基于平行螺旋传输线的岩土变形位置分布测量模型的建立方法与流程

本发明涉及岩土变形测试
技术领域：
，尤其涉及基于平行螺旋传输线的岩土变形位置分布测量模型的建立方法。
背景技术：
：我国是地质灾害多发国家，频繁的地质灾害给人民群众生命财产造成了严重伤害和巨大损失。山体滑坡、地面沉降等地质运动引起的局部岩土变形是一种重要的灾害前兆现象，准确定位岩土变形位置对于我国地质灾害的防治工作具有重要意义。国内外学者对于岩土表面形变位置的监测作了大量工作，监测手段主要有以下几类：(1)GPS技术与全站仪观测技术。这类技术通过在岩土表面大量布点，测量三维坐标变化从而得到岩土变形位置，但是由于布点成本昂贵，难以覆盖整个监测区域，会造成大量观测盲区。(2)光纤传感技术。但是光纤拉伸量小，而且不能大幅度的扭折，在形变量较大的岩土变形中，容易被拉断。(3)拉线式传感技术。该技术将多个传感器布成网络测量岩土变形量，对形变量的测量精度能达到0.1mm，但是不能确定发生形变的具体位置。CN102522148A公布了一种平行螺旋传输线传感器，在圆截面硅橡胶条外密绕一层有两根相互绝缘的电缆线，两根电缆线形成螺旋线，两根电缆线形成螺旋线外裹包有硅橡胶套管，两根电缆线的一端接匹配阻抗ZL，两根电缆线的另一端接时域反射测量仪，但没有公开具体的形变位置测试方法。技术实现要素：本发明提供了基于平行螺旋传输线的岩土变形位置分布测量模型的建立方法，利用建立的模型可以准确测试岩土形变位置。基于平行螺旋传输线的岩土变形位置分布测量模型的建立方法，所述平行螺旋传输线包括中心的弹性绝缘体、两根平行螺旋缠绕在所述弹性绝缘体上相互绝缘的信号传输线，以及外层的绝缘保护套，两根信号传输线一端悬空，另一端连接时域反射测量装置；所述建立方法包括：(1)将平行螺旋传输线平均分为若干段，对每段进行拉伸，利用时域反射测量装置，采集得到反射电压信号；(2)对反射电压信号进行预处理；(3)对经步骤(2)预处理的反射电压信号进行特征提取，获得特征向量；(4)以所述特征向量作为输入层数据，以拉伸位置和起点之间的距离作为输出层数据，建立最小二乘-支持向量机模型。平行螺旋传输线没有形变时，它的特性阻抗为固定的状态，发生形变后，变形位置的特性阻抗发生变化。在平行螺旋传输线的一端口输入脉冲信号，当阻抗发生变化，脉冲信号的反射电压信号也随之发生变化，反射电压信号蕴含变形位置的特征信息。本发明正是基于该原理，建立了最小二乘-支持向量机模型。所述平行螺旋传输线越长，所能检测的岩土形变范围越大，一般情况下，所述平行螺旋传输线的长度大于2米。为减小反射电压信号的基线漂移，需要对采集到的信号进行预处理，所述预处理采用变量标准化和归一化法。采集的反射电压信号会包含较多的数据，所有数据构成一向量。由于是局部拉伸，只有拉伸变形位置的特性阻抗才会发生变化，因此仅部分数据包含了平行螺旋传输线阻抗变化的特征信息，需要采用特征变量提取算法将特征信息提取出来。优选的，所述特征提取采用连续投影法。所述最小二乘-支持向量机模型的核函数为高斯径向基函数，最小二乘-支持向量机模型具体为：y(x)=Σk=1NαkK(x,xk)+b]]>b为偏置值，N为样本数量，K(x，xk)为高斯径向基函数，ak拉格朗日函数乘子，y为输出层数据，x为输入层数据，xk为样本输入层数据。时域反射测量装置的采集频率越高，每个反射电压信号包含的数据越多，计算就越大，一般10-1000MHz，本发明实施例为100MHz，所述脉冲信号幅值与检测信号的强弱有关，一般情况下其幅值为±1-100V，本发明实施例为±10V，脉冲宽度为1-100ns，本发明实施例为10ns。本发明利用平行螺旋传输线发生形变时，其阻抗会发生相应变化，从平行螺旋传输线一端输入脉冲信号，检测其反射电压信号，因反射电压信号包含位置信息，基于该原理建立最小二乘-支持向量机的预测模型，用于准确测量形变位置。附图说明图1为本发明平行螺旋传输线的结构示意图。图2为本发明平行螺旋传输线局部变形结构示意图。图3为平行螺旋传输线不同位置拉伸时TDR测量仪采集得到的反射电压信号。具体实施方式如图1和图2所示，平行螺旋传输线6，包括呈圆柱状的弹性绝缘体3，弹性绝缘体3表面平行螺旋缠绕信号传输线1、2，外部设有绝缘套4。信号传输线1、2相互绝缘，可以选用漆包线，信号传输线1、2的直径大概在0.25mm。弹性绝缘体3和绝缘套4的材质为硅胶，弹性绝缘体3和绝缘套4的直径分别是3.5mm和5.5mm。如图2所示，对平行螺旋传输线进行局部拉伸，拉伸位置7处出现形变。信号传输线1、2一端悬空，另一端连接时域反射测量装置5。时域反射测量装置由脉冲信号发生电路，信号调理电路和数据采集电路构成，脉冲信号发生电路发出的脉冲信号幅值为±10V，脉冲宽度为10ns。信号调理电路有隔离的作用，能避免脉冲信号对反射电压信号接受造成干扰。反射电压信号经信号调理电路放大和滤波，由数据采集电路采集发送至上位机。数据采集电路的采用频率为100MHz，每次采集的数据为250个。本发明测量模型建立方法具体如下：(a)以平行螺旋传输线和时域反射测量装置连接的端部为起点，每隔10cm做一标记，每两相邻的标记之间进行一次拉伸，拉伸时使用两对木头夹具将两个标记位置加紧，每次拉伸2cm。每次拉伸时，采用时域反射测量装置5(TDR测量仪)采集平行螺旋传输线6的反射电压信号，并将信号发送至上位机，由上位机对数据进行处理并显示拉伸位置。(b)本发明采用的平行螺旋传输线总长度为5米，每隔10cm拉伸一次，共获得49组反射电压信号，每组信号包含250个数据，一共有250×49个数据，图3为平行螺旋传输线不同位置拉伸时TDR测量仪采集得到的反射电压信号。(c)为了减小仪器状态、实验环境变化对反射电压信号测量带来的影响，需要对反射电压信号进行预处理。常见的预处理算法包括平滑滤波、导数校正、多元散射校正、变量标准化和归一化等。本实施例先采用变量标准化法用于消除反射电压信号的基线漂移，然后采用归一化法对反射电压数据进行处理，以消除反射电压信号的随机误差。(d)每次拉伸测量得到的反射电压信号包含250个数据，由于是局部拉伸，而只有拉伸变形位置的特性阻抗才会发生变化，因此这250个数据中只有部分包含了平行螺旋传输线阻抗变化的特征信息，需要采用特征变量提取算法将特征信息提取出来，本实施例采用的特征变量提取算法为连续投影算法。连续投影算法的基本思路是：随机选择49组反射电压信号中的36组作为建模集，剩余13组作为验证集。通过对建模集数据进行投影映射构造出新的特征变量集合，根据这些特征变量集合依次建立多元线性回归(MLR)模型，然后利用验证集数据对MLR模型的预测结果进行评估，从而选择出含有最低限度冗余信息的特征变量集合，即特征向量。特征变量选择以后，每一组反射电压信号包含27个数据。(e)预处理和特征变量选择以后的反射电压信号作为输入层数据，以拉伸位置与起点之间的距离作为输出层数据，根据建模集，建立最小二乘-支持向量机模型。设建模集D＝{(x1,y1),(x2,y2),…,(xk,yk)}，1≤k≤N，本实施例中N为36。集合中输入层数据xk∈RN，输出层数据yk∈R；然后利用一个非线性函数将xk映射到高维空间并建立回归模型：上式中，b为偏置值，w∈RN为权值向量。最小二乘-支持向量机模型的函数拟合问题可以转化为对以下方程进行求解：minJ(w,e)=12wTw+12γΣk=1nek2---(2)]]>上式约束条件为：其中，ek为误差变量，γ是正则化参数，控制对超出误差样本的惩罚程度，为内核映射函数。将上式转换至对偶空间，得到拉格朗日函数的形式为：式中拉格朗日函数乘子ak∈R被称作支持值，对上式各变量求偏导数可以得到以下等式：变量w和e被迭代消除后，可得线性方程组：01→T1→TΩk,l+γ-1Ibα=0y---(5)]]>式中其中K(xk,xl)是内核函数，本实施例采用的是RBF函数，计算公式如下：K(x,xk)=exp{-||x-xk||22σ2}---(7)]]>式(7)中σ是RBF核函数的半径，核函数σ影响着特征空间中的样本分布复杂度。得到最小二乘-支持向量机(LS-SVM)的拟合模型为：y(x)=Σk=1NαkK(x,xk)+b---(8)]]>选择RBF核函数后，LS-SVM模型还需要确定正则化参数γ和RBF核函数参数σ。利用Matlab软件LS-SVM工具包中的tunelssvm函数，采用完全搜索方式，寻优范围设置为[10-6,106]，计算得到γ和σ分别为6448和166287，再利用LS-SVM工具包中的trainlssvm函数就可以建立最小二乘-支持向量机模型。余下13组反射电压信号作为验证集用于对预测模型进行评估，评估参数包括均方根误差(RMSE)和决定系数(R2)，本实施例最小二乘-支持向量机模型的RMSE和R2分别为2.390和0.993。为了进行对比，将建模集输入层数据作为自变量，建模集输出层数据作为因变量，建立线性的偏最小二乘预测模型：Y＝A*X+b其中Y为平行螺旋传输线拉伸位置，X为反射电压信号，A为系数，b为常数。(f)平行螺旋传输线形变位置在线测量：固定平行螺旋传输线的某一点，采集该点位置拉伸2厘米以上时的时域反射电压信号，将该信号进行预处理和特征提取以后，分别代入到最小二乘-支持向量机模型与偏最小二乘模型中，计算得到平行螺旋传输线的形变位置，结果见表1。表1从表1数据可以看出，支持向量机模型测得的平行螺旋传输线形变位置与实际值更为接近，优于偏最小二乘模型。这是因为，平行螺旋线含有分布式电感与分布式电容，当高频信号作用时，分布式电容和分布式电感在阻抗变化中占据主导地位，这就意味着当平行螺旋线拉伸时，反射电压信号包含大量阻抗变化的非线性信息。相比于线性偏最小二乘模型，支持向量机模型能够更好的利用这些非线性信息。在实际应用中，为提高平行螺旋传输线6与岩土体的耦合性，先在埋设平行螺旋传输线6的岩土体挖一条宽30cm、深30cm的沟，然后按横截面直径为10cm的尺寸，倒入条状的手捏可成型的黄沙水泥混合浆。再将平行螺旋传输线6埋入，在黄沙水泥混合浆尚未固化时，将挖掉的岩土覆盖上去，这样当黄沙水泥混合浆固化后，平行螺旋传输线6就会被一层水泥体包裹。当岩土体变形移动时会带动水泥体，水泥体会断裂并带动平行螺旋传输线6的拉伸，测量系统便能检测到该段岩土体的变形。当前第1页1 2 3