一种城市隧道监控应变报警系统的制作方法

本发明涉及城市隧道监控，尤其涉及一种城市隧道监控应变报警系统。

背景技术：

1、在城市发展和现代交通系统建设中，隧道作为重要的交通基础设施，在提高城市交通效率、解决地形交通障碍等方面起到了不可替代的作用，随着城市化进程的加快和地下空间利用的增加，隧道工程的规模和复杂度也在不断提升，隧道施工和运营过程中，如何确保其结构安全、及时响应各类应变和风险，成为了一个亟待解决的技术难题，尤其是在复杂地质条件下，隧道可能面临地表沉降、水文地质变化等多种风险，这些因素都可能对隧道的安全稳定性造成影响，因此，实现隧道结构的实时监控和应急响应，对于保障人民生命财产安全和城市交通顺畅具有重要意义。

2、现有技术在隧道监控和风险管理方面存在一些局限性，首先，现有的监控系统多侧重于收集隧道的应变数据，但在数据分析、风险预测和应急响应指导方面的能力有限，难以实现从数据收集到风险识别再到应急响应的快速闭环，其次，传统的隧道监控系统在用户交互和信息传递方面也存在不足，无法为维护人员提供直观、易懂的操作界面和实时、准确的报警信息，从而影响了隧道安全管理的效率和效果。

3、针对上述问题，提出了一种城市隧道监控应变报警系统，旨在通过集成先进的监测技术、智能数据分析和人性化的用户界面设计，有效提升隧道监控的实时性、准确性和用户友好性，从而解决现有技术中存在的难题。

技术实现思路

1、基于上述目的，本发明提供了一种城市隧道监控应变报警系统。

2、一种城市隧道监控应变报警系统，包括数据采集模块、风险预测模块、结构健康评估模块、应变监测报警模块、应急响应指导模块以及交互式用户界面模块；其中，

3、数据采集模块：利用预设的传感技术，实时采集隧道及其周边的结构和环境数据；

4、风险预测模块：采用预设的人工智能算法和数据分析方法，深入分析采集到的数据，识别隧道的应变模式和潜在风险，并对隧道及周边环境的影响进行预测；

5、结构健康评估模块：基于数据采集模块提供的数据，评估隧道及其周边环境的健康状况和长期影响，监测隧道结构的稳定性；

6、应变监测报警模块：根据风险预测模块的输出，自动判断隧道的应变状态是否超出安全阈值，当检测到潜在的风险即刻触发报警时，则通过预设机制通知维护团队，确保隧道的即时安全响应；

7、应急响应指导模块：结合应变监测报警模块的报警信息以及结构健康评估模块的评估结果，提供预设的应急响应措施和指导策略，帮助相关人员快速、有效地采取应对措施；

8、交互式用户界面模块：为系统管理员和维护人员提供直观、易于操作的界面，支持用户对系统的监控配置和应急响应策略的调整。

9、进一步的，所述数据采集模块包括光纤应变传感器单元、电阻式应变计单元和地表沉降监测器单元；其中，

10、光纤应变传感器单元：采用基于布拉格光栅原理的光纤应变传感器，通过测量光栅反射光波长的变化来准确监测隧道结构中的微小形变，适用于长距离连续监测，具有高灵敏度和抗电磁干扰的特点，能对隧道内部结构应变的实时监测；

11、电阻式应变计单元：利用电阻式应变计的原理，即应变产生的形变会导致电阻发生变化，通过测量变化来监测隧道结构的应力和应变，该电阻式应变计单元适用于监测局部重点区域的应变状态；

12、地表沉降监测器单元：采用地表沉降监测器，通过gps技术或传统的测量技术，监测隧道上方地表的沉降情况，能够提供隧道施工和运营过程中地表沉降的动态数据。

13、进一步的，所述风险预测模块包括数据预处理单元、特征提取单元、模式识别单元和风险评估单元；其中，

14、数据预处理单元：采用预设的数据清洗和归一化技术，对从数据采集模块接收到的原始数据进行初步处理，包括消除数据噪声、填补缺失值、并将数据转换成预定格式，确保数据质量和分析效率；

15、特征提取单元：利用频域分析作为预设的数据分析方法，从预处理后的数据中提取出反映隧道应变状态和环境变化的特征，频域分析具体是采用傅里叶变换将时间序列数据转换到频域中，计算公式为：，其中，为频域中的信号，表示在频率处的信号强度或幅值；为时间序列数据，代表隧道应变或环境参数随时间变化的实际测量值；为角频率，表示信号变化的速度；为时间，指在监测过程中各个数据点的时间戳；在进行傅里叶变换的过程中，表示对所有时间范围内的信号进行积分；在频域中提取的特征包括峰值频率和功率谱密度，其中，峰值频率包括信号强度最大的频率，用于反映隧道应变的主导频率；功率谱密度为在各个频率上的功率分布，用于估计隧道应变的能量分布；

16、模式识别单元：采用决策树作为预设的人工智能算法，对特征提取单元输出的特征集合进行模式识别，决策树是通过迭代地选择最优特征并对数据集进行分割，构建树形结构来进行决策，在隧道应变模式和风险模式的识别中，决策树算法首先计算每个特征的信息增益，选择信息增益最大的特征作为节点进行分割，计算公式为：，其中，为信息增益；为数据集的摘，表示数据集的不确定性或混乱程度；为给定特征后数据集的条件熵，即考虑特征后，数据集分类的不确定性；为数据集，代表收集的隧道监测数据；为特征；

17、风险评估单元：根据模式识别单元识别出的隧道应变模式和潜在风险，结合隧道工程学原理和风险管理知识，对隧道及周边环境未来将要面临的风险进行量化评估。

18、进一步的，所述风险评估单元包括：

19、收集和整合信息：基于模式识别单元识别出的隧道应变模式和潜在风险信息，以及隧道监测系统提供的实时数据，收集隧道结构和环境参数，包括应变率、位移、地表沉降的数据，以及通过特征提取单元获得的特征信息；

20、评估风险因素的可能性和影响：采用改进的风险矩阵方法，首先对每个风险因素的可能性和影响进行评估，采用基于模糊逻辑的方法来量化风险因素的不确定性和主观性，增加评估的准确性和适应性；可能性评估具体采用模糊逻辑，计算公式为：，其中，为风险发生的可能性，是一个量化值；为第个风险因素发生的模糊可能性值；为第个风险因素的权重；为风险因素的总数；影响评估同样采用模糊逻辑，计算公式为：，其中，为风险的影响程度，是一个量化值；为第个风险因素影响的模糊程度值；为第个影响因素的权重；为影响因素的总数；

21、构建风险矩阵：将评估的可能性和影响映射到风险矩阵中，风险矩阵是二维表格，其中，横轴代表可能性，纵轴代表影响；每个风险因素根据可能性和影响被定位在矩阵的相应位置上；

22、量化风险等级：根据风险矩阵的分布，对每个风险因素进行量化评级，采用预设的算法，综合考虑隧道工程学原理和风险管理知识，对每个风险因素的等级进行计算，计算公式为：，其中，为风险等级，为风险发生的可能性，为风险的影响程度；

23、风险排序：根据计算出的风险等级，对所有识别的风险进行排序，并分配优先级，优先处理可能性和影响都较高，即风险等级较高的风险因素。

24、进一步的，所述结构健康评估模块包括数据整合单元、环境影响分析单元、隧道应变分析单元以及隧道稳定性监测单元；其中，

25、数据整合单元：用于从数据采集模块收集和整合多源数据，包括应变数据、位移测量、温湿度记录及地下水位变化；

26、环境影响分析单元：利用整合后的数据，通过预设的环境影响评估模型进行分析，以识别和预测隧道施工和运营对周边环境的潜在影响，该环境影响评估模型考虑了隧道开挖引起的土体体积变化和土层压缩性，具体计算公式为：，其中，表示距离隧道中心处的地表沉降量，是因隧道开挖造成的有效土体体积减小，是土层的沉降系数，是受影响的地表面积，是观测点相对于隧道中心的水平距离，是隧道中心线的位置，是沉降影响范围的标准差,反映了沉降分布的宽度，表示自然指数函数；

27、隧道应变分析单元：基于数据整合单元提供的应变数据，采用基于有限元方法的模型来评估隧道在实际及预期负荷下的应变状态，以识别出引发结构损伤或功能退化的应变模式，有限元模型的方程公式为：，其中，是全局刚度矩阵，代表隧道结构和周边地质介质的刚度特性，是节点位移向量，代表隧道及其周边地质介质的位移响应，是外力向量，包括地压力、水压力、交通负荷在隧道结构上的作用力；

28、隧道稳定性监测单元：结合隧道应变分析单元和环境影响分析单元的结果，通过改进的稳定性评估方法来持续监测隧道结构的稳定性，该隧道稳定性监测单元用于评估隧道的整体及局部稳定性。

29、进一步的，所述隧道稳定性监测单元包括：

30、集成数据处理：先将隧道应变分析单元和环境影响分析单元提供的数据进行集成处理，形成综合的数据视图，包括隧道内部应变数据、地表沉降数据以及环境变化指标；

31、初始稳定性评估：基于集成数据，进行初步的稳定性评估，具体采用稳定性评估模型，具体为mohr-coulomb失效准则，进行初步判断，具体公式为：

32、，其中，是剪切应力，是土体的黏聚力，是正应力，是内摩擦角，通过计算隧道周边岩土体的剪切强度，初步评估其在当前状态下的稳定性；

33、稳定性分析：对于初步评估中识别出的潜在不稳定区域，进行详细的稳定性分析，具体采用改进的有限元方法进行模拟，计算各个部位的安全系数，具体公式为：，当安全系数大于1时，意味着结构在当前负载下是安全的；

34、持续监测评估：结合实时监测数据，定期更新稳定性分析结果，具体采用基于风险评估的动态调整机制，根据实时数据调整评估参数，以反映隧道和周边环境变化对稳定性的影响。

35、进一步的，所述应变监测报警模块包括应变状态评估单元、报警触发判断逻辑单元、报警通知与信息传递单元以及报警响应协调单元；其中，

36、应变状态评估单元：用于接收来自风险预测模块的输出数据，包括隧道的应变模式、潜在风险等级以及预测数据，利用预设的评估算法来自动判断隧道的当前应变状态是否超出了安全阈值，安全阈值是根据隧道设计参数、历史应变数据以及国际安全标准预先设定的，具体采用以下评估算法来自动判断隧道的当前应变状态是否超出了安全阈值：应变状态指数，实测应变值为从风险预测模块接收到的隧道应变数据，应变状态指数设为asi；安全阈值应变为基于隧道设计参数和历史应变数据预先设定的应变安全界限；应变状态指数表示当前应变状态相对于安全阈值的比例，当asi大于时，表示应变超出安全阈值；

37、报警触发判断逻辑单元：基于应变状态评估单元的评估结果，该单元应用预设的逻辑规则来判断是否需要触发报警，该逻辑考虑了不同类型的应变模式对隧道结构安全的影响程度，并根据潜在风险的紧急性和严重性确定是否立即触发报警，当应变状态超过安全阈值的10%，则视为立即触发报警的情况；该预设的逻辑规则为：当asi时，则不触发报警；当时，则触发低级别报警；当asi，则触发高级别报警；

38、报警通知与信息传递单元：当报警触发判断逻辑单元确定需要触发报警时，通过预设的通信机制自动通知维护团队，通知方式包括电子邮件、短信、应用程序通知或直接在监控中心的控制台上显示报警信息，每条报警信息将包括报警位置、报警级别、推荐的应急响应措施；

39、报警响应协调单元：在报警信息被发送后，用于协调后续的应急响应措施，具体根据报警类型和严重性，调动相应的资源和团队来进行现场检查、数据再分析或采取维护措施，确保隧道的安全和运营的连续性。

40、进一步的，所述应急响应指导模块包括应急措施数据库单元、风险匹配与策略选择单元、应急指导方案生成单元以及信息传递协调单元；其中，

41、应急措施数据库单元：针对各种道应变和结构健康问题的预设应急响应措施数据库，数据库中的措施基于隧道工程学原理、历史案例分析及最佳实践的响应策略；

42、风险匹配策略选择单元：该单元接收来自应变监测报警模块的报警信息和结构健康评估模块的评估结果，通过智能算法匹配应急措施数据库中的相关应急响应措施；

43、应急指导方案生成单元：根据风险匹配策略选择单元的输出，该单元生成应急响应指导方案，包括操作步骤、所需材料和设备、人员分工以及预期的时间表；

44、信息传递协调单元：将生成的应急指导方案传递给相关人员和团队，并协调不同部门和团队之间的响应行动，采用预设的通信机制确保信息的快速传递，并设置反馈机制以实时跟踪应急响应的进展情况，通信机制包括即时消息、电子邮件和无线电通讯。

45、进一步的，所述风险匹配策略选择单元包括：

46、特征提取：从应变监测报警模块和结构健康评估模块中提取风险特征，包括报警类型、报警级别、受影响的隧道区域、损伤程度；

47、特征向量化：将提取的风险特征转换成数值向量，进行标准化或归一化处理，以便输入到随机森林模型中；

48、随机森林算法匹配：随机森林训练使用历史风险事件和应急措施数据来训练随机森林模型，随机森林由多个决策树组成，每个决策树在训练时使用随机选择的特征子集，模型的训练用于学习基于风险特征向量预测相应的应急响应措施；

49、结果输出验证：将随机森林算法推荐的应急响应措施进行人工审核或通过模拟测试来验证其适用性和有效性，确保提供的响应措施能够针对性地解决隧道的当前风险问题。

50、进一步的，所述交互式用户界面模块包括实时数据展示单元、历史数据分析单元、历史数据分析单元以及报警信息展示单元；其中，

51、实时数据展示单元：负责实时展示隧道监控数据，包括应变监测数据、环境监测数据，该实时数据展示单元采用图表、仪表盘和地图的视觉元素，以直观的方式展示数据；

52、历史数据分析单元：提供访问和分析历史监控数据的功能，支持用户通过时间轴选择时间段的数据进行查看，该历史数据分析单元还能展示历史趋势分析、数据对比的分析结果，帮助用户识别潜在风险和问题的发展趋势；

53、报警信息展示单元：用于展示系统生成的报警信息，包括报警级别、报警位置、报警时间和建议的应急措施，该报警信息展示单元允许用户快速定位和响应当前的安全问题；

54、应急响应建议单元：根据风险匹配策略选择单元的输出，向用户提供具体的应急响应建议和操作指南；

55、系统配置策略调整单元：允许用户根据实际需要调整监控系统的配置设置，包括监控参数的阈值设置、报警规则的自定义，用户还能根据历史表现和风险评估结果调整应急响应策略，以提高系统的预警准确性和响应效率。

56、本发明的有益效果：

57、本发明，通过整合先进的监测技术和智能数据分析算法，实现了对隧道结构应变和潜在风险的实时监控与准确预测，这不仅提高了监控数据的利用效率，而且通过精确分析和风险评估，能够及时发现并预警可能对隧道安全构成威胁的问题，为隧道的安全管理和维护决策提供了科学依据，显著提升了隧道运营的安全性。

58、本发明，通过采用的风险匹配与策略选择单元，结合应急响应指导模块，为隧道管理人员提供了一套从风险识别到应急响应的完整解决方案，这一设计不仅使得应急响应措施更加针对性和有效，而且通过自动化的响应指导，大大缩短了应急反应时间，有效降低了因延迟响应而可能造成的损失或伤害。

59、本发明，通过交互式用户界面模块为系统管理员和维护人员提供了一个直观、易用的操作平台，不仅支持实时监控数据和历史分析结果的展示，还能够快速传达报警信息和应急响应建议，这种人性化的设计极大地提高了用户的操作便利性和系统的整体使用体验，进一步增强了隧道监控系统的实用性和有效性。