基于数字孪生的多尺度框架，用于深部地下洞穴的地震完整性评估

《Scientific Reports》：Digital twin–based multi-scale framework for seismic integrity assessment of deep underground caverns

　　

摘要

近年来，由于深地下洞穴在水力和能源基础设施系统中的关键作用，它们引起了极大的关注。然而，由于多尺度地震响应的复杂性、岩体性质的不确定性以及异构监测数据解读的难度，地震后的可靠评估仍然具有挑战性。尽管地震完整性评估非常重要，但目前仍缺乏能够以统一方式整合建模和监测的系统性框架。因此，本研究提出了一种基于数字孪生的多尺度框架，用于地下洞穴的地震完整性评估，该框架将分析建模、二维建模和三维数值建模与实时监测数据相结合。本研究的目标是开发一个综合框架，以实现模型预测与监测观测结果的一致性整合和解读。在该框架中，模型输出被定义为“项目意图信息”，而监测数据被定义为“项目状态信息”，从而可以通过统一的数据和知识本体进行结构化比较。本研究引入了三个性能指标来评估地震响应，即地震完整性指数、模型一致性指数和传感器一致性比率，这些指标共同为评估结构性能和模型可靠性提供了定量依据。此外，还开发了一种基于规则的多传感器一致性逻辑，以区分局部异常和整体结构响应，从而提高地震后解读的可靠性。进一步地，实现了一种基于反馈的模型更新机制，利用监测信息在基于数字孪生的综合评估框架中对数值模型进行优化。所提出的方法证明了在研究条件下，基于数字孪生的综合框架在模型-监测结合的地震评估中的适用性。结果表明，在高约束条件下，地震引起的变形较为有限，而数字孪生框架能够准确解读监测数据并识别局部异常。这些发现表明，所提出的方法为地下地震评估中建模与监测的整合提供了一种系统化且可扩展的方法。