物理信息神经网络在地质与矿山工程中的进展与挑战综述
An Overview of Advances and Challenges in Physical Information Neural Networks for Geology and Mining Engineering
摘要: 物理信息神经网络通过将偏微分方程等物理定律嵌入深度学习框架,为地质与矿山工程中普遍存在的小样本正反问题求解开辟了新路径。本文系统综述了PINNs在地下水渗流与水文地质参数反演、岩石裂纹扩展与裂隙渗流传热、煤矿煤体动力灾害预测、隧道围岩变形与采动覆岩智能感知等方向的研究进展,涵盖了近三年的代表性工作。重点分析了硬约束改进算法、多域物理约束策略、小样本条件下的参数反演能力以及与传统有限元方法的互补关系。最后,总结了PINNs在地质与矿山工程应用中面临的计算效率瓶颈、非线性训练困难及矿山尺度外推不足等核心挑战,并对混合架构和现场数据同化等未来方向进行了展望。
Abstract: Physics-informed neural networks (PINNs) open a new pathway for solving forward and inverse problems with small samples, which are prevalent in geological and mining engineering, by embedding physical laws such as partial differential equations into deep learning frameworks. This paper systematically reviews recent research progress of PINNs in groundwater seepage and hydrogeological parameter inversion, rock crack propagation and fracture seepage heat transfer, dynamic disaster prediction in coal mines, tunnel surrounding rock deformation, and intelligent perception of mining-induced overburden. Representative works from the past three years are covered. Key aspects are analyzed, including hard-constraint improved algorithms, multi-domain physics constraint strategies, parameter inversion capability under few-shot conditions, and the complementary relationship with traditional finite element methods. Finally, the core challenges faced by PINNs in geological and mining engineering applications are summarized, such as computational efficiency bottlenecks, nonlinear training difficulties, and insufficient extrapolation at the mine scale, and future directions including hybrid architectures and in-situ data assimilation are prospected.
文章引用:刘阳, 李向东. 物理信息神经网络在地质与矿山工程中的进展与挑战综述[J]. 矿山工程, 2026, 14(5): 1181-1188. https://doi.org/10.12677/me.2026.145116

参考文献

[1] Raissi, M., Perdikaris, P. and Karniadakis, G.E. (2019) Physics-Informed Neural Networks: A Deep Learning Framework for Solving Forward and Inverse Problems Involving Nonlinear Partial Differential Equations. Journal of Computational Physics, 378, 686-707.
https://doi.org/10.1016/j.jcp.2018.10.045
[2] 李道伦, 沈路航, 查文舒, 等. 基于神经算子与类物理信息神经网络智能求解新进展[J]. 力学学报, 2024, 56(4): 875-889.
[3] 查文舒, 李道伦, 沈路航, 等. 基于神经网络求解偏微分方程的方法综述[J]. 力学学报, 2022, 54(3): 543-556.
[4] 朱琳, 钱陈之皓, 宫辉力, 等. 物理信息神经网络在水文地质与工程地质中的应用研究综述[J]. 水利水电技术(中英文), 2025, 56(7): 13-25.
[5] 林从建, 楼俊斌, 李奕璇, 等. 基于物理信息神经网络的非均质材料力学研究进展[J]. 科学通报, 2024, 69(34): 5048-5070.
[6] 兰鹏, 张升, 苏晶晶. 改进PINNs算法及其在非线性固结求解中的应用[J]. 应用基础与工程科学学报, 2024, 32(5): 1407-1419.
[7] 章伟, 王栋, 吴吉春. 基于硬约束物理信息神经网络的含水层渗透系数场反演[J]. 地学前缘, 2026, 33(1): 500-510.
[8] 张升, 兰鹏, 苏晶晶, 等. 基于PINNs算法的地下水渗流模型求解及参数反演[J]. 岩土工程学报, 2023, 45(2): 376-383.
[9] 舒伟, 孟胤全, 邓芳, 等. 基于PINNs算法的一维潜水流方程的渗流参数反演[J]. 南京大学学报(自然科学), 2024, 60(2): 317-327.
[10] 薛冰寒, 黄振华, 张安康, 等. 基于物理信息神经网络的土石坝渗流性态分析[J]. 工程科学与技术, 2025, 57(2): 188-196.
[11] 岳家豪, 王桂林, 王润秋, 等. 物理神经网络与混合相场耦合的岩石裂纹扩展模拟方法研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(12): 3403-3419.
[12] 王志良, 肖智桓, 申林方, 等. 基于物理信息神经网络岩石裂隙渗流传热耦合作用机制研究[J]. 岩土力学, 2026, 47(2): 1-12.
[13] 王民华, 闫永敢. 基于物理信息神经网络的煤体黏滑冲击动力学分析[J]. 煤矿安全, 2023, 54(7): 59-68.
[14] 王磊, 贾宝山, 苏国瑞. 基于物理信息神经网络的煤与瓦斯突出预测研究[J]. 岩土与地质工程, 2024(42): 6781-6801.
[15] 程刚, 王振雪, 施斌, 等. 采动覆岩变形多场光纤神经感知与安全保障体系构建研究[J]. 煤炭科学技术, 2023, 51(11): 104-118.
[16] 燕发源, 王恩志, 刘晓丽, 等. 深部围岩相变理论与分区破裂化现场实测对比[J]. 煤炭学报, 2024, 49(S1): 121-135.
[17] 潘秋景, 吴洪涛, 张子龙, 等. 基于多域物理信息神经网络的复合地层隧道掘进地表沉降预测[J]. 岩土力学, 2024, 45(2): 539-551.
[18] 张子龙, 潘秋景, 仉文岗, 等. 基于物理信息神经网络的盾构隧道诱发地表沉降预测[J]. 工程力学, 2024, 41(4): 161-173.
[19] 张东明, 周烨璐, 黄宏伟, 等. 物理信息双驱动的长距离盾构隧道结构纵向力学性态智能诊断方法[J]. 岩土力学, 2023, 44(10): 2997-3010.
[20] 李林, 左林龙, 胡涛涛, 等. 基于孔压静力触探试验测试数据的原位固结系数物理信息神经网络反演方法[J]. 岩土力学, 2024, 45(10): 3181-3194.
[21] 唐和生, 何展朋, 廖洋洋, 等. 基于物理驱动深度迁移学习的薄板力学正反问题[J]. 工程力学, 2023, 40(8): 1-10.
[22] 方卫华, 徐孟启, 王润英. 基于物理信息神经网络的薄板反问题研究[J]. 固体力学学报, 2023, 44(4): 483-496.