【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及岩溶隧道塌方预警，尤其涉及基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警方法、系统及设备。
技术介绍
1、随着隧道工程建设的快速发展，塌方作为隧道施工中常见且危害严重的地质灾害，一直是工程领域重点关注的问题。在岩溶隧道中，由于其特殊的地质结构，如溶洞、溶蚀裂隙等的存在，使得围岩稳定性更加复杂多变，塌方风险进一步增加。
2、传统的塌方预警方法多依赖于围岩变形监测，然而对于硬脆性围岩，塌方前变形量往往极小，导致这种基于变形监测的预警方式在很多情况下无法有效发挥作用。微震技术的出现为塌方预警提供了新的途径，微震是岩体裂纹产生、扩展和贯通过程中伴随的低能量弹性波或应力波，通过微震设备采集微震信号，能够追踪潜在塌方体从微破裂至宏观失稳的全过程，从而实现预警。
3、但是，在利用微震多前兆特征进行岩溶隧道塌方预警时，面临着诸多技术难题。其中一个突出的问题是微震多特征参数的有效处理与综合分析。微震信号包含了丰富的信息，如震源位置、震级、频率、波形特征等多个特征参数，这些参数之间相互关联且具有高度的非线性关系。目前的分析方法难以充分挖掘这些参数之间的内在联系，无法准确地从复杂的微震数据中提取出与塌方密切相关的关键特征信息。例如，不同的岩溶地质条件下，微震特征参数的变化规律不同，如何准确地识别这些差异并建立适应性的预警模型是一大挑战。
4、此外，在实际工程中，隧道围岩的力学特性、施工扰动因素都会对微震特征产生影响，使得微震数据存在大量的噪声干扰，进一步增加了准确提取有效预警信息的难度。现有的数据处理技术在
5、综上所述，本申请提出基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警方法、系统及设备。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对
技术介绍
中存在岩溶隧道塌方预警的准确性较低的问题，提出基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警方法、系统及设备。
2、第一方面，本专利技术提供一种基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警方法，包括以下步骤：
3、多尺度微震监测网络构建：依据岩溶隧道地质状况构建包含浅层、中层、深层不同类型传感器且在关键部位增设补充阵列的多尺度监测网络，并通过低功耗蓝牙与z i gbee混合通信的无线自组网系统传输数据；
4、多模态微震特征处理：针对采集到的微震信号，进行时域特征分析、短时傅里叶变换频域分析、希尔伯特-黄变换构建时频联合特征矩阵以及波形形态特征挖掘，再采用多模态深度信念网络将时域-频域联合特征和波形形态特征深度融合；
5、量子神经网络预警模型搭建：利用量子比特对融合后的微震多模态特征进行编码以构建量子特征向量，构建具有量子纠缠门和量子旋转门构建隐藏层结构的量子神经网络，以该量子特征向量为输入，塌方预警结果为输出，采用量子反向传播算法训练模型，达成基于量子计算的智能预警功能；
6、自适应预警与风险评估：运用卡尔曼滤波算法对微震特征数据滤波预测并依此动态调整预警阈值，同时结合施工进度、支护情况和地质条件变化因素通过模糊逻辑推理系统修正阈值；采用层次分析法确定微震特征、地质强度指标、地下水水位变化、施工爆破振动多因素权重，运用模糊综合评价法综合评估隧道塌方风险。
7、可选的，所述多尺度微震监测网络构建，具体包括以下步骤：
8、依据岩溶隧道的地质预测模型，将隧道围岩划分为浅层、中层和深层三个监测层次，在浅层采用高分辨率的压电式传感器，间距为3-5米呈环形分布于隧道壁周围；
9、中层使用电磁感应式微震传感器，以梅花形布置，间距5-8米；深层布置光纤光栅微震传感器，沿隧道轴向每隔10-15米布置一个监测点；
10、同时在岩溶发育密集区和断层破碎带关键部位额外增设微型加速度传感器阵列；
11、构建采用低功耗蓝牙和zigbee混合通信技术的无线自组网传输系统，根据传感器节点与数据处理中心的距离及信号干扰情况智能切换通信模式传输传感器数据至数据处理中心；
12、浅层压电式传感器的灵敏度高达spz(单位：v/(m/s2))，且传感器间距d1依据隧道半径r和围岩特性设置为d1＝3+0.2r(米)；
13、中层电磁感应式微震传感器的间距d2＝5+0.3r(米)；
14、深层光纤光栅微震传感器的间距d3＝10+0.5r(米)。
15、可选的，所述多模态微震特征提取与融合具体包括以下步骤：对采集到的微震信号进行时域特征分析，计算峰值振幅、持续时间、上升时间和脉冲计数参数，运用短时傅里叶变换进行频域分析获取频谱图并提取主频、频带宽度、频谱重心等频域特征，采用希尔伯特-黄变换分解微震信号得到本征模函数并计算其瞬时频率和瞬时振幅构建时频联合特征矩阵，深入分析微震波形的凹凸性、对称性、陡峭度等几何特征参数，采用多模态深度信念网络对时域-频域联合特征和波形形态特征进行融合；
16、时域特征分析时，峰值振幅ap＝max|s(t)|，持续时间td＝tend-tstart，其中，tstart为微震信号首次超过阈值at根据背景噪声确定的时间，tend为微震信号最后一次超过阈值的时间，上升时间tr＝tpeak-tstart，其中，tpeak为微震信号达到峰值的时间，脉冲计数：
17、
18、其中，p(i)为判断微震信号脉冲的函数，当信号斜率变化率超过kp时p(i)＝1，否则p(i)＝0，n为信号采样点数；
19、短时傅里叶变换设窗函数为w(t)，窗长为tw，则：
20、
21、其中，t是时间，f是频率；
22、主频：
23、
24、频带宽度：
25、bw＝fmax-fmin
26、其中，fmax和fmin分别为频谱中能量大于某一阈值ef根据信号能量分布确定的最大和最小频率，频谱重心：
27、
28、可选的，所述多模态微震特征提取与融合中，希尔伯特-黄变换得到本征模函数，瞬时频率：
29、
30、其中，ci(t)是本征模函数；
31、瞬时振幅：
32、
33、波形形态特征挖掘时，凹凸性的正负性判断波形凹凸性，若c>0为凹，c<0为凸，对称性：
34、
35、其中，t0为波形的中点时间，t为半波形时间宽度，陡峭度的变化率评估陡峭度，计算k在峰值附近的斜率变化情况；
36、多模态深度信念网络由多个受限玻尔兹曼机堆叠而成，第l层rbm的可见层单元数为隐藏层单元数为可见层状态向量为隐藏层状态向量为能量函数为：
37、
38、其中，为连接权重，为可见层偏置，为隐藏层偏置；
39、参数更新公式：
40、
41、其中，∈为学习率。
42、可选的，基于量本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警方法，其特征在于，所述多尺度微震监测网络构建，具体包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警方法，其特征在于，所述多模态微震特征提取与融合具体包括以下步骤：对采集到的微震信号进行时域特征分析，计算峰值振幅、持续时间、上升时间和脉冲计数参数，运用短时傅里叶变换进行频域分析获取频谱图并提取主频、频带宽度、频谱重心等频域特征，采用希尔伯特-黄变换分解微震信号得到本征模函数并计算其瞬时频率和瞬时振幅构建时频联合特征矩阵，深入分析微震波形的凹凸性、对称性、陡峭度等几何特征参数，采用多模态深度信念网络对时域-频域联合特征和波形形态特征进行融合；
4.根据权利要求3所述的基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警方法，其特征在于，所述多模态微震特征提取与融合中，希尔伯特-黄变换得到本征模函数，瞬时频率：
5.根据权利要求1所述的基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警
6.根据权利要求1所述的基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警方法，其特征在于，所述自适应预警阈值动态调整与风险评估具体包括以下步骤：采用卡尔曼滤波算法对微震特征数据进行实时滤波和预测，根据预测值的变化趋势和不确定性估计动态调整预警阈值，结合隧道内施工进度、支护情况和地质条件变化因素通过模糊逻辑推理系统对预警阈值进行修正；构建多因素的岩溶隧道塌方风险评估体系，采用层次分析法确定微震特征、隧道围岩的地质强度指标、地下水水位变化、施工爆破振动因素的权重，运用模糊综合评价法对隧道的塌方风险进行综合评估；
7.根据权利要求6所述的基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警方法，其特征在于，所述自适应预警阈值动态调整与风险评估中，层次分析法确定权重时，设判断矩阵A＝(aij)，其中，aij表示因素i相对于因素j的重要程度，先计算A每行元素的乘积：
8.基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警系统，其特征在于，包括：
9.基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警设备，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警方法，其特征在于，所述多尺度微震监测网络构建，具体包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警方法，其特征在于，所述多模态微震特征提取与融合具体包括以下步骤：对采集到的微震信号进行时域特征分析，计算峰值振幅、持续时间、上升时间和脉冲计数参数，运用短时傅里叶变换进行频域分析获取频谱图并提取主频、频带宽度、频谱重心等频域特征，采用希尔伯特-黄变换分解微震信号得到本征模函数并计算其瞬时频率和瞬时振幅构建时频联合特征矩阵，深入分析微震波形的凹凸性、对称性、陡峭度等几何特征参数，采用多模态深度信念网络对时域-频域联合特征和波形形态特征进行融合；
4.根据权利要求3所述的基于微震多前兆特征的岩溶隧道塌方智能预警方法，其特征在于，所述多模态微震特征提取与融合中，希尔伯特-黄变换得到本征模函数，瞬时频率：
5.根据权利要求1所述的基于微震多前兆特征的...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡小川，孙风伯，朱淳，刘俊，郑志，廖满平，王亚宁，
申请(专利权)人：中建二局土木工程集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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