隧道病害检测与识别模拟验证系统及方法

本技术涉及交通结构安全，尤其涉及一种隧道病害检测与识别模拟验证系统及方法。

背景技术：

1、随着隧道及地下工程的发展，大量隧道投入运营，然而隧道长期经受通行车辆振动及交变载荷，并可能受到近接施工和穿越软土富水、采空区、液化土等不良地质的影响，会出现不同的病害，威胁通行安全，因此需要对隧道的病害进行检测与识别。

2、但是，对隧道的病害进行检测与识别往往需要大量的实测数据作为基础，依托真实的真实隧道获取实测数据往往要求试验者具有已建成的隧道线路或得到测试许可，隧道病害情况与试验工况非常有限，且难以诱导某一特定种类和病害程度的病害产生，即使通过真实的隧道获取的实测数据也难覆盖可能产生的病害状况，因而难以用于研究生教学、科学实验、实际应用前的系统检验与优化提升，亟待研发具备上述功能的模拟试验和验证平台。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提出一种隧道病害检测与识别模拟验证系统及方法，旨在解决解决实际隧道实测试验带来的问题并提升检测识别准确性。

2、为实现上述目的，本发明提供一种隧道病害检测与识别模拟验证系统，所述隧道病害检测与识别模拟验证系统包括：隧道模型和综合检测与识别系统；

3、所述综合检测与识别系统包括中央控制器、移动检测平台和数据分析模块；

4、所述隧道模型，用于模拟隧道中出现的病害，所述隧道模型的圆弧面正对所述移动检测平台；

5、所述中央控制器，用于控制所述移动检测平台相对所述隧道模型运动，并控制所述移动检测平台对所述隧道模型进行检测；

6、所述移动检测平台，用于对所述隧道模型进行检测，确定隧道状态数据；

7、所述数据分析模块，用于基于预设算法，根据所述隧道状态数据和所述隧道模型对应的数值仿真物理模型，确定所述隧道模型的每一类数据特征的单项诊断结果和单项趋势预警结果；并通过为所述单项诊断结果和单项趋势预警结果计算和分配权重，得到所述隧道模型的综合诊断结果和综合趋势预警结果。

8、可选地，所述移动检测平台包括：

9、表观病害检测单元，用于检测所述隧道模型中模拟的表观病害，获取表观状态数据；

10、形变检测单元，用于检测所述隧道模型中模拟的隧道形变，获取形变状态数据；

11、隐蔽病害检测单元，用于检测所述隧道模型中模拟的隐蔽病害，获取隐蔽状态数据。

12、可选地，所述表观病害检测单元包括：激光投射器和相机阵列；

13、所述激光投射器，用于相机阵列所拍摄区域的照明，减轻背景光的干扰；

14、所述相机阵列，用于获取所述隧道模型中模拟的表观病害的图像数据，并将所述图像数据发送到所述数据分析模块。

15、可选地，所述形变检测单元为激光雷达模组；

16、所述激光雷达模组，用于获取所述隧道模型中模拟的形变病害的点云数据，并将所述点云数据发送至所述数据分析模块。

17、可选地，所述隐蔽病害检测单元包括：多频复合探地雷达模块、冲击波模块和声波模块；

18、所述多频复合探地雷达模块，用于获取所述隧道模型中模拟的隐蔽病害的多频复合雷达电磁波信号，并将所述多频复合雷达电磁波信号数据发送至所述数据分析模块；

19、所述冲击波模块，用于获取所述隧道模型中模拟的隐蔽病害的冲击回波信号，并将所述冲击回波信号发送至所述数据分析模块；

20、所述声波模块，用于获取所述隧道模型中模拟的隐蔽病害的声波信号并将所述声波信号发送至所述数据分析模块。

21、为实现上述目的，本发明提供一种隧道病害检测与识别模拟验证系统的控制方法，所述隧道病害检测与识别模拟验证系统的控制方法应用于隧道病害检测与识别模拟验证系统，所述隧道病害检测与识别模拟验证系统包括：中央控制器、移动检测平台、数据分析模块和隧道模型，所述隧道病害检测与识别模拟验证系统的控制方法包括：

22、通过所述中央控制器控制所述移动检测平台相对所述隧道模型运动，并通过所述移动检测平台对所述隧道模型进行检测，确定隧道状态数据；

23、通过所述移动检测平台将所述隧道状态数据发送至所述数据分析模块；

24、通过所述数据分析模块，基于预设算法，根据所述隧道状态数据和所述隧道模型对应的数值仿真物理模型，确定所述隧道模型的每一类数据特征的单项诊断结果和单项趋势预警结果；并通过为所述单项诊断结果和单项趋势预警结果计算和分配权重，得到所述隧道模型的综合诊断结果和综合趋势预警结果。

25、可选地，所述移动检测平台包括形变检测单元，所述形变检测单元包括激光雷达模组，所述通过所述移动检测平台对所述隧道模型进行检测，确定病害数据的步骤包括：

26、通过所述激光雷达模组对所述隧道模型进行检测，并获取所述隧道模型模拟的形变病害的点云数据。

27、可选地，所述移动检测平台包括表观病害检测单元，所述表观病害检测单元包括激光投射器和相机阵列，所述通过所述移动检测平台对所述隧道模型进行检测，确定病害数据的步骤还包括：

28、通过所述激光投射器，照明相机阵列的拍摄区域，减轻背景光的干扰；

29、通过所述相机阵列，对所述隧道模型进行检测，并获取所述隧道模型中模拟的表观病害的图像数据；

30、基于所述点云数据和所述图像数据确定三维的表观状态数据。

31、可选地，所述通过所述数据分析模块，基于预设算法，根据所述隧道状态数据和所述隧道模型对应的数值仿真物理模型，确定所述隧道模型的每一类数据特征的单项诊断结果和单项趋势预警结果；并通过为所述单项诊断结果和单项趋势预警结果计算和分配权重，得到所述隧道模型的综合诊断结果和综合趋势预警结果的步骤包括：

32、通过所述数据分析模块将所述隧道状态数据加入到包含历史数据的资源池中，对所述资源池进行保留局部临近结构并支持增量更新的数据降维处理，得到包含至少一类数据特征的特征集；

33、针对所述特征集中的每一类数据特征，将所述数据特征输入到预设的隐性高阶特征挖掘深度学习模型，得到实测隐性高阶特征，以及，将所述数据特征输入到预设的数据状态趋势预测模型，得到实测趋势预测结果；

34、通过所述数值仿真物理模型产生对应于所述实测隐性高阶特征的模拟高阶隐形特征，以及，通过所述数值仿真物理模型产生对应于所述实测趋势预测结果的模拟趋势预测结果；其中，所述数值仿真物理模型分别为所述隐性高阶特征挖掘深度学习模型和所述数据状态趋势预测模型提供约束条件；

35、将所述实测隐性高阶特征和模拟高阶隐形特征投影到第一共同空间，进行差异性对比和分级诊断，以及，将所述实测趋势预测结果和模拟趋势预测结果投影到第二共同空间，进行差异性对比和分级趋势预警，得到所述每一类数据特征的单项诊断结果和单项趋势预警结果；

36、为所述每一类数据特征的单项诊断结果和单项趋势预警结果计算和分配权重，得到综合诊断结果和综合趋势预警结果。

37、可选地，所述通过所述数据分析模块，基于预设算法，根据所述隧道状态数据和所述隧道模型对应的数值仿真物理模型，确定所述隧道模型的每一类数据特征的单项诊断结果和单项趋势预警结果；并通过为所述单项诊断结果和单项趋势预警结果计算和分配权重，得到所述隧道模型的综合诊断结果和综合趋势预警结果的步骤之后，还包括：

38、通过对所述数值仿真物理模型进行参数修改，获得模拟损伤情况下的数据；所述模拟损伤情况下的数据包括用于模拟所述隧道模型刚度变化情况下的数据、质量变化情况下的数据、阻尼变化情况下的数据；

39、对比基于所述模拟损伤情况下的数据得出的模拟诊断结果和所述综合诊断结果，得到第一溯源差值；对比基于所述模拟损伤情况下的数据得出的模拟趋势预警结果和所述综合趋势预警结果，得到第二溯源差值；

40、以此循环，进行迭代修改，直到所述第一溯源差值小于预设第一阈值，以及，所述第二溯源差值小于预设第二阈值时，停止迭代，得到所述隧道模型的受损单元和参数变化，以根据所述受损单元和参数变化，确定受损区域及该区域的参数变化。

41、本发明提出的隧道病害检测与识别模拟验证系统包括中央控制器、移动检测平台和数据分析模块；所述隧道模型，用于模拟隧道中出现的病害，所述隧道模型的圆弧面正对所述移动检测平台；所述中央控制器，用于控制所述移动检测平台相对所述隧道模型运动，并控制所述移动检测平台对所述隧道模型进行检测；所述移动检测平台，用于对所述隧道模型进行检测，确定隧道状态数据；所述数据分析模块，用于基于预设算法，根据所述隧道状态数据和所述隧道模型对应的数值仿真物理模型，确定所述隧道模型的每一类数据特征的单项诊断结果和单项趋势预警结果；并通过为所述单项诊断结果和单项趋势预警结果计算和分配权重，得到所述隧道模型的综合诊断结果和综合趋势预警结果，进而基于综合诊断结果和综合趋势预警结果与隧道模型的病害情况对预设算法进行优化，进而提高隧道病害识别的准确性。

42、本发明提出的隧道病害检测与识别模拟验证系统的控制方法，通过所述中央控制器控制所述移动检测平台相对所述隧道模型运动，并通过所述移动检测平台对所述隧道模型进行检测，确定隧道状态数据；通过所述移动检测平台将所述隧道状态数据发送至所述数据分析模块；通过所述数据分析模块，基于预设算法，根据所述隧道状态数据和所述隧道模型对应的数值仿真物理模型，确定所述隧道模型的每一类数据特征的单项诊断结果和单项趋势预警结果；并通过为所述单项诊断结果和单项趋势预警结果计算和分配权重，得到所述隧道模型的综合诊断结果和综合趋势预警结果，进而可以基于综合诊断结果和综合趋势预警结果与隧道模型的病害情况对预设算法进行优化，进而提高隧道病害识别的准确性。