利用传感器网络测量隧道拱形沉降的分析方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种利用传感器网络测量隧道拱形沉降的分析方法。
【背景技术】
[0002] 新建隧道施工开挖不可避免地会对周围环境造成扰动与破坏，也肯定会引起隧道 周围土体变形，进而引起隧道上方地面附近建筑物的倾斜、开裂乃至坍塌，产生一系列复杂 的环境岩土问题，例如邻近粧基断裂或产生较大沉降，既有隧道和地下管线断裂、破损，道 路路面破损等等。
[0003] 隧道的施工建设，必然会扰动周围地层引起地表沉降和变形，形成一定规模的沉 降槽，进而影响周边的建(构)筑物。国内外隧道施工研究十分广泛，特别是在现场监测、模 型试验及数值模拟分析等方面的研究很多，但针对隧道沉降方面的研究仅限于施工监测量 控和部分数值计算。对隧道沉降的测量方式基本上还是基于仪器的读数，由于隧道各项数 据实时测量会造成海量数据的积累，传统的处理方式是数据抽稀和按照时间片测量，对隧 道的未来整体的沉降及变化情况不能做出准确的预测，因此对突发事件的预警不足。
[0004] 随着信息技术的进步，尤其是无线传感器网络的技术的进步，物联网在人类和物 体之间建立了桥梁，引领了新的信息产业革命的浪潮，为人们日常生活带来巨大的变化，现 有的传感器技术的进步使得对隧道的各种测量数据可以进行实时采集，例如拱顶沉降数 据、围岩等级等。数据的实时采集带来了海量的数据，为了对隧道未来的沉降进行预测分 析，需要研究基于传感器实时采集大数据的分析技术。
[0005] 由于现有的隧道的数据的分析方式缺乏对隧道未来状态的准确展望，不能精准预 测隧道未来沉降及展望隧道未来的状态，这就不能对隧道的状态进行准确的预警分析。因 此对隧道沉降进行精准的预测分析，成为本技术领域的技术人员亟需解决的一个问题。
【发明内容】
[0006] 鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于解决现有技术的缺陷， 本发明提供一种利用传感器网络测量隧道拱形沉降的分析方法，通过对隧道传感器采集数 据的建模分析未来隧道的动态变化，实现对隧道沉降的准确预测，能够有效对隧道未来的 状态进行及时的预警。
[0007] 本发明提供了一种利用传感器网络测量隧道拱形沉降的分析方法，包括以下步 骤：
[0008] S1:以传感器采集隧道内部机械波的数据为基础，将隧道内部的机械波的变化情 况进行波动模型建模，根据隧道内部机械波的变化情况对隧道的各个参数进行分析，可推 导出隧道的整体谐波的变化模型；
[0009] S2:结合广义预测控制，根据隧道内部波形的变化，对隧道未来的变化状态进行预 测；
[0010] S3:根据预测结果，可对隧道的关键点进行预警。
[0011] 可选的，所述步骤S1中波动模型的建立具体为：由于隧道的局部变化会引起隧道 的整体的变化，这点可以使用波动方程来描述隧道局部变化对整体变化的影响，推导出隧 道的整体谐波的变化模型，即
[0012] ^^ = Σ/；(.ν,〇, at 丫
[0013]其中，fi(x，t)可以标识隧道局部位置的波动，
[0014] 可以代表整个隧道整体的波动模型， dt
[0015] yi(t)为第 i 个测量量，fi(x，t)=fi(x，y(t))。
[0016] 本发明具有以下优点和有益效果:本发明提供的利用传感器网络测量隧道拱形沉 降的分析方法，通过对隧道传感器数据实时采集，使用大数据的分析和挖掘处理技术完成 对隧道状态的展望，从而对隧道的未来状态能够准确预测，能实现及时预警。
【具体实施方式】
[0017] 下面将参照具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0018] 本发明实施例的一种利用传感器网络测量隧道拱形沉降的分析方法，通过对隧道 传感器数据实时采集，使用大数据的分析和挖掘处理技术完成对隧道状态的展望，从而对 隧道的未来状态能够准确预测，能实现及时预警，该过程包括三个过程，分别是节点属性抽 取，属性群签名以及验证:首先以传感器采集的数据为基础，将隧道的内部的机械波的变化 情况进行建模。根据隧道内部的波的情况对隧道的各个主要参数进行分析;其次，结合广义 预测控制，根据隧道内部波形的变化，对隧道未来的变化状态进行展望;最后，根据预测结 果，对隧道的关键点进行预警。
[0019] 1、波动模型建立
[0020] 从物理学角度来看，隧道的局部变化会引起隧道的整体的变化，这点可以使用波 动方程来描述隧道局部变化对整体变化的影响，根据传感器实时采集的隧道的局部应力、 波动、应变和位移变化可以推导出隧道的整体谐波的变化模型6(1，0可以标识隧道局部 位置的波动，^^可以代表整个隧道整体的波动模型，即： U
[0021] = Π ).
[0022] 设yi(t)为第i个测量量，那么就有;^(1，1:)=;^(1，7(1:))那么我们对;^(1，1:)在七+ Δ t时刻的泰勒展式如下： u(,J -I- Δ),? V,/) -I- 〇(Δ/,} ct 2 dr
[0023] 如果在数值模拟中，当由式（1)获得了宏观波动的关于时间的一阶导数后，可以使 用下式得到局部变量： . 、.cu{x,t) At" cu(x,i) cu(xj-At)^ u(xJ + A) = u(x,t) + Ar \ + - ( ' - -^---) of 2 at at .(2)
[0024] 其演化方程的形式应为：
[0025] f(x + dAt,? At) - / ) = --[(fix, f) - // 7(.v, ^)J -l· AtSi(.\\ t) -\- ^-ctS；(xJ) ':' 2 (3)
[0026] 通过引入平衡态分布函数fieq(X，t)的隐函数，方程(3)式可以化为如下： fi(sx + αΑ? 5 ? + Α?)-β：(χ； ?) = 〇 - Θ/^ (χ, ?)] (1 - θ)/^1 (.τ, /)] r .. At2 、 +Δ/6/(λ*, /)4--? ?/(λ' /) 2 (5)
[0027]因此我们可以设： h{x，f) = J]eq ix,t) ^ 16)
[0028] 根据方程(6)式我们可以将方程(5)化为： Λ;(χ + ?νΔ/1，，+ Δ/1) - -丄[/"(.γ, 0 + f./厂 ' (λ·, /1) - ./厂' (xW
[0029] , T T fST + ^r-ctSl(x,r) 2 (7)
[0030] 对方程(7)的luU+dA^t+At)使用泰勒公式展开，方程(7)可以化为： Dihi + - D;h = - (In + - /； - /：· ) + Si + - ctSi (8 ) 2 XM T 2
[0031] 其中= ▽，对演化方程中的粒子分布函数hi(x，t)约和源项分布函数Si (X，t)做chapmanEnskog展开可以得到：
[0032] di'~€dt\ + s2dt2 C9) V = 6*Vi (10) hi = ^(0:) +sf^ + ￡2￡ft{2) --fp (ii) s = ^sf) (12) ( τ
[0033] 联立方程(8) (9) (10) (11) (12)中，令Du = % + ，于是我们可以得到关于ε的 零阶到二阶的偏微分方程： 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]根据波动方程质量守恒可得：
[0035] Σ-Α" =Χ./, =llt i i (16)
[0036] 联立(2)和（13)可得：
[0037] Σ/：(〇) =?^^(，，) =??^φη>0 (18) ?· i
[0038] 于是我们根据方程(14)可得： Duf；11 = -ΓΔ? (] - ~)Dlf^] + TMDuSf] (