CN107144891A - 隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统及方法，该方法以隧道突涌水远程预测预警信息监控平台为硬件基础，以隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统为软件基础，通过现场采集位移、应力、渗压、温度、视电阻率和微震等前兆信息进行远距离传输，利用离差标准化、反正切函数、对数函数法和零‑均值法等方数理分析法进行融合分析，根据数据库自动分析监测数据结果并进行模式匹配，最后进行隧道突涌水灾害的预测预警，从而指导隧道施工的安全快速运行。本发明解决了隧道施工过程中，隧道突涌水预测预警难题，通过现场数据采集、计算机数据处理、系统模式判别，实现了在隧道施工过程中对隧道突涌水灾害的高效模式判别和有效预测预警。

Description

隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统以及方法

技术领域

本发明属于隧道及地下工程建设应用领域，具体指隧道施工过程中，隧道突涌水灾害前兆信息监测与融合预警系统及方法。

背景技术

随着交通工程建设的飞速发展和国家基础设施建设的重大需求，我国已成为世界上隧道工程数量最多、最复杂、发展最快的国家。由于隧道修建地区地质条件的复杂性，地下水成为了引发隧道施工过程灾害事故的最主要因素之一，隧道突涌水灾害由于其高突发性、强破坏性，往往造成重大的人员伤亡和财产损失，因此在隧道施工过程中，对隧道突涌水灾害进行有效的预测预警，成为了保障施工人员生命安全和国家财产的有效手段和重要需求。

因此，本发明提出了一种隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法，将其适用于隧道施工过程中，取得了较好的应用效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是隧道施工过程中，突涌水灾害前兆信息监测与灾害发生的预测和预警。通过隧道突涌水远程预测预警信息监测平台和隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统，建立了基于MATLAB数据库和专家案例库的高效的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法。与前人研究相比，该发明基于微型计算机进行界面操作，使用更为方便、计算更为精确，具有较好的应用前景。

本发明采用的技术方案如下：

本发明涉及一种隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统，包括一个监控平台，在所述的监控平台设有软件系统，所述的软件系统包括数据采集模块、数据处理模块、模式判别模块和融合预警模块；

所述的数据采集模块包括与数理处理模块相连的位移信息采集模块、应力信息采集模块、渗压信息采集模块、温度信息采集模块、视电阻率采集模块和微震信息采集模块；

所述的数据处理模块包括离差标准化模块、反正切函数模块、对数函数法模块和零-均值法模块；利用所述的四个模块对数据采集模块采集的信息进行处理；

所述的模式判别模块，包括主成分分析和因子分析；

所述的融合预警模块，包括预警前兆信息模块和信息监测预警模块；其中，所述的预警前兆信息模块，主要针对地质前兆信息、预报前兆信息和施工监测信息进行案例匹配和类型判识；所述的信息监测预警模块，通过不同的数据处理形成对隧道施工过程中的突涌水前兆信息进行融合分析和灾害发生预测预警。

进一步的，所述的主成分分析主要包括：标准化处理、相关系数矩阵、特征值和贡献程序。

进一步的，所述的因子分析主要包括：条件判识、因子参量、正交旋转和因子得分。

进一步的，以MATLAB函数库为计算平台编制的离差标准化模块、反正切函数模块、对数函数法模块和零-均值法模块。

进一步的，所述的信息监测预警模块，主要包含数据处理、数据挖掘、信息融合、实时修正和预测预警。

利用上述系统进行预警的方法，包括以下步骤：

步骤1在隧道施工现场利用传感器以及监控平台上的数据采集模块进行数据采集，包括位移、应力、渗压、温度、视电阻率和微震信息；

步骤2将步骤1采集的信息，传输至数据处理模块，进行数据处理；所述的数据处理模块利用离差标准化模块、反正切函数模块、对数函数法模块和零-均值法模块进行融合分析；

步骤3，通过模式判别模块对比数据库信息，进行基于监测数据结果的突涌水模式匹配，进而利用融合预警模块实现隧道突涌水灾害的预测预警。

进一步的，所述的预警前兆信息，主要基于专家案例库，使用者通过对比施工现场揭露的岩石产状和地下水情况，进行模式匹配，并且根据施工监测的水压、水质、钢拱架应力和位移等信息进行预警措施，并指导处理措施和应急预案。

进一步的，所述的信息监测预警，主要通过信息处理进行监测信息动态显示，通过数据挖掘进行预警阀值和突水概率计算，通过改进的D-S证据理论进行信息融合计算突水概率，通过实时修正计算实时突水概率，通过GM、ARM A或者Holt-Winters Model进行隧道突涌水的预测预警。

本发明的有益效果：

本发明研究了一种隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统以及方法，解决了隧道施工过程中，隧道突涌水预测预警难题，通过现场数据采集、计算机数据处理、系统模式判别，实现了在隧道施工过程中对隧道突涌水灾害的高效模式判别和有效预测预警。与前人研究相比，该发明基于微型计算机进行界面操作，操作更为方便、计算更为精确，具有较好的应用前景。

本发明方法以隧道突涌水远程预测预警信息监控平台为硬件基础，以隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统为软件基础，通过现场采集位移、应力、渗压、温度、视电阻率和微震等前兆信息进行远距离传输，以MATLAB函数库为计算平台，利用离差标准化、反正切函数、对数函数法和零-均值法等方数理分析法进行融合分析，根据数据库自动分析监测数据结果并进行模式匹配，最后进行隧道突涌水灾害的预测预警，从而指导隧道施工的安全快速运行。

所述的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法，首先，在隧道施工现场进行数据采集，包括位移、应力、渗压、温度、视电阻率和微震等信息；然后，将信息传输至服务器，通过运行隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统进行数据处理；随后，再利用以MATLAB函数库为计算平台编制的离差标准化、反正切函数、对数函数法和零-均值法等数理分析程序进行融合分析；最后，通过对比数据库信息，进行基于监测数据结果的突涌水模式匹配，进而实现隧道突涌水灾害的预测预警。

所述的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统，该系统以MATLAB函数库为计算分析平台，基于WINDOWS编制的可视化操作系统。该系统主要包含四大模块：数据采集模块、数据处理模块、模式判别模块和融合预警模块。

所述的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法，该方法基于现场采集的数据主要为：位移信息、应力信息、渗压信息、温度信息、视电阻率和微震信息等。

所述的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法，其特征在于：该方法对于数据处理的数理分析方法主要基于MATLAB函数库文件，形成了以下四种分析方法，分别为：离差标准化、反正切函数、对数函数法和零-均值法。

所述的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法，该方法主要基于MATLAB函数库文件，对数据进行深度处理，形成了两大分析类型：主成分分析和因子分析。其中，主成分分析主要包括：标准化处理、相关系数矩阵、特征值和贡献程序；因子分析主要包括：条件判识、因子参量、正交旋转和因子得分。

所述的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统，该方法融合预警基于数据库文件形成了两大预警模块，分别为预警前兆信息和信息监测预警。其中，预警前兆信息模块，主要针对地质前兆信息、预报前兆信息和施工监测信息进行案例匹配和类型判识；信息监测预警模块，主要包含数据处理、数据挖掘、信息融合、实时修正和预测预警，通过不同的数据处理形成对隧道施工过程中的突涌水前兆信息进行融合分析和灾害发生预测预警。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明提供的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法流程图。

图2为本发明提供的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法数据采集模块。

图3为本发明提供的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法数据处理模块。

图4为本发明提供的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法模式判别模块参数设定。

图5为本发明提供的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法模式判别模块。

图6为本发明提供的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法融合预警模块地质前兆信息。

图7为本发明提供的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法融合预警模块预报前兆信息。

图8为本发明提供的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法融合预警模块施工监测信息。

图9为本发明提供的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法融合预警模块数据处理。

图10为本发明提供的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法融合预警模块数据挖掘。

图11为本发明提供的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法融合预警模块信息融合。

图12为本发明提供的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法融合预警模块实时修正。

图13为本发明提供的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法融合预警模块地质预测预警。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在由于隧道修建地区地质条件的复杂性，地下水成为了引发隧道施工过程灾害事故的最主要因素之一，隧道突涌水灾害由于其高突发性、强破坏性，往往造成重大的人员伤亡和财产损失，因此在隧道施工过程中，对隧道突涌水灾害进行有效的预测预警，成为了保障施工人员生命安全和国家财产的有效手段和重要需求。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统以及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统，包括一个监控平台，在所述的监控平台设有软件系统；该系统以MATLAB函数库为计算分析平台，基于WINDOWS编制的可视化操作系统；

系统包括数据采集模块、数据处理模块、模式判别模块和融合预警模块。

所述的数据采集模块包括与数理处理模块相连的位移信息采集模块、应力信息采集模块、渗压信息采集模块、温度信息采集模块、视电阻率采集模块和微震信息采集模块；

所述的数据处理模块包括离差标准化模块、反正切函数模块、对数函数法模块和零-均值法模块；利用所述的四个模块对数据采集模块采集的信息进行处理；

所述的模式判别模块，包括主成分分析和因子分析；

所述的融合预警模块，包括预警前兆信息模块和信息监测预警模块；其中，所述的预警前兆信息模块，主要针对地质前兆信息、预报前兆信息和施工监测信息进行案例匹配和类型判识；所述的信息监测预警模块，通过不同的数据处理形成对隧道施工过程中的突涌水前兆信息进行融合分析和灾害发生预测预警。

进一步的，所述的主成分分析主要包括：标准化处理、相关系数矩阵、特征值和贡献程序。

进一步的，所述的因子分析主要包括：条件判识、因子参量、正交旋转和因子得分。

进一步的，以MATLAB函数库为计算平台编制的离差标准化模块、反正切函数模块、对数函数法模块和零-均值法模块。

进一步的，所述的信息监测预警模块，主要包含数据处理、数据挖掘、信息融合、实时修正和预测预警。

以下结合附图和具体实例对本发明进一步说明。

如图1所示，隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法，该方法以隧道突涌水远程预测预警信息监控平台为硬件基础，以隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统为软件基础，通过现场采集位移、应力、渗压、温度、视电阻率和微震等前兆信息进行远距离传输，以MATLAB函数库为计算平台，利用离差标准化、反正切函数、对数函数法和零-均值法等方数理分析法进行融合分析，根据数据库自动分析监测数据结果并进行模式匹配，最后进行隧道突涌水灾害的预测预警，从而指导隧道施工的安全快速运行；主要如下：

1）将装有隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统的微型计算机作为主站，联接隧道突涌水远程预测预警信息监控平台，接通电源，启动设备和操作系统。

2）数据采集模块，该方法需要采集有隧道施工现场数据有：位移信息、应力信息、渗压信息、温度信息、视电阻率和微震信息等。每条信息可由多个监测点同时进行采集，并且通过设置采集时间间隔，调节采集频率。

3）数据处理模块，该方法通过对采集到的位移、应力等信息，利用MATLAB函数库进行离差标准化、反正切函数、对数函数法和零-均值法等数理分析手段进行数据处理和分析。

4）模式判别模块，首先进行参数设定，即根据施工现场监测元件安装状态，合理选择需要进行分析的位移、应力、渗压、温度、视电阻率和微震等信息，及设定分析时间段。

5）模式差别模块，主要包含两大部分内容，一是主成分分析，二是因子分析。其中，主成分分析主要对所采集到的数据进行标准化处理、相关系数矩阵、特征值和贡献程序分析；子分析，则对所采集到的数据进行条件判识、因子参量、正交旋转和因子得分分析。

6）整合预警模块，主要包含两大部分内容，一是预警前兆信息，二是信息监测预警。其中，预警前兆信息，主要基于专家案例库，使用者通过对比施工现场揭露的岩石产状和地下水情况，进行模式匹配，并且根据施工监测的水压、水质、钢拱架应力和位移等信息进行预警措施，并指导处理措施和应急预案；信息监测预警，主要通过信息处理进行监测信息动态显示，通过数据挖掘进行预警阀值和突水概率计算，通过改进的D-S证据理论进行信息融合计算突水概率，通过实时修正计算实时突水概率等，通过GM、ARM A或者Holt-Winters Model进行隧道突涌水的预测预警。

所述的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法，首先，在隧道施工现场进行数据采集，包括位移、应力、渗压、温度、视电阻率和微震等信息；然后，将信息传输至服务器，通过运行隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统进行数据处理；随后，再利用以MATLAB函数库为计算平台编制的离差标准化、反正切函数、对数函数法和零-均值法等数理分析程序进行融合分析；最后，通过对比数据库信息，进行基于监测数据结果的突涌水模式匹配，进而实现隧道突涌水灾害的预测预警。

所述的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法，其特征在于：该方法基于现场采集的数据主要为：位移信息、应力信息、渗压信息、温度信息、视电阻率和微震信息等。

所述的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法，该方法对于数据处理的数理分析方法主要基于MATLAB函数库文件，形成了以下四种分析方法，分别为：离差标准化、反正切函数、对数函数法和零-均值法。

所述的隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法，该方法主要基于MATLAB函数库文件，对数据进行深度处理，形成了两大分析类型：主成分分析和因子分析。其中，主成分分析主要包括：标准化处理、相关系数矩阵、特征值和贡献程序；因子分析主要包括：条件判识、因子参量、正交旋转和因子得分。

如图2~13所示，具体的操作步骤如下：包括以下步骤：

1）如图2所示，数据采集模块，点击“设置”按键，选择合理的采集时间间隔，调节采集频率，选择每一类型采集信息的监测点，然后对隧道施工现场的位移信息、应力信息、渗压信息、温度信息、视电阻率和微震信息等进行采集，并显示其动态曲线。

2）如图3所示，数据处理模块，可选择的处理方法有：离差标准化、反正切函数、对数函数法和零-均值法，然后选择每一项监测信息的监测点，进行数据处理和数据导出等。

3）如图4所示，模式判别参数设定，通过该界面选择位移、应力、渗压、温度、视电阻率和微震信息的监测点，为下述的分析做准备。

4）如图5所示，模式判别主要包含两大部分：主成分分析和因子分析。其中，主成分分析又包含标准化处理、相关系数矩阵、特征值和贡献程度分析；因子分析又包含条件判识、因子参量、正交旋转和因子得分分析。通过该模块，对监测信息进行归类和判别。

5）如图6所示，融合预警地质前兆信息，在该界面中，通过施工现场揭露的岩石产状和地下水情况进行专家案例匹配，自动进行突涌水类型判识。

6）如图7所示，融合预警预报前兆信息，在该界面中，通过监测信息特征进行专家案例匹配，自动进行突涌水类型判识。

7）如图8所示，融合预警施工监测信息，在该界面中，通过施工现场水压、水质、钢拱架应力和位移等监测信息进行信息描述，系统自动识别致灾构造类型。

8）如图9所示，融合预警数据处理，在该界面中，通过选择不同监测点的位移、应力、渗压、温度、视电阻率和微震等信息进行动态过程显示。

9）如图10所示，融合预警数据挖掘，在该界面中，通过手动输入位移、应力、渗压、温度、视电阻率和微震信息，选择对应的预警阀值进行突水概率的自动计算。

10）如图11所示，融合预警信息融合，在该界面中，利用改进的D-S证据理论，自动计算突水概率。

11）如图12所示，融合预警实时修正，在该界面中，通过自动计算突水概率，手动填写支持概率和修正参数，系统将自动计算实时突水概率。

12）如图13所示，融合预警预测预警，在该界面中，通过选择GM、ARM A或者Holt-Winters Model预测方法，导入监测数据，设定预测数目，即可对隧道施工过程中突涌水灾害进行实时预测预警。

本发明研究了一种隧道突涌水前兆信息监测与融合预警方法，解决了隧道施工过程中，隧道突涌水预测预警难题，通过现场数据采集、计算机数据处理、系统模式判别，实现了在隧道施工过程中对隧道突涌水灾害的高效模式判别和有效预测预警。与前人研究相比，该发明基于微型计算机进行界面操作，操作更为方便、计算更为精确，具有较好的应用前景。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统，其特征在于，包括一个监控平台，在所述的监控平台设有软件系统，所述的软件系统包括数据采集模块、数据处理模块、模式判别模块和融合预警模块；

所述的数据采集模块包括与数理处理模块相连的位移信息采集模块、应力信息采集模块、渗压信息采集模块、温度信息采集模块、视电阻率采集模块和微震信息采集模块；

所述的数据处理模块包括离差标准化模块、反正切函数模块、对数函数法模块和零-均值法模块；利用所述的四个模块对数据采集模块采集的信息进行处理；

所述的模式判别模块，包括主成分分析和因子分析；

所述的融合预警模块，包括预警前兆信息模块和信息监测预警模块；其中，所述的预警前兆信息模块，主要针对地质前兆信息、预报前兆信息和施工监测信息进行案例匹配和类型判识；所述的信息监测预警模块，通过不同的数据处理形成对隧道施工过程中的突涌水前兆信息进行融合分析和灾害发生预测预警。

2.如权利要求1所述的一种隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统，其特征在于，所述的主成分分析主要包括：标准化处理、相关系数矩阵、特征值和贡献程序。

3.如权利要求1所述的一种隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统，其特征在于，所述的因子分析主要包括：条件判识、因子参量、正交旋转和因子得分。

4.如权利要求1所述的一种隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统，其特征在于，以MATLAB函数库为计算平台编制的离差标准化模块、反正切函数模块、对数函数法模块和零-均值法模块。

5.如权利要求1所述的一种隧道突涌水前兆信息监测与融合预警系统，其特征在于，所述的信息监测预警模块，主要包含数据处理、数据挖掘、信息融合、实时修正和预测预警。

6.利用权利要求1所述的系统进行预警的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1在隧道施工现场利用传感器以及监控平台上的数据采集模块进行数据采集，包括位移、应力、渗压、温度、视电阻率和微震信息；

步骤2将步骤1采集的信息，传输至数据处理模块，进行数据处理；所述的数据处理模块利用离差标准化模块、反正切函数模块、对数函数法模块和零-均值法模块进行融合分析；

步骤3，通过模式判别模块对比数据库信息，进行基于监测数据结果的突涌水模式匹配，进而利用融合预警模块实现隧道突涌水灾害的预测预警。

7.利用权利要求6所述的系统进行预警的方法，其特征在于，所述的预警前兆信息，主要基于专家案例库，使用者通过对比施工现场揭露的岩石产状和地下水情况，进行模式匹配，并且根据施工监测的水压、水质、钢拱架应力和位移等信息进行预警措施，并指导处理措施和应急预案。

8.利用权利要求6所述的系统进行预警的方法，其特征在于，所述的信息监测预警，主要通过信息处理进行监测信息动态显示，通过数据挖掘进行预警阀值和突水概率计算，通过改进的D-S证据理论进行信息融合计算突水概率，通过实时修正计算实时突水概率，通过GM、ARM A或者Holt-Winters Model进行隧道突涌水的预测预警。