基于条件随机场的边坡数字孪生构建方法、装置及设备制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于条件随机场的边坡数字孪生构建方法、装置及设备，包括确定待模拟边坡场地维度与尺度，网格化离散模拟场地，确定网格尺寸并划分网格单元，将网格单元中心坐标点组成坐标矩阵，考虑多个岩土体材料参数，在空间上构建服从标准正态分布的多变量无条件随机场，通过实际勘测得到实际物理场中多个已知点的坐标以及已知点在实际物理场的值，在空间上构建服从标准正态分布的多变量条件随机场，根据岩土体材料参数的统计特征值，转化为服从真实分布的多变量条件随机场，并使多变量条件随机场更加趋近于真实情况，本发明专利技术提供考虑岩土体的空间变异性，利用可获得的场地信息构建多变量条件随机场以反映真实地质情况的边坡数字孪生体系。边坡数字孪生体系。边坡数字孪生体系。

【技术实现步骤摘要】
基于条件随机场的边坡数字孪生构建方法、装置及设备


[0001]本专利技术属于岩土工程研究
，具体涉及基于条件随机场的边坡数字孪生构建方法、装置及设备。

技术介绍

[0002]随着我国水利水电、川藏铁路、高速公路和深基坑开挖等基础工程建设规模的扩大，重要边坡工程不断出现。因边坡工程隐蔽性强、时空变异性高和失稳危害性大，边坡灾害风险控制己成为岩土工程研究的重点。
[0003]当前，数字孪生作为解决虚拟空间和现实实体之间双向映射、动态交互、实时连接的新技术，备受社会各界的广泛关注。为推动数字孪生技术在岩土工程领域的发展，利用可获得的场地信息准确与真实地重构地质情况，建立边坡可计算模型，为后续的设计与施工建设打好基础，具有重要的意义。
[0004]天然岩土体的工程性质由于受沉积、后沉积、化学风化和搬运等作用以及不同荷载历史的影响而呈现一定的空间变异性，在空间中往往表现出一定的非均匀性，又具有一定的统计相关性。这种空间变异性常利用统计特征值(例如均值、标准差和波动范围)等，用随机场模型进行表征。同时，岩土工程中，通常会根据不同需要采用不同的参数，如垂直有效应力、前期固结压力、不排水抗剪强度、含水率、密度等，具有多变量的特点。然而，实际工程中，仅基于统计特征值生成的无条件随机场忽略了场地勘察获得的参数真实值，未能准确反映地质信息，导致模型计算结果与现场实测数据差别较大。

技术实现思路

[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供基于条件随机场的边坡数字孪生构建方法、装置及设备，为解决现有技术的不足，本专利技术目的在于提供考虑岩土体的空间变异性，利用可获得的场地信息构建多变量条件随机场以反映真实地质情况的边坡数字孪生体系。
[0006]本专利技术提供基于条件随机场的边坡数字孪生构建方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、确定待模拟边坡场地维度与尺度，网格化离散待模拟边坡场地，确定网格尺寸并划分网格单元，建立参数坐标系，将网格单元中心坐标点组成坐标矩阵；
[0008]步骤2、考虑多个岩土体材料参数，对于每个岩土体材料参数，生成对应的无条件随机场，进而在空间上构建服从标准正态分布的多变量无条件随机场；
[0009]步骤3、通过实际勘测得到实际物理场中多个已知点的坐标以及已知点在实际物理场的值，在空间上构建服从标准正态分布的多变量条件随机场；
[0010]步骤4、根据岩土体材料参数的统计特征值，将服从标准正态分布的多变量条件随机场转化为服从真实分布的多变量条件随机场；
[0011]步骤5、重复步骤3～步骤4，增加已知点，减小参数的不确定性，使多变量条件随机场更加趋近于真实情况。
[0012]进一步地，所述步骤1中，所述参数坐标系为二维坐标系，横轴方向为X轴方向，纵
轴方向为Y轴方向，X轴方向与Y轴方向垂直，坐标矩阵D
n
×2表示为：
[0013][0014]式中，n为参数坐标点个数，x
i
,y
i
分别为第i个坐标点的横、纵坐标，1≤i≤n。
[0015]进一步地，所述步骤2具体包括以下步骤：
[0016]步骤2.1、多个岩土体材料参数X＝X1、X2、...、X
k
为随机变量，k为变量个数，确定所述随机变量X的自相关函数，确定随机变量横、纵坐标方向上的波动范围，对于每一随机变量，生成n维独立的随机样本A，其服从均值为0、方差为1的标准正态分布；
[0017]步骤2.2、利用自相关函数计算各坐标点间的相关系数矩阵ρ
n
×
n
：
[0018][0019]式中，元素ρ
i,j
为第i和j个坐标点上参数的相关系数，1≤i≤n，1≤j≤n；
[0020]步骤2.3、对所述相关系数矩阵ρ
n
×
n
进行Cholesky分解，计算公式为：
[0021][0022]获取上三角矩阵E
n
×
n
，利用矩阵E
n
×
n
对矩阵A1×
n
进行线性变换：
[0023]B1×
n
＝A1×
n
·
E
n
×
n
[0024]得到服从标准正态分布的无条件随机场B1×
n
；
[0025]步骤2.4、对于其余随机变量，重复步骤2.1至步骤2.3生成对应的无条件随机场，得到服从标准正态分布的多变量无条件随机场B
k
×
n
。
[0026]进一步地，所述步骤三具体包括以下步骤：
[0027]步骤3.1、遍历每一个坐标点i，计算已知点的权重系数λ＝K
‑1M，式中：权重系数m为已知点个数，λ
q
元素为第q个已知点在该坐标点上的权重系数，1≤q≤m；K为根据自相关函数ρ计算的已知点之间的相关矩阵元素ρ
p,q
为第p和q个已知点之间的相关系数，1≤p≤m，1≤q≤m；M根据相关系数矩阵ρ
n
×
n
计算的坐标
点和已知点之间的相关矩阵元素ρ
q
为该坐标点与第q个已知点之间的相关系数，1≤q≤m；
[0028]步骤3.2、遍历每一个坐标点，根据已知点的真实值进行插值式中：已知点的真实值元素Z
q
为第q个已知点的真实值，1≤q≤m；
[0029]步骤3.3、遍历每一个坐标点，根据无条件随机场B1×
n
中已知点位置处的生成值进行插值式中：已知点位置处的生成值元素Z
q
′
为第q个已知点位置处的生成值，1≤q≤m；
[0030]步骤3.4、遍历每一个坐标点，计算条件随机场S＝Q+B
‑
G，由此融入场地试验数据；
[0031]步骤3.5、对于其余随机变量，重复步骤3.1至步骤3.4生成对应的条件随机场，得到服从标准正态分布的多变量条件随机场S
k
×
n
。
[0032]进一步地，所述步骤4中的统计特征值包括均值、标准差和变异系数，通过实际勘测获得的数据进行统计分析后得到，相应的均值μ
X
、标准差σ
X
、变异系数Cov
X
分别为：
[0033][0034][0035][0036]式中，X
q
表示每次试验获得的实验数据，m表示已知点个数；
[0037]通过均值μ
X
、标准差σ
X
、变异系数Cov
X
将生成的条件随机场S
k
×
n
转化回原始空间随机场X
k
×
n
。
[0038]进一步地，所述步骤2中，所述岩土体材料参数为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于条件随机场的边坡数字孪生构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、确定待模拟边坡场地维度与尺度，网格化离散待模拟边坡场地，确定网格尺寸并划分网格单元，建立参数坐标系，将网格单元中心坐标点组成坐标矩阵；步骤2、考虑多个岩土体材料参数，对于每个岩土体材料参数，生成对应的无条件随机场，进而在空间上构建服从标准正态分布的多变量无条件随机场；步骤3、通过实际勘测得到实际物理场中多个已知点的坐标以及已知点在实际物理场的值，在空间上构建服从标准正态分布的多变量条件随机场；步骤4、根据岩土体材料参数的统计特征值，将服从标准正态分布的多变量条件随机场转化为服从真实分布的多变量条件随机场；步骤5、重复步骤3～步骤4，增加已知点，减小参数的不确定性，使多变量条件随机场更加趋近于真实情况。2.根据权利要求1所述的基于条件随机场的边坡数字孪生构建方法，其特征在于：所述步骤1中，所述参数坐标系为二维坐标系，横轴方向为X轴方向，纵轴方向为Y轴方向，X轴方向与Y轴方向垂直，坐标矩阵D
n
×2表示为：式中，n为参数坐标点个数，x
i
,y
i
分别为第i个坐标点的横、纵坐标，1≤i≤n。3.根据权利要求1所述的基于条件随机场的边坡数字孪生构建方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：步骤2.1、多个岩土体材料参数X＝X1、X2、...、X
k
为随机变量，k为变量个数，确定所述随机变量X的自相关函数，确定随机变量横、纵坐标方向上的波动范围，对于每一随机变量，生成n维独立的随机样本A，其服从均值为0、方差为1的标准正态分布；步骤2.2、利用自相关函数计算各坐标点间的相关系数矩阵ρ
n
×
n
：式中，元素ρ
i,j
为第i和j个坐标点上参数的相关系数，1≤i≤n，1≤j≤n；步骤2.3、对所述相关系数矩阵ρ
n
×
n
进行Cholesky分解，计算公式为：获取上三角矩阵E
n
×
n
，利用矩阵E
n
×
n
对矩阵A1×
n
进行线性变换：B1×
n
＝A1×
n
·
E
n
×
n
得到服从标准正态分布的无条件随机场B1×
n
；步骤2.4、对于其余随机变量，重复步骤2.1至步骤2.3生成对应的无条件随机场，得到
服从标准正态分布的多变量无条件随机场B
k
×
n
。4.根据权利要求1所述的基于条件随机场的边坡数字孪生构建方法，其特征在于，所述步骤三具体包括以下步骤：步骤3.1、遍历每一个坐标点i，计算已知点的权重系数λ＝K
‑1M，式中：权重系数m为已知点个数，λ
q
元素为第q个已知点在该坐标点上的权重系数，1≤q≤m；K为根据自相关函数ρ计算的已知点之间的相关矩阵元素ρ
p,q
为第p和q个已知点之间的相关系数，1≤p≤m，1≤q≤m；M根据相关系数矩阵ρ
n
×
n
计算的坐标点和已知点之间的相关矩阵元素ρ
q
为该坐标点与第q个已知点...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘勇，欧阳嘉艺，唐小松，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：