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險。早期巖溶突水問題多采用人工監(jiān)測和現(xiàn)場經(jīng)驗預(yù)判，但由于巖溶地質(zhì)的不均勻性，突水風險難以準確預(yù)測，造成安全隱患和經(jīng)濟損失。隨著傳感器技術(shù)、地質(zhì)探測技術(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)逐漸進入工程應(yīng)用。該系統(tǒng)集成了地質(zhì)雷達、地下水監(jiān)測、應(yīng)力傳感器等多種監(jiān)測手段，并通過實時數(shù)據(jù)分析與模型建立，實現(xiàn)對突水風險的預(yù)測和預(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)測數(shù)據(jù)可能存在噪聲或不完整的情況。人工智能算法對高質(zhì)量、準確的數(shù)據(jù)依賴較大，數(shù)據(jù)缺失或不準確會導(dǎo)致預(yù)測結(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)可能無法識別由未知巖溶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的突水風險，導(dǎo)致預(yù)警失效。

4、3、實時性不足：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時數(shù)據(jù)，且進行高復(fù)雜度的分析與計算，可能導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度不足，無法在突水發(fā)生前及時發(fā)出預(yù)警。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(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)模式和實時性不足的技術(shù)問題；

2、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(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，實時監(jiān)測并采集巖溶區(qū)的地下水動態(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)集合進行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、噪聲濾除及補全處理，利用多維插值算法對數(shù)據(jù)缺失部分進行補償，并依據(jù)巖溶地質(zhì)特性進行數(shù)據(jù)融合，最后進行無量綱處理；

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)測的巖溶區(qū)劃分為多個獨立的巖溶子區(qū)域并進行編號，實時監(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)計算出當前巖溶子區(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計算當前巖溶子區(qū)域的突水風險指數(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)域的編號對每個巖溶子區(qū)域進行突水風險指數(shù)tfxz的綜合評估，并通過連鎖反應(yīng)模型對巖層斷裂擴展趨勢與地下水位變化進行聯(lián)動分析，計算得出連帶風險指數(shù)tsyz；

7、所述反饋控制模塊用于設(shè)置預(yù)警閾值q，并將連帶風險指數(shù)tsyz與預(yù)警閾值q進行對比分析，劃分當前巖溶子區(qū)域的突水風險等級，并采取相應(yīng)的控制措施；接著通過用戶界面實時顯示預(yù)警信息，用戶基于當前巖溶子區(qū)域的突水風險等級對下一巖溶子區(qū)域的突水風險采取預(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)測傳感器、地質(zhì)應(yīng)力監(jiān)測儀和土壤濕度傳感器；同時將傳感器部署點覆蓋基坑周邊的關(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算法自動識別極端值，并將其剔除；其中，多維插值算法依據(jù)相鄰數(shù)據(jù)點的空間與時間關(guān)聯(lián)性，結(jié)合巖溶地質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，生成補充數(shù)據(jù)；最后將來自不同監(jiān)測點和不同傳感器的多維環(huán)境數(shù)據(jù)進行融合處理，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險計算單元；

12、所述巖溶子區(qū)域劃分單元用于對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的巖溶區(qū)進行劃分，將其劃分為若干個獨立的巖溶子區(qū)域，并對每個巖溶子區(qū)域進行編號標識，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、地下水流動路徑及溶洞結(jié)構(gòu)的分布特征使每個巖溶子區(qū)域進行獨立監(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)編號逐一采集每個巖溶子區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)特征數(shù)據(jù)并進行逐一計算；通過地質(zhì)雷達和流速傳感器進行實時監(jiān)測與采集，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，所述突水風險計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，計算獲取巖溶子區(qū)域的突水風險指數(shù)tfxz，具體公式如下：

18、。

19、優(yōu)選的，所述連鎖反應(yīng)預(yù)警模塊包括風險評估單元和聯(lián)動預(yù)測單元；

20、所述風險評估單元通過預(yù)設(shè)突水風險閾值w對當前巖溶子區(qū)域的突水風險指數(shù)tfxz進行對比評估，其具體評估內(nèi)容如下：

21、若突水風險指數(shù)tfxz≥突水風險閾值w，則表示當前巖溶子區(qū)域存在異常突水風險，接著對當前巖溶子區(qū)域進行進一步的分析；

22、若突水風險指數(shù)tfxz<突水風險閾值w，則表示當前巖溶子區(qū)域正常，系統(tǒng)將當前巖溶子區(qū)域進行標記，并依據(jù)編號順序進行下一巖溶子區(qū)域的突水風險分析。

23、優(yōu)選的，所述聯(lián)動預(yù)測單元用于構(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頻率，實時采集巖層與地下水位相關(guān)數(shù)據(jù)并進行無量綱處理后，提取巖層與地下水位相關(guān)數(shù)據(jù)，通過以下公式計算，獲取當前存在異常突水風險的巖溶子區(qū)域的連帶風險指數(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)中的地下水波動頻率dsbd；

26、為自然對數(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連帶風險指數(shù)tsyz與預(yù)警閾值q進行評估，并劃分當前巖溶子區(qū)域的突水風險等級，其具體評估內(nèi)容如下：

28、當連帶風險指數(shù)tsyz≥預(yù)警閾值q時，判定當前巖溶子區(qū)域為第一風險區(qū)域，表示當前巖溶子區(qū)域不僅存在突水風險同時即將引發(fā)其他巖溶子區(qū)域的連鎖反應(yīng)，此時立即觸發(fā)預(yù)警信號；提前對下一相鄰巖溶子區(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)測點并在原有監(jiān)測頻率的基礎(chǔ)之上提高10%的監(jiān)測頻率，以防止突水風險的擴散和蔓延；

29、當連帶風險指數(shù)tsyz<預(yù)警閾值q時，判定當前巖溶子區(qū)域為第二低風險區(qū)域，維持當前監(jiān)測模式，但此時采取突水應(yīng)對措施，包括在突水點注入速凝漿液，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，實時監(jiān)測并采集巖溶區(qū)的地下水動態(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)集合進行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、噪聲濾除及補全處理，利用多維插值算法對數(shù)據(jù)缺失部分進行補償，并依據(jù)巖溶地質(zhì)特性進行數(shù)據(jù)融合，最后進行無量綱處理；

33、步驟三、根據(jù)巖溶區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，將所監(jiān)測的巖溶區(qū)劃分為多個獨立的巖溶子區(qū)域并進行編號，實時監(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)計算出當前巖溶子區(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計算當前巖溶子區(qū)域的突水風險指數(shù)tfxz；

34、步驟四、依據(jù)巖溶子區(qū)域的編號對每個巖溶子區(qū)域進行突水風險指數(shù)tfxz的綜合評估，并通過連鎖反應(yīng)模型對巖層斷裂擴展趨勢與地下水位變化進行聯(lián)動分析，計算得出連帶風險指數(shù)tsyz；

35、步驟五、設(shè)置預(yù)警閾值q，并將連帶風險指數(shù)tsyz與預(yù)警閾值q進行對比分析，劃分當前巖溶子區(qū)域的突水風險等級，并采取相應(yīng)的控制措施；接著通過用戶界面實時顯示預(yù)警信息，用戶基于當前巖溶子區(qū)域的突水風險等級對下一巖溶子區(qū)域的突水風險采取預(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時監(jiān)測和采集巖溶區(qū)的地下水動態(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、噪聲濾除及補全處理技術(shù)，利用多維插值算法對數(shù)據(jù)缺失部分進行補償，有效提高了數(shù)據(jù)的完整性和準確性，保障了預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠性；同時，數(shù)據(jù)融合過程依據(jù)巖溶地質(zhì)特性進行加權(quán)平均和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析，確保了來自不同監(jiān)測點的多維環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，為突水風險指數(shù)tfxz的準確計算提供了高質(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)劃分為多個獨立的巖溶子區(qū)域并進行編號，每個巖溶子區(qū)域內(nèi)實時監(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，形成綜合的突水風險指數(shù)tfxz；在連鎖反應(yīng)預(yù)警模塊中引入連鎖反應(yīng)模型，通過對巖層斷裂擴展趨勢與地下水位變化的聯(lián)動分析，綜合判斷當前突水風險的時間和區(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)中也能夠識別突水風險，降低了系統(tǒng)對既有模式的依賴性。

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)的實時響應(yīng)能力，在突水風險等級較高的情況下，通過反饋控制模塊中的聯(lián)動分析預(yù)測單元構(gòu)建連鎖反應(yīng)模型，實時計算連帶風險指數(shù)tsyz并與預(yù)警閾值q進行對比，設(shè)立突水風險等級；用戶可基于當前突水風險等級，對下一巖溶子區(qū)域的突水風險提前采取預(yù)防措施，包括增加監(jiān)測頻率或布設(shè)額外監(jiān)測點，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)生前及時發(fā)出預(yù)警并采取相應(yīng)應(yīng)對措施，確保基坑施工的安全性。