CN113216982A - 隧道冻结智能端头及其应用方法、系统、设备、介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种隧道冻结智能端头及其应用方法、系统、设备、介质。隧道冻结智能端头，包括：端头主体，端头主体具有供回水通过的腔体；供液管，供液管贯穿端头主体的腔体；回水管，回水管的一端与端头主体的侧壁连接，且回水管与腔体连通；流量计，流量计设置于供液管上以监测供液管的流量；比例阀，比例阀设置于回水管上以控制回水管内流量。隧道冻结智能端头应用方法，包括：获取流量计监测的供液管的流量数据、回水管中的温度数据及各测温孔中的温度数据、以及隧道冻结面监控量测数据；利用ANN神经网络分析上述各数据后获得冻结效果，根据冻结效果调节比例阀以对流量进行调节。本发明还进一步提供一种隧道冻结智能端头应用系统、设备及介质。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工冻结技术领域，特别是涉及一种隧道冻结智能端头及其应用方法、系统、设备、介质。
背景技术
冻结法是采用人工制冷技术，制备低温冷媒，并利用管道循环泵将低温冷媒输送至地层内，将松散的软土冻结成具有一定强度和封水能力的冻土体，从而实现对地层的加固。目前人工冻结法广泛的用于隧道、矿井、综合管廊等地下工程的加固中。
冻结法的核心是施工于地层内的冻结器，其一般由冻结管、供液管以及冻结端头三部分组成，目前冻结器端头部分一般采用钢材焊接完成，施工完成后直接废弃，同时传统的冻结器不具备冷量的输送调节功能，难以有效实现制冷效果监测与控制，所以研发一种隧道冻结智能端头，并利用其具体应用方法解决上述技术问题，是十分必要的。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种隧道冻结智能端头及其应用方法、系统、设备、介质。
第一方面，本发明提供一种隧道冻结智能端头，包括：
端头主体，所述端头主体具有供回水通过的腔体；
供液管，所述供液管贯穿所述端头主体的腔体；
回水管，所述回水管的一端与所述端头主体的侧壁连接，且所述回水管与所述腔体连通；
流量计，所述流量计设置于所述供液管上以监测供液管的流量；
比例阀，所述比例阀设置于所述回水管上以控制回水管内流量。
上述技术方案在一种实施方式中，所述端头主体为圆筒状，所述端头主体与所述供液管共轴线；
所述回水管与所述端头主体的侧壁的夹角为45°，所述回水管的长度为20cm。
上述技术方案在一种实施方式中，所述冻结端头还包括连接法兰，所述连接法兰固定于所述端头主体的下端，且所述连接法兰套设于所述供液管上并将其固定；
所述供液管的上部伸出所述端头主体的上端至少15cm，所述供液管的下部伸出所述端头主体下端的所述连接法兰至少20cm。
上述技术方案在一种实施方式中，所述流量计为电磁流量计；
所述比例阀为电磁比例阀。
第二方面，本发明提供一种隧道冻结智能端头应用方法，包括：
获取流量计监测的供液管的流量数据、回水管中的温度数据及各测温孔中的温度数据、以及隧道冻结面监控量测数据；
利用ANN神经网络分析上述各数据后获得冻结效果，并根据冻结效果调节比例阀以对流量进行调节。
上述技术方案在一种实施方式中，所述获取流量计监测的供液管的流量数据、回水管中的温度数据及各测温孔中的温度数据、以及隧道冻结面监控量测数据之后包括，利用RS485通讯协议传输数据。
上述技术方案在一种实施方式中，所述利用ANN神经网络分析上述各数据后获得冻结效果，并根据冻结效果调节比例阀以对流量进行调节，包括：
提取流量数据与各测温点的温度变化的关系，并形成各测温点的温度变化与时间的对应关系，绘制各测温点的温度随时间变化的曲线；其中，所述各测温点包括回水管的测温点和测温孔的测温点；
将各测温点的温度映射至整体冻结壁，并形成在该流量数据下的冻结壁温度梯度图；
根据冻结壁温度梯度图中的温度变化趋势，若测温孔温度未达到设定温度，则控制比例阀提高通行流量；若测温孔温度达到设定温度，但温度尚不稳定，则控制比例阀提高通行流量；若测温孔温度达到设定稳定且温度稳定，则控制比例阀延续之前通行流量状态，直至冻结完毕。
第三方面，本发明还提供一种隧道冻结智能端头应用系统，包括：
数据获取端，配置用于获取流量计监测的供液管的流量数据、回水管中的温度数据及各测温孔中的温度数据、以及隧道冻结面监控量测数据；
分析控制端，配置用于利用ANN神经网络分析上述各数据后获得冻结效果，并根据冻结效果调节比例阀以对流量进行调节。
第四方面，本发明还提供一种设备，包括：
存储器，用于存储一个或多个程序；
处理器，用于运行所述存储器中存储的所述程序，以实现如上述任一项所述的隧道冻结智能端头应用方法。
第五方面，本发明还进一步提供一种计算机可读存储介质，其存储有至少一个程序，当所述程序被处理器执行时，实现如上述任一项所述的隧道冻结智能端头应用方法。
相对于现有技术，本发明的隧道冻结智能端头及其应用方法、系统、设备、介质具有智能化控制冻结流量的优点，在隧道建设冻结期间能够节省大量物力、人力，具有高效的经济效益。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明的隧道冻结智能端头优选结构的结构示意图。
图2是本发明的隧道冻结智能端头应用方法的示例性流程框图。
图3是步骤102的示例性流程框图。
图4是运用PSO算法输出冻结壁温度的示例性框图。
图5是本发明的隧道冻结智能端头应用系统的连接框图。
具体实施方式
在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于其构造进行定义的，它们是相对的概念。因此，有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。
以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的方法的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
请参阅图1，图1是本发明的隧道冻结智能端头优选结构的结构示意图。
第一方面，本发明提供一种隧道冻结智能端头，包括：
端头主体1，所述端头主体1具有供回水通过的腔体；
供液管2，所述供液管2贯穿所述端头主体1的腔体；
回水管3，所述回水管3的一端与所述端头主体1的侧壁连接，且所述回水管3与所述腔体连通；
流量计4，所述流量计4设置于所述供液管2上以监测供液管2的流量；
比例阀5，所述比例阀5设置于所述回水管3上以控制回水管3内流量，其可以用实时记录和调节盐水流量。
具体地，所述端头主体1为圆筒状，所述端头主体1与所述供液管2共轴线。
所述回水管3与所述端头主体1的侧壁的夹角为45°，所述回水管3的长度为20cm。
优选地，所述冻结端头还包括连接法兰6，所述连接法兰6固定于所述端头主体1的下端，且所述连接法兰6套设于所述供液管2上并将其固定。
所述供液管2的上部伸出所述端头主体1的上端至少15cm，所述供液管2的下部伸出所述端头主体1下端的所述连接法兰6至少20cm。
进一步，所述流量计4选用电磁流量计。
所述比例阀5选用电磁比例阀。
本发明的隧道冻结智能端头可以拆卸重复使用，其在冻结管钻进完毕，并打压合格后，割除打压试验装置，并在冻结管外露区域安装连接法兰6。
测量冻结管长度，并在供液管2下端，将供液管2与冻结管内的PE供液管2进行连接，连接后长度应小于所测量冻结管长度20cm。将连接有PE供液管2的冻结器下放至测量冻结管内，并将本发明的隧道冻结智能端头与冻结管本体法兰连接，并拧紧螺丝。对连接完成的冻结器进行打压试验，试验压力在0.8MPa条件下，半个小时压力下降不超过0.05MPa，后续15分钟压力不变，方为合格。
具体安装时，加工所述端头主体1与所述回水管3，焊接要求夹角45°，回水管3长度20cm。在所述端头主体1下方焊接连接法兰6，所述连接法兰6尺寸应与冻结管体对应法兰一致。在所述端头主体1中部安装所述供液管2，二者呈同心圆状态，并在所述端头主体1上端焊接连接，连接采用不小于5mm厚钢板。其中，所述供液管2的上部超过所述端头主体1的上端15cm，所述供液管2的下部伸出所述端头主体1下端的所述连接法兰6至少20cm。在所述供液管2顶部安装所述流量计4，二者之间采用法兰连接，所述流量计4远离所述供液管2一侧仍需预留不少于30cm直线过水通道。在所述回水管3外侧安装所述比例阀5，二者之间采用法兰连接。
冻结器安装完成后应于冻结管进行连接，并对其整体进行水压试验，试验压力在0.8MPa条件下半个小时压力下降不超过0.05MPa，后续15分钟压力不变，方为合格。使用过程中，所述流量计4和所述比例阀5及其相关附属设备均需接地。
请参阅图2，图2是本发明的隧道冻结智能端头应用方法的示例性流程框图。
第二方面，本发明提供一种隧道冻结智能端头应用方法，包括：
步骤101，获取流量计4监测的供液管2的流量数据、回水管3中的温度数据及各测温孔中的温度数据、以及隧道冻结面监控量测数据。
具体地，所述回水管3中的温度数据及各测温孔中的温度数据可以分别通过设置在回水管3的测温计和设置在各测温孔中的测温计实时监测获得。而隧道冻结面监控量测数据通过监测设备(如水准仪、经纬仪以及全站仪等)获取，其中，隧道冻结面监控量测数据包括隧道冻结面变形监测数据和地表变形监测数据。
上述步骤101，所述获取流量计4监测的供液管2的流量数据、回水管3中的温度数据及各测温孔中的温度数据、以及隧道冻结面监控量测数据之后包括，利用RS485通讯协议传输数据。
步骤102，利用ANN神经网络分析上述各数据后获得冻结效果，并根据冻结效果调节比例阀5以对流量进行调节。
首先，ANN(Artificial Neural Network)神经网络是以数学模型模拟神经元活动，是基于模仿大脑神经网络结构和功能而建立的一种信息处理系统。现在ANN神经网络应用已经深入各行业，使用ANN神经网络技术在隧道施工中也已有部分案例，本发明将ANN神经网络技术和流量计4监测的供液管2的流量数据、回水管3中的温度数据及各测温孔中的温度数据、以及隧道冻结面监控量测数据等数据结合，意在为冻结施工提供省时、省力的技术方案。
步骤102是为了获取与盐水流量相关的温度变化趋势，以此评价冻结效果，并确定盐水流量对温度梯度变化以及隧道冻结面监控量测数据的相关性，将其作为冻结效果的评价指标。
在获得冻结效果评价指标后，将最优指标对应的盐水流量数据指令通过RS485通讯协议发送至比例阀5中，控制盐水流量，使冻结效果到达理想效果。
请参阅图3，图3是步骤102的示例性流程框图。
优选地，上述步骤102，所述利用ANN神经网络分析上述各数据后获得冻结效果，并根据冻结效果调节比例阀5以对流量进行调节，包括：
步骤1021，提取流量数据与各测温点的温度变化的关系，并形成各测温点的温度变化与时间的对应关系，绘制各测温点的温度随时间变化的曲线；其中，所述各测温点包括回水管3的测温点和测温孔的测温点。
具体地，在步骤1021之前，提取数据的简单特征，即各数据间简单的关系特征，该特征主要是通过流量计4的盐水流量对测温点温度的影响。
步骤1022，将各测温点的温度映射至整体冻结壁，并形成在该流量数据下的冻结壁温度梯度图。
步骤1023，根据冻结壁温度梯度图中的温度变化趋势，若测温孔温度未达到设定温度，则控制比例阀5提高通行流量；若测温孔温度达到设定温度，但温度尚不稳定，则控制比例阀5提高通行流量；若测温孔温度达到设定稳定且温度稳定，则控制比例阀5延续之前通行流量状态，直至冻结完毕。
请进一步参阅图4，图4是运用PSO算法输出冻结壁温度的示例性框图。
绘制的各测点温度随时间变化的趋势后，利用PSO算法对数据库数据进行寻优，输出该流量下最优温度数据。
比如，如若在当前流量下，温度变化趋势减缓且温度尚未到达-25℃(设定温度)，则向比例阀5发出加大流量指令，继续观测温度变化；若温度达到-25℃，但温度尚不稳定，亦需要加大流量；若温度达到-25℃，且温度稳定，则持续该流量，直至冻结完毕。
一般认为，冻结壁温度梯度图中的温度变化趋势变化越大，测温孔温度越低，则冻结效果越好。
另外，可以在上述方法的基础上，增加隧道冻结面监控量测数据作为控制比例阀5的指标，比如，取隧道冻结面监控量测数据变化2mm/d为控制指标，将其作为当前冻结效果判定标准；若在当前流量下，隧道据冻结面沉降变化超过2mm/d，则根据需要加大冻结流量输入。
可以持续观测测温孔温度以及隧道冻结面监控量测数据，获得在理想效果下冻结面的隧道沉降及收敛数据，以对冻结效果做出可视化数据管理和监测。
请参阅图5，图5是本发明的隧道冻结智能端头应用系统的连接框图。
第三方面，本发明还提供一种隧道冻结智能端头应用系统，包括：
数据获取端，配置用于获取流量计4监测的供液管2的流量数据、回水管3中的温度数据及各测温孔中的温度数据、以及隧道冻结面监控量测数据；
分析控制端，配置用于利用ANN神经网络分析上述各数据后获得冻结效果，并根据冻结效果调节比例阀5以对流量进行调节。
具体实施时，数据获取端与分析控制端利用RS485通讯协议传输数据。另外，分析控制端与比例阀5通过RS485通讯协议传输数据，以使分析控制端实时调整比例阀5的开启程度，从而对盐水流量进行调节。
另外，分析控制端除了对上述数据进行分析外，还可以对这些数据及分析结果进行存储。
第四方面，本发明还提供一种设备，包括：
存储器，用于存储一个或多个程序；
处理器，用于运行所述存储器中存储的所述程序，以实现如所述的隧道冻结智能端头应用方法。
所述设备还可以优选地包括通信接口，所述通信接口用于与外部设备进行通信和数据交互传输。
需要说明的是，所述存储器可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(nonvolatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
在具体实现上，如果存储器、处理器及通信接口集成在一块芯片上，则存储器、处理器及通信接口可以通过内部接口完成相互间的通信。如果存储器、处理器和通信接口独立实现，则存储器、处理器和通信接口可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。
第五方面，本发明还进一步提供一种计算机可读存储介质，其存储有至少一个程序，当所述程序被处理器执行时，实现如所述的隧道冻结智能端头应用方法。
应当理解，所述计算机可读存储介质为可存储数据或程序的任何数据存储设备，所述数据或程序其后可由计算机系统读取。计算机可读存储介质的示例包括只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、HDD、DVD、磁带和光学数据存储设备等。计算机可读存储介质还可分布在网络耦接的计算机系统中使得计算机可读代码以分布式方式来存储和执行。
计算机可读存储介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、射频(Radio Frequency，RF)等，或者上述的任意合适的组合。
在一些实施方案中，计算机可读存储介质可以是非暂态的。
相对于现有技术，本发明的隧道冻结智能端头及其应用方法、系统、设备、介质具有智能化控制冻结流量的优点，在隧道建设冻结期间能够节省大量物力、人力，具有高效的经济效益。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种隧道冻结智能端头，其特征在于，包括：
端头主体，所述端头主体具有供回水通过的腔体；
供液管，所述供液管贯穿所述端头主体的腔体；
回水管，所述回水管的一端与所述端头主体的侧壁连接，且所述回水管与所述腔体连通；
流量计，所述流量计设置于所述供液管上以监测供液管的流量；
比例阀，所述比例阀设置于所述回水管上以控制回水管内流量。
2.根据权利要求1所述的隧道冻结智能端头，其特征在于：所述端头主体为圆筒状，所述端头主体与所述供液管共轴线；
所述回水管与所述端头主体的侧壁的夹角为45°，所述回水管的长度为20cm。
3.根据权利要求2所述的隧道冻结智能端头，其特征在于：所述冻结端头还包括连接法兰，所述连接法兰固定于所述端头主体的下端，且所述连接法兰套设于所述供液管上并将其固定；
所述供液管的上部伸出所述端头主体的上端至少15cm，所述供液管的下部伸出所述端头主体下端的所述连接法兰至少20cm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的隧道冻结智能端头，其特征在于：所述流量计为电磁流量计；
所述比例阀为电磁比例阀。
5.一种隧道冻结智能端头应用方法，其特征在于，包括：
获取流量计监测的供液管的流量数据、回水管中的温度数据及各测温孔中的温度数据、以及隧道冻结面监控量测数据；
利用ANN神经网络分析上述各数据后获得冻结效果，并根据冻结效果调节比例阀以对流量进行调节。
6.根据权利要求5所述的隧道冻结智能端头应用方法，其特征在于，所述获取流量计监测的供液管的流量数据、回水管中的温度数据及各测温孔中的温度数据、以及隧道冻结面监控量测数据之后包括，利用RS485通讯协议传输数据。
7.根据权利要求5所述的隧道冻结智能端头应用方法，其特征在于，所述利用ANN神经网络分析上述各数据后获得冻结效果，并根据冻结效果调节比例阀以对流量进行调节，包括：
提取流量数据与各测温点的温度变化的关系，并形成各测温点的温度变化与时间的对应关系，绘制各测温点的温度随时间变化的曲线；其中，所述各测温点包括回水管的测温点和测温孔的测温点；
将各测温点的温度映射至整体冻结壁，并形成在该流量数据下的冻结壁温度梯度图；
根据冻结壁温度梯度图中的温度变化趋势，若测温孔温度未达到设定温度，则控制比例阀提高通行流量；若测温孔温度达到设定温度，但温度尚不稳定，则控制比例阀提高通行流量；若测温孔温度达到设定稳定且温度稳定，则控制比例阀延续之前通行流量状态，直至冻结完毕。
8.一种隧道冻结智能端头应用系统，其特征在于，包括：
数据获取端，配置用于获取流量计监测的供液管的流量数据、回水管中的温度数据及各测温孔中的温度数据、以及隧道冻结面监控量测数据；
分析控制端，配置用于利用ANN神经网络分析上述各数据后获得冻结效果，并根据冻结效果调节比例阀以对流量进行调节。
9.一种设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储一个或多个程序；
处理器，用于运行所述存储器中存储的所述程序，以实现如权利要求5-7任一项所述的隧道冻结智能端头应用方法。
10.一种计算机可读存储介质，其存储有至少一个程序，其特征在于，当所述程序被处理器执行时，实现如权利要求5-7任一项所述的隧道冻结智能端头应用方法。
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