本發(fā)明涉及人工智能，具體為一種巖溶區(qū)基坑突水預(yù)警系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、巖溶區(qū)基坑突水預(yù)警系統(tǒng)源自巖溶地貌的復(fù)雜性和基坑工程中的突水風(fēng)險(xiǎn)。早期巖溶突水問題多采用人工監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)預(yù)判，但由于巖溶地質(zhì)的不均勻性，突水風(fēng)險(xiǎn)難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，造成安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。隨著傳感器技術(shù)、地質(zhì)探測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法的發(fā)展，巖溶區(qū)基坑突水預(yù)警系統(tǒng)逐漸進(jìn)入工程應(yīng)用。該系統(tǒng)集成了地質(zhì)雷達(dá)、地下水監(jiān)測(cè)、應(yīng)力傳感器等多種監(jiān)測(cè)手段，并通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析與模型建立，實(shí)現(xiàn)對(duì)突水風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)和預(yù)警，顯著提高了施工安全性。

2、1、數(shù)據(jù)質(zhì)量不足：巖溶區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜且多變，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能存在噪聲或不完整的情況。人工智能算法對(duì)高質(zhì)量、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依賴較大，數(shù)據(jù)缺失或不準(zhǔn)確會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果偏差，降低預(yù)警系統(tǒng)的可靠性。

3、2、過度依賴數(shù)據(jù)模式：人工智能系統(tǒng)通常依賴于歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)有模式的識(shí)別，難以處理完全新穎或極端的突水情境。例如，系統(tǒng)可能無法識(shí)別由未知巖溶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的突水風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致預(yù)警失效。

4、3、實(shí)時(shí)性不足：由于巖溶區(qū)環(huán)境的復(fù)雜性，人工智能模型需要處理大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，且進(jìn)行高復(fù)雜度的分析與計(jì)算，可能導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度不足，無法在突水發(fā)生前及時(shí)發(fā)出預(yù)警。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種巖溶區(qū)基坑突水預(yù)警系統(tǒng)及方法，解決了背景技術(shù)中的數(shù)據(jù)質(zhì)量不足、過度依賴數(shù)據(jù)模式和實(shí)時(shí)性不足的技術(shù)問題；

2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種巖溶區(qū)基坑突水預(yù)警系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、區(qū)域劃分與分析模塊、連鎖反應(yīng)預(yù)警模塊及反饋控制模；

3、所述數(shù)據(jù)采集模塊用于在基坑開挖及施工過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集巖溶區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)、地質(zhì)應(yīng)力相關(guān)數(shù)據(jù)及土壤含水量相關(guān)數(shù)據(jù)，并構(gòu)建多維環(huán)境數(shù)據(jù)集合；

4、所述數(shù)據(jù)處理模塊用于將多維環(huán)境數(shù)據(jù)集合進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、噪聲濾除及補(bǔ)全處理，利用多維插值算法對(duì)數(shù)據(jù)缺失部分進(jìn)行補(bǔ)償，并依據(jù)巖溶地質(zhì)特性進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最后進(jìn)行無量綱處理；

5、所述區(qū)域劃分與分析模塊用于根據(jù)巖溶區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，將所監(jiān)測(cè)的巖溶區(qū)劃分為多個(gè)獨(dú)立的巖溶子區(qū)域并進(jìn)行編號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)控巖溶子區(qū)域并分別提取各巖溶子區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)特征數(shù)據(jù)；通過提取地質(zhì)特征數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前巖溶子區(qū)域內(nèi)的水力突變系數(shù)sltx和突水滲透系數(shù)tssx；最后擬合出水力突變系數(shù)sltx與突水滲透系數(shù)tssx計(jì)算當(dāng)前巖溶子區(qū)域的突水風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tfxz；

6、所述連鎖反應(yīng)預(yù)警模塊用于依據(jù)巖溶子區(qū)域的編號(hào)對(duì)每個(gè)巖溶子區(qū)域進(jìn)行突水風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tfxz的綜合評(píng)估，并通過連鎖反應(yīng)模型對(duì)巖層斷裂擴(kuò)展趨勢(shì)與地下水位變化進(jìn)行聯(lián)動(dòng)分析，計(jì)算得出連帶風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tsyz；

7、所述反饋控制模塊用于設(shè)置預(yù)警閾值q，并將連帶風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tsyz與預(yù)警閾值q進(jìn)行對(duì)比分析，劃分當(dāng)前巖溶子區(qū)域的突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并采取相應(yīng)的控制措施；接著通過用戶界面實(shí)時(shí)顯示預(yù)警信息，用戶基于當(dāng)前巖溶子區(qū)域的突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)下一巖溶子區(qū)域的突水風(fēng)險(xiǎn)采取預(yù)防措施。

8、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)采集模塊在基坑開挖及施工過程中，根據(jù)巖溶區(qū)的地質(zhì)條件部署多種傳感器設(shè)備，包括地下水位監(jiān)測(cè)傳感器、地質(zhì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀和土壤濕度傳感器；同時(shí)將傳感器部署點(diǎn)覆蓋基坑周邊的關(guān)鍵區(qū)域；

9、其中，多維環(huán)境數(shù)據(jù)集合包括地下水流速glsl、土壤含水率hshl及巖體應(yīng)力rtys。

10、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理模塊通過在數(shù)據(jù)清洗過程使用異常檢測(cè)算法自動(dòng)識(shí)別極端值，并將其剔除；其中，多維插值算法依據(jù)相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)的空間與時(shí)間關(guān)聯(lián)性，結(jié)合巖溶地質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，生成補(bǔ)充數(shù)據(jù)；最后將來自不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)和不同傳感器的多維環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，數(shù)據(jù)融合過程使用權(quán)重加權(quán)平均和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析的方法。

11、優(yōu)選的，所述區(qū)域劃分與分析模塊包括巖溶子區(qū)域劃分單元、地質(zhì)特征提取單元和突水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算單元；

12、所述巖溶子區(qū)域劃分單元用于對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的巖溶區(qū)進(jìn)行劃分，將其劃分為若干個(gè)獨(dú)立的巖溶子區(qū)域，并對(duì)每個(gè)巖溶子區(qū)域進(jìn)行編號(hào)標(biāo)識(shí)，具體為yr1、yr2....yrn，其中n表示巖溶子區(qū)域的總數(shù)量；在劃分過程中，綜合考慮巖溶區(qū)的地質(zhì)斷層分布、地下水流動(dòng)路徑及溶洞結(jié)構(gòu)的分布特征使每個(gè)巖溶子區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。

13、優(yōu)選的，所述地質(zhì)特征提取單元用于依據(jù)編號(hào)逐一采集每個(gè)巖溶子區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)特征數(shù)據(jù)并進(jìn)行逐一計(jì)算；通過地質(zhì)雷達(dá)和流速傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與采集，獲取巖層斷裂因子dlyz、地下水流速swlz、地下水壓力dxls、巖石孔隙率ykzl、巖層厚度ychd、巖層間隙寬度rjjk及溶洞體積krz并進(jìn)行預(yù)處理和無量綱處理后，構(gòu)建地質(zhì)特征數(shù)據(jù)集合；

14、提取地質(zhì)特征數(shù)據(jù)集合和多維環(huán)境數(shù)據(jù)集合分別通過以下公式計(jì)算獲取巖溶子區(qū)域內(nèi)的水力突變系數(shù)sltx和突水滲透系數(shù)tssx：

15、；

16、。

17、優(yōu)選的，所述突水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算單元用于擬合出水力突變系數(shù)sltx與突水滲透系數(shù)tssx，計(jì)算獲取巖溶子區(qū)域的突水風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tfxz，具體公式如下：

18、。

19、優(yōu)選的，所述連鎖反應(yīng)預(yù)警模塊包括風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元和聯(lián)動(dòng)預(yù)測(cè)單元；

20、所述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元通過預(yù)設(shè)突水風(fēng)險(xiǎn)閾值w對(duì)當(dāng)前巖溶子區(qū)域的突水風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tfxz進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，其具體評(píng)估內(nèi)容如下：

21、若突水風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tfxz≥突水風(fēng)險(xiǎn)閾值w，則表示當(dāng)前巖溶子區(qū)域存在異常突水風(fēng)險(xiǎn)，接著對(duì)當(dāng)前巖溶子區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的分析；

22、若突水風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tfxz<突水風(fēng)險(xiǎn)閾值w，則表示當(dāng)前巖溶子區(qū)域正常，系統(tǒng)將當(dāng)前巖溶子區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，并依據(jù)編號(hào)順序進(jìn)行下一巖溶子區(qū)域的突水風(fēng)險(xiǎn)分析。

23、優(yōu)選的，所述聯(lián)動(dòng)預(yù)測(cè)單元用于構(gòu)建并利用連鎖反應(yīng)模型分析巖層斷裂的延展方向、巖層斷裂速度和地下水位變化的波動(dòng)頻率，實(shí)時(shí)采集巖層與地下水位相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行無量綱處理后，提取巖層與地下水位相關(guān)數(shù)據(jù)，通過以下公式計(jì)算，獲取當(dāng)前存在異常突水風(fēng)險(xiǎn)的巖溶子區(qū)域的連帶風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tsyz：

24、；

25、式中，巖層與地下水位相關(guān)數(shù)據(jù)中的巖層斷裂延展角度ydjd，巖層與地下水位相關(guān)數(shù)據(jù)中的巖層斷裂擴(kuò)展速率ydsl，巖層與地下水位相關(guān)數(shù)據(jù)中的地下水位上升速率dsws，巖層與地下水位相關(guān)數(shù)據(jù)中的地下水波動(dòng)頻率dsbd；

26、為自然對(duì)數(shù)函數(shù)，用于將地下水位上升速率dsws轉(zhuǎn)換為線性變化；為數(shù)字常數(shù)，用于將地下水波動(dòng)頻率?dsbd的影響指數(shù)化。

27、優(yōu)選的，所述反饋控制模塊用于對(duì)連帶風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tsyz與預(yù)警閾值q進(jìn)行評(píng)估，并劃分當(dāng)前巖溶子區(qū)域的突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其具體評(píng)估內(nèi)容如下：

28、當(dāng)連帶風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tsyz≥預(yù)警閾值q時(shí)，判定當(dāng)前巖溶子區(qū)域?yàn)榈谝伙L(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，表示當(dāng)前巖溶子區(qū)域不僅存在突水風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)即將引發(fā)其他巖溶子區(qū)域的連鎖反應(yīng)，此時(shí)立即觸發(fā)預(yù)警信號(hào)；提前對(duì)下一相鄰巖溶子區(qū)域采取預(yù)防性措施。包括在相鄰區(qū)域布設(shè)額外監(jiān)測(cè)點(diǎn)并在原有監(jiān)測(cè)頻率的基礎(chǔ)之上提高10%的監(jiān)測(cè)頻率，以防止突水風(fēng)險(xiǎn)的擴(kuò)散和蔓延；

29、當(dāng)連帶風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tsyz<預(yù)警閾值q時(shí)，判定當(dāng)前巖溶子區(qū)域?yàn)榈诙惋L(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，維持當(dāng)前監(jiān)測(cè)模式，但此時(shí)采取突水應(yīng)對(duì)措施，包括在突水點(diǎn)注入速凝漿液，并在巖層斷裂處形成密封層以及局部排水措施。

30、一種巖溶區(qū)基坑突水預(yù)警方法，包括以下步驟：

31、步驟一、在基坑開挖及施工過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集巖溶區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)、地質(zhì)應(yīng)力相關(guān)數(shù)據(jù)及土壤含水量相關(guān)數(shù)據(jù)，并構(gòu)建多維環(huán)境數(shù)據(jù)集合；

32、步驟二、將多維環(huán)境數(shù)據(jù)集合進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、噪聲濾除及補(bǔ)全處理，利用多維插值算法對(duì)數(shù)據(jù)缺失部分進(jìn)行補(bǔ)償，并依據(jù)巖溶地質(zhì)特性進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最后進(jìn)行無量綱處理；

33、步驟三、根據(jù)巖溶區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，將所監(jiān)測(cè)的巖溶區(qū)劃分為多個(gè)獨(dú)立的巖溶子區(qū)域并進(jìn)行編號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)控巖溶子區(qū)域并分別提取各巖溶子區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)特征數(shù)據(jù)；通過提取地質(zhì)特征數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前巖溶子區(qū)域內(nèi)的水力突變系數(shù)sltx和突水滲透系數(shù)tssx；最后擬合出水力突變系數(shù)sltx與突水滲透系數(shù)tssx計(jì)算當(dāng)前巖溶子區(qū)域的突水風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tfxz；

34、步驟四、依據(jù)巖溶子區(qū)域的編號(hào)對(duì)每個(gè)巖溶子區(qū)域進(jìn)行突水風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tfxz的綜合評(píng)估，并通過連鎖反應(yīng)模型對(duì)巖層斷裂擴(kuò)展趨勢(shì)與地下水位變化進(jìn)行聯(lián)動(dòng)分析，計(jì)算得出連帶風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tsyz；

35、步驟五、設(shè)置預(yù)警閾值q，并將連帶風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tsyz與預(yù)警閾值q進(jìn)行對(duì)比分析，劃分當(dāng)前巖溶子區(qū)域的突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并采取相應(yīng)的控制措施；接著通過用戶界面實(shí)時(shí)顯示預(yù)警信息，用戶基于當(dāng)前巖溶子區(qū)域的突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)下一巖溶子區(qū)域的突水風(fēng)險(xiǎn)采取預(yù)防措施。

36、本發(fā)明提供了一種巖溶區(qū)基坑突水預(yù)警系統(tǒng)及方法。具備以下有益效果：

37、（1）該一種巖溶區(qū)基坑突水預(yù)警系統(tǒng)及方法，首先在于有效解決了數(shù)據(jù)質(zhì)量不足的問題，通過數(shù)據(jù)采集模塊在基坑開挖及施工過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集巖溶區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)、地質(zhì)應(yīng)力相關(guān)數(shù)據(jù)及土壤含水量相關(guān)數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)處理模塊中引入數(shù)據(jù)清洗、噪聲濾除及補(bǔ)全處理技術(shù)，利用多維插值算法對(duì)數(shù)據(jù)缺失部分進(jìn)行補(bǔ)償，有效提高了數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，保障了預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠性；同時(shí)，數(shù)據(jù)融合過程依據(jù)巖溶地質(zhì)特性進(jìn)行加權(quán)平均和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析，確保了來自不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的多維環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，為突水風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tfxz的準(zhǔn)確計(jì)算提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持。

38、（2）該一種巖溶區(qū)基坑突水預(yù)警系統(tǒng)及方法，解決了系統(tǒng)過度依賴歷史數(shù)據(jù)模式的問題，在區(qū)域劃分與分析模塊中將巖溶區(qū)劃分為多個(gè)獨(dú)立的巖溶子區(qū)域并進(jìn)行編號(hào)，每個(gè)巖溶子區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控和提取地質(zhì)特征數(shù)據(jù)，包括巖層斷裂因子dlyz、地下水流速swlz、地下水壓力dxls、巖石孔隙率ykzl、巖層厚度ychd、巖層間隙寬度rjjk及溶洞體積krz，并通過計(jì)算出水力突變系數(shù)sltx和突水滲透系數(shù)tssx，形成綜合的突水風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tfxz；在連鎖反應(yīng)預(yù)警模塊中引入連鎖反應(yīng)模型，通過對(duì)巖層斷裂擴(kuò)展趨勢(shì)與地下水位變化的聯(lián)動(dòng)分析，綜合判斷當(dāng)前突水風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)間和區(qū)域，使系統(tǒng)具備適應(yīng)完全新穎或極端突水情境的能力，即使在未知的巖溶結(jié)構(gòu)中也能夠識(shí)別突水風(fēng)險(xiǎn)，降低了系統(tǒng)對(duì)既有模式的依賴性。

39、（3）該一種巖溶區(qū)基坑突水預(yù)警系統(tǒng)及方法，提升了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，在突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的情況下，通過反饋控制模塊中的聯(lián)動(dòng)分析預(yù)測(cè)單元構(gòu)建連鎖反應(yīng)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算連帶風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tsyz并與預(yù)警閾值q進(jìn)行對(duì)比，設(shè)立突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；用戶可基于當(dāng)前突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)下一巖溶子區(qū)域的突水風(fēng)險(xiǎn)提前采取預(yù)防措施，包括增加監(jiān)測(cè)頻率或布設(shè)額外監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從而有效提升了系統(tǒng)的預(yù)警效率，使其能夠在突水發(fā)生前及時(shí)發(fā)出預(yù)警并采取相應(yīng)應(yīng)對(duì)措施，確保基坑施工的安全性。