CN115019825A - 面向地下隧道环境的声信道数字孪生方法、装置和系统 - Google Patents

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CN115019825A CN202210622389.8A CN202210622389A CN115019825A CN 115019825 A CN115019825 A CN 115019825A CN 202210622389 A CN202210622389 A CN 202210622389A CN 115019825 A CN115019825 A CN 115019825A
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Abstract

本发明公开了面向地下隧道环境的声信道数字孪生方法、装置和系统，根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定声信号传播模型；获取真实环境量测信号；基于地下电缆隧道建筑结构信息图建立三维建筑信息模型，建立建筑结构信息等效模型；基于建筑结构信息等效模型和声信号传播模型，获取播放的与真实环境量测信号相同的声信号，作为仿真环境量测信号；根据建筑结构信息等效模型，以及真实环境测量信号与仿真环境量测信号的插值形成最小二乘问题，迭代获得最优的建筑结构信息矩阵。本发明准确模拟了声场环境，为精确、实时的声音信道构建技术提供了新的思路。

Description

面向地下隧道环境的声信道数字孪生方法、装置和系统
技术领域
本发明涉及一种声学技术、5G通信和数字孪生技术，属于增强现实、传感器网络与计算机仿真技术领域，具体涉及面向地下隧道环境的声信道数字孪生方法和系统。
背景技术
电缆隧道是城市供电的大动脉，以地下电缆隧道为主进行城市之间输变电的架构不会改变。基于声信号的人员感知技术拥有技术完全自主、布设成本低廉等优势，然而地下电缆隧道等环境中，地形拓扑结构复杂、背景噪声幅值强，给传统的声学感知技术应用带来了巨大困难。传统针对地下电缆隧道的声学感知技术缺乏对环境信息的考量能力，在进行信号处理时往往出现巨大误差。
当前电缆隧道声信道环境监测技术依赖于分布式麦克风，通过均匀布设声信号采集器进行实现，具备较低程度的智能化；同时，通过声信号采集器回传的电缆隧道声信道数据往往没有通过校准，存在较大失真，仅能完成初级的设备健康状态监控工作，难以完成真实场景的声信道还原；同时，传统的分布时声信号采集器通过Profibus等总线协议与上位机软件进行交互、通信，实时性较差，不易对声信道环境的实时变化做出响应；同时，传统的分布式声信号采集器在空间位置上具备较大偏差，难以对基于声信号感知技术的人员状态、位置估计提供准确帮助。
因此，为了实现对环境信息的充分考量以实现高精度声学感知，亟需一种对地下电缆隧道复杂声信号环境进行数字孪生的方法。
发明内容
本发明旨在针对如何解决当前基于分布式麦克风的声信道感知技术存在量测偏差较大、信道反馈速度慢等问题，本提供一种面向地下隧道环境的高性能声信道数字孪生方法，以缓解现有的面向地下电缆隧道声信号感知模型缺乏真实环境信息量测的现状。
为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
第一方面，本发明提供了面向地下隧道环境的声信道数字孪生方法，其特征在于，包括：
获取声源的参数信息、声信号采集器的参数信息、声源位置、声源方向和声信号采集器位置，其中所述声源和声信号采集器设置于地下隧道中；
根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定声信号传播模型；获取真实环境量测信号，其中所述真实环境量测信号为在地下电缆隧道真实环境中利用声信号采集器获取的声源发出的声信号；基于地下电缆隧道建筑结构信息图建立三维建筑信息模型，基于三维建筑信息模型以及声源位置、方向以及声信号采集器位置，建立建筑结构信息等效模型；
基于所述建筑结构信息等效模型和声信号传播模型，获取播放的与真实环境量测信号相同的声信号，作为仿真环境量测信号；根据建筑结构信息等效模型，以及真实环境测量信号与仿真环境量测信号的插值形成最小二乘问题，迭代获得最优的建筑结构信息矩阵。
进一步地，根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定声信号传播模型，包括：根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定频响曲线模型，根据频响曲线模型确定室内冲激响应模型；基于频响曲线模型和室内冲激响应模型确定声信号传播模型；
其中室内冲激响应模型表示如下：
Figure RE-GDA0003771317940000031
其中s(t)为接收到的声信号，A(t)为时域加权函数，w为角频率，g(t)为声源上扬声器的冲激响应，y(t)为声源原始信号；
Figure RE-GDA0003771317940000032
表示信号初始相位；
声信号传播模型表示如下：
Figure RE-GDA0003771317940000033
其中x(t)表示声信号采集器所采集到的信号，下标l，r以及d 分别表示与视距路径，反射路径及散射路径相关的参数；αl表示视距路径的信道增益，αr表示反射路径的信道增益，αd表示散射路径的信道增益，τl表示视距路径的信道时延，τr表示反射路径的信道时延，τd表示散射路径的信道时延；ni表示视距路径的数量， nr表示反射路径的数量,nd表示散射路径的数量，Hl()表示视距路径的冲激响应，Hr()表示反射路径的冲激响应，Hd()表示散射路径的冲激响应。
再进一步地，利用以下表达式确定视距路径、反射路径和散射路径的冲激响应：
Hi(t)＝βigi(t)；
其中Hi(t)表示第i个传播路径下的冲击响应，gi(t)为利用室内冲激响应模型计算得到的第i个传播路径的冲激响应，βi为第i传播路径的吸声系数。
进一步地，建筑结构信息等效模型表示为B(S,β,T)，其中S为建筑结构真实环境尺寸信息，β为吸声系数，T为声信号采集器和声源的位置矩阵，T＝(ps(i),pr(i))，ps(i)为声源的绝对坐标，pr(i)为声信号采集器的绝对坐标，其中声源的绝对坐标和采集器的绝对坐标根据声源位置和方向、声信号采集器位置确定。
第二方面，本发明提供了面向地下隧道环境的声信道数字孪生装置，包括参数获取模块、模型建立模块、仿真模块以及迭代求解模块；
所述参数获取模块，用于获取声源的参数信息、声信号采集器的参数信息、声源位置、声源方向和声信号采集器位置，其中所述声源和声信号采集器设置于地下隧道中
所述模型建立模块，用于根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定声信号传播模型；获取真实环境量测信号，其中所述真实环境量测信号为在地下电缆隧道真实环境中利用声信号采集器获取的声源发出的声信号；基于地下电缆隧道建筑结构信息图建立三维建筑信息模型，基于三维建筑信息模型以及声源位置、方向以及声信号采集器位置，建立建筑结构信息等效模型；
所述仿真模块，用于基于所述建筑结构信息等效模型和声信号传播模型，获取播放的与真实环境量测信号相同的声信号，作为仿真环境量测信号；根据建筑结构信息等效模型，以及真实环境测量信号与仿真环境量测信号的插值形成最小二乘问题，迭代获得最优的建筑结构信息矩阵。
进一步地，所述模型建立模块根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定声信号传播模型，包括：根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定频响曲线模型，根据频响曲线模型确定室内冲激响应模型；基于频响曲线模型和室内冲激响应模型确定声信号传播模型；
其中室内冲激响应模型表示如下：
Figure RE-GDA0003771317940000051
其中s(t)为接收到的声源信号，A(t)为时域加权函数，w为角频率，g(t)为声源上扬声器的冲激响应，y(t)是声源原始信号；
Figure RE-GDA0003771317940000052
表示信号初始相位；
声信号传播模型表示如下：
Figure RE-GDA0003771317940000053
其中x(t)表示声信号采集器所采集到的信号，下标l，r以及d 分别表示与视距路径，反射路径及散射路径相关的参数；αl表示视距路径的信道增益，αr表示反射路径的信道增益，αd表示散射路径的信道增益，τl表示视距路径的信道时延，τr表示反射路径的信道时延，τd表示散射路径的信道时延；ni表示视距路径的数量， nr表示反射路径的数量,nd表示散射路径的数量，Hl()表示视距路径的冲激响应，Hr()表示反射路径的冲激响应，Hd()表示散射路径的冲激响应。
进一步地，所述模型建立模块利用以下表达式确定视距路径、反射路径和散射路径的冲激响应：
Hi(t)＝βigi(t)
其中Hi(t)表示第i个传播路径下的冲击响应，gi(t)为室内冲激响应模型计算得到的第i个传播路径的冲激响应，βi为第i传播路径的吸声系数。
进一步地，所述模型建立模块建立的建筑结构信息等效模型表示为B(S,β,T)，其中S为建筑结构真实环境尺寸信息，β为吸声系数，T为声信号采集器和声源的位置矩阵，T＝(ps(i),pr(i))，
ps(i)为声源的绝对坐标，pr(i)为声信号采集器的绝对坐标，声源的绝对坐标和采集器的绝对坐标根据声源位置和方向、声信号采集器位置确定。
第三方面，本发明还提供了面向地下隧道环境的声信道数字孪生系统，包括：如第二方面的技术方案任意一种可能的实施方式提供的面向地下隧道复杂环境的声信道数字孪生装置、声源、声信号采集器、三维调控云台以及控制器；
所述声信道数字孪生装置、声源、声信号采集器、三维调控云台均与控制器连接；
所述声源用于发出声信号；所述声源置于三维调控云台，所述三维调控云台用于控制声源的方向；
所述声信号采集器，用于在地下电缆隧道真实环境中获取声源发出的信号；
所述控制器用于获取声源的参数信息、声信号采集器的参数信息、声源位置、声源方向和声信号采集器位置，并将获取的数据传递给所述声信道数字孪生装置；
所述声信道数字孪生装置，用于根据控制器传递的数据获得最优的建筑结构信息矩阵。
进一步地，所述系统还包括激光雷达扫描装置，所述激光雷达扫描装置用于修正和验证电缆隧道三维模型对真实环境量测的数值误差。
本发明的有益效果在于：该发明基于通过构建声信号传播模型、三维建筑信息模型以及建筑结构信息等效模型，描述电缆隧道声信道在整个生命周期内的声信号传播状态，准确模拟了声场环境，为精确、实时的声音信道构建技术提供了新的思路。
通过根据建筑结构信息等效模型，以及真实环境测量信号与仿真环境量测信号的插值形成最小二乘问题，迭代获得最优的建筑结构信息矩阵，解决了现有声场减空环境声学参数失真严重、现场设备实时反馈能力差、缺乏自主声学调控能力等问题。本发明提供的数字孪生系统通过数字孪生技术以及电缆隧道巡检环境实现了云端可调控的智能化声场孪生，客服了现场声学量测费时费力、精确度低且模型修正困难的问题，提升了电缆隧道声学环境孪生的鲁棒性。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是地下电缆隧道声信道数字孪生方法的流程示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请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、本申请的一些方面相一致的方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请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。
实施例1
图1是地下电缆隧道声信道数字孪生方法的流程示意图；如图1 所示，本实施例提供了面向地下隧道环境的声信道数字孪生方法，包括：获取声源的参数信息、声信号采集器的参数信息、声源位置、声源方向和声信号采集器位置，其中所述声源和声信号采集器设置于地下隧道中；
根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定声信号传播模型；获取真实环境量测信号，其中所述真实环境量测信号为利用声信号采集器在地下电缆隧道真实环境中获取的声源发出的声信号；基于地下电缆隧道建筑结构信息图建立三维建筑信息模型，基于三维建筑信息模型以及声源位置和方向以及声信号采集器位置，建立建筑结构信息等效模型；
基于所述建筑结构信息等效模型和声信号传播模型，获取播放的与真实环境量测信号相同的声信号，作为仿真环境量测信号；根据建筑结构信息等效模型，以及真实环境测量信号与仿真环境量测信号的插值形成最小二乘问题，迭代获得最优的建筑结构信息矩阵。
具体实施例中，地下电缆隧道真实声信道环境处于由特定场景选择并进行数字化建设的电缆隧道，同时具备建造时的CAD图纸，提供了相关建筑材料信息。
声源是布设在电缆隧道真实环境中的定制化声源设备，包括由定制化的多角度扬声器，实现高精度、高灵敏度的声信号强度、相位调控。
信号采集器指由布设在电缆隧道真实环境中的定制化声信号采集设备。
本实施例中，根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定声信号传播模型，包括：根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定频响曲线模型，根据频响曲线模型确定室内冲激响应模型；基于频响曲线模型和室内冲激响应模型确定声信号传播模型；
其中室内冲激响应模型表示如下：
Figure RE-GDA0003771317940000101
其中s(t)为接收到的声源信号，A(t)为时域加权函数，w为角频率，g(t)为声源上扬声器的冲激响应，y(t)是声源的原始声信号，
Figure RE-GDA0003771317940000102
表示信号初始相位。
结合环境温度、湿度等参数确定权重系数，在此基础上建立声信号传播模型，即对于信号s(t)，认为所接收到的信号x(t)是许多具有不同增益及时延的声源信号成分的加权叠加和；
声信号传播模型表示如下：
Figure RE-GDA0003771317940000103
其中x(t)表示声信号采集器所采集到的信号，下标l，r以及d 分别表示与视距路径，反射路径及散射路径相关的参数；αl表示视距路径的信道增益，αr表示反射路径的信道增益，αd表示散射路径的信道增益，τl表示视距路径的信道时延，τr表示反射路径的信道时延，τd表示散射路径的信道时延；ni表示视距路径的数量， nr表示反射路径的数量,nd表示散射路径的数量，Hl()表示视距路径的冲激响应，Hr()表示反射路径的冲激响应，Hd()表示散射路径的冲激响应。
利用以下表达式确定视距路径、反射路径和散射路径的冲激响应：
Hi(t)＝βigi(t)；
其中Hi(t)表示第i个传播路径下的冲击响应，gi(t)为利用室内冲激响应模型计算得到的第i个传播路径的冲激响应，βi为第i传播路径的吸声反射系数，即βi为第i通道的吸声系数，即第i个通道的加权系数。
建筑结构信息等效模型表示为B(S,β,T)，其中S为建筑结构真实环境尺寸信息，β为吸声系数，T为声信号采集器和声源的位置矩阵，T＝(ps(i),pr(i))，ps(i)为声源的绝对坐标，pr(i)为声信号采集器的绝对坐标，其中声源的绝对坐标和采集器的绝对坐标根据声源位置和方向、声信号采集器位置确定。
本实施例中，获取地下电缆隧道建筑结构信息图，基于多边形组合法在仿真软件中建立三维建筑信息模型，基于射线追踪法和镜面反射原理，使用材料吸声系数、信号反射系数参数建立建筑结构信息等效模型。
建筑结构信息等效模型为真实建筑结构的映射，包含前文所述信号源位置和方向、采集器位置。一般情况下，建筑结构信息等效模型可以表示为B(S,β,T)：
其中，S真实环境尺寸信息，由CAD图获得，β为环境吸声反射系数，通过室内冲激响应模型计算。T为传声器和声源的位置矩阵，一般表示为：
T＝(ps(i),pr(i))；
其中，ps(i),pr(i)分别为声源，传声器的绝对坐标；其中声源的绝对坐标和采集器的绝对坐标根据声源位置和方向、声信号采集器位置确定。
真实环境的声源(包括扬声器)被布置在墙面上时，其二维坐标就会产生内在的约束，约束条件可以用建筑结构等效模型表示为：
B(S,β,T)；
在建筑结构信息等效模型中，基于建立的声信号传播模型，播放在建筑结构等效模型建立时布设的、与真实环境中相同的声信号s(t)，利用前文获得位置的声信号采集器进行采集，获得在仿真环境量测信号xs(t)：
Figure RE-GDA0003771317940000121
其中L为通道数量，
Figure RE-GDA0003771317940000122
表示信号相位变化，τi表示信号传播时延，
Figure RE-GDA0003771317940000123
表示信号初始相位，w表示信号角频率表示，t表示信号传播时间。
将建筑结构信息等效模型的声信号反射系数和材料吸声系数，以及真实环境测量信号与仿真环境量测信号的插值形成最小二乘问题，迭代获得最优的建筑结构信息矩阵。最小二乘问题中，由真实采集到的信号s(t)以及仿真测试得到的xs(t)构建优化矩阵 G(t)，其表达式为：
Figure RE-GDA0003771317940000131
其中T表示矩阵或者向量的转置，βi表示搭建仿真环境中的吸声系数、 Ai表示搭建仿真环境中的反射系数。
使用最小二乘公式计算时，βi满足的约束条件如下：
Figure RE-GDA0003771317940000132
约束条件G(t,β)＞0。
本申请本发明先通过真实量测获得了显示场景的相关参数，进一步通过数字孪生模型完成了真实比例建模。所建立的数字孪生模型不仅与真实的环境具备相同的拓扑结构，在通过最小二乘迭代之后收敛成为与真实环境有相应吸声系数、反射系数等能够描述环境材料性质的模型，真正实现了在特定环境中对声信号传播的完备仿真，对信号传播的全生命周期进行了模拟，实现了物理环境声信号环境的实时仿真、控制。
实施例2
与实施例1提供的本实施例提供了面向地下隧道环境的声信道数字孪生方法相对应地，本实施例提供了面向地下隧道环境的声信道数字孪生装置，包括参数获取模块、模型建立模块、仿真模块以及迭代求解模块；
所述参数获取模块，用于获取声源的参数信息、声信号采集器的参数信息、声源位置、声源方向和声信号采集器位置，其中所述声源和声信号采集器设置于地下隧道中
所述模型建立模块，用于根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定声信号传播模型；获取真实环境量测信号，其中所述真实环境量测信号为在地下电缆隧道真实环境中利用声信号采集器获取的声源发出的声信号；基于地下电缆隧道建筑结构信息图建立三维建筑信息模型，基于三维建筑信息模型以及声源位置、方向以及声信号采集器位置，建立建筑结构信息等效模型；
所述仿真模块，用于基于所述建筑结构信息等效模型和声信号传播模型，获取播放的与真实环境量测信号相同的声信号，作为仿真环境量测信号；根据建筑结构信息等效模型，以及真实环境测量信号与仿真环境量测信号的插值形成最小二乘问题，迭代获得最优的建筑结构信息矩阵。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和各模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
实施3
在以上实施例的基础上，本实施例提供了面向地下隧道环境的声信道数字孪生系统，包括：如以上实施例提供的面向地下隧道复杂环境的声信道数字孪生装置、声源、声信号采集器、三维调控云台以及控制器；
声信道数字孪生装置、声源、声信号采集器、三维调控云台均与控制器连接；
声源用于发出声信号；所述声源置于三维调控云台，所述三维调控云台用于控制声源的方向；
声信号采集器，用于在地下电缆隧道真实环境中获取声源发出的信号；
控制器用于获取声源的参数信息、声信号采集器的参数信息、声源位置、声源方向和声信号采集器位置，并将获取的数据传递给所述声信道数字孪生装置；
所述声信道数字孪生装置，用于根据控制器传递的数据获得最优的建筑结构信息矩阵。
可选地，所述声信道数字孪生系统采用5G通信网关进行通信传输。
可选地，三维调控云台由双自由度云台构成，用于调整定制化声源、声信号采集器的精确角度信息，可选地，接收控制器下发的角度控制指令实现在固定位置的精确调整声源和/或声信号采集器的角度。
可选地，控制器部署于云服务器中，或者控制器与云服务器间通过5G通信网关进行通信，所述的云服务器及数据库采用基于 MVC模型的Egg.js企业级框架，具有多进程管理和渐进式开发等特性，提供WebSocket、Web Worker等高度可扩展插件和MySQL 数据库通信接口，可以将电缆隧道环境、声源及声信号采集器位置及角度数据、三维调控云台信息等数据上传至数据后台，实现永久化存储并开放数据读取、路径计算、搜索服务等云端接口，对应的展示软件可调用接口读取数据做可视化分析。
在实施例3的基础上，具体实施例中可选地，系统还包括激光雷达扫描装置，激光雷达扫描装置通过16线激光进行电缆隧道的精确三维构图，用于修正、验证由电缆隧道CAD图确定的电缆隧道三维模型对真实环境量测的数值误差。
具体实施例中，实现三维建模的硬件工具及软件工具，硬件工具包括激光雷达扫描仪、三维云台；软件工具包括用于场景孪生建模的AutoCAD、3DsMax或MAYA、MATLAB2020a以及与之相关配套的库文件。
以上内容是结合具体的优选实施例方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明设计思路的前提下，还可进行若干简单的替换和更改，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书所涉及的保护范围。

Claims (10)

1.面向地下隧道环境的声信道数字孪生方法，其特征在于，包括：
获取声源的参数信息、声信号采集器的参数信息、声源位置、声源方向和声信号采集器位置，其中所述声源和声信号采集器设置于地下隧道中；
根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定声信号传播模型；获取真实环境量测信号，其中所述真实环境量测信号为在地下电缆隧道真实环境中利用声信号采集器获取的声源发出的声信号；基于地下电缆隧道建筑结构信息图建立三维建筑信息模型，基于三维建筑信息模型以及声源位置、方向以及声信号采集器位置，建立建筑结构信息等效模型；
基于所述建筑结构信息等效模型和声信号传播模型，获取播放的与真实环境量测信号相同的声信号，作为仿真环境量测信号；根据建筑结构信息等效模型，以及真实环境测量信号与仿真环境量测信号的插值形成最小二乘问题，迭代获得最优的建筑结构信息矩阵。
2.根据权利要求1所述的面向地下隧道环境的声信道数字孪生方法，其特征在于，根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定声信号传播模型，包括：根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定频响曲线模型，根据频响曲线模型确定室内冲激响应模型；基于频响曲线模型和室内冲激响应模型确定声信号传播模型；
其中室内冲激响应模型表示如下：
Figure FDA0003677324200000021
其中s(t)为接收到的声信号，A(t)为时域加权函数，w为角频率，g(t)为声源上扬声器的冲激响应，y(t)为声源原始信号；
Figure FDA0003677324200000022
表示信号初始相位；
声信号传播模型表示如下：
Figure FDA0003677324200000023
其中x(t)表示声信号采集器所采集到的信号，下标l，r以及d分别表示与视距路径，反射路径及散射路径相关的参数；αl表示视距路径的信道增益，αr表示反射路径的信道增益，αd表示散射路径的信道增益，τl表示视距路径的信道时延，τr表示反射路径的信道时延，τd表示散射路径的信道时延；ni表示视距路径的数量，nr表示反射路径的数量,nd表示散射路径的数量，Hl()表示视距路径的冲激响应，Hr()表示反射路径的冲激响应，Hd()表示散射路径的冲激响应。
3.根据权利要求2所述的面向地下隧道环境的声信道数字孪生方法，其特征在于，利用以下表达式确定视距路径、反射路径和散射路径的冲激响应：
Hi(t)＝βigi(t)
其中Hi(t)表示第i个传播路径下的冲击响应，gi(t)为利用室内冲激响应模型计算得到的第i个传播路径的冲激响应，βi为第i传播路径的吸声系数。
4.根据权利要求1所述的面向地下隧道环境的声信道数字孪生方法，其特征在于，建筑结构信息等效模型表示为B(S,β,T)，其中S为建筑结构真实环境尺寸信息，β为吸声系数，T为声信号采集器和声源的位置矩阵，T＝(ps(i),pr(i))，ps(i)为声源的绝对坐标，pr(i)为声信号采集器的绝对坐标，其中声源的绝对坐标和采集器的绝对坐标根据声源位置和方向、声信号采集器位置确定。
5.面向地下隧道环境的声信道数字孪生装置，其特征在于，包括参数获取模块、模型建立模块、仿真模块以及迭代求解模块；
所述参数获取模块，用于获取声源的参数信息、声信号采集器的参数信息、声源位置、声源方向和声信号采集器位置，其中所述声源和声信号采集器设置于地下隧道中
所述模型建立模块，用于根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定声信号传播模型；获取真实环境量测信号，其中所述真实环境量测信号为在地下电缆隧道真实环境中利用声信号采集器获取的声源发出的声信号；基于地下电缆隧道建筑结构信息图建立三维建筑信息模型，基于三维建筑信息模型以及声源位置、方向以及声信号采集器位置，建立建筑结构信息等效模型；
所述仿真模块，用于基于所述建筑结构信息等效模型和声信号传播模型，获取播放的与真实环境量测信号相同的声信号，作为仿真环境量测信号；根据建筑结构信息等效模型，以及真实环境测量信号与仿真环境量测信号的插值形成最小二乘问题，迭代获得最优的建筑结构信息矩阵。
6.根据权利要求5所述的面向地下隧道环境的声信道数字孪生装置，其特征在于，所述模型建立模块根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定声信号传播模型，包括：根据声源的参数信息和声信号采集器的参数信息确定频响曲线模型，根据频响曲线模型确定室内冲激响应模型；基于频响曲线模型和室内冲激响应模型确定声信号传播模型；
其中室内冲激响应模型表示如下：
Figure FDA0003677324200000041
其中s(t)为接收到的声源信号，A(t)为时域加权函数，w为角频率，g(t)为声源上扬声器的冲激响应，y(t)是声源原始信号；
Figure FDA0003677324200000042
表示信号初始相位；
声信号传播模型表示如下：
Figure FDA0003677324200000043
其中x(t)表示声信号采集器所采集到的信号，下标l，r以及d分别表示与视距路径，反射路径及散射路径相关的参数；αl表示视距路径的信道增益，αr表示反射路径的信道增益，αd表示散射路径的信道增益，τl表示视距路径的信道时延，τr表示反射路径的信道时延，τd表示散射路径的信道时延；ni表示视距路径的数量，nr表示反射路径的数量,nd表示散射路径的数量，Hl()表示视距路径的冲激响应，Hr()表示反射路径的冲激响应，Hd()表示散射路径的冲激响应。
7.根据权利要求6所述的面向地下隧道环境的声信道数字孪生装置，其特征在于，所述模型建立模块利用以下表达式确定视距路径、反射路径和散射路径的冲激响应：
Hi(t)＝βigi(t)
其中Hi(t)表示第i个传播路径下的冲击响应，gi(t)为室内冲激响应模型计算得到的第i个传播路径的冲激响应，βi为第i传播路径的吸声系数。
8.根据权利要求6所述的面向地下隧道环境的声信道数字孪生装置，其特征在于，所述模型建立模块建立的建筑结构信息等效模型表示为B(S,β,T)，其中S为建筑结构真实环境尺寸信息，β为吸声系数，T为声信号采集器和声源的位置矩阵，T＝(ps(i),pr(i))，
ps(i)为声源的绝对坐标，pr(i)为声信号采集器的绝对坐标，声源的绝对坐标和采集器的绝对坐标根据声源位置和方向、声信号采集器位置确定。
9.面向地下隧道环境的声信道数字孪生系统，其特征在于，包括：如权利要求5～8任一所述的面向地下隧道复杂环境的声信道数字孪生装置、声源、声信号采集器、三维调控云台以及控制器；
所述声信道数字孪生装置、声源、声信号采集器、三维调控云台均与控制器连接；
所述声源用于发出声信号；所述声源置于三维调控云台，所述三维调控云台用于控制声源的方向；
所述声信号采集器，用于在地下电缆隧道真实环境中获取声源发出的信号；
所述控制器用于获取声源的参数信息、声信号采集器的参数信息、声源位置、声源方向和声信号采集器位置，并将获取的数据传递给所述声信道数字孪生装置；
所述声信道数字孪生装置，用于根据控制器传递的数据获得最优的建筑结构信息矩阵。
10.根据权利要求9所述的面向地下隧道环境的声信道数字孪生系统，其特征在于，所述系统还包括激光雷达扫描装置，所述激光雷达扫描装置用于修正和验证电缆隧道三维模型对真实环境量测的数值误差。
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