CN116151628A - 隧道施工中地面沉降的监测与预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种隧道施工中地面沉降的监测与预警系统，包括：数据获取模块用于获取实时地面点云信息及多个地面监测点的实时三维坐标；数据处理模块用于校正实时地面点云信息；沉降确定模块用于基于校正后的实时地面点云信息及初始地面点云信息确定实时地面沉降；风险确定模块用于使用风险预测模型基于校正后的实时地面点云信息、多个历史时间点对应的校正后的地面点云信息、目标区域的地质信息集及多个未来时间点的施工参数集，确定多个未来时间点的沉降风险；风险提示模块用于在未来时间点的沉降风险大于预设沉降风险阈值，执行风险提示行为，具有提高地面沉降监测的精度，并对沉降风险进行提前预警的优点。
Description
技术领域
本发明涉及数据处理领域，特别涉及一种隧道施工中地面沉降的监测与预警系统。
背景技术
近年来，随着铁路、公路、城市轨道交通、水利等基础建设的发展，大直径盾构越来越多的运用到城市轨道交通中，因此，盾构法施工对地表既有建(构)筑物的影响也在各工程中日益突显，在盾构法施工过程中，总会不可避免的引起施工隧道周围土体的松动和沉陷，造成地层的损失，从而引起地表的沉降。当沉降超过一定范围时，会影响沿线建筑物的稳定，更严重的会使得隧道坍塌，造成无法估计的严重后果。如何在盾构施工过程中有效地控制地面沉降以保护隧道临近既有结构物和地下管线的安全，已成为城市地下工程中必须解决的重要课题。
目前绝大多数采用人工精密水准测量，其缺点是效率不高，获取监测数据的时间很长，需要花费大量人力、实时性差、数据滞后、数据不够全面，而且通常用单点来代表大面积区域的沉降情况，监测精度较差。
因此，需要提供一种隧道施工中地面沉降的监测与预警系统，用于提高地面沉降监测的精度，并对沉降风险进行提前预警。
发明内容
本发明提供一种隧道施工中地面沉降的监测与预警系统，所述系统包括：数据获取模块，用于在盾构机进行隧道施工的过程中，获取目标区域的实时地面点云信息及多个地面监测点的实时三维坐标；数据处理模块，用于通过多个地面监测点的实时三维坐标校正所述实时地面点云信息，获取校正后的实时地面点云信息；沉降确定模块，用于基于所述校正后的实时地面点云信息及初始地面点云信息，确定实时地面沉降；风险确定模块，用于使用风险预测模型基于所述校正后的实时地面点云信息、所述隧道施工的过程中的多个历史时间点对应的校正后的地面点云信息、所述目标区域的地质信息集及所述隧道施工的过程中的多个未来时间点的施工参数集，确定所述多个未来时间点的沉降风险；风险提示模块，用于在至少一个所述未来时间点的沉降风险大于预设沉降风险阈值，执行风险提示行为。
可选的，所述数据获取模块还用于获取所述目标区域的实时振动数据集，其中，所述实时振动数据集包括多个振动监测点的实时振动数据，所述多个振动监测点位于多个振动监测层，所述多个振动监测层分别位于地下的不同深度，每个所述振动监测层包括至少一个所述振动监测点。
可选的，所述数据处理模块通过多个地面监测点的实时三维坐标校正所述实时地面点云信息，获取校正后的实时地面点云信息，包括：通过所述实时振动数据集及多个地面监测点的实时三维坐标校正所述实时地面点云信息，获取校正后的实时地面点云信息。
可选的，所述数据处理模块通过所述实时振动数据集及多个地面监测点的实时三维坐标校正所述实时地面点云信息，获取校正后的实时地面点云信息，包括：对所述实时地面点云信息进行聚类，确定多个点云聚类簇；对于每个所述点云聚类簇，基于所述点云聚类簇的聚类中心的实时三维坐标及所述多个地面监测点的实时三维坐标，确定所述点云聚类簇对应的地面监测点，并确定每个所述地面监测点对应的点云聚类簇中的目标点，基于所述目标点的三维坐标及对应的地面监测点的实时三维坐标，确定所述点云聚类簇的坐标第一校正参数；对所述目标区域的实时振动数据集进行去噪，获取去噪后的实时振动数据集；对于每个所述点云聚类簇，基于所述去噪后的实时振动数据集、所述多个振动监测点的实时三维坐标及所述点云聚类簇的聚类中心的实时三维坐标，确定所述点云聚类簇的坐标第一校正参数；对于每个所述点云聚类簇，基于所述第一校正参数和所述第二校正参数，对所述点云聚类簇进行校正，获取校正后的点云聚类簇；基于每个所述点云聚类簇的聚类中心的校正后的实时三维坐标，对多个校正后的点云聚类簇进行拼接，生成所述校正后的实时地面点云信息。
可选的，所述对所述目标区域的实时振动数据集进行去噪，获取去噪后的实时振动数据集，包括：通过噪声确定模型基于实时施工参数集及所述多个振动监测层的地下深度信息，确定所述目标区域的实时振动数据集中的噪声数据；去除所述目标区域的实时振动数据集中的噪声数据，生成缺失形式的实时振动数据集；通过数据补全模型基于多个历史时间点的施工参数集、所述实时施工参数集及所述多个振动监测层的地下深度信息，对所述缺失形式的实时振动数据集进行数据补全，生成所述去噪后的实时振动数据集。
可选的，所述使用风险预测模型基于所述校正后的实时地面点云信息、所述隧道施工的过程中的多个历史时间点对应的校正后的地面点云信息、所述目标区域的地质信息集及所述隧道施工的过程中的多个未来时间点的施工参数集，确定所述多个未来时间点的沉降风险，包括：基于所述隧道施工的过程中的多个历史时间点对应的校正后的地面点云信息及所述校正后的实时地面点云信息，预测所述多个未来时间点的未来地面点云信息；基于所述目标区域的地质信息集及所述隧道施工的过程中的多个未来时间点的施工参数集，对所述多个未来时间点的未来地面点云信息进行校正，生成校正后的多个未来时间点的未来地面点云信息；基于所述校正后的多个未来时间点的未来地面点云信息及所述初始地面点云信息，确定所述多个未来时间点的沉降风险。
可选的，所述目标区域的地质信息集至少包括隧道顶部地质、隧道底部地质和/或地下水位；所述施工参数集至少包括隧道轴线深度、掘进距离、工作面压力、推进速度、俯仰角、盾尾注浆压力和/或盾尾注浆填充率。
可选的，所述数据获取模块获取目标区域的实时地面点云信息及多个地面监测点的实时三维坐标，包括：通过激光雷达扫描装置对所述目标区域的地面进行实时扫描，获取所述目标区域的实时地面点云信息，其中，所述激光雷达扫描装置包括激光雷达扫描仪及位置调整设备，所述激光雷达扫描仪设置在所述位置调整设备上，所述位置调整设备包括X轴调整组件、Y轴调整组件及Z轴调整组件，所述X轴调整组件、所述Y轴调整组件及所述Z轴调整组件分别用于调整所述激光雷达扫描仪的X轴坐标、Y轴坐标及Z轴坐标；通过多个全站仪获取所述多个地面监测点的实时三维坐标，其中，所述全站仪与所述地面监测点一一对应。
可选的，所述数据获取模块获取多个地面监测点的实时三维坐标，包括：使用蒙特卡罗模型生成多个监测方案，其中，每个所述监测方案包括所述多个地面监测点的候选二维坐标，任意两个所述监测方案中，存在至少一个所述地面监测点对应的候选二维坐标不同；通过准确度确定模型基于所述目标区域的地质信息集及所述隧道施工的过程中的多个时间点的施工参数集，预测每个所述监测方案与所述地面沉降的相关度；基于每个所述监测方案与所述地面沉降的相关度，从所述多个监测方案中确定目标监测方案；基于所述目标监测方案包括的多个地面监测点的候选二维坐标，获取所述多个地面监测点的实时三维坐标。
可选的，所述数据获取模块基于每个所述监测方案与所述地面沉降的相关度，从所述多个监测方案中确定目标监测方案，包括：将相关度最大的监测方案作为所述目标检测方案。
相比于现有技术，本发明提供的一种隧道施工中地面沉降的监测与预警系统，至少具备以下有益效果：
1、基于目标区域的实时地面点云信息而非某几个地面监测点的三维坐标，能够更加全面和准确地确定实时地面沉降，实现地面沉降的实时监测；
2、通过多个地面监测点的实时三维坐标对实时地面点云信息进行校正，能够校正实时地面点云信息的偏差信息，获取更加准确的实时地面点云信息，从而使得确定的实时地面沉降更加准确；
3、进一步结合多个振动监测层的多个振动监测点的实时振动数据及多个地面监测点的实时三维坐标，对实时地面点云信息进行校正，能够获取更加准确的实时地面点云信息，从而使得确定的实时地面沉降更加准确；
4、基于校正后的实时地面点云信息、隧道施工的过程中的多个历史时间点对应的校正后的地面点云信息、目标区域的地质信息集及隧道施工的过程中的多个未来时间点的施工参数集，实现对多个未来时间点的沉降风险的预测，在在至少一个未来时间点的沉降风险大于预设沉降风险阈值时，及时进行风险提示；
5、在对实时地面点云信息进行校正时，先对实时地面点云信息进行聚类，确定多个点云聚类簇，针对每个点云聚类簇进行校正，实现对实时地面点云信息更加细致地校正，能够获取更加准确的实时地面点云信息，从而使得确定的实时地面沉降更加准确。
附图说明
本发明将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：
图1是根据本发明提供的隧道施工中地面沉降的监测与预警系统的应用场景图；
图2是根据本发明提供的隧道施工中地面沉降的监测与预警系统的模块图；
图3是根据本发明提供的获取校正后的实时地面点云信息的流程图；
图4是根据本发明提供的获取去噪后的实时振动数据集的流程图；
图5是根据本发明提供的获取多个地面监测点的实时三维坐标的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本说明书实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本发明应用于其它类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
应当理解，本文使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。
如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。
本说明书中使用了流程图用来说明根据本说明书的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
图1是根据本发明提供的隧道施工中地面沉降的监测与预警系统的应用场景图，如图1所示，在一些实施例中，应用场景100可以包括处理设备110、网络120、用户终端130、存储设备140及数据获取设备150。应用场景100可以通过实施本说明书中披露的方法和/或过程自动进行隧道施工中地面沉降的监测与预警。
处理设备110可以用于处理来自应用场景100的至少一个组件或外部数据源（例如，云数据中心）的数据。例如，处理设备110可以基于校正后的实时地面点云信息及初始地面点云信息，确定实时地面沉降。又例如，处理设备110可以使用风险预测模型基于校正后的实时地面点云信息、隧道施工的过程中的多个历史时间点对应的校正后的地面点云信息、目标区域的地质信息集及隧道施工的过程中的多个未来时间点的施工参数集，确定多个未来时间点的沉降风险。又例如，处理设备110可以在至少一个未来时间点的沉降风险大于预设沉降风险阈值，执行风险提示行为。在一些实施例中，处理设备110可以是单个服务器或服务器组。处理设备110可以是本地的、远程的。
网络120可以包括提供能够促进应用场景100的信息和/或数据交换的任何合适的网络。在一些实施例中，应用场景100的一个或多个组件（例如，处理设备110、用户终端130、存储设备140和/或数据获取设备150之间可以通过网络120交换信息和/或数据。
在一些实施例中，网络120可以是有线网络或无线网络中的任意一种或多种。在一些实施例中，网络120可以包括一个或以上网络接入点。例如，网络120可以包括有线或无线网络接入点，例如，基站和/或网络交换点，通过这些网络接入点，应用场景100的一个或多个组件可连接到网络120以交换数据和/或信息。
用户终端130指用户（例如，施工人员等）所使用的一个或多个终端或软件。在一些实施例中，用户终端130可以包含但不限于智能电话、平板电脑、膝上型计算机、台式计算机等。在一些实施例中，用户终端130可以通过网络120与应用场景100中的其他组件交互。例如，用户终端130可以向处理设备110发送一个或多个控制指令，处理设备110可以根据该控制指令基于校正后的实时地面点云信息及初始地面点云信息，确定实时地面沉降。又例如，用户终端130可以向处理设备110在在至少一个未来时间点的沉降风险大于预设沉降风险阈值时发送的风险提示信息。
存储设备140可以用于存储数据、指令和/或任何其他信息。在一些实施例中，存储设备140可以存储从处理设备110、用户终端130和/或数据获取设备150等获得的数据和/或信息。例如，存储设备140可以存储前端组件库。在一些实施例中，存储设备140可包括大容量存储器、可移除存储器等或其任意组合。
数据获取设备150可以用于获取与地面沉降相关的数据。在一些实施例中，数据获取设备150可以包括用于获取目标区域的实时地面点云信息的激光雷达扫描装置和用于获取多个地面监测点的实时三维坐标的多个全站仪。在一些实施例中，数据获取设备150还可以包括多个振动传感器，多个振动传感器位于多个振动监测层。
应当注意应用场景100仅仅是为了说明的目的而提供的，并不意图限制本说明书的范围。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本说明书的描述，做出多种修改或变化。例如，应用场景100还可以包括一个或多个其他组件，或一个或多个上文所述的组件可以省略。然而，这些变化和修改不会背离本说明书的范围。
图2是根据本发明提供的隧道施工中地面沉降的监测与预警系统的模块图，如图2所示，隧道施工中地面沉降的监测与预警系统可以包括数据获取模块、数据处理模块、沉降确定模块、风险确定模块及风险提示模块。
数据获取模块可以用于在盾构机进行隧道施工的过程中，获取目标区域的实时地面点云信息及多个地面监测点的实时三维坐标。
在一些实施例中，数据获取模块可以包括用于获取目标区域的实时地面点云信息的激光雷达扫描装置和用于获取多个地面监测点的实时三维坐标的多个全站仪。通过激光雷达扫描装置对目标区域的地面进行实时扫描，获取目标区域的实时地面点云信息，其中，激光雷达扫描装置包括激光雷达扫描仪及位置调整设备，激光雷达扫描仪设置在位置调整设备上，位置调整设备包括X轴调整组件、Y轴调整组件及Z轴调整组件，X轴调整组件、Y轴调整组件及Z轴调整组件分别用于调整激光雷达扫描仪的X轴坐标、Y轴坐标及Z轴坐标。通过多个全站仪获取多个地面监测点的实时三维坐标，其中，全站仪与地面监测点一一对应。
在一些实施例中，数据获取模块还用于获取目标区域的实时振动数据集，其中，实时振动数据集包括多个振动监测点的实时振动数据，多个振动监测点位于多个振动监测层，多个振动监测层分别位于地下的不同深度，例如，地下5米设置有第一振动监测层，地下10米设置有第二振动监测层，地下15米设置有第二振动监测层，地下20米设置有第二振动监测层，地下25米设置有第二振动监测。每个振动监测层包括至少一个振动监测点。数据获取模块可以包括多个振动传感器，多个振动传感器位于多个振动监测层。
图5是根据本发明提供的获取多个地面监测点的实时三维坐标的流程图，如图5所示，在一些实施例中，数据获取模块获取多个地面监测点的实时三维坐标，包括：
使用蒙特卡罗模型生成多个监测方案，其中，每个监测方案包括多个地面监测点的候选二维坐标，任意两个监测方案中，存在至少一个地面监测点对应的候选二维坐标不同；例如，监测方案1可以包括6个地面监测点的候选二维坐标，监测方案2可以包括6个地面监测点的候选二维坐标，监测方案1和监测方案2中6个地面监测点中至少一个地面监测点的候选二维坐标不同，仅作为示例，监测方案1中地面监测点1的候选二维坐标和监测方案2中地面监测点1的候选二维坐标不同；
通过准确度确定模型基于目标区域的地质信息集及隧道施工的过程中的多个时间点的施工参数集，预测每个监测方案与地面沉降的相关度，其中，监测方案与地面沉降的相关度越高，基于该监测方案获取的多个地面监测点的振动数据更符合地面沉降的实际情况，准确度确定模型的输入可以包括监测方案、目标区域的地质信息集及隧道施工的过程中的多个时间点的施工参数集，准确度确定模型的输出可以包括该监测方案与地面沉降的相关度，准确度确定模型可以为卷积神经网络（CNN）、深度神经网络（DNN）、循环神经网络（RNN）、多层神经网络（MLP）、生成对抗神经网络（GAN）等一种或其任意组合；
基于每个监测方案与地面沉降的相关度，从多个监测方案中确定目标监测方案；
基于目标监测方案包括的多个地面监测点的候选二维坐标，获取多个地面监测点的实时三维坐标，即基于目标监测方案包括的多个地面监测点的候选二维坐标安装多个全站仪，安装好多个全站仪后，通过多个全站仪获取多个地面监测点的实时三维坐标。
在一些实施例中，数据获取模块可以将相关度最大的监测方案作为目标检测方案。
数据处理模块可以用于通过多个地面监测点的实时三维坐标校正实时地面点云信息，获取校正后的实时地面点云信息。
在一些实施例中，为了提高确定的地面沉降的准确度，数据处理模块可以通过实时振动数据集及多个地面监测点的实时三维坐标校正实时地面点云信息，获取校正后的实时地面点云信息。
图3是根据本发明提供的获取校正后的实时地面点云信息的流程图，如图3所示，在一些实施例中，数据处理模块通过实时振动数据集及多个地面监测点的实时三维坐标校正实时地面点云信息，获取校正后的实时地面点云信息，包括：
对实时地面点云信息进行聚类，确定多个点云聚类簇；
对于每个点云聚类簇，基于点云聚类簇的聚类中心的实时三维坐标及多个地面监测点的实时三维坐标，确定点云聚类簇对应的地面监测点，例如，点云聚类簇的聚类中心的实时三维坐标和某个地面监测点的三维坐标之间的坐标差值小于第一预设坐标差值时，该监测点基于该点云聚类簇对应的地面监测点，并确定每个地面监测点对应的点云聚类簇中的目标点，例如，点云聚类簇的某个点的实时三维坐标和该点云聚类簇对应的地面监测点的三维坐标之间的坐标差值小于第二预设坐标差值时，该点即为点云聚类簇中的目标点，其中，第二预设坐标差值小于第一预设坐标差值；
基于目标点的三维坐标及对应的地面监测点的实时三维坐标，确定点云聚类簇的坐标第一校正参数，例如，可以基于目标点的三维坐标及对应的地面监测点的实时三维坐标的差值，确定点云聚类簇的坐标第一校正参数；
对目标区域的实时振动数据集进行去噪，获取去噪后的实时振动数据集；
对于每个点云聚类簇，基于去噪后的实时振动数据集、多个振动监测点的实时三维坐标及点云聚类簇的聚类中心的实时三维坐标，确定点云聚类簇的坐标第二校正参数；
对于每个点云聚类簇，基于第一校正参数和第二校正参数，对点云聚类簇进行校正，获取校正后的点云聚类簇，例如，可以基于第一校正参数和第二校正参数的加权值确定最终校正参数，通过最终校正参数对点云聚类簇中的点的三维坐标进行校正；
基于每个点云聚类簇的聚类中心的校正后的实时三维坐标，对多个校正后的点云聚类簇进行拼接，生成校正后的实时地面点云信息。
图4是根据本发明提供的获取去噪后的实时振动数据集的流程图，如图4所示，在一些实施例中，数据处理模块对目标区域的实时振动数据集进行去噪，获取去噪后的实时振动数据集，包括：
通过噪声确定模型基于实时施工参数集及多个振动监测层的地下深度信息，确定目标区域的实时振动数据集中的噪声数据，噪声确定模型的输入可以包括实时施工参数集、多个振动监测层的地下深度信息及实时振动数据集，噪声确定模型的输出可以包括目标区域的实时振动数据集中的噪声数据，噪声确定模型可以为卷积神经网络（CNN）、深度神经网络（DNN）、循环神经网络（RNN）、多层神经网络（MLP）、生成对抗神经网络（GAN）等一种或其任意组合；
去除目标区域的实时振动数据集中的噪声数据，生成缺失形式的实时振动数据集；
通过数据补全模型基于多个历史时间点的施工参数集、实时施工参数集及多个振动监测层的地下深度信息，对缺失形式的实时振动数据集进行数据补全，生成去噪后的实时振动数据集。
在含缺失数据的情况下，缺失形式的实时振动数据集表示为
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列的元素。
在一些实施例中，数据补全模型可以基于对抗网络（Generative AdversarialNetwork，GAN）估计缺失形式的实时振动数据集的缺失数据集的分布实现数据补全。
沉降确定模块可以用于基于校正后的实时地面点云信息及初始地面点云信息，确定实时地面沉降，其中，初始地面点云信息可以为未进行隧道施工前的地面的点云信息。
例如，沉降确定模块可以基于校正后的实时地面点云信息及初始地面点云信息的差值，计算实时地面沉降。
风险确定模块可以用于使用风险预测模型基于校正后的实时地面点云信息、隧道施工的过程中的多个历史时间点对应的校正后的地面点云信息、目标区域的地质信息集及隧道施工的过程中的多个未来时间点的施工参数集，确定多个未来时间点的沉降风险。
在一些实施例中，目标区域的地质信息集至少包括隧道顶部地质、隧道底部地质和/或地下水位，施工参数集至少包括隧道轴线深度、掘进距离、工作面压力、推进速度、俯仰角、盾尾注浆压力和/或盾尾注浆填充率。
在一些实施例中，风险确定模块确定多个未来时间点的沉降风险，可以包括：
基于隧道施工的过程中的多个历史时间点对应的校正后的地面点云信息及校正后的实时地面点云信息，预测多个未来时间点的未来地面点云信息；
基于目标区域的地质信息集及隧道施工的过程中的多个未来时间点的施工参数集，对多个未来时间点的未来地面点云信息进行校正，生成校正后的多个未来时间点的未来地面点云信息；
基于校正后的多个未来时间点的未来地面点云信息及初始地面点云信息，确定多个未来时间点的沉降风险。
风险提示模块可以用于在至少一个未来时间点的沉降风险大于预设沉降风险阈值时，执行风险提示行为。
例如，在至少一个未来时间点的沉降风险大于预设沉降风险阈值时，风险提示模块可以发送风险提示信息至用户终端。
需要注意的是，以上对于隧道施工中地面沉降的监测与预警系统及其模块的描述，仅为描述方便，并不能把本说明书限制在所举实施例范围之内。可以理解，对于本领域的技术人员来说，在了解该系统的原理后，可能在不背离这一原理的情况下，对各个模块进行任意组合，或者构成子系统与其他模块连接。在一些实施例中，图2中披露的数据获取模块、数据处理模块、沉降确定模块、风险确定模块及风险提示模块可以是一个系统中的不同模块，也可以是一个模块实现上述的两个或两个以上模块的功能。例如，各个模块可以共用一个存储模块，各个模块也可以分别具有各自的存储模块。诸如此类的变形，均在本说明书的保护范围之内。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。
同时，本说明书使用了特定词语来描述本说明书的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本说明书至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本说明书的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
此外，除非权利要求中明确说明，本说明书所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本说明书流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本说明书实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。
同理，应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本说明书对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其他的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施例。
Claims (10)
1.隧道施工中地面沉降的监测与预警系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于在盾构机进行隧道施工的过程中，获取目标区域的实时地面点云信息及多个地面监测点的实时三维坐标；
数据处理模块，用于通过多个地面监测点的实时三维坐标校正所述实时地面点云信息，获取校正后的实时地面点云信息；
沉降确定模块，用于基于所述校正后的实时地面点云信息及初始地面点云信息，确定实时地面沉降；
风险确定模块，用于使用风险预测模型基于所述校正后的实时地面点云信息、所述隧道施工的过程中的多个历史时间点对应的校正后的地面点云信息、所述目标区域的地质信息集及所述隧道施工的过程中的多个未来时间点的施工参数集，确定所述多个未来时间点的沉降风险；
风险提示模块，用于在至少一个所述未来时间点的沉降风险大于预设沉降风险阈值时，执行风险提示行为。
2.根据权利要求1所述的隧道施工中地面沉降的监测与预警系统，其特征在于，所述数据获取模块还用于获取所述目标区域的实时振动数据集，其中，所述实时振动数据集包括多个振动监测点的实时振动数据，所述多个振动监测点位于多个振动监测层，所述多个振动监测层分别位于地下的不同深度，每个所述振动监测层包括至少一个所述振动监测点。
3.根据权利要求2所述的隧道施工中地面沉降的监测与预警系统，其特征在于，所述数据处理模块通过多个地面监测点的实时三维坐标校正所述实时地面点云信息，获取校正后的实时地面点云信息，包括：
通过所述实时振动数据集及多个地面监测点的实时三维坐标校正所述实时地面点云信息，获取校正后的实时地面点云信息。
4.根据权利要求3所述的隧道施工中地面沉降的监测与预警系统，其特征在于，所述数据处理模块通过所述实时振动数据集及多个地面监测点的实时三维坐标校正所述实时地面点云信息，获取校正后的实时地面点云信息，包括：
对所述实时地面点云信息进行聚类，确定多个点云聚类簇；
对于每个所述点云聚类簇，基于所述点云聚类簇的聚类中心的实时三维坐标及所述多个地面监测点的实时三维坐标，确定所述点云聚类簇对应的地面监测点，并确定每个所述地面监测点对应的点云聚类簇中的目标点，基于所述目标点的三维坐标及对应的地面监测点的实时三维坐标，确定所述点云聚类簇的坐标第一校正参数；
对所述目标区域的实时振动数据集进行去噪，获取去噪后的实时振动数据集；
对于每个所述点云聚类簇，基于所述去噪后的实时振动数据集、所述多个振动监测点的实时三维坐标及所述点云聚类簇的聚类中心的实时三维坐标，确定所述点云聚类簇的坐标第二校正参数；
对于每个所述点云聚类簇，基于所述第一校正参数和所述第二校正参数，对所述点云聚类簇进行校正，获取校正后的点云聚类簇；
基于每个所述点云聚类簇的聚类中心的校正后的实时三维坐标，对多个校正后的点云聚类簇进行拼接，生成所述校正后的实时地面点云信息。
5.根据权利要求4所述的隧道施工中地面沉降的监测与预警系统，其特征在于，所述对所述目标区域的实时振动数据集进行去噪，获取去噪后的实时振动数据集，包括：
通过噪声确定模型基于实时施工参数集及所述多个振动监测层的地下深度信息，确定所述目标区域的实时振动数据集中的噪声数据；
去除所述目标区域的实时振动数据集中的噪声数据，生成缺失形式的实时振动数据集；
通过数据补全模型基于多个历史时间点的施工参数集、所述实时施工参数集及所述多个振动监测层的地下深度信息，对所述缺失形式的实时振动数据集进行数据补全，生成所述去噪后的实时振动数据集。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的隧道施工中地面沉降的监测与预警系统，其特征在于，所述使用风险预测模型基于所述校正后的实时地面点云信息、所述隧道施工的过程中的多个历史时间点对应的校正后的地面点云信息、所述目标区域的地质信息集及所述隧道施工的过程中的多个未来时间点的施工参数集，确定所述多个未来时间点的沉降风险，包括：
基于所述隧道施工的过程中的多个历史时间点对应的校正后的地面点云信息及所述校正后的实时地面点云信息，预测所述多个未来时间点的未来地面点云信息；
基于所述目标区域的地质信息集及所述隧道施工的过程中的多个未来时间点的施工参数集，对所述多个未来时间点的未来地面点云信息进行校正，生成校正后的多个未来时间点的未来地面点云信息；
基于所述校正后的多个未来时间点的未来地面点云信息及所述初始地面点云信息，确定所述多个未来时间点的沉降风险。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的隧道施工中地面沉降的监测与预警系统，其特征在于，所述目标区域的地质信息集至少包括隧道顶部地质、隧道底部地质和/或地下水位；
所述施工参数集至少包括隧道轴线深度、掘进距离、工作面压力、推进速度、俯仰角、盾尾注浆压力和/或盾尾注浆填充率。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的隧道施工中地面沉降的监测与预警系统，其特征在于，所述数据获取模块获取目标区域的实时地面点云信息及多个地面监测点的实时三维坐标，包括：
通过激光雷达扫描装置对所述目标区域的地面进行实时扫描，获取所述目标区域的实时地面点云信息，其中，所述激光雷达扫描装置包括激光雷达扫描仪及位置调整设备，所述激光雷达扫描仪设置在所述位置调整设备上，所述位置调整设备包括X轴调整组件、Y轴调整组件及Z轴调整组件，所述X轴调整组件、所述Y轴调整组件及所述Z轴调整组件分别用于调整所述激光雷达扫描仪的X轴坐标、Y轴坐标及Z轴坐标；
通过多个全站仪获取所述多个地面监测点的实时三维坐标，其中，所述全站仪与所述地面监测点一一对应。
9.根据权利要求1-5任意一项所述的隧道施工中地面沉降的监测与预警系统，其特征在于，所述数据获取模块获取多个地面监测点的实时三维坐标，包括：
使用蒙特卡罗模型生成多个监测方案，其中，每个所述监测方案包括所述多个地面监测点的候选二维坐标，任意两个所述监测方案中，存在至少一个所述地面监测点对应的候选二维坐标不同；
通过准确度确定模型基于所述目标区域的地质信息集及所述隧道施工的过程中的多个时间点的施工参数集，预测每个所述监测方案与所述地面沉降的相关度；
基于每个所述监测方案与所述地面沉降的相关度，从所述多个监测方案中确定目标监测方案；
基于所述目标监测方案包括的多个地面监测点的候选二维坐标，获取所述多个地面监测点的实时三维坐标。
10.根据权利要求9所述的隧道施工中地面沉降的监测与预警系统，其特征在于，所述数据获取模块基于每个所述监测方案与所述地面沉降的相关度，从所述多个监测方案中确定目标监测方案，包括：
将相关度最大的监测方案作为所述目标检测方案。
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