基于自动采集与数字孪生模型的岩体隧道智能设计服务（54页PPT-同济大学）.pptx

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一、研究背景与工程需求

植被厚、地形限制钻探设备运输、耗时长低阻异常点961.8m275.1m25.2m540.6m125.3m203.8m有限且昂贵的地表钻孔等信息，难以全面描述复杂地质条件勘察设计阶段：地质调查、物探、钻探（大于3km时，3000-4000元/m）；隧道长、埋深大、地表某隧道长11km，最大埋深1150m；基于地质调绘和物探分析设7个钻孔，其中4号孔深961.8m，单孔费用207万1.1研究背景低阻异常点高阻区

1.1研究背景人工隧道支护动态设计流程川藏铁路等复杂高难度隧道工程，须进行动态支护设计与施工掌子面地质素描记录表（人工绘图与判断填写）人工传递数据施作支护人工测量人工记录

岩体隧道实践中支护设计-施工极易脱节，难以一体化动态设计-施工调研国内10余家隧道设计单位发现，一个设计代表同时负责10-50多个隧道开挖面的设计变更1.1研究背景主要问题③判断结果难准④方案调整繁琐⑤人力成本极高①数据获取困难②信息传递缓慢

较差条件围岩：现有动态设计体系难以有效保障安全较好条件围岩：现有动态设计体系中支护结构和人力被大量浪费支护施工过程中的破坏事故，工时增加，极易导致工期延误现有支护设计技术难以全面支撑复杂地质条件隧道建设的安全、经济和工期要求安全经济工期1.1研究背景隧道工程现状

1.2工程需求钻爆法隧道施工，单个循环初次出渣、排险与二次出渣约占用时间2-3个小时。掌子面完全暴露、施作支护之前，只有至多约1小时进行采集、分析与设计1小时动态设计施工循环

5个切入点，3个要求，2个手段，1个目标钻爆法隧道支护“一小时”动态设计技术突破方向与研究目标1.2工程需求提取建模稳定分析地质采集远程反馈数字孪生手段高效少人精细目标要求动态设计 智能化切入点

二、技术介绍

人脸特征有规律隧道行业现状?支护设计施工易脱节?难以快速诊断与反馈?缺乏精确化分析理论隧道开挖面千变万化，规律性不明显如何实现快速、精确的“隧道脸”识别?2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别

物理实体与其数字虚体之间精确映射的孪生关系具有孪生关系的物理实体、数字虚体分别称作物理孪生体、数字孪生体将真实围岩地质体作为物理孪生体，自动化精确映射建立数字孪生模型，通过对数字孪生模型的分析，提取所需地质或工程信息，服务工程隧道开挖面物理孪生体隧道开挖面数字孪生体2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别隧道工程数字孪生数字孪生数字孪生精确映射

操作繁琐耗时易受干扰2、双目数字照相(8分钟)3、三维激光扫描(15分钟)1、人工量测(20分钟) 不准确 危险性高 耗时开挖面地质信息采集传统方法2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别开挖面暴露→支护施工只有约1小时存在问题存在问题开挖面掉块

基于三焦点张量求解相机矩阵基于光束平差法求解稀疏三维点云创新提出基于手机虚拟多目智能算法的开挖面三维重构方法，攻克隧道开挖掌子面暴露后数字孪生模型快速重构的难题2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别基于手机拍照的智能多目成像多目智能成像原理

极线校正点云三维坐标稠密匹配获取视差图特征点检测特征点匹配获取左右图像隧道掌子面数字孪生模型三维重构与分析流程2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别产状自动化计算手动选取结构面计算产状带GRB信息的三维点云迹长

2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别手机拍照虚拟多目三维重构数字孪生模型8张手机照片以上，可以超过专业相机照片的重构精度现场手机采集只需0.5分钟，较传统方法效率提高15倍以上基于手机多目图像重构的三维点云数字孪生模型选择照片距离，使关键区域完全被照片覆盖 基于RGB的三维点云重建 开挖面照片在不同的位置拍6-12张照片选择开挖面关键区域

提出基于邻域点分配的适应性法向量算法和基于改进密度峰值的快速最优化聚类算法，降低噪点干扰，提高产状聚类精度，自动实现产状的识别与最优化分组。岩体结构面三维信息自动提取算法2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别基于改进密度峰值的快速最优化聚类算法（CFSFDP）基于邻域点分配的适应性法向量算法邻域点平面拟合法向量三角面片模型法向量传统聚类方法改进算法改进算法

提出基于特征点收缩算法的三维迹线提取和基于k-means++轮廓算法的三维产状提取算法，直接从数字孪生模型自动提取结构面三维信息