CN113958369B - 一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测方法及其系统 - Google Patents

一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测方法及其系统，涉及隧道衬砌结构健康监测技术领域。本发明包括数据采集系统、数据库系统、数据处理系统、决策系统；数据采集系统包括围岩位移传感器、围岩压力传感器、地下水压传感器、衬砌结构应力传感器、二衬钢筋应力传感器、衬砌结构变形采集器；数据库系统包括数据传输云平台、数字孪生数据库、理论阈值数据库；数据处理系统包括数据分析平台；决策系统包括预警模块和评估模块。本发明通过对隧道衬砌结构受力与变形数据进行健康监测，通过数字孪生技术实时掌握隧道衬砌结构的健康状态，防止隧道衬砌结构受力破坏，保证隧道衬砌结构运营安全，提高隧道结构的稳定性与耐久性。

Description

一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测方法及其系统
技术领域
本发明属于隧道衬砌结构健康监测技术领域，特别是涉及一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测方法及其系统。
背景技术
由于隧道衬砌结构处于地下环境的特殊性，在长期运营过程中，将受到各种因素的影响，如地形地质条件，水文条件，气候条件、周边建筑环境等及设计、施工、运营过程等，最终导致在长期运营过程中出现不同类型的病害情况。隧道结构病害一旦产生，衬砌裂缝在长期荷载作用下将会继续扩展，降低了隧道衬砌结构承载力，最终导致隧道结构稳定性，极大地增加了隧道的安全运营风险，所以需要实时掌握隧道健康运行状态，确保隧道结构安全稳定。当前隧道结构健康监测数据采集与分析大多依靠人工作业，误差大、成本高、效率低，费力、耗时，且监测人员的安全得不到有效保证。
基于此，本专利介绍一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测系统，能自动实时监测隧道衬砌结构受力与变形数据，对监测数据进行处理分析，并为运营管理部门提供预警与评价，发生异常情况（或隧道结构病害）做出维修管养决策，延长隧道结构使用寿命。解决隧道衬砌结构健康监测技术落后的痛点，能够有效地推动隧道衬砌结构健康监测技术的发展。。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测方法及其系统，以解决现有的问题：前隧道结构健康监测数据采集与分析大多依靠人工作业，误差大、成本高、效率低，费力、耗时，且监测人员的安全得不到有效保证。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
根据隧道情况安装数据采集系统以及数据传输云平台；
收集类似地质条件的不同隧道的衬砌结构受力与变形数据，建立数字孪生数据库；
通过计算获得隧道衬砌结构受力与变形理论阈值，建立理论阈值数据库；
建立数据库分析平台，并将所述理论阈值输入到数据库分析平台；
通过数字孪生技术与理论计算分析，建立维修处治模块；
通过数据采集系统采集隧道衬砌结构受力与变形数据，并通过数据传输云平台将数据传输到数据库分析平台；
采集到的数据进入数据库分析平台，与数字孪生基础数据、理论阈值数据库进行对比分析，对其进行预警和评估，并通过维修处治模块，做出维修决策。
进一步地：所述数据采集系统包括有：围岩位移传感器、围岩压力传感器、地下水压传感器、衬砌结构应力传感器、二衬钢筋应力传感器、衬砌结构变形采集器。
进一步地：其中，通过数字孪生技术与理论计算分析，建立维修处治模块，主要包括：
通过在类似地质条件的不同隧道的相似变形和相似受力情况下，记录出相应的处理方案，记录处理结果良好的处理方案，形成所述维修处治模块。
一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测系统，所述系统包括有：
数据采集系统、数据库系统、数据处理系统、决策系统；
且所述数据采集系统包括有围岩位移传感器、围岩压力传感器、地下水压传感器、衬砌结构应力传感器、二衬钢筋应力传感器、衬砌结构变形采集器，分别用于采集隧道衬砌结构的围岩位移值、围岩压力值、地下水压值、衬砌结构应力值、二衬钢筋应力值、衬砌结构变形值；
所述数据库系统包括有数据传输云平台、数字孪生数据库、理论阈值数据库，所述数据传输云平台用于与数据采集系统的数据建立数据连接，所述数字孪生数据库用于储存类似地质条件的不同隧道的衬砌结构受力与变形数据，所述理论阈值数据库用于储存隧道衬砌结构受力与变形理论阈值；
所述数据处理系统包括有数据分析平台，用于将采集到的采集数据与数字孪生数据库、理论阈值数据库进行对比；
所述决策系统包括有预警模块和评估模块；用于通过数据分析平台的对比结果发出预警并进行评估。
进一步地：所述数据库系统还包括有扩展数据接口，以方便后期进行数据扩展。
进一步地：所述决策系统还包括有维修处治模块，用于根据通过数据分析平台的对比结果做出维修决策。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过建立数字孪生的隧道衬砌结构健康监测系统，运用了数字孪生技术建立隧道衬砌结构健康监测系统，工序简单，操作简便，能够有效地实时掌握隧道结构的健康运行状态，解决隧道衬砌结构健康监测技术落后的痛点，能够有效地推动隧道衬砌结构健康监测技术的发展，用本隧道衬砌结构健康监测系统，在长期隧道监测实验中，能够实时掌握隧道结构的健康状态，适用性能好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的是隧道衬砌结构及传感器安装示意图；
图2为本发明数字孪生的隧道衬砌结构健康监测系统示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、围岩；2、初期支护；3、二次衬砌；4、围岩位移传感器；5、围岩压力传感器；6、衬砌结构应力传感器；7、二衬钢筋应力传感器；8、衬砌结构变形采集器；9、地下水压传感器；10、数据传输云平台。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，现有的隧道衬砌结构包括有围岩1、初期支护2、二次衬砌3；
请参阅图1-2所示，本发明为一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测系统。
具体的，本发明方法的系统包括：
数据采集系统、数据库系统、数据处理系统、决策系统。
其中，所述数据采集系统包括有围岩位移传感器4、围岩压力传感器5、地下水压传感器9、衬砌结构应力传感器6、二衬钢筋应力传感器7、衬砌结构变形采集器8；
其具体安装位置可以参考如图1所示的安装位置，当然在实际运用过程中，也可以根据实际情况进行适当位置调整。
其中，所述数据库系统包括有数据传输云平台10、数字孪生数据库、理论阈值数据库，在一实施例中，还包括有一扩展数据接口，以方便后期进行数据扩展；
其中，所述数据处理系统包括有数据分析平台；用于将采集到的采集数据与数字孪生数据库、理论阈值数据库进行对比；
其中，所述决策系统包括有预警模块和评估模块、维修处治模块。
具体的，本发明通过以下方法步骤实现基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测系统。
第一步，安装数据采集系统和数据传输云平台10。
在此，数据采集系统应至少包括有围岩位移传感器4、围岩压力传感器5、地下水压传感器9、衬砌结构应力传感器6、二衬钢筋应力传感器7、衬砌结构变形采集器8；通过上述传感器的设置，分别可以用于采集隧道衬砌结构的围岩位移值、围岩压力值、地下水压值、衬砌结构应力值、二衬钢筋应力值、衬砌结构变形值
根据隧道实际情况安装上述的各种传感器，若为新建隧道，则可以预埋传感器到隧道围岩或衬砌结构中，或预留安装位置；若为已建成隧道，在不破坏结构的前提下，根据需求安装传感器。
各传感器的具体安装位置可以参考如图1所示的安装位置，当然在实际运用过程中，也可以根据实际情况进行适当位置调整。
第二步，建立基础数据库。
收集类似地质条件的不同隧道的衬砌结构受力与变形数据，建立数字孪生数据库，获得类似地质条件的隧道受力与变形特征值，为隧道健康监测分析提供数字孪生基础数据；同时，通过计算获得隧道衬砌结构受力与变形理论阈值，将理论阈值输入到数据库分析平台，建立理论阈值数据库，作为数据分析的理论基础数据。此外，预留拓展数据接口。
第三步，建立处治方案数据库。
通过数字孪生技术与理论计算分析，建立维修处治模块。
具体的，为通过在类似地质条件的不同隧道的相似变形和相似受力情况下，记录出相应的处理方案，如果处理结果良好则录入到所述维修处治模块中；
第四步，数据采集与传输。
通过数据采集系统采集隧道衬砌结构受力与变形数据，并利用互联网技术，通过数据传输云平台将数据传输到数据库分析平台。
第五步，数据分析处理。
采集数据进入数据库分析平台，与数字孪生基础数据、理论基础数据进行对比分析，对其进行预警和评估，并通过维修处治模块，做出维修决策。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
根据隧道情况安装数据采集系统以及数据传输云平台；
收集类似地质条件的不同隧道的衬砌结构受力与变形数据，建立数字孪生数据库；
通过计算获得隧道衬砌结构受力与变形理论阈值，建立理论阈值数据库；
建立数据库分析平台，并将所述理论阈值输入到数据库分析平台；
通过数字孪生技术与理论计算分析，建立维修处治模块；
通过数据采集系统采集隧道衬砌结构受力与变形数据，并通过数据传输云平台将数据传输到数据库分析平台；
采集到的数据进入数据库分析平台，与数字孪生基础数据、理论阈值数据库进行对比分析，对其进行预警和评估，并通过维修处治模块，做出维修决策；
所述数据采集系统包括有：围岩位移传感器、围岩压力传感器、地下水压传感器、衬砌结构应力传感器、二衬钢筋应力传感器、衬砌结构变形采集器。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测方法，其特征在于：其中，通过数字孪生技术与理论计算分析，建立维修处治模块，主要包括：
通过在类似地质条件的不同隧道的相似变形和相似受力情况下，记录出相应的处理方案，记录处理结果良好的处理方案，形成所述维修处治模块。
3.一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测系统，其特征在于：所述系统包括有：
数据采集系统、数据库系统、数据处理系统、决策系统；
且所述数据采集系统包括有围岩位移传感器、围岩压力传感器、地下水压传感器、衬砌结构应力传感器、二衬钢筋应力传感器、衬砌结构变形采集器，分别用于采集隧道衬砌结构的围岩位移值、围岩压力值、地下水压值、衬砌结构应力值、二衬钢筋应力值、衬砌结构变形值；
所述数据库系统包括有数据传输云平台、数字孪生数据库、理论阈值数据库，所述数据传输云平台用于与数据采集系统的数据建立数据连接，所述数字孪生数据库用于储存类似地质条件的不同隧道的衬砌结构受力与变形数据，所述理论阈值数据库用于储存隧道衬砌结构受力与变形理论阈值；
所述数据处理系统包括有数据分析平台，用于将采集到的采集数据与数字孪生数据库、理论阈值数据库进行对比；
所述决策系统包括有预警模块和评估模块；用于通过数据分析平台的对比结果发出预警并进行评估。
4.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测系统，其特征在于：所述数据库系统还包括有扩展数据接口，以方便后期进行数据扩展。
5.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测系统，其特征在于：所述决策系统还包括有维修处治模块，用于根据通过数据分析平台的对比结果做出维修决策。
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