本发明涉及盾构机泥水输送智能化施工领域，尤其涉及一种基于数字孪生的盾构机泥水输送管减磨方法及系统。
背景技术：
1、盾构法是一种在地下挖掘隧道的重要技术，广泛应用于城市地铁、水利工程和交通隧道等领域。然而，在盾构作业中，泥浆输送系统的管道局部过渡磨损问题一直是制约着工程进展的关键技术难题。
2、在传统盾构工程中，盾构机通过泥浆输送管道将挖掘产生的泥浆和砂石颗粒从工作面输送至地面，以完成隧道的挖掘施工。然而，由于不同地层破碎后的砂石颗粒的大小、密度和形状不同，以及泥水的黏度、重度等参数的变化，导致泥水在输送过程中容易出现堆积和泥水输送管局部过度磨损的问题，降低了盾构工程的效率和运行稳定性。在盾构工程中，泥浆系统的设计对整个施工过程至关重要。传统的盾构泥浆系统在面对复杂地质条件时存在一系列问题，包括排浆不畅、管道堵塞、以及管道局部磨损过大。这些问题不仅降低了施工效率，还增加了维护成本，因此迫切需要一种创新的解决方案来提高泥浆系统的稳定性和效率。
3、目前，泥水系统通畅以掘进参数、地层和经验作为判断依据，现有的手段主要通过对泥水输送管末端出料情况和经验进行泥水参数调整，同时依赖于对管道壁厚的定期人工检查。然而，这种方法具有明显的滞后性，且不能灵活应对地层变化情况，使得管道磨损问题很难得到及时有效的解决。
4、已有一些尝试通过模拟软件和传统控制算法来优化盾构泥浆系统。然而，这些方案通常未能充分考虑到砂石颗粒在管道中的实际行为，并且缺乏对实时调整泥水性质的有效机制。这导致了排浆不畅和管道堵塞的问题，无法实现对砂石颗粒输送的精确控制。
5、申请号为cn202310603980.3的专利公开了一种泥水盾构泥浆处理自动控制系统。其特征在于，包括盾构切削机构，所述盾构切削机构连通有泥浆循环机构一端，所述泥浆循环机构另一端连通有泥浆处理机构，所述泥浆处理机构连通有添加剂自动控制机构；所述泥浆处理机构包括筛分部，所述筛分部与所述泥浆循环机构连通，所述筛分部连通有调浆部，所述调浆部与所述泥浆循环机构连通，所述调浆部与所述添加剂自动控制机构连通。
6、然而，上述系统只局限于基于人工设定参数的泥水自动化配置的尝试，没有考虑管道系统的布置、输送过程中的磨损情况，未将地层和盾构信息及产生的泥砂参数进行计量，因此亟需一种有效解决泥水输送系统中的局部过度磨损问题的盾构机泥水输送管减磨方法和系统。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种有效解决泥水输送系统中的局部过度磨损问题的盾构机泥水输送管减磨方法及系统。
2、为实现上述目的，本发明可以通过以下技术方案予以实现：
3、基于数字孪生的盾构机泥水输送管减磨方法，包括以下步骤：
4、获取泥水信息和砂石信息，构建泥水流体模型和具有几何和级配信息的砂石模型；
5、获取产生这种几何和级配的砂石时对应的地质参数和掘进参数，将砂石模型与该对应的地质参数和掘进参数进行关联，训练lstm模型；
6、根据泥水输送系统构建数字孪生模型；
7、在数字孪生模型的管道入口处输入泥水流体模型和砂石模型，复现砂石在管道中的输送和摩擦行为；
8、当数字孪生模型的管道磨损量与管道实体所测的磨损量一致后，进行强化学习训练；
9、数字孪生模型接收泥水参数，输入历史掘进参数和地质参数，使用lstm模型自动生成具有几何和级配信息的砂石模型，进行泥水输送和磨损仿真推演，直至管道的磨损满足要求，得到训练好的强化学习模型；
10、将训练好的强化学习模型用于预测管道的磨损情况并输出泥水控制参数。
11、进一步地，构建具有几何和级配信息的砂石模型的步骤包括：
12、获取砂石颗粒的三维激光点云信息；
13、对砂石颗粒的三维激光点云数据使用高斯滤波消除点云噪声，基于区域生长算法分割点云，使用k均值聚类对点云进行聚类；
14、进行砂石颗粒的几何特征提取，实现砂石颗粒位置形状和体系的自动获取；
15、选取特征砂石几何点云，使用最小二乘拟合球体算法进行几何形状拟合，生成砂石几何模型；
16、根据获取的颗粒粒径统计数据生成颗粒级配分布曲线，用于确定不同粒径的砂石几何模型的数量，得到砂石模型的级配信息。
17、进一步地，在复现砂石在管道中的输送和摩擦行为过程中，捕捉砂石与数字孪生模型碰撞接触的位置、速度和接触次数，在接触位置生成w＝k·vα·m的磨损量，其中：w为磨损量，k为磨损系数，v为碰撞速度，α为可调整指数，m为碰撞物体的质量。
18、进一步地，所述进行泥水输送和磨损仿真推演的过程中，捕捉仿真过程中管道的磨损量和磨损位置，
19、
20、
21、
22、其中：mw为磨损均值，sw为磨损标准差，wi为磨损不均匀系数，n为管道的不同部位数量，wi为第i个部位的磨损值，
23、当磨损不均匀系数0≤wi<0.15时，管道的磨损满足要求。
24、进一步地，管道实体的磨损量的获取方式为：对泥水输送管道实体的壁后进行监测，获取泥水输送管道的磨损量和磨损位置，监测位置的选取采用网格法，网格特征尺寸小于管道半径。
25、进一步地，根据所获取的数据信息持续对所述强化学习模型进行迭代优化。
26、基于数字孪生的盾构机泥水输送管减磨系统，包括安装在泥水输送管道的管壁上的管壁磨损感知设备、安装在地面泥水处理厂中的砂石筛分设备和泥水信息感知设备、以及操控主机，所述管壁磨损感知设备、所述砂石筛分设备和所述泥水信息感知设备分别与所述操控主机通过数据接口进行连接；
27、所述管壁磨损感知设备获取泥水输送管道的磨损量和磨损位置；
28、所述砂石筛分设备对砂石原材料进行颗粒分离并三维激光点云扫描，获取砂石颗粒的三维激光点云信息，同时获取颗粒粒径统计数据；
29、所述泥水信息感知设备获取泥水处理厂中生产制备和输送至泥水输送管中泥水的粘度、重度和流量信息；
30、所述操控主机接收所述管壁磨损感知设备、所述砂石筛分设备和所述泥水信息感知设备的数据信息，还通过盾构机机载电脑接口获取盾构机的掘进参数和地质参数，并按照上述的方法生成强化学习模型用于预测管道的磨损情况并输出泥水控制参数，输出的泥水控制参数传输至泥水plc调整终端，用于盾构机泥水输送管道的自动输送控制。
31、进一步地，所述管壁磨损感知设备对泥水输送管道的壁后进行监测，监测位置的选取采用网格法，网格特征尺寸小于管道的半径。
32、进一步地，所述管壁磨损感知设备为超声波测厚仪；所述砂石筛分设备包括自动滚筒筛分机和三维激光扫描仪，所述自动滚筒筛分机将砂石原材料进行颗粒分离，所述三维激光扫描仪对砂石颗粒进行三维激光点云扫描，获取砂石颗粒的三维激光点云信息，通过所述自动滚筒筛分机还获取颗粒粒径统计数据；所述泥水信息感知设备包括泥浆黏度计、电子流量计、超声波密度传感器和温度传感器。
33、进一步地，所述盾构机的掘进参数包括顶推力、扭矩、掘进速度和贯入度，所述盾构机的地质参数包括盾构机轴线范围内的岩性、层厚、含水率和岩石力学试验参数。
34、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
35、本发明通过获取泥水信息、砂石信息、管道磨损信息、地质参数和掘进参数，基于这些数据信息的分析融合，建立盾构泥水输送数字孪生模型，复现地质、掘进和砂石参数下的管道磨损情况，在此基础上，训练数字孪生模型对泥水控制参数进行自主调节，实现管道磨损的均匀损耗，规避局部过度磨损，实现在施工阶段可以基于实时感知的盾构掘进参数、地质参数生成符合级配规律的砂石模型，将其输入到经过强化学习训练的泥水输送数字孪生模型内，开展基于物理的泥水输送磨损仿真验证，从而预测管道磨损仿真情况，调整泥水控制参数的输出，规避管道的局部过度磨损，实现智能泥水输送，降低施工过程中的经济损耗，提高施工效率。
1.基于数字孪生的盾构机泥水输送管减磨方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的盾构机泥水输送管减磨方法，其特征在于，构建具有几何和级配信息的砂石模型的步骤包括：
3.根据权利要求1所述的盾构机泥水输送管减磨方法，其特征在于，在复现砂石在管道中的输送和摩擦行为过程中，捕捉砂石与数字孪生模型碰撞接触的位置、速度和接触次数，在接触位置生成w＝k·vα·m的磨损量，其中：w为磨损量，k为磨损系数，v为碰撞速度，α为可调整指数，m为碰撞物体的质量。
4.根据权利要求1所述的盾构机泥水输送管减磨方法，其特征在于，所述进行泥水输送和磨损仿真推演的过程中，捕捉仿真过程中管道的磨损量和磨损位置，
5.根据权利要求1所述的盾构机泥水输送管减磨方法，其特征在于，管道实体的磨损量的获取方式为：对泥水输送管道实体的壁后进行监测，获取泥水输送管道的磨损量和磨损位置，监测位置的选取采用网格法，网格特征尺寸小于管道半径。
6.根据权利要求1所述的盾构机泥水输送管减磨方法，其特征在于：根据所获取的数据信息持续对所述强化学习模型进行迭代优化。
7.基于数字孪生的盾构机泥水输送管减磨系统，其特征在于：包括安装在泥水输送管道的管壁上的管壁磨损感知设备、安装在地面泥水处理厂中的砂石筛分设备和泥水信息感知设备、以及操控主机，所述管壁磨损感知设备、所述砂石筛分设备和所述泥水信息感知设备分别与所述操控主机通过数据接口进行连接；
8.根据权利要求7所述的盾构机泥水输送管减磨系统，其特征在于：所述管壁磨损感知设备对泥水输送管道的壁后进行监测，监测位置的选取采用网格法，网格特征尺寸小于管道的半径。
9.根据权利要求7所述的盾构机泥水输送管减磨系统，其特征在于：所述管壁磨损感知设备为超声波测厚仪；所述砂石筛分设备包括自动滚筒筛分机和三维激光扫描仪，所述自动滚筒筛分机将砂石原材料进行颗粒分离，所述三维激光扫描仪对砂石颗粒进行三维激光点云扫描，获取砂石颗粒的三维激光点云信息，通过所述自动滚筒筛分机还获取颗粒粒径统计数据；所述泥水信息感知设备包括泥浆黏度计、电子流量计、超声波密度传感器和温度传感器。
10.根据权利要求7所述的盾构机泥水输送管减磨系统，其特征在于：所述盾构机的掘进参数包括顶推力、扭矩、掘进速度和贯入度，所述盾构机的地质参数包括盾构机轴线范围内的岩性、层厚、含水率和岩石力学试验参数。
