利用傳感器網(wǎng)絡測量隧道拱形沉降的分析方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種利用傳感器網(wǎng)絡測量隧道拱形沉降的分析方法。
【背景技術】
[0002] 新建隧道施工開挖不可避免地會對周圍環(huán)境造成擾動與破壞，也肯定會引起隧道 周圍土體變形，進而引起隧道上方地面附近建筑物的傾斜、開裂乃至坍塌，產(chǎn)生一系列復雜 的環(huán)境巖土問題，例如鄰近粧基斷裂或產(chǎn)生較大沉降，既有隧道和地下管線斷裂、破損，道 路路面破損等等。
[0003] 隧道的施工建設，必然會擾動周圍地層引起地表沉降和變形，形成一定規(guī)模的沉 降槽，進而影響周邊的建(構)筑物。國內(nèi)外隧道施工研究十分廣泛，特別是在現(xiàn)場監(jiān)測、模 型試驗及數(shù)值模擬分析等方面的研究很多，但針對隧道沉降方面的研究僅限于施工監(jiān)測量 控和部分數(shù)值計算。對隧道沉降的測量方式基本上還是基于儀器的讀數(shù)，由于隧道各項數(shù) 據(jù)實時測量會造成海量數(shù)據(jù)的積累，傳統(tǒng)的處理方式是數(shù)據(jù)抽稀和按照時間片測量，對隧 道的未來整體的沉降及變化情況不能做出準確的預測，因此對突發(fā)事件的預警不足。
[0004] 隨著信息技術的進步，尤其是無線傳感器網(wǎng)絡的技術的進步，物聯(lián)網(wǎng)在人類和物 體之間建立了橋梁，引領了新的信息產(chǎn)業(yè)革命的浪潮，為人們?nèi)粘Ｉ顜砭薮蟮淖兓F(xiàn) 有的傳感器技術的進步使得對隧道的各種測量數(shù)據(jù)可以進行實時采集，例如拱頂沉降數(shù) 據(jù)、圍巖等級等。數(shù)據(jù)的實時采集帶來了海量的數(shù)據(jù)，為了對隧道未來的沉降進行預測分 析，需要研究基于傳感器實時采集大數(shù)據(jù)的分析技術。
[0005] 由于現(xiàn)有的隧道的數(shù)據(jù)的分析方式缺乏對隧道未來狀態(tài)的準確展望，不能精準預 測隧道未來沉降及展望隧道未來的狀態(tài)，這就不能對隧道的狀態(tài)進行準確的預警分析。因 此對隧道沉降進行精準的預測分析，成為本技術領域的技術人員亟需解決的一個問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明的主要目的在于解決現(xiàn)有技術的缺陷， 本發(fā)明提供一種利用傳感器網(wǎng)絡測量隧道拱形沉降的分析方法，通過對隧道傳感器采集數(shù) 據(jù)的建模分析未來隧道的動態(tài)變化，實現(xiàn)對隧道沉降的準確預測，能夠有效對隧道未來的 狀態(tài)進行及時的預警。
[0007] 本發(fā)明提供了一種利用傳感器網(wǎng)絡測量隧道拱形沉降的分析方法，包括以下步 驟：
[0008] S1:以傳感器采集隧道內(nèi)部機械波的數(shù)據(jù)為基礎，將隧道內(nèi)部的機械波的變化情 況進行波動模型建模，根據(jù)隧道內(nèi)部機械波的變化情況對隧道的各個參數(shù)進行分析，可推 導出隧道的整體諧波的變化模型；
[0009] S2:結合廣義預測控制，根據(jù)隧道內(nèi)部波形的變化，對隧道未來的變化狀態(tài)進行預 測；
[0010] S3:根據(jù)預測結果，可對隧道的關鍵點進行預警。
[0011] 可選的，所述步驟S1中波動模型的建立具體為：由于隧道的局部變化會引起隧道 的整體的變化，這點可以使用波動方程來描述隧道局部變化對整體變化的影響，推導出隧 道的整體諧波的變化模型，即
[0012] ^^ = Σ/；(.ν,〇, at 丫
[0013]其中，fi(x，t)可以標識隧道局部位置的波動，
[0014] 可以代表整個隧道整體的波動模型， dt
[0015] yi(t)為第 i 個測量量，fi(x，t)=fi(x，y(t))。
[0016] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果:本發(fā)明提供的利用傳感器網(wǎng)絡測量隧道拱形沉 降的分析方法，通過對隧道傳感器數(shù)據(jù)實時采集，使用大數(shù)據(jù)的分析和挖掘處理技術完成 對隧道狀態(tài)的展望，從而對隧道的未來狀態(tài)能夠準確預測，能實現(xiàn)及時預警。
【具體實施方式】
[0017] 下面將參照具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0018] 本發(fā)明實施例的一種利用傳感器網(wǎng)絡測量隧道拱形沉降的分析方法，通過對隧道 傳感器數(shù)據(jù)實時采集，使用大數(shù)據(jù)的分析和挖掘處理技術完成對隧道狀態(tài)的展望，從而對 隧道的未來狀態(tài)能夠準確預測，能實現(xiàn)及時預警，該過程包括三個過程，分別是節(jié)點屬性抽 取，屬性群簽名以及驗證:首先以傳感器采集的數(shù)據(jù)為基礎，將隧道的內(nèi)部的機械波的變化 情況進行建模。根據(jù)隧道內(nèi)部的波的情況對隧道的各個主要參數(shù)進行分析;其次，結合廣義 預測控制，根據(jù)隧道內(nèi)部波形的變化，對隧道未來的變化狀態(tài)進行展望;最后，根據(jù)預測結 果，對隧道的關鍵點進行預警。
[0019] 1、波動模型建立
[0020] 從物理學角度來看，隧道的局部變化會引起隧道的整體的變化，這點可以使用波 動方程來描述隧道局部變化對整體變化的影響，根據(jù)傳感器實時采集的隧道的局部應力、 波動、應變和位移變化可以推導出隧道的整體諧波的變化模型6(1，0可以標識隧道局部 位置的波動，^^可以代表整個隧道整體的波動模型，即： U
[0021] = Π ).
[0022] 設yi(t)為第i個測量量，那么就有;^(1，1:)=;^(1，7(1:))那么我們對;^(1，1:)在七+ Δ t時刻的泰勒展式如下： u(,J -I- Δ),? V,/) -I- 〇(Δ/,} ct 2 dr
[0023] 如果在數(shù)值模擬中，當由式（1)獲得了宏觀波動的關于時間的一階導數(shù)后，可以使 用下式得到局部變量： . 、.cu{x,t) At" cu(x,i) cu(xj-At)^ u(xJ + A) = u(x,t) + Ar \ + - ( ' - -^---) of 2 at at .(2)
[0024] 其演化方程的形式應為：
[0025] f(x + dAt,? At) - / ) = --[(fix, f) - // 7(.v, ^)J -l· AtSi(.\\ t) -\- ^-ctS；(xJ) ':' 2 (3)
[0026] 通過引入平衡態(tài)分布函數(shù)fieq(X，t)的隱函數(shù)，方程(3)式可以化為如下： fi(sx + αΑ? 5 ? + Α?)-β：(χ； ?) = 〇 - Θ/^ (χ, ?)] (1 - θ)/^1 (.τ, /)] r .. At2 、 +Δ/6/(λ*, /)4--? ?/(λ' /) 2 (5)
[0027]因此我們可以設： h{x，f) = J]eq ix,t) ^ 16)
[0028] 根據(jù)方程(6)式我們可以將方程(5)化為： Λ;(χ + ?νΔ/1，，+ Δ/1) - -丄[/"(.γ, 0 + f./廠 ' (λ·, /1) - ./廠' (xW
[0029] , T T fST + ^r-ctSl(x,r) 2 (7)
[0030] 對方程(7)的luU+dA^t+At)使用泰勒公式展開，方程(7)可以化為： Dihi + - D;h = - (In + - /； - /：· ) + Si + - ctSi (8 ) 2 XM T 2
[0031] 其中= ▽，對演化方程中的粒子分布函數(shù)hi(x，t)約和源項分布函數(shù)Si (X，t)做chapmanEnskog展開可以得到：
[0032] di'~€dt\ + s2dt2 C9) V = 6*Vi (10) hi = ^(0:) +sf^ + ￡2￡ft{2) --fp (ii) s = ^sf) (12) ( τ
[0033] 聯(lián)立方程(8) (9) (10) (11) (12)中，令Du = % + ，于是我們可以得到關于ε的 零階到二階的偏微分方程： 0(f): -丄(7:^-/^) = 0,即乜(。)=乜叫（13) τ 0{ει): (1--) Duf^ = ---/α' + 5,(η (14) τ ; τΑ?· 7 + Duf：1' τ 2 τ τΑ? 2 (15)
[0034]根據(jù)波動方程質(zhì)量守恒可得：
[0035] Σ-Α" =Χ./, =llt i i (16)
[0036] 聯(lián)立(2)和（13)可得：
[0037] Σ/：(〇) =?^^(，，) =??^φη>0 (18) ?· i
[0038] 于是我們根據(jù)方程(14)可得： Duf；11 = -ΓΔ? (] - ~)Dlf^] + TMDuSf] (