基于数值模拟的盾构隧道虚拟仿真方法、系统和存储介质技术方案

本发明专利技术公开了基于数值模拟的盾构隧道虚拟仿真方法、系统和存储介质，其方法为通过三维激光扫描获得的隧道三维点云数据建立隧道高精度几何模型；再通过导入优化后的隧道结构物理参数建立的隧道有限元模型；然后根据输入仿真参数进行模拟分析建立隧道虚拟仿真模型；最后利用隧道虚拟仿真模型对隧道形变进行预测分析建立隧道数字孪生模型，完成隧道的安全评估。本发明专利技术通过向导式界面，实现对隧道结构的可视化展现，融合虚拟仿真分析获得地铁隧道的形变、沉降的病害信息，有效的解决了地铁隧道形变感知准确度低、形变预测可靠性低等缺点，同时有效的提高了检测监控作业的智能化水平及检测作业效率，并提高了检测作业的准确性及可靠性。及可靠性。及可靠性。

【技术实现步骤摘要】
基于数值模拟的盾构隧道虚拟仿真方法、系统和存储介质


[0001]本专利技术属于隧道仿真分析
，具体涉及一种基于数值模拟的盾构隧道虚拟仿真方法、系统和存储介质。

技术介绍

[0002]随着隧道与地下空间建设的持续快速推进，城市地下空间会朝着综合化、分层化与深层化的方向发展，这对深层开挖技术的要求会更加严格，隧道开挖工程需要更安全、更高效、更精确的施工方法。在隧道开挖过程中，为保证施工的安全性，分析隧道开挖过程中的潜在大变形是隧道工程的重中之重。作为隧道开挖的重要步骤，在施工前必须对隧道工程的开展进行合理的预测。
[0003]为了进行设计预测，正确评估施工过程中的性能，合理预测施工后期的运动，目前现有技术主要采用有限元建模的手段来对隧道进行虚拟仿真。虽然有限元建模的使用不断增加，并已应用于城市地区的各种开挖项目，但有限元建模是基于有限测点数据，因此无法全面反映隧道结构几何状态，从而导致虚拟仿真的精度和可靠性难以得到保障。
[0004]以数值分析为手段的虚拟仿真方法具有灵活方便、通用性强、便于修改、可反复实验的特点，它可以方便地处理复杂的岩土工程问题，如岩土材料的非线性问题、岩体中节理、裂隙等不连续面对分析计算的影响、模拟分部开挖施工对隧道围岩稳定性的影响等。数值分析方法在对原形进行数值模拟时，能得到原形中各点的位移、应力及其变化情况，因此在工程实践中也得到广泛应用。
[0005]然而，在有限元建模的基础上结合数值分析手段对隧道进行虚拟仿真的方法，目前尚未有所相关报道。

技术实现思路
<br/>[0006]为了满足上述需求，本专利技术提供了一种基于数值模拟的盾构隧道虚拟仿真方法、系统和存储介质，实现对隧道结构的可视化展现，融合虚拟仿真分析获得隧道的形变、沉降的病害信息。
[0007]为解决上述技术问题，实现上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0008]一种基于数值模拟的盾构隧道虚拟仿真方法，包括：
[0009]步骤1)通过三维激光扫描，获得的隧道三维点云数据；
[0010]步骤2)利用隧道三维点云数据，建立隧道高精度几何模型；
[0011]步骤3)利用隧道高精度几何模型，通过导入优化后的隧道结构物理参数，建立的隧道有限元模型；
[0012]步骤4)利用隧道有限元模型，根据输入仿真参数进行模拟分析，建立隧道虚拟仿真模型；
[0013]步骤5)利用隧道虚拟仿真模型对隧道形变进行预测分析，最终建立隧道数字孪生模型，完成隧道的安全评估。
[0014]进一步的，步骤1)中，利用三维激光扫描仪扫描隧道，得到隧道各区域的三维点云数据，并连同隧道所有的结构参数一并存储于磁盘矩阵中。
[0015]进一步的，步骤1)中，获得隧道的三维点云数据，需要经过以下处理：
[0016]对点云数据进行坐标纠正，使相邻区域点云图上有三个以上的同名控制点和控制标靶，将相邻的点云统一到同一个坐标系下；
[0017]对点云数据进行滤波，减少所述点云数据的噪声点；
[0018]把仪器坐标系下的点云转化到当地或者全球坐标系统下；
[0019]至此，初始化点云构建成功。
[0020]进一步的，步骤2)中，建立隧道高精度几何模型的步骤如下：
[0021]首先，对隧道的三维点云数据进行数据分割，划分到不同的点云子集中，每个点云子集代表同一种曲面形式；
[0022]然后，依次对每一个点云子集进行曲面拟合后，对曲面拟合的点云子集试验数据进行回归计算，得到试验条件下公式模型中各参数的取值范围；
[0023]接着，用其中少数的几个参数分片描述扫描的点云，得到这些点云的片面子集，作为分片三维模型；
[0024]最后，将各个分片三维模型拼接，得到完整隧道三维模型，即隧道高精度几何模型。
[0025]进一步的，运用NURBS曲面算法对每一个点云子集进行曲面拟合。
[0026]进一步的，步骤3)中，建立隧道有限元模型的步骤如下：
[0027]利用输入的隧道关键性能指标参数、设计要素、经验参数值，计算得到隧道结构参数，对隧道结构参数进行物理参数优化处理，将优化后的隧道结构物理参数导入建立好的隧道高精度几何模型，获得隧道有限元模型。
[0028]进一步的，步骤4)中，建立隧道虚拟仿真模型的步骤如下：
[0029]根据输入的负载、激励参数、运行条件、仿真时间和步长等仿真参数，通过参数反演，对建立的隧道有限元模型进行模拟分析，建立隧道虚拟仿真模型，对隧道结构的形变情况进行分析和预测；
[0030]将隧道虚拟仿真模型变形结果与实验结果进行比较，通过迭代算法得出最优化参数，采用试验设计和回归分析方法,以显式的响应面模型逼近特征量与设计参数间复杂的隐式函数关系，从而建立优化的隧道虚拟仿真模型。
[0031]进一步的，步骤5)中，通过优化的隧道虚拟仿真模型，对隧道的形变情况进行智能分析与预测，自动识别隧道不同时段、不同工况下病害的分布规律，并将病害高精度定位及可视化展现在隧道数字孪生模型中，从而对隧道进行安全评估，自动生成评估报告。
[0032]一种基于数值模拟的盾构隧道虚拟仿真系统，用于实现上述任意一项所述的盾构隧道虚拟仿真方法，包括：
[0033]由隧道点云数据采集模块、隧道智能模型构建模块和隧道数字孪生模块组成的软件架构，以及由存储模块、三维模型显示模块和系统仿真分析模块组成的硬件架构；其中，
[0034]所述隧道点云数据采集模块，为系统提供包括模板库、算法库和数据库在内的知识库；所述隧道点云采集模块负责数据的采集、存储和预处理，为所述隧道智能模型构建模块和所述隧道数字孪生模块提供点云数据；
[0035]所述隧道智能模型构建模块，为系统提供包括一系列功能模块和外部接口在内的功能支持；所述隧道智能模型构建模块负责对点云数据进行3D模型构建，从而为所述隧道数字孪生模块提供模型基础；
[0036]所述隧道数字孪生模块，负责通过对所述隧道点云数据采集模块的调用，利用参数反演算法，实现对地铁隧道结构参数优化及隧道结构的仿真分析；
[0037]所述存储模块，负责存储包括隧道三维点云数据、隧道结构参数在内的数据信息；
[0038]所述三维模型显示模块，为彩色触摸显示屏，内含定制的专用交互界面，用于显示优化的隧道数字孪生模型以及模拟仿真分析结果；
[0039]所述系统仿真分析模块，负责对包括隧道有限元模型、隧道虚拟仿真模型在内的模型进行模拟仿真分析。
[0040]一种存储介质，所述存储介质中存储有至少一可执行指令，所述可执行指令使处理器执行上述任意一项所述的盾构隧道虚拟仿真方法对应的操作。
[0041]本专利技术的有益效果为：
[0042]本专利技术主要提供了一种基于数值模拟的盾构隧道虚拟仿真方法及系统，通过向导式界面，实现对隧道结构的可视化展现，融合虚拟仿真分析获得地铁隧道的形变、沉降的病害信息。本专利技术有效的解决了地铁隧道形变感知本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于数值模拟的盾构隧道虚拟仿真方法，其特征在于，包括：步骤1)通过三维激光扫描，获得的隧道三维点云数据；步骤2)利用隧道三维点云数据，建立隧道高精度几何模型；步骤3)利用隧道高精度几何模型，通过导入优化后的隧道结构物理参数，建立的隧道有限元模型；步骤4)利用隧道有限元模型，根据输入仿真参数进行模拟分析，建立隧道虚拟仿真模型；步骤5)利用隧道虚拟仿真模型对隧道形变进行预测分析，最终建立隧道数字孪生模型，完成隧道的安全评估。2.根据权利要求1所述的基于数值模拟的盾构隧道虚拟仿真方法，其特征在于，步骤1)中，利用三维激光扫描仪扫描隧道，得到隧道各区域的三维点云数据，并连同隧道所有的结构参数一并存储于磁盘矩阵中。3.根据权利要求1所述的基于数值模拟的盾构隧道虚拟仿真方法，其特征在于，步骤1)中，获得隧道的三维点云数据，需要经过以下处理：对点云数据进行坐标纠正，使相邻区域点云图上有三个以上的同名控制点和控制标靶，将相邻的点云统一到同一个坐标系下；对点云数据进行滤波，减少所述点云数据的噪声点；把仪器坐标系下的点云转化到当地或者全球坐标系统下；至此，初始化点云构建成功。4.根据权利要求1所述的基于数值模拟的盾构隧道虚拟仿真方法，其特征在于，步骤2)中，建立隧道高精度几何模型的步骤如下：首先，对隧道的三维点云数据进行数据分割，划分到不同的点云子集中，每个点云子集代表同一种曲面形式；然后，依次对每一个点云子集进行曲面拟合后，对曲面拟合的点云子集试验数据进行回归计算，得到试验条件下公式模型中各参数的取值范围；接着，用其中几个参数分片描述扫描的点云，得到这些点云的片面子集，作为分片三维模型；最后，将各个分片三维模型拼接，得到完整隧道三维模型，即隧道高精度几何模型。5.根据权利要求4所述的基于数值模拟的盾构隧道虚拟仿真方法，其特征在于，运用NURBS曲面算法对每一个点云子集进行曲面拟合。6.根据权利要求1所述的基于数值模拟的盾构隧道虚拟仿真方法，其特征在于，步骤3)中，建立隧道有限元模型的步骤如下：利用输入的隧道关键性能指标参数、设计要素、经验参数值，计算得到隧道结构参数，对隧道结构参数进行物理参数优化处理，将优化后的隧道结构物理参数导入建立好的隧道高精度几何模型，获得隧道有限元模型。7.根据权利要求1所述的基于数值模拟的盾构隧道虚拟仿真方法，其特征在于，步骤4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐向阳，杨浩，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：