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深地工程多维信息感知与智能建造的发展与展望
随着生存用地紧缺、浅部能源枯竭等全球共性问题的日益严峻,向地球深部进军已成为全球各国必须解决的战略科技问题,实现深地空间的立体化利用及深地矿产的一体化开发,可有效保障城市空间的协调性发展与矿产资源的可持续供应。因此,开发深部地下空间及其资源已成为中国未来科技发展的战略焦点。
目前,我国深部地下工程建设正酣,矿山开采、水电开发、隧道建设等向地下延伸拓展加速,较为典型的深部地下工程包括:① 港珠澳大桥:作为目前世界最长、综合难度最大的跨海通道,其海底沉管隧道全长6.7 km,最深处在海底48 m,是世界上最深的海底隧道;② 川藏铁路:为目前世界最大的超长隧道群,全线约100条隧道,最大埋深2 100 m,其中超长隧道达近30条;③ 锦屏地下实验室:是目前世界岩石覆盖最深的地下实验室,也是我国首个极深地下实验室,其垂直岩石覆盖达2 400 m;④ 万福煤矿:其主井、副井、风井井筒均采用冻结法施工,穿越土层厚度达754.98 m,冻结深度最深894 m,冻结钻孔工程量129 794 m,是目前世界表土层最厚的冻结井筒;⑤ 华丰煤矿:是目前世界最深的煤矿开拓巷道,巷道已施工至−1 350 m,距离地表高度1 490 m。而深部工程的不断延伸也将导致岩体赋存环境渐趋复杂,并衍生出特殊地质问题常态化、施作方式多样化、工程管控低效化等诸多工程问题,对深地工程全生命周期的质量、安全等带来多重挑战。
随着大数据、云计算、人工智能等数字技术的加速演进,各领域智能化、信息化、数字化已成为未来的大势所趋。深地工程作为国家重大战略科技问题,必然面临智能化升级。然而,深部岩体“三高一扰动”的复杂特征给深地工程智能化转型带来严峻的挑战。为实现深地工程与数字技术的高效融合,研究基于“感知−传送−解译−分析−决策”的智能化实践路径,系统回顾了地下工程中智能感知、实时传输、信息解译、数据分析、智能决策等领域的代表性研究进展,并针对性提出了“多感知、快响应、大数据、优方法、精模型、强平台、易推广”的深地工程智能建造发展方向。
研究表明:① 前沿的深地工程感知技术包括:光纤传感器、MEMS传感器、计算机视觉、自动化机器人等,待数据采集完毕后,通过兼具配置简单、容错能力强、可移动性好等优点的无线通信协议完成数据的实时响应,以实现深地工程监测数据的精准感知与实时传输;② 深地工程原位监测技术获取的数据类型主要包括图像、波、点云等,对原始数据解译及分析的模型众多,采用新一代的人工智能技术,如:人工神经网络和深度学习技术,可显著提高解译与分析的效率;③ 智能决策系统具备高效的学习能力,能够适应复杂环境下的不确定性,通过循环自主学习,以进行决策问题的智能解答。当前,我国深地工程智能建造的政策与产业体系已基本建立,大量智能建造系统已应用于实践。基于此,从智能感知与信息解译、围岩评价及安全评估、围岩控制与动态修复、平台开发及应用推广等4个方面展望了数智化深地工程的发展方向,进而构建了基于多源信息的深地工程围岩稳定性综合评价与分析系统构想。
图1 深部地下工程热点问题
图2 传统原位监测技术
图3 智能感知技术
图4 WSNs 传输原理
图5 岩体裂隙信息解译流程
图6 ANNs的典型结构
图7 SVM 的典型结构
图8 DT的典型结构
图9 KNN 的典型结构
图10 智能分析方法流程
图11 智能决策支持系统
图12 深地工程全生命周期智能建造思路
图13 深地工程智能建造展望
图14 基于多源信息的深地工程围岩稳定性综合评价与分析系统
张茹,四川大学二级教授、博导,深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室副主任。国家基金委杰出青年科学基金、优秀青年科学基金、孙越崎青年科技奖获得者、省有突出贡献的优秀专家,“天府青城计划”天府科技领军人才。负责了国家基金委杰青、优青、重点基金,省青年科技创新团队和重大项目等国家和省部级项目20余项。担任《Tunnelling and Underground Space Technology》《Rock Mechanics and Rock Engineering》《Deep Underground Science and Engineering》《工程科学与技术》等期刊编委,《Deep Underground Science and Engineering》青年编委主任及中国岩石力学与工程学会深地空间探测开发分会副理事长、中国岩石力学与工程学会理事、工程设计方法分会常务理事、岩石力学测试专业委员会常务委员等学术任职。着眼于国家深地探索的重大战略需求和科学前沿,长期从事深地岩体力学与工程安全、深地原位探测与智能建造领域的基础理论与应用研究。发表学术论文185篇,出版著作4部,申请发明专利152项(授权74项),授权软件著作权15项,获教育部科技进步一等奖(第1)等9项省部级科技奖励。
来源:
张茹,吕游,张泽天,等. 深地工程多维信息感知与智能建造的发展与展望[J]. 煤炭学报,2024,49(3):1259−1290.