一种超大型深部工程灾害物理模拟的智能协同总控系统

本发明涉及深部工程灾害物理模拟，尤其涉及一种超大型深部工程灾害物理模拟的智能协同总控系统。

背景技术：

1、现有尺寸的物理模拟试验仅能模拟简单的地质结构和简单开挖，只能施加应力环境。超大型深部工程灾害物理模拟试验旨在模拟深部工程岩体特征、地质结构、环境条件、工程活动。为了实现这一目标，超大型深部工程灾害物理模拟试验由深部复杂地质体3d打印、深部工程环境施加、机器人开挖、多元信息监测等多系统、多工序高度耦合组成、协同工作。若各系统采用独立控制方式，仅依赖本系统内部信息开展局部工作，无法正确或高效地完成物理模拟试验的耦合环境加载与工程活动任务。

2、因此，需要设计协同总控系统，旨在依据物理模拟试验的整体试验目标与计划，在实现各系统之间高效互联互通的前提下，通过智能优化决策方法，保证整体设施以全局最优的执行效率正确开展试验任务。

3、为了实现上述目标，深部工程灾害物理模拟协同总控系统的首要任务是从各个系统实时采集试验大数据，保证各系统之间的高效互联互通。此外，在进行超大型深部工程灾害物理模拟试验过程中，协同总控系统的核心任务在于实现以下协同控制任务：

4、(1)环境施加协同控制：温度场、压力场、流场是深部工程地质体的重要地质参数，三者相互耦合，相互影响各自的施加过程。需协同调控液压加载系统的压力参数、温控系统的温度参数、注入系统的流体参数，确保物理模拟试验在预期地质环境下进行。

5、(2)深埋隧道与地下洞室开挖协同控制：在环境施加协同控制的基础上，协同开挖机器人施工与多元信息监测系统，确保开挖过程按照预期试验方案正确、高效、安全进行。

6、(3)深部金属矿开采协同控制：在环境施加协同控制的基础上，需要进行机器人开挖、切割、回采操作与多元信息监测系统监测信息的协同交互；协同调控充填系统中充填体制备与输送装置，依据多元监测系统监测的采场围岩变形、应力场变化等数据，及时调整充填体制备工艺与充填进程，保证较好的充填匹配性与充填率；协同调控通风系统的送风参数与机器人开挖系统中机器人的行为姿态、施工参数，确保施工环境中的温度、污染物、有害气体满足物理模拟试验方案的要求。

7、(4)深部油气开采协同控制：在环境施加协同控制的基础上，协同机器人开挖系统与多元信息监测系统，确保垂直井与水平井的开挖达到物理模拟试验任务要求；协同注入系统与多元信息监测系统，及时调整注入多相流体流速、压力等关键参数，确保注入系统依据物理模拟试验方案完成稳定注入。

8、(5)深部地热开发协同控制：在环境施加协同控制的基础上，协同机器人开挖系统与多元信息监测系统，确保注入井和采出井的开挖达到物理模拟试验任务要求；协同注入系统与多元监测系统，持续监测裂隙网发育情况并及时调节注入参数，确保注入与采出过程稳定进行。

9、然而，目前未见物理模拟试验相关控制系统能够实现上述超大型深部工程灾害物理模拟试验的协同控制任务。

10、此外，随着深部工程灾害物理模拟任务需求和技术指标的不断提高，控制需求的复杂度显著提升，为各个系统之间的高效通信、协同控制等方面带来巨大挑战，主要表现为以下三个方面：

11、(1)跨协议通信效率低：超大型深部工程灾害物理模拟设施的系统组成极为复杂，各系统配备的本地控制装置的控制精度、响应时间、被控单元数量等方面各不相同，在控制方式、通信协议、接口设计、总线布置的设计与部署上仍有差异，导致总控系统与各系统之间存在通信受限、通信效率低、时间不同步等问题。

12、(2)协同任务执行效率低：由总控系统任务可以看出，深部工程灾害物理模拟试验的协同总控需求极其复杂，涉及应力、压力、温度等多场耦合环境施加控制，以及注采、开挖、通风、充填等多种复杂工程活动的多工序行为控制，由于各系统运行状态具有强耦合特性，若仅考虑各系统的独立控制系统进行任务规划与控制，会导致物理模拟试验任务成功率低、试验执行过程容错能力差、试验周期拉长且成本增加。

13、(3)协同控制模型难优化：每次物理模拟试验的协同控制任务难以借鉴历史试验大数据中的协同控制经验，无法保证以最优的协同控制模型执行物理模拟试验协同任务。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种超大型深部工程灾害物理模拟的智能协同总控系统，实现多种工程活动的多任务智能协同控制。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种超大型深部工程灾害物理模拟的智能协同总控系统，包括跨协议透明化高效通信架构、试验大数据存储与融合分析模块、多任务联合规划模块、智能动态协同控制模块、协同控制模型自主优化模块；所述跨协议透明化高效通信架构，用于负责超大型深部工程灾害物理模拟设施各个组成系统之间的通信与数据传输；所述试验大数据存储与融合分析模块，用于将基于跨协议透明化高效通信架构从超大型深部工程灾害物理模拟试验设施各系统采集到的多源异构试验大数据进行存储及融合分析；所述多任务联合规划模块，用于制定超大型深部工程灾害物理模拟试验能够高效执行的任务计划；所述智能动态协同控制模块，用于生成协同控制模型，对超大型深部工程灾害物理模拟试验设施的实时现场过程进行协调控制；所述协同控制模型自主优化模块，用于在多次历史试验大数据中自主学习控制经验，实现协同控制模型的持续优化。

3、优选地，所述超大型深部工程灾害物理模拟的智能协同总控系统还包括多任务智能执行容错模块和多任务集成显示模块；所述多任务智能执行容错模块，用于保障超大型深部工程灾害物理模拟试验设施在出现通信故障时的可用性，并提供试验任务执行异常与错误的智能容错；所述多任务集成显示模块，将各个系统的深部工程灾害物理模拟试验数据的详细数值及整体发展趋势进行展示，或将多个系统进行同页面概况可视化展示。

4、优选地，所述跨协议透明化高效通信架构实时采集与发送超大型深部工程灾害物理模拟设施各个组成系统的试验过程与结果数据，并获取各系统的试验任务执行状态与结果；提供多协议自适应通信网关，通过外部总线与内部总线设计，屏蔽不同通信协议，实现不同控制方式、通信协议、接口设计的统一接入。

5、优选地，所述试验大数据存储与融合分析模块将基于跨协议透明化高效通信架构从超大型深部工程灾害物理模拟试验设施各系统采集到的多源异构试验大数据，存储到云平台分布式文件系统中；对试验大数据进行预处理，并采用可动态扩展的语义模板库，在超大型深部工程灾害物理模拟试验设施各系统数据源之间进行语义映射，实现多源异构试验大数据的语义融合；提供批流融合处理统一计算模型，融合超大型深部工程灾害物理模拟历史试验大数据的批量计算与各系统采集到的实时试验大数据的流式计算，通过批流统一表达与计算任务智能规划，实现物理模拟试验大数据的高效计算与分析。

6、优选地，所述多任务联合规划模块，依据超大型深部工程灾害物理模拟试验任务的整体目标与内容，完成任务定义；将物理模拟试验整体任务智能分解为各系统上的子任务；通过数据与知识联合驱动的智能优化决策方法，进行基于联合设计优化的子任务规划，以及确定子任务之间的依赖关系；依据子任务规划与依赖关系，生成子任务的控制逻辑与控制时序，完成各系统的子任务排配。

7、优选地，所述智能动态协同控制模块，将多任务联合设计优化模块生成的任务计划中的控制逻辑与控制时序转化为超大型深部工程灾害物理模拟试验各系统底层控制器的控制指令，控制指令下达至各系统并执行；通过智能协同控制优化技术生成协同控制模型，对各子任务进行自适应误差控制，保证协同目标的实现；根据各系统返回的执行状态与结果，进行子任务的动态调配。

8、优选地，所述协同控制模型自主优化模块，基于试验大数据存储与融合分析模块提供的海量历史试验大数据，采用数据驱动的深度学习模型分析试验过程与结果，分析超大型深部工程灾害物理模拟试验任务执行效率的限制因素，自主优化同类型任务的运行参数与协同控制模型参数。

9、优选地，所述多任务智能执行容错模块，采用基于主副通道柔性切换的通信冗余设计，通信故障时提供可用性保护机制，避免物理模拟试验运行受到通信故障影响；当各系统分配的试验子任务在执行过程中出现异常或错误时，进行异常捕获，通过日志信息的智能分析，判断异常或者错误的导致原因，从而对整体任务与子任务进行自动修正，避免超大型深部工程灾害物理模拟试验设施出现无法挽回的系统性、灾难性错误。

10、优选地，所述多任务集成显示模块支持深部工程灾害物理模拟试验各系统的设备运行信息与健康状态、试验执行进程分析结果、试验过程监测信息及试验大数据智能分析与计算结果的多任务集成信息；显示方式支持多维度数据图表、多媒体数据、三维渲染模型的多模态集成展示。

11、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种超大型深部工程灾害物理模拟的智能协同总控系统，能够实现：

12、(1)多系统跨协议透明化高效通信：实现跨协议透明化高效通信与数据交换，能够保障超大型深部工程灾害物理模拟设施各系统之间试验大数据的互联互通。

13、(2)多任务智能协同控制：实现超大型深部工程灾害物理模拟设施多个强耦合系统的智能动态协同控制，保障以最优的执行效率顺利完成试验任务。

14、(3)协同控制模型自主优化：实现超大型深部工程灾害物理模拟设施的系统瓶颈智能分析，自主优化协同控制模型，能够持续提升试验执行效率。