，并通过滑动平均、趋势拟合或邻区插值对异常数据和缺失数据进行修正；对于连续里程区段，系统可按照前后相邻区段的观测结果计算空间平滑值，或者依据历史时间序列推算缺失时刻的沉降状态，再将修正后的数据写入数字孪生模型；部分方案还会分别计算短期沉降变化和长期沉降趋势，并在差值超过预设范围时将对应区段标记为异常区段；由于此类处理方式主要面向单个区段或固定邻域进行数据平滑，实测异常、数据失配和模型漂移往往被统一反映为数值偏差，系统难以根据偏差在里程方向上的扩展顺序、持续时间和多时间尺度变化判断偏差来源；经过平滑或插值后的数据还可能改变原有沉降传播形态，使局部突变被邻近稳定数据削弱，或者使单点误差沿固定邻域向外扩展。

3、在数字孪生模型校准方面，现有技术多采用定期整体训练或分区独立校准方式，根据一定周期内累计的实测数据重新计算模型参数；整体训练通常将全线区段数据共同输入模型，通过统一目标函数更新各区段的状态演化参数；分区独立校准则按照既定区段边界分别更新局部参数，并在区段边界处采用均值衔接或连续性约束修正预测曲线；为维持模型稳定，部分方案对相邻区段设置相同参数或共享部分参数，并在校准后重新生成全线沉降预测结果；预警判断一般建立在校准后的沉降量、变化速率或预测偏差之上；上述方式缺少由异常影响范围反向限定校准范围的机制，当局部区段出现状态突变时，整体训练可能同步改变大量稳定区段的参数，分区独立校准又可能受固定边界限制而截断实际传播关系，且模型更新后难以保留节点拆分、节点合并和参数继承之间的对应关系。

4、铁路全线线路基沉降具有明显的空间连续性和局部突变性，而固定里程分区、固定参数共享边界以及面向全线或既定分区的校准方式无法使数字孪生模型的空间粒度和更新范围随实际沉降传播状态变化；局部沉降异常发生后，实测值与预测值之间形成的偏差可能来自真实状态突变、数据失配或模型漂移，现有方法不能依据偏差的传播方向、空间梯度、持续时间及多尺度趋势差异反演异常源和实际影响区间，导致局部异常被过大孪生单元中的稳定数据稀释，或者校准误差跨越实际影响边界传播至稳定区段；由此形成的核心问题是，数字孪生模型不能在保持全线状态连续性的条件下，对异常区段实施与实际影响范围一致的动态分区和局部增量校准，模型空间边界与沉降传播边界长期不匹配。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于数字孪生的铁路全线线路基沉降预警监测系统，可以解决上述背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、基于数字孪生的铁路全线线路基沉降预警监测系统，包括线路基沉降传播图构建模块、复合残差生成模块、异常源反演模块、孪生分区重构模块和局部增量校准模块；

4、所述线路基沉降传播图构建模块按照铁路里程连续关系，将各线路基区段的沉降状态映射为具有传播方向的孪生节点，并建立相邻孪生节点之间的有向状态关联边；

5、所述复合残差生成模块基于实测沉降序列和数字孪生预测序列，生成时序残差、传播一致性残差及多尺度趋势残差；

6、所述异常源反演模块依据三类残差的空间梯度、持续时长和传播方向确定异常源及其影响子图；

7、所述孪生分区重构模块依据所述异常源在所述影响子图内的聚集形态调整孪生节点的划分边界；

8、所述局部增量校准模块仅对调整后的影响子图更新传播参数和状态演化参数，并将更新结果写入数字孪生模型。

9、优选的，所述线路基沉降传播图构建模块基于统一里程坐标对历史沉降序列、当前沉降序列及数字孪生预测序列进行区段对齐，将相邻区段之间的沉降变化先后关系编码为有向状态关联边，并针对每一有向状态关联边建立由传播时滞、幅值衰减和趋势相似度共同组成的边状态向量；

10、所述线路基沉降传播图构建模块还根据所述边状态向量在连续观测窗口内的稳定性形成参数共享边界，使位于同一参数共享边界内的孪生节点共用基础演化参数，使跨越参数共享边界的孪生节点分别保留独立演化参数，并在新增沉降数据到达时仅更新与所述新增沉降数据关联的有向状态关联边及对应边状态向量。

11、优选的，所述复合残差生成模块按照相同时间基准分别计算实测沉降值与数字孪生预测值之间的时序残差、目标孪生节点与其上游孪生节点之间的传播一致性残差，以及同一孪生节点在短期窗口、中期窗口和长期窗口内的趋势差异残差，并将三类残差按照里程位置和时间位置排列为残差张量；

12、所述异常源反演模块沿所述线路基沉降传播图的有向状态关联边对所述残差张量进行逆向回溯，根据残差增量在相邻孪生节点之间的方向一致性、尺度一致性及持续一致性构建异常源候选集合，并按照候选位置对下游残差的解释覆盖度确定异常源位置和异常源作用区间。

13、优选的，所述孪生分区重构模块在所述异常源作用区间内提取残差空间梯度的转折位置，将相邻转折位置之间的线路基区段重构为候选孪生节点，并根据所述候选孪生节点内部的趋势同质性以及所述候选孪生节点之间的传播差异度执行拆分或合并；

14、在执行拆分时，所述孪生分区重构模块将原孪生节点的状态历史按照里程位置分配至拆分后的孪生节点，并保留原有向状态关联边的时间顺序；

15、在执行合并时，所述孪生分区重构模块依据各候选孪生节点的数据完整度形成合并状态序列；

16、所述局部增量校准模块以重构后的节点边界为校准边界，对所述校准边界内的状态演化参数和有向状态关联边参数进行联合更新。

17、优选的，所述线路基沉降传播图构建模块针对每一有向状态关联边建立多个候选传播路径，分别以不同传播时滞将上游孪生节点的状态变化映射至下游孪生节点，并根据各候选传播路径对下游实测沉降变化的重构误差形成路径可信度；

18、当多个候选传播路径对应的路径可信度接近时，保留多个传播时滞及其权重作为所述有向状态关联边的组合传播状态，当单一候选传播路径的路径可信度持续占优时，将对应传播时滞固化为主传播状态；

19、所述参数共享边界根据相邻有向状态关联边的组合传播状态差异进行调整，并将主传播状态发生跃迁的位置设置为禁止跨区共享演化参数的边界位置。

20、优选的，所述异常源反演模块对所述异常源候选集合中的每一候选位置分别执行局部状态替换，将候选位置对应的实测沉降片段替换为数字孪生预测片段，并沿所述有向状态关联边重新计算下游孪生节点的传播一致性残差和趋势差异残差，得到候选位置对应的反演残差消减图；

21、所述异常源反演模块根据所述反演残差消减图中残差消减的连续里程范围、跨尺度保持程度及与传播方向的一致程度，对候选位置进行排序，并将能够同时消减时序残差、传播一致性残差和趋势差异残差的候选位置保留为主异常源，将仅消减局部时序残差且不形成下游连续响应的候选位置标记为数据失配位置。

22、优选的，所述孪生分区重构模块在孪生节点拆分前建立原节点状态轨迹与候选子节点状态轨迹之间的映射矩阵，利用所述映射矩阵分别生成候选子节点的初始状态序列，并根据所述候选子节点与上下游孪生节点之间的传播先后关系重建有向状态关联边；

23、在孪生节点合并前，所述孪生分区重构模块对候选孪生节点的时间轴进行缺口对齐，将同一时刻的数据完整度、残差稳定度和传播一致度编码为融合权重，并利用所述融合权重生成合并状态序列；

24、拆分或合并完成后，保留重构前后的节点对应关系和参数继承关系，形成用于后续增量校准的孪生版本映射表。

25、优选的，所述局部增量校准模块根据所述异常源作用区间向上游和下游分别扩展校准邻域，扩展范围由所述有向状态关联边的传播时滞和幅值衰减共同确定，并将校准邻域之外的孪生节点状态及参数设置为冻结状态；

26、所述局部增量校准模块在校准邻域内交替更新孪生节点的状态演化参数与所述有向状态关联边的传播参数，每轮更新后依据校准邻域边界处的预测连续性调整边界节点参数，并在校准前后的残差张量之间建立差异索引；

27、当所述差异索引表明校准误差向冻结区域扩散时，撤销本轮参数更新并按照传播方向扩大校准邻域后重新执行联合更新。

28、优选的，所述异常源反演模块针对所述主异常源和所述数据失配位置分别生成异常解释分支，所述异常解释分支包括保留所述实测沉降片段的状态突变分支、采用邻接孪生节点传播结果替换实测沉降片段的数据修复分支以及保持观测数据不变并调整数字孪生演化参数的模型漂移分支；

29、所述异常源反演模块分别计算各异常解释分支对应的残差张量，并基于异常解释分支对下游连续残差的消减范围和对上游稳定残差的保持程度确定分支一致性，将所述分支一致性最高的异常解释分支写入异常源标签，同时将其余异常解释分支保留为后续新增沉降数据到达时重新比较的候选分支。

30、优选的，所述局部增量校准模块基于所述孪生版本映射表保存每次节点重构前后的状态演化参数、有向状态关联边参数及残差张量，并针对连续两次校准形成参数迁移图；

31、所述参数迁移图以重构前节点、重构后节点及校准边界节点作为顶点，以参数继承、参数分裂和参数融合作为迁移边；

32、当新增沉降数据引起同一异常源作用区间再次重构时，所述局部增量校准模块沿参数迁移图检索与当前节点边界一致的历史校准路径，将所述历史校准路径中的参数变化作为本次联合更新的初始约束，并在更新完成后比较当前残差张量与历史残差张量，仅保留未引起校准边界外残差反向增加的参数迁移路径。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

34、1.通过按照铁路里程连续关系构建具有传播方向的线路基沉降传播图，并将实测沉降序列与数字孪生预测序列转换为时序残差、传播一致性残差和多尺度趋势残差，可在统一的时空关联结构中描述偏差的产生位置、扩展方向和持续范围；异常源反演过程沿有向状态关联边回溯残差变化，根据空间梯度、持续时长和传播方向确定异常源及其影响子图，孪生分区重构过程再以异常源聚集形态和残差转折位置调整节点边界，使局部变化复杂的区段被拆分为较细的孪生节点，使长期保持同向稳定演化的相邻区段保持合并状态；局部增量校准被限定在重构后的影响子图内，影响子图以外的状态和参数保持冻结，校准误差向冻结区域扩散时撤销更新并调整校准邻域，由此使模型空间边界、参数更新边界和实际沉降传播边界保持对应，减少局部异常被稳定数据稀释以及更新误差向全线扩散的情况。

35、2.有向状态关联边采用传播时滞、幅值衰减和趋势相似度形成边状态向量，并根据连续观测窗口内的稳定性确定参数共享边界，可使相邻区段的参数共享关系随传播状态变化，而非长期受固定里程边界限制；对异常源候选位置执行局部状态替换并生成反演残差消减图，可根据连续里程范围、跨尺度保持程度和传播方向一致程度区分主异常源与数据失配位置，并通过状态突变分支、数据修复分支和模型漂移分支保留不同异常解释；节点拆分或合并过程中建立状态映射矩阵、融合权重和孪生版本映射表，可保存重构前后的节点对应关系及参数继承关系；连续校准形成的参数迁移图能够调用与当前节点边界一致的历史校准路径，并排除引起校准边界外残差增加的迁移路径，保持多次重构和校准之间的数据连续性，降低重复校准造成的参数跳变。