一种基于时空多尺度耦合隧道-滑坡体稳定性评估方法

1.一种基于时空多尺度耦合隧道-滑坡体稳定性评估方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、多源异构数据时空同步采集与特征提取：通过空天地立体监测网络，采集多源异构数据，并融合光束法和深度学习提取特征参数集和异常事件标记集；S2、基于步骤S1提取的特征参数集反演岩土体力学参数，并整合钻孔勘探数据，构建包含三维地质-力学模型；S3、多物理场耦合的时空多尺度建模：对三维地质-力学模型进行多尺度网格划分，并在多尺度网格前提下，考虑渗流-应力-温度多场耦合效应，结合改进ISSA-Kriging-DVIB方法实现跨尺度耦合，模拟隧道开挖对滑坡体稳定性的影响；S4、动态风险评估与预测：采用引入多头注意力机制的Transformer神经网络构建多源特征融合模型，对步骤S1提取的特征参数集和异常事件标记集以及步骤S3的多场理场耦合结果进行降维，并利用构建的ISSA-LSTM-GARCH组合预测模型输出稳定性预测等级；S5、时空关联的动态预警：基于步骤S4输出的稳定性预测等级，利用引入空间邻近度约束的FP-Growth算法挖掘时空-工况-失效的关联规则，并基于Unity3D构建三维可视化系统，结合关联规则引擎生成预警；S6、闭环优化的知识更新与系统进化：基于步骤S5的预警结果与实际失效数据，利用多目标进化算法迭代优化步骤S2和步骤S4的模型参数；步骤S1具体包括以下步骤：S11、融合天基SAR、空基无人机、地基GNSS与光纤传感技术，构建空天地立体监测网络，获得多源异构数据；S12、时空配准与数据融合：利用卡尔曼滤波融合多源时钟信号，实现纳秒级时间同步；S13、利用深度学习网络从配准后的多源异构数据中提取反映稳定性的特征参数集合 ，其中， 表示滑带变形速率； 表示应变梯度，且 ， 和 表示相邻监测点的应变值， 表示相邻监测点的距离； 表示雷达相干性； 表示LiDAR地形粗糙度，且 表示平均高程， 表示LiDAR点云数量， 表示第 个LiDAR点云的高程值， 表示 个LiDAR点云的平均高程值；S14、采用引入空间邻域权重的3σ原则进行异常检测，得到异常事件标记集 ， 表示异常事件发生的时空位置，且 ， 表示单位矩阵； 表示异常类型； 表示置信度；其中，空间邻域权重 表达式如下： ；式中， 表示影响尺度。 2.根据权利要求1所述的一种基于时空多尺度耦合隧道-滑坡体稳定性评估方法，其特征在于：在步骤S11中，利用天基SAR的Sentinel-1SAR卫星和微波干涉测量技术获取的地表形变场数据，并采用D-InSAR技术对地表形变场数据进行干涉处理，并通过Goldstein滤波去除相位噪声，再计算地表在雷达视线方向的位移 ，最后将干涉结果映射至WGS84坐标系；其中地表在雷达视线方向的位移 的计算公式如下： ；式中， 表示雷达波长； 表示干涉相位差； 表示雷达入射角，且 ；利用空基无人机倾斜摄影获取的地表纹理影像数据，再使用Pix4Dmapper对地表纹理影像数据进行光束法平差，并根据误差方程动态调整相机内参数 、畸变参数 和物方点坐标 ，然后利用SFM算法中恢复LiDAR点云，再通过MVS算法生成UAV点云，然后采用迭代最近点算法，将LiDAR点云与UAV点云统一到WGS84坐标系，再采用体素网格滤波降低点云密度，最后通过三角剖分构建TIN，并采用改进的反距离权重法插值生成分辨率为5cm的数字高程模型，同时映射地表纹理影像生成正射影像；其中，光束法平差表达式如下： ；式中， 表示像点在像平面坐标系中的坐标； 表示像主点在像平面坐标系中的坐标； 表示相机焦距； 表示地面点在世界坐标系中的坐标； 表示相机投影中心在世界坐标系中的坐标； 、 和 均表示旋转矩阵元素，且 ；误差方程表达式如下： ；式中， 表示观测像点坐标； 表示投影计算像点； 和 分别表示影像序号和像点序号；改进的反距离权重法表达式如下： ；式中， 表示待插值点高程； 表示第 个邻域点的地形曲率权重，且 ， 表示待插值点与第 个邻域点之间的空间距离， 表示平滑因子； 表示第 个邻域点高程； 表示邻域点数量；通过地基GNSS获取毫米级点位位移，并采用RTKLIB软件，通过PPP解算三维坐标 ： ；式中， 表示地基GNSS定位的初始三维坐标； 表示坐标改正系数； 表示光速； 表示地基GNSS的接收机钟差； 表示卫星钟差；利用分布式光纤传感技术监测应变分布，并利用监测的应变计算基于布里渊频移偏移量 ： ；式中， 表示布里渊频移变化量； 表示布里渊频移-应变系数，且 ；步骤S12具体包括以下步骤：S121、建立多源时钟统一基准，采用扩展卡尔曼滤波估计时钟偏差： ；式中， 和 分别表示第 次迭代和第 次迭代状态向量，且 ； 表示第 次迭代的观测向量； 、 和 均表示状态转移矩阵； 和 分别表示第 次迭代的过程噪声和观测噪声；S122、采用七参数布尔莎-沃尔夫模型实现坐标系统一： ；式中， 表示目标三维坐标； 表示多源异构数据采集时的原始三维坐标； 表示尺度因子； 表示三维平移参数； 表示三维旋转参数。 3.根据权利要求2所述的一种基于时空多尺度耦合隧道-滑坡体稳定性评估方法，其特征在于：步骤S2具体包括以下步骤：S21、以数值模拟计算值 与步骤S1实测特征参数 的误差最小为目标，构建反演目标函数 ： ；式中， 表示第 个特征参数的权重； 表示为参与反演的特征参数数量；S22、采用ISSA算法在预设的岩土体力学参数范围内调整特征参数，使得反演目标函数 最小化，从而得到反演后的岩土体力学参数；S23、将反演得到的岩土体力学参数与钻孔勘探数据进行整合：依据钻孔勘探数据确定地层分层、弱夹层和断层的空间位置、产状信息，把反演得到的岩土体力学参数赋值到对应的地层单元中，得到三维地质-力学模型。 4.根据权利要求3所述的一种基于时空多尺度耦合隧道-滑坡体稳定性评估方法，其特征在于：步骤S3具体包括以下步骤：S31、针对三维地质-力学模型，划分宏观网格、中观网格和微观网格，以分别覆盖千米级宏观区域变形、百米级中观结构损伤和米级及以下微观岩土体劣化；S32、构建并修正包含位移场、渗流场和应力场的多物理场耦合模型，并在宏观网格上，经伽辽金离散后迭代求解至收敛，再经中观网格、微观网格尺度计算并将结果反演修正多物理场耦合模型；S33、基于反演岩土体力学参数，结合改进ISSA-Kriging-DVIB方法实现微观网格到宏观网格的跨尺度耦合。 5.根据权利要求4所述的一种基于时空多尺度耦合隧道-滑坡体稳定性评估方法，其特征在于：步骤S32具体包括以下步骤：S321、构建包含位移场、渗流场和应力场的多物理场耦合模型；其中，应力-位移场表达式如下： ；渗流场表达式如下： ；渗流场-应力场耦合项表达式如下： ；温度场与应力场耦合表达式如下： ；本构方程如下： ；式中， 表示梯度算子； 表示应力张量， 表示弹性刚度张量； 表示体积力向量，且 ， 表示岩土体密度， 表示重力加速度， 表示竖向单位向量； 表示宏观位移加速度向量，且 ， 表示宏观位移场； 表示体积含水率； 表示非饱和渗透系数张量； 表示宏观渗流场水头，且 ， 表示宏观区域孔隙水压力， 表示水密度； 表示水头高度； 表示岩土体的有效应力； 表示初始渗透系数； 表示应力敏感系数； 表示平均有效应力，且 ， 、 和 分别表示应力张量在x、y、z方向的有效正应力分量； 表示单位张量； 表示考虑热应变的总应变张量； 表示力学应变； 表示热应变张量，且 ， 表示岩土体线膨胀系数， 表示当前温度， 表示参考温度， 表示单位张量；S322、在宏观网格上采用伽辽金离散位移场、渗流场和应力场：将应力-位移场离散为： ；将上式进行积分，并进行本构方程替换，得到离散动力平衡方程： ；将渗流场离散为： ；式中， 表示宏观计算域； 表示形函数矩阵的转置； 表示转置操作； 表示质量矩阵，且 ； 和 分别表示节点速度向量和节点位移向量，其中 代表宏观位移场 的离散形式； 表示阻尼矩阵，且 ， 和 均表示阻尼系数； 表示刚度矩阵，且 ， 表示应变-位移矩阵； 表示节点载荷向量，且 ， 表示力边界； 表示储水矩阵，且 ， 表示宏观区域孔隙水压力； 表示渗流刚度矩阵，且 ， 表示水头梯度-位移矩阵； 表示节点水头向量，其代表宏观渗流场水头 的离散形式； 表示节点源汇向量；S323、迭代求解：通过迭代更新宏观位移场 ，并重新求解宏观渗流场水头 ，直至满足以下收敛条件，输出最终的宏观位移场、宏观渗流场水头和宏观应力张量： ；式中， 表示设定收敛阈值，且 ； 和 分别表示第 次迭代和第 次迭代的宏观位移场； 和 分别表示第 次迭代和第 次迭代的宏观渗流场水头； 和 分别表示第 次迭代和第 次迭代的宏观应力张量；S324、中观网格精细化求解，得到损伤集中区的应力、应变和渗流数据；S3241、通过多尺度过渡界面插值传递宏观网格计算结果，作为中观网格计算位移边界条件 ： ；式中， 表示宏观网格到中观网格的差值矩阵；S3242、分别在中观网格上计算滑带变形速率 、隧道衬砌损伤分布 和滑带有效应力 ，其中滑带变形速率 计算公式如下： ；式中， 和 分别表示 时刻和 时刻的三维位移向量， 表示采样间隔；隧道衬砌损伤分布 计算过程如下：首先，假定隧道衬砌损伤分布 ，通过以下本构方程计算衬砌应力 ： ；式中， 表示； 表示衬砌单元的应变张量，且 ， 表示衬砌单元结构节点的位移向量； 表示初始衬砌单元的应变张量；然后判断是否满足 ， 表示设定衬砌应力阈值，若满足，则更新损伤分布 ， 表示经验损伤增量，否则略过，直至遍历衬砌所有单元后得到隧道衬砌损伤分布 ；滑带有效应力 计算公式如下： ；式中， 表示滑带总应力； 表示滑带区域孔隙水压力；S325、微观网格计算：基于损伤集中区的应力、应变和渗流数据，结合微观参数，在微观网格上模拟应力-渗流-损伤耦合劣化过程，输出微观损伤演化曲线 和裂隙扩展速率 ， 表示裂隙宽度增量；S326、将微观网格计算结果反演至中观网格计算和宏观网格计算中，修正多物理场耦合模型。 6.根据权利要求5所述的一种基于时空多尺度耦合隧道-滑坡体稳定性评估方法，其特征在于：步骤S33具体包括以下步骤：S331、Kriging模型构建与ISSA优化；S3311、从微观网格、中观网格、宏观网格分别选取样本点，并提取样本的力学参数，形成多尺度样本集；S3312、构建Kriging预测模型： ；式中， 表示待预测点的力学响应； 表示全局均值； 表示服从正态分布的随机变量；S3313、通过ISSA算法迭代搜索多尺度样本集，在迭代过程中，以Kriging模型的对数似然函数值作为适应度，评估每个超参数组合的优劣，直至遍历整个多尺度样本集得到Kriging模型最优超参数，使Kriging模型对跨尺度力学量的预测误差最小；对数似然函数 表达式如下： ；式中， 表示样本数量； 表示样本方差； 表示样本相关矩阵，且 为 阶对称矩阵， 中的第 行第 列元素 ， 表示第 个样本与第 个样本之间的空间欧式距离；S332、基于步骤S325输出的微观损伤演化曲线 和裂隙扩展速率 ，通过DVIB方法模拟岩土体微观破裂过程，并将微观力学响应传递至中观模型；S3321、微观离散模型构建：在微观网格中，将岩土体视为离散颗粒系统，颗粒间相互作用通过改进的Stillinger-Weber势函数 描述： ；式中， 表示颗粒间距离； 、 和 均表示势函数系数，且 ， ， ； 和 均表示衰减系数； 表示颗粒平衡键长， ；且当 时，颗粒间键断裂；S3322、基于步骤S325输出的裂隙扩展速率 计算颗粒间键断裂速率 ： ；式中， 表示采样间隔 内断裂的键梳理过； 表示计算域内初始总键数；S3323、更新微观损伤变量，并输出微观应力张量 和裂纹密度 ： ； ； ；式中， 和 分别表示 时刻和 时刻的微观损伤变量； 表示微观计算域体积； 表示颗粒 与颗粒 之间的接触力向量，且 ， 表示颗粒 与颗粒 的位置向量； 表示向量外积运算； 表示微观计算域内微裂纹总数；S333、多尺度映射与宏观模型修正：将微观网格计算结果映射至中观网格，再将中观网格计算结果映射至宏观网格，修正步骤S326输出的多物理场耦合模型，实现跨尺度闭环；其中，将微观网格计算结果映射至中观网格公式如下： ； ；式中， 表示微观应力； 表示中观体积元体积； 表示第 个微观网格的应力； 表示第 个微观网格的体积； 表示微观网格的数量； 表示中观损伤变量； 表示裂纹密度-损伤转换系数； 表示第 个微观网格的裂纹密度；将中观网格计算结果映射至宏观网格公式如下：式中， 表示修正后的宏观弹性模量； 表示初始宏观弹性模量； 表示中观平均损伤； 表示修正后的宏观渗透系数； 表示初始宏观渗透系数； 表示中观损伤对渗透系数的敏感系数； 表示微观裂纹密度对宏观渗透的直接贡献系数； 表示宏观网格单元体积； 表示第 个中观网格的裂纹密度； 表示第 个中观网格的体积； 表示宏观网格单元内包含的中观网格数量；S334、基于修正后的宏观参数，重新求解多物理场耦合模型，直至宏观网格、中观网格和微观网格响应均满足收敛条件，完成跨尺度耦合。 7.根据权利要求6所述的一种基于时空多尺度耦合隧道-滑坡体稳定性评估方法，其特征在于：在步骤S4中，利用ISSA算法更新麻雀位置，搜索最优LSTM超参数，并利用配置最优LSTM超参数学习稳定性等级变化的时间序列特征，并利用预测GARCH波动率；其中，麻雀位置更新公式如下： ；式中， 和 分别表示在第 次迭代和第 次迭代中，第 只麻雀在第 维参数空间的位置； 表示第 次迭代中，种群在第 维参数空间的最优位置； 表示正态分布随机数； 表示 均匀随机数； 表示高斯分布随机数； 表示 单位矩阵， 表示参数空间维度；利用GARCH预测波动率的表达式如下： ；式中， 和 分别表示 时刻和 时刻的波动率； 表示 时刻的历史预测误差； 、 和 均为常数，且 ， ， 。 8.根据权利要求7所述的一种基于时空多尺度耦合隧道-滑坡体稳定性评估方法，其特征在于：步骤S5具体包括以下步骤：S51、构建空间邻近度函数 ： ；式中， 表示事件 与事件 之间的欧式距离； 表示空间影响半径；S52、在FP-Growth算法挖掘时空-工况-失效的关联规则时，生成空间邻近度函数约束： ；式中， 表示与事件 进行空间邻近度计算的对比事件索引； 表示参与空间邻近度计算的对比事件总数；S53、基于Unity3D构建三维可视化系统，结合规则引擎采用层次分析法生成优先级应对方案，其中规则引擎匹配算法： ；式中， 表示最终匹配的最优规则集合； 表示关联规则集中的单条规则； 表示单条规则 的触发条件； 表示当前工程工况； 表示单挑规则优先级。 9.根据权利要求8所述的一种基于时空多尺度耦合隧道-滑坡体稳定性评估方法，其特征在于：步骤S6所述的多目标进化算法的多目标适应度函数 如下： ；式中， 、 和 均表示权重系数，且 ； 、 和 分别表示漏警率、误警率和预测提前时间惩罚。