【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于位移监测与微震监测，具体涉及位移-微震同时空集成的隧洞塌方监测预警系统及方法，适用于隧洞开挖及运行过程中塌方灾害的实时预警。
技术介绍
0、技术背景
1、随着新时代经济的飞速发展，我国隧洞工程日益增多，目前我国已成为世界上隧洞建设数量、运营里程最大的国家。在隧洞建设过程中，由于隧洞围岩强度较低、稳定性差，在受到应力重分布和施工过程的扰动后极其容易发生塌方等工程地质灾害。隧洞一旦发生塌方事故，往往会造成现场施工人员伤亡、设备摧毁、工期延误等巨大损失，从而对社会造成极其严重的影响。因此，建立一种高效的隧洞塌方预警系统对隧洞施工和运营安全具有重要意义。
2、目前，围岩位移变化是隧洞塌方最直观的表象，因此传统的隧洞塌方实时监测主要以位移监测为主，主要包括位移指标和变化速率指标。当隧洞位移监测点的位移在合理的范围内，则认为无塌方风险；变化速率指标反映了围岩在一段时间内的位移变化情况，若速率值小则认为位移变化正常。然而，在实际监测过程中，监测时机往往滞后于监测断面开挖工序，导致监测位移小于围岩的真实位移，即往往会有损失位移产生，从而降低了预警的准确率。同时，位移监测往往只是对某一个监测点的位移进行实时监测，不能准确的对围岩整体安全进行评估。此外，传统的位移监测方法采用的预警值设定往往需要人为设置且在不同的地质条件下阈值通常存在一定差异，因此，塌方预警的准确性受人为因素干扰较大。微震监测技术是通过实时监测岩石破裂产生的微震信号，并根据微震信号的演化特征来评估围岩塌方风险，如今已成为硬岩隧洞稳定性监测的重要
3、隧洞塌方预警阈值是影响预警准确性最重要的因素，然而，在隧洞塌方机理不清，不同地质条件下塌方的位移和微震特征参数阈值不清的情况下，通过人为设置隧洞塌方预警阈值遇到了极大的困难，并且预警的准确性也难以满足工程需求。机器学习方法可以通过已有的监测数据中发现规律，建立高效的塌方预警模型，并且可以根据监测数据的增加，不断改进预测预警性能。因此，选用高效可行的机器学习方法用于塌方的自动预警，不仅可以实现预警系统在无需人为干预的情况全自动预警，而且缩短了塌方风险判定时间，将有效减少或避免隧洞塌方导致的重大损失。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对目前隧洞塌方预警不准的问题，提出一种新的预警方法降低隧洞发生塌方灾害造成的经济损失，减少施工人员伤亡。本专利技术提供一种位移-微震同时空集成的隧洞塌方监测预警系统，并提供了一种位移-微震同时空集成的隧洞塌方监测预警方法。
2、为实现上述目的，本专利技术采用以下技术措施：
3、第一方面，本专利技术提供位移-微震同时空集成的隧洞塌方监测预警系统，包括传感器集成装置、数据处理装置、声光报警装置。
4、所述传感器集成装置，用于实时获取位移数据和微震波形数据，并将以上数据发送至数据处理装置。
5、数据处理装置，用于对微震波形数据进行滤波处理，提取出岩石破裂产生的微震信号；再对采集的位移数据和微震波形数据进行计算，获取位移变化速率(xx、xy、xz、x总)，微震能量释放率(mser)、分形维数(dt)和主频等特征参数；还用于将上述特征参数通过已训练好的预测模型进行计算，若预测结果为塌方，则将预测结果保存至数据储存装置并发送至声光报警装置，否则，将数据保存至数据储存装置，该回合计算过程立即结束。
6、声光报警装置，用于对数据处理装置输出的隧洞“塌方”预警结果进行快速响应，警报灯连续闪烁，蜂鸣器持续发出蜂鸣声。
7、第二方面，本专利技术位移-微震同时空集成的隧洞塌方监测预警方法，包括以下步骤：
8、步骤s1：在隧洞围岩内钻孔，将传感器集成装置固定至钻孔底部，该集成装置与孔洞外部的数据处理装置通过数据传输电缆相连，安装完毕后进行注浆封口处理。
9、步骤s2：传感器集成装置对隧洞围岩进行实时监测，通过数据传输电缆将位移数据和微震波形数据传输至数据处理装置。
10、步骤s3：数据处理装置对接收到的微震波形数据进行滤噪处理，剔除爆破、钻孔等环境噪声，提取出较为纯净的岩石破裂信号。
11、步骤s4：根据岩石破裂产生的微震波形信号提取出微震特征参数，包括微震能量释放率(mser)、分形维数(dt)和主频等特征参数，同时获取岩石破裂产生微震波形信号时刻的位移数据，并且计算位移变化速率(xx、xy、xz、x总)。
12、步骤s5：在数据处理装置中嵌入已训练好的位移-微震同时空塌方预警模型。
13、步骤s6：将步骤s4计算获取的微震能量释放率(mser)、分形维数(dt)、主频和位移变化速率(xx、xy、xz、x总)等七个定量化特征参数自动保存至数据处理装置的数据存储单元中。
14、步骤s7：将步骤s4提取出来的七个定量化特征参数导入至已经训练好的塌方预警模型中，对塌方风险进行判定。若判定结果为塌方，则把预测结果发送至声光报警装置，否则该次计算过程立即结束。
15、步骤s8：若声光报警装置接收到数据处理装置发送的塌方指令，该报警装置立即响应，蜂鸣器持续鸣叫和警报灯持续闪烁。
16、如上所述的步骤s5中采用高斯过程分类(gpc)的方法训练预警模型包括以下步骤：
17、步骤5.1选用高斯过程分类作为位移-微震同时空集成隧洞塌方预警模型，初始化位移-微震同时空集成监测隧洞塌方预警模型。输入某隧洞部分开挖段已有的监测数据作为样本数据，包括微震能量释放率(mser)、分形维数(dt)、主频和位移变化速率(xx、xy、xz、x总)。
18、步骤5.2本专利技术的协方差函数选择平方指数协方差函数。
19、步骤5.3训练gpc模型。从样本数据中划分出训练集和测试集，基于10折交叉验证的方法，将样本中的任意9个子集作为训练集，剩余1个子集作为验证集。赋予初始超参数，通过平方指数协方差函数对训练样本进行学习。
20、步骤5.4确定后验模型。通过极大化训练样本潜在函数f的对数似然函数，获得协方差函数的最优超参数，进而确定后验模型。
21、步骤5.5通过训练集训练预警模型，通过输入验证集得到预警模型的预测结果数据，将预测结果数据与验证集中的实际结果数据进行比较，并计算预测结果的准确率。
22、步骤5.6将上述预测结果准确率进行比较，若满足预期正确率则生成模型；若不满足，则随机重新划分训练集和测试集，重复步骤5.3本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.位移-微震同时空集成的隧洞塌方监测预警系统，其特征在于，包括传感器集成装置(100)、数据处理装置(200)和声光报警装置(300)；
2.根据权利要求1所述位移-微震同时空集成的隧洞塌方监测预警系统，其特征在于，所述的传感器集成装置(100)包括高精度三向位移传感器(101)、加速度型微震传感器(102)、螺栓连接器(103)、微震传感器固定装置(104)、数据传输电缆钢管套筒(105)、数据传输电缆(106)；
3.根据权利要求1所述位移-微震同时空集成的隧洞塌方监测预警系统，其特征在于，所述的传感器集成装置(100)安装装置及方法，包括以下步骤：螺栓连接器(103)的螺杆(103-2)与高精度三向位移传感器(101)连接，螺杆(103-1)与加速度型微震传感器螺母(102-1)连接；螺杆(103-1)外侧内置传输电缆，用于将高精度三向位移传感器(101)采集的位移数据传输至数据传输电缆(105)；将传感器集成装置(100)推送至围岩钻孔与导波管(107)紧密接触后，数据传输电缆钢管套筒(105)与加速度型微震传感器(102)通过内六边形嵌套，逆时
4.根据权利要求1所述位移-微震同时空集成的隧洞塌方监测预警系统，其特征在于，所述的数据处理装置(200)包括供电模块(201)、滤波模块(202)、特征参数计算模块(203)、数据储存模块(204)、预警模型计算模块(205)、输入接口(206)和输出接口(207)；供电模块(201)用于给该装置供电；滤波模块(202)用于剔除微震信号中非岩石破裂的环境噪声信号；特征参数计算模块(203)用于计算位移和微震的特征参数，包括微震能量释放率MSER、分形维数Dt、主频和位移变化速率(xx、xy、xz、x总)；数据储存模块(204)用于储存预警计算过程中的所有数据，其采用大容量储存设备；预警模型计算模块(205)通过嵌入已经训练好的GPC预警模型，输入三向位移变化速率和微震特征参数数据，对塌方风险进行预测。
5.位移-微震同时空集成的隧洞塌方监测预警方法，其特征在于，采用权利要求1到4任一项所述的位移-微震同时空集成的隧洞塌方监测预警系统；所述的方法包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的位移-微震同时空集成的隧洞塌方监测预警方法，其特征在于，选定微震能量释放率MSER、分形维数Dt、主频和位移变化速率xx、xy、xz、x总)七个定量指标，作为判定隧洞塌方风险预警的评价指标。
7.根据权利要求5所述的位移-微震同时空集成的隧洞塌方监测预警方法，其特征在于，步骤S5中采用高斯过程分类GPC的方法训练预警模型包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.位移-微震同时空集成的隧洞塌方监测预警系统，其特征在于，包括传感器集成装置(100)、数据处理装置(200)和声光报警装置(300)；
2.根据权利要求1所述位移-微震同时空集成的隧洞塌方监测预警系统，其特征在于，所述的传感器集成装置(100)包括高精度三向位移传感器(101)、加速度型微震传感器(102)、螺栓连接器(103)、微震传感器固定装置(104)、数据传输电缆钢管套筒(105)、数据传输电缆(106)；
3.根据权利要求1所述位移-微震同时空集成的隧洞塌方监测预警系统，其特征在于，所述的传感器集成装置(100)安装装置及方法，包括以下步骤：螺栓连接器(103)的螺杆(103-2)与高精度三向位移传感器(101)连接，螺杆(103-1)与加速度型微震传感器螺母(102-1)连接；螺杆(103-1)外侧内置传输电缆，用于将高精度三向位移传感器(101)采集的位移数据传输至数据传输电缆(105)；将传感器集成装置(100)推送至围岩钻孔与导波管(107)紧密接触后，数据传输电缆钢管套筒(105)与加速度型微震传感器(102)通过内六边形嵌套，逆时针旋转数据传输电缆钢管套筒(105)，使得螺杆(103-1)和螺母(102-1)紧密连接，微震传感器固定装置(104)向钻孔的四周张开，使得传感器集成装置(100)紧密固定在围岩钻孔内；安装完毕后对孔洞进行注浆封口，待浆液凝固后对高精度三向位移传感器(101)进行重置调零。
...【专利技术属性】
技术研发人员：蒋剑青，胡诗红，苏国韶，柳志灏，江鑫洋，刘福阳，农田汉，李仁杰，王立波，梁贤哲，秦秀芬，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。