一种基于大数据的地质灾害数字孪生动态模拟推演系统的制作方法

本发明涉及地质灾害防治与信息技术交叉领域，尤其涉及一种基于大数据的地质灾害数字孪生动态模拟推演系统。

背景技术：

1、近年来，数字孪生技术被引入地质灾害防治领域，为灾害预警和风险评估提供了新的技术手段。

2、现有技术中，中国专利cn117332664b公开了一种基于物理计算结果的地质灾害数字孪生实景显示方法，该方法构建滑坡地质模型并进行有限元计算，通过裂缝提取模块获取裂缝体系后在实景滑坡模型上进行显示。然而，该方法侧重于物理计算结果的可视化展示，不具备基于实时监测数据的模型动态更新能力，也无法对灾害演化路径进行前瞻性推演，仅能呈现当前计算工况下的静态结果。

3、中国专利cn117787102b公开了一种精细化动态地质模型结合geoai的灾害数字孪生仿真方法，通过建立精细化动态地质灾害仿真模型并进行数值模拟，利用geoai训练推理校准模型，实现矿井地质灾害的演化与反演。然而，该方法主要面向矿井地质灾害场景，仅涉及单一灾种的仿真，未考虑多种地质灾害之间的链式演化关系，也未提供对不同干预方案进行并行推演比较的能力。

4、中国专利cn119649549a公开了一种基于数字孪生技术的地质灾害监测预警方法及系统，通过构建三维数字模型确定风险源，当监测指标变化率超出阈值时进行预警。然而，该方法仅基于监测数据的阈值判断进行被动预警，缺乏基于多物理场耦合仿真的灾害演化推演能力，无法模拟不同干预措施下的灾害发展趋势，也不能根据推演偏差对仿真模型进行自适应修正。

5、综上所述，现有技术存在以下不足：（1）数字孪生模型缺乏基于实时监测数据的动态更新机制，模型与物理实体之间难以保持持续同步；（2）仿真推演仅针对单一灾种，无法刻画多种地质灾害之间的链式演化关系；（3）不具备对不同干预方案并行推演比较的能力，难以支持科学决策；（4）推演结果与实测数据之间缺乏反馈闭环，模型参数无法根据推演偏差进行自适应修正，推演精度随时间推移逐渐降低。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术中数字孪生模型缺乏动态更新、无法推演多灾种链式演化、不具备多方案并行推演比较能力、推演结果与实测数据之间缺乏反馈闭环等问题，本发明提供一种基于大数据的地质灾害数字孪生动态模拟推演系统，实现数字孪生模型的实时动态更新、多物理场耦合仿真、多灾种链式演化推演、多场景并行推演与方案优选、以及推演反馈驱动的模型自适应修正，形成“监测-仿真-推演-决策-修正”的智能闭环。

2、技术方案：一种基于大数据的地质灾害数字孪生动态模拟推演系统，包括：

3、数据融合与孪生模型动态更新模块，用于采集目标区域的多源异构地质大数据并对其进行时空对齐与语义融合，构建包含地表地形、地下地质结构和监测感知数据的三维数字孪生初始模型，并基于实时监测数据流对所述数字孪生模型的状态进行持续更新；

4、多物理场耦合仿真模块，与所述数据融合与孪生模型动态更新模块连接，用于基于更新后的数字孪生模型，构建渗流场-应力场-位移场多物理场耦合仿真模型，对目标区域的应力分布、渗流状态和变形趋势进行数值计算，获得多物理场耦合仿真结果；

5、多灾种链式推演模块，与所述多物理场耦合仿真模块连接，用于接收外部触发条件并基于所述多物理场耦合仿真结果，按照预设的灾害链演化规则推演从初始灾种经由中间过渡状态至衍生灾种的链式演化路径，生成灾害链演化的时间序列数据；

6、多场景并行推演与方案优选模块，与所述多灾种链式推演模块连接，用于针对同一触发条件设定多种干预方案参数，对各干预方案并行执行链式推演，基于推演结果中的关键灾害指标对各方案进行定量评价，选取使所述关键灾害指标最优的干预方案作为推荐方案；

7、推演反馈与模型自适应修正模块，与所述数据融合与孪生模型动态更新模块及所述多物理场耦合仿真模块连接，用于将链式推演的时间序列数据与实测监测数据进行时序比对，计算推演偏差，并根据所述推演偏差自适应修正所述耦合仿真模型中的关键计算参数。

8、进一步的，所述数据融合与孪生模型动态更新模块中，所述多源异构地质大数据包括遥感影像数据、地质勘探数据、气象观测数据和地面监测站实时采集数据，所述时空对齐的方法为：以统一的空间基准坐标系为参照，对各源数据分别进行空间配准与时间插值，使不同空间分辨率和采样频率的数据统一至相同的时空网格中。

9、进一步的，所述多物理场耦合仿真模块中，所述渗流场-应力场-位移场多物理场耦合仿真模型采用顺序耦合求解策略，先求解渗流场获得孔隙水压力分布，再将孔隙水压力作为体力载荷代入应力场求解获得应力分布与塑性区范围，最后将应力场计算结果作为位移场边界条件求解获得变形位移场，三个物理场之间通过迭代计算实现耦合收敛。

10、进一步的，所述多灾种链式推演模块中，所述灾害链演化规则以有向图表示，图中的节点代表灾种状态，有向边代表灾种间的转化条件，当某一灾种状态的关键物理量超过该转化条件对应的阈值时，推演沿该有向边转移至下一灾种节点继续演化，所述初始灾种包括降雨入渗和库水位变动，所述衍生灾种包括滑坡、崩塌、泥石流和堰塞湖。

11、进一步的，所述多场景并行推演与方案优选模块中，所述关键灾害指标包括最大变形速率、累积变形量、潜在滑移体积和影响范围面积，所述定量评价采用加权综合评分法，对各关键灾害指标按照预设权重计算综合评分，综合评分最低的干预方案即为使所述关键灾害指标最优的推荐方案。

12、进一步的，所述推演反馈与模型自适应修正模块中，将推演获得的目标监测点位移时序预测值与实测位移时序值逐时刻求差获得残差序列，计算所述残差序列的均方根误差作为推演偏差量度；以推演偏差最小化为目标函数，采用梯度下降法对所述耦合仿真模型中的岩土力学参数和渗透系数进行反向调优。

13、进一步的，还包括分级预警与信息推送模块，与所述多灾种链式推演模块及所述多场景并行推演与方案优选模块连接，用于根据链式推演结果中各灾种节点的关键物理量与预设分级阈值的比较结果，生成蓝、黄、橙、红四级预警信号，并将预警信号与所述推荐方案一并推送至指定终端。

14、进一步的，还包括三维可视化交互模块，与所述数据融合与孪生模型动态更新模块、所述多物理场耦合仿真模块及所述多灾种链式推演模块连接，用于将数字孪生模型、多物理场耦合仿真结果及灾害链演化路径以三维可视化方式展示，并支持用户在三维场景中交互式编辑干预方案参数和查看推演过程。

15、本发明还提供一种基于大数据的地质灾害数字孪生动态模拟推演方法，采用上述的系统执行：采集多源异构地质大数据进行时空对齐与语义融合，构建并持续更新三维数字孪生模型；基于更新后的孪生模型构建多物理场耦合仿真模型并数值计算；接收外部触发条件按灾害链演化规则进行多灾种链式推演；设定多种干预方案参数并行推演并基于关键灾害指标优选方案；将推演结果与实测数据比对计算偏差，自适应修正仿真模型关键参数。

16、有益效果：

17、（1）数字孪生模型持续动态更新：基于实时监测数据流持续更新数字孪生模型状态，使虚拟模型与物理实体保持持续同步，克服了现有技术中模型建好后基本不再更新的不足。

18、（2）多灾种链式推演能力：以有向图刻画灾害链演化规则，推演从初始灾种到衍生灾种的链式演化路径，能够模拟滑坡→堰塞湖→溃决洪水等复合灾害场景，弥补了现有技术仅针对单一灾种的局限。

19、（3）多场景并行推演与方案优选：针对同一触发条件并行推演多种干预方案，基于关键灾害指标定量评价并选取最优方案，为灾害防控决策提供科学依据，克服了现有技术缺乏多方案比较能力的不足。

20、（4）推演反馈驱动的模型自适应修正：将推演结果与实测数据比对，自适应修正仿真模型参数，形成“推演-比对-修正”反馈闭环，推演精度随运行时间持续提升，解决了现有技术推演精度随时间递降的问题。