本發(fā)明屬于隧道的安全監(jiān)測預(yù)測領(lǐng)域，特別涉及一種隧道運(yùn)行期變形監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著隧道工程施工技術(shù)和設(shè)計(jì)理論的快速發(fā)展，我國隧道(公路，鐵路，地鐵等)的修建也越來越多。圍巖變形穩(wěn)定與隧道工程安全是緊密聯(lián)系在一起的，隧道工程事故的主要表現(xiàn)就是圍巖的失穩(wěn)，這就使得對隧道圍巖變形監(jiān)控越來越重要。同時(shí)，隧道變形監(jiān)測技術(shù)也從中得到了飛躍性的發(fā)展。伴隨著信息化測繪時(shí)代的來臨，以數(shù)字化信息為核心的傳感網(wǎng)技術(shù)對工程領(lǐng)域中的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測和管理模式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響?？紤]到隧道工程的變形監(jiān)測內(nèi)容多、周期長、數(shù)據(jù)量大等特征，以前純?nèi)斯ざ〞r(shí)實(shí)地的監(jiān)測方法難以滿足實(shí)際需求，借助衛(wèi)星定位、測量機(jī)器人、傳感器、網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，傳感網(wǎng)模式的現(xiàn)代化監(jiān)測系統(tǒng)相繼產(chǎn)生。

目前，預(yù)測隧道圍巖變形的方法比較多，主要有經(jīng)驗(yàn)法、數(shù)值分析法、實(shí)驗(yàn)分析法、現(xiàn)場監(jiān)測法、回歸預(yù)測法、反分析預(yù)測法、灰色模型預(yù)測法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測法等。但由于隧道圍巖的復(fù)雜性和多變性，每一種預(yù)測方法都有著自己的缺陷，都難于準(zhǔn)確地預(yù)測出圍巖的變形量。如灰色模型預(yù)測法不能用來長期預(yù)測，有失真的趨勢，且傳統(tǒng)模型采用等時(shí)距原始數(shù)據(jù)，限制了在工程實(shí)際中的應(yīng)用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測法的學(xué)習(xí)樣本有限時(shí)精度難以保證，學(xué)習(xí)樣本數(shù)量很多時(shí)，又會陷入"維數(shù)災(zāi)難"、泛化性能不高，其精度受樣本影響較大。基于數(shù)值分析的預(yù)測預(yù)報(bào)方法的本構(gòu)模型尚不能真實(shí)反映圍巖特性，尤其是圍巖的結(jié)構(gòu)特性?，F(xiàn)場監(jiān)測法通過對大量實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以此預(yù)測圍巖的變形量，其統(tǒng)計(jì)的離散性較大。經(jīng)驗(yàn)法雖然比較貼近現(xiàn)實(shí)，但經(jīng)驗(yàn)方法也要有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和理論解析的支撐。

總之，目前相關(guān)的監(jiān)測方法以圍巖變形量為主，將變形速率考慮在內(nèi)的較少，且以監(jiān)測邊界變形為主，不能監(jiān)測到圍巖內(nèi)部的變形。同時(shí)，目前將隧道變形監(jiān)測和預(yù)測結(jié)合起來的也比較少，導(dǎo)致管理的效率不高，隧道圍巖的變形預(yù)測對隧道的變形監(jiān)測起著至關(guān)重要的作用。

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述技術(shù)缺陷，迫切需要研制一種新型的隨便運(yùn)行期變形的監(jiān)測預(yù)報(bào)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，提供一種隧道運(yùn)行期變形監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)及方法將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和灰色模型方法組合進(jìn)行隧道圍巖變形量及變形速率的預(yù)測方法，使得監(jiān)測結(jié)果更科學(xué)合理，預(yù)測結(jié)果更準(zhǔn)確，監(jiān)測預(yù)測管理更加科學(xué)和系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種隧道運(yùn)行期變形監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其包括設(shè)置在隧道的監(jiān)測斷面中的分布式光纖傳感器、光纖應(yīng)變分析儀、光纖、數(shù)據(jù)傳輸單元、GPRS模塊和監(jiān)測中心計(jì)算機(jī)，其特征是，所述分布式光纖傳感器收集到的隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)存儲到所述光纖應(yīng)變分析儀中，存儲到所述光纖應(yīng)變分析儀中的隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)通過所述光纖傳輸?shù)轿挥谒淼劳獾乃鰯?shù)據(jù)傳輸單元，所述數(shù)據(jù)傳輸單元通過所述GPRS模塊將隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿霰O(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，所述監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)根據(jù)得到的隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)分別構(gòu)建隧道變形量-時(shí)間樣本數(shù)據(jù)庫和隧道變形速率-時(shí)間樣本數(shù)據(jù)庫，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法將所得的樣本數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訓(xùn)練得到隧道變形量和隧道變形速率的預(yù)測模型，由此預(yù)測模型給出下一段時(shí)間的隧道變形量和隧道變形速率；再采用灰色模型方法對隧道變形情況進(jìn)行預(yù)測，得到下一段時(shí)間的隧道變形量和變形速率；最后，將兩種方法得到的預(yù)測值賦予不同的權(quán)重，得到最終的預(yù)測值，并將最終的預(yù)測值與閾值進(jìn)行比較，如果最終的預(yù)測值大于閾值，由所述監(jiān)測中心計(jì)算機(jī)發(fā)出預(yù)警，如果最終的預(yù)測值小于閾值，則隧道安全。

進(jìn)一步地，其中，每個所述監(jiān)測斷面中設(shè)置四個所述分布式光纖傳感器且四個所述分布式光纖傳感器分別設(shè)置在隧道頂部、底部和隧道兩側(cè)壁，并且每個所述分布式光纖傳感器都包括分布式光纖應(yīng)變傳感器和溫度補(bǔ)償光纖傳感器。

更進(jìn)一步地，其中，所述分布式光纖傳感器為OPGW光纜。

此外，本發(fā)明還提供一種采用上述隧道運(yùn)行期變形監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行隧道運(yùn)行期變形監(jiān)測預(yù)報(bào)的方法，其特征是，包括以下步驟：

(1)、通過所述分布式光纖傳感器收集隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)；

(2)、將所收集的隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)存儲到所述光纖應(yīng)變分析儀中；

(3)、將存儲到所述光纖應(yīng)變分析儀中的隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)通過所述光纖傳輸?shù)轿挥谒淼劳獾乃鰯?shù)據(jù)傳輸單元；

(4)、所述數(shù)據(jù)傳輸單元通過所述GPRS模塊將隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿霰O(jiān)控中心計(jì)算機(jī)；

(5)、所述監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)根據(jù)得到的隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)分別構(gòu)建隧道變形量-時(shí)間樣本數(shù)據(jù)庫和隧道變形速率-時(shí)間樣本數(shù)據(jù)庫，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法將所得的樣本數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訓(xùn)練得到隧道變形量和隧道變形速率的預(yù)測模型，由此預(yù)測模型給出下一段時(shí)間的隧道變形量和隧道變形速率；

(6)、采用灰色模型方法對隧道變形情況進(jìn)行預(yù)測，得到下一段時(shí)間的隧道變形量和變形速率；

(7)、給所述步驟(5)和步驟(6)得到的預(yù)測值賦予不同的權(quán)重，得到最終的預(yù)測值；

(8)、將最終的預(yù)測值與閾值進(jìn)行比較，如果最終的預(yù)測值大于閾值，由所述監(jiān)測中心計(jì)算機(jī)發(fā)出預(yù)警，如果最終的預(yù)測值小于閾值，則隧道安全。

進(jìn)一步地，其中，所述步驟(6)中采用灰色模型方法中的等時(shí)距GM(1，1)模型對隧道變形情況進(jìn)行預(yù)測。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的隧道運(yùn)行期變形監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)及方法具有以下積極效果：

1、監(jiān)測儀器采用分布式光纖傳感器，且每個監(jiān)測斷面中設(shè)置四個分布式光纖傳感器，能更加精確地測量出所需圍巖部分的變形，特別是對于圍巖內(nèi)部的監(jiān)測是其他監(jiān)測手段所不能做到的。

2、結(jié)合有線通訊(光纖)和無線通訊(GPRS)，可監(jiān)測任何隧道(隧道內(nèi)無信號的情況下也能監(jiān)測)，且能將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到監(jiān)測中心計(jì)算機(jī)，使得隧道監(jiān)測管理更加科學(xué)方便。

3、采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和灰色模型方法的組合對變形進(jìn)行預(yù)測，很大程度上克服了不同預(yù)測技術(shù)的缺陷，使得監(jiān)測預(yù)測結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

4、將隧道圍巖變形和變形速率同時(shí)作為隧道安全的監(jiān)測部分，更加科學(xué)和符合隧道的破壞形式。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的隧道運(yùn)行期變形監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)的組成示意圖。

圖2是本發(fā)明的隧道運(yùn)行期變形監(jiān)測預(yù)報(bào)方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，實(shí)施例的內(nèi)容不作為對本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制。

圖1示出了本發(fā)明的隧道運(yùn)行期變形監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)的組成示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的隧道運(yùn)行期變形監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括設(shè)置在隧道的監(jiān)測斷面A中的分布式光纖傳感器1和位于隧道內(nèi)的光纖應(yīng)變分析儀2，以及位于隧道外的數(shù)據(jù)傳輸單元4、GPRS模塊5和監(jiān)測中心計(jì)算機(jī)6。所述光纖應(yīng)變分析儀2與所述數(shù)據(jù)傳輸單元4通過光纖3相連。

其中，所述分布式光纖傳感器1用于獲得隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述分布式光纖傳感器1為OPGW光纜。更優(yōu)選地，每個所述監(jiān)測斷面A中設(shè)置四個所述分布式光纖傳感器1且四個所述分布式光纖傳感器1分別設(shè)置在隧道頂部、底部和隧道兩側(cè)壁。這種布置方式能更加精確地測量出所需圍巖部分的變形，特別是對于圍巖內(nèi)部的監(jiān)測是其他監(jiān)測手段所不能做到的。

并且每個所述分布式光纖傳感器1都包括分布式光纖應(yīng)變傳感器和溫度補(bǔ)償光纖傳感器。這樣，既能獲得隧道圍巖變形量，又能獲得隧道圍巖變形速率，通過將隧道圍巖變形量和變形速率同時(shí)作為隧道安全的監(jiān)測部分，更加科學(xué)和符合隧道的破壞形式。

在本發(fā)明中，所述分布式光纖傳感器1沿隧道圍巖徑向安裝。當(dāng)安裝所述分布式光纖傳感器1的位置有錨桿時(shí)，可與隧道錨桿一起施工，并使得所述分布式光纖傳感器1與錨桿有一定距離。當(dāng)無錨桿時(shí)，需沿隧道圍巖徑向鉆取監(jiān)測孔，監(jiān)測孔須穿過隧道圍巖松動影響圈，到達(dá)隧道圍巖穩(wěn)定區(qū)域，孔徑為80mm左右，并且所述分布式光纖傳感器1需要固定的支撐桿件送至監(jiān)測孔孔底，通過注漿方式填充所述分布式光纖傳感器1和周圍圍巖空隙，使所述分布式光纖傳感器1與圍巖協(xié)調(diào)變形。

在本發(fā)明中，將各個監(jiān)測孔的所述分布式光纖傳感器1熔接串聯(lián)接至所述光纖應(yīng)變分析儀2，從而將所述分布式光纖傳感器1收集到的隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)存儲到所述光纖應(yīng)變分析儀2中。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述光纖應(yīng)變分析儀2采用BOTDR。

存儲到所述光纖應(yīng)變分析儀2中的隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)通過所述光纖3傳輸?shù)轿挥谒淼劳獾乃鰯?shù)據(jù)傳輸單元4。所述數(shù)據(jù)傳輸單元4通過所述GPRS模塊5將隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿霰O(jiān)控中心計(jì)算機(jī)6。在本發(fā)明中，結(jié)合有線通訊(光纖)和無線通訊(GPRS)，可監(jiān)測任何隧道(隧道內(nèi)無信號的情況下也能監(jiān)測)，且能將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到監(jiān)測中心計(jì)算機(jī)，使得隧道監(jiān)測管理更加科學(xué)方便。

所述監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)6根據(jù)得到的隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)分別構(gòu)建隧道變形量-時(shí)間樣本數(shù)據(jù)庫和隧道變形速率-時(shí)間樣本數(shù)據(jù)庫，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法將所得的樣本數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訓(xùn)練得到隧道變形量和隧道變形速率的預(yù)測模型，由此預(yù)測模型給出下一段時(shí)間的隧道變形量和隧道變形速率。

具體地，通過所述分布式光纖傳感器1和光纖應(yīng)變分析儀2，根據(jù)布里淵頻移與應(yīng)變和溫度的線性關(guān)系即可得到圍巖徑向上的應(yīng)變和溫度，剔除溫度的影響，即可得到圍巖沿隧道斷面徑向的應(yīng)變分布。以圍巖外邊緣為起點(diǎn)向內(nèi)進(jìn)行一次積分，即可得到圍巖各點(diǎn)的變形

其中，S為距圍巖外邊緣x米處的變形，ε為分布式光纖傳感器應(yīng)變。

通常圍巖內(nèi)邊緣為變形最大處，以圍巖內(nèi)邊緣為例，可得到隧道各監(jiān)測點(diǎn)的變形，可得到某時(shí)刻所對應(yīng)的隧道各點(diǎn)的變形值(s-t)：(s₀,t₀)(s₁,t₁)(s₂,t₂)…(s_n,t_n)其中，t₁-t₀＝t₂-t₁＝…＝t_n-t_n-1＝▽t＝24h，從而建立各點(diǎn)的變形量-時(shí)間樣本數(shù)據(jù)庫；由v_n＝(s_n-s_n-1)/▽t，可得某時(shí)刻所對應(yīng)測隧道各點(diǎn)的變形速率(v-t)：(v₀,t₀)(v₁,t₁)(v₂,t₂)…(v_n,t_n)，從而建立各點(diǎn)的變形速率-時(shí)間樣本數(shù)據(jù)庫。

利用MATLAB的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，選擇ANFIS，利用最后監(jiān)測的30個數(shù)據(jù)，分別生成變形量-時(shí)間的ANFIS模型和變形速率-時(shí)間的ANFIS的預(yù)測模型；向基于ANFIS的變形量-時(shí)間模型輸入下一時(shí)間值：t_n+1＝t_n+▽t，得到24小時(shí)時(shí)的變形量預(yù)測值s′_n+1，向基于ANFIS的變形速率-時(shí)間模型輸入下一時(shí)間值：t_n+1＝t_n+▽t，得到24小時(shí)時(shí)的變形速率預(yù)測值v′_n+1；同理，將▽t變成2▽t，可得到48小時(shí)時(shí)的變形量預(yù)測值和變形速率預(yù)測值。

再采用灰色模型方法對隧道變形情況進(jìn)行預(yù)測，得到下一段時(shí)間的隧道變形量和變形速率。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，采用灰色模型方法中的等時(shí)距GM(1，1)模型對隧道變形情況進(jìn)行預(yù)測。

具體地，利用監(jiān)測得到的變形值和變形速率值作為原始數(shù)據(jù)，同樣取最后監(jiān)測的30個數(shù)據(jù)，有等時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)序列

S(0)＝[S(0)(1)，S(0)(2)，S(0)(3)……S(0)(30)]

對S(0)進(jìn)行一次累加生成，得到

對此生成序列建立一階微分方程

即得到GM(1，1)模型，其中a，b是灰參數(shù)，其值可以用最小二乘法求得：

A＝[ab]^T＝(B^TB)^-1B^TY_n

其中，

把為定義對S⁽¹⁾作緊鄰均值求出A后，把的值代入式(1)，解出微分方程得：

對S¹(k+1)做累減可得到還原模擬數(shù)據(jù)，即：

同理可得V″_n+1；

分別求得變形量-時(shí)間和變形速率-時(shí)間的灰色模型，從而求得預(yù)測值；將t_n+1代入灰色模型中即可求得s″_n+1，v″_n+1。

然后，將兩種方法得到的預(yù)測值賦予不同的權(quán)重，得到最終的預(yù)測值。在本發(fā)明中，具體地，

利用s_n+1＝(1-w_n)s′_n+1+w_ns″_n+1,v_n+1＝(1-w′_n)v′_n+1+w′_nv″_n+1)，求得變形量和變形速率最終的預(yù)測值。其中w_n,w′_n分別由

s_n＝(1-w_n)s′_n+w_ns″_n,v_n＝(1-w′_n)v′_n+w′_nv″_n

求得。式中，s_n,v_n是上一時(shí)段監(jiān)測得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，s′_n,v′_n是上一時(shí)段神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法得到的預(yù)測值，s″_n,v″_n上一時(shí)段灰色模型方法得到的預(yù)測值。

接著，根據(jù)相關(guān)規(guī)定和專家經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合具體工程對象設(shè)置變形量和變形速率的閾值s和v。將最終的預(yù)測值和閾值比較，若：s_n+1≤s且v_n+1≤v，則隧道安全，將(s_n+1,t_n+1)，(v_n+1,t_n+1)分別加入變形-時(shí)間樣本數(shù)據(jù)庫和變形速率-時(shí)間樣本數(shù)據(jù)庫，重復(fù)上述步驟，繼續(xù)預(yù)測。否則停止預(yù)測，由所述監(jiān)測中心計(jì)算機(jī)6發(fā)出報(bào)警。

圖2示出了本發(fā)明的隧道運(yùn)行期變形監(jiān)測預(yù)報(bào)方法的流程圖。如圖2所示，本發(fā)明的隧道運(yùn)行期變形監(jiān)測預(yù)報(bào)的方法包括以下步驟：

首先，通過所述分布式光纖傳感器1收集隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)。

其次，將所收集的隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)存儲到所述光纖應(yīng)變分析儀2中。

接著，將存儲到所述光纖應(yīng)變分析儀2中的隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)通過所述光纖3傳輸?shù)轿挥谒淼劳獾乃鰯?shù)據(jù)傳輸單元4。

然后，所述數(shù)據(jù)傳輸單元4通過所述GPRS模塊5將隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿霰O(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。

之后，所述監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)6根據(jù)得到的隧道變形量和隧道變形速率數(shù)據(jù)分別構(gòu)建隧道變形量-時(shí)間樣本數(shù)據(jù)庫和隧道變形速率-時(shí)間樣本數(shù)據(jù)庫，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法將所得的樣本數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訓(xùn)練得到隧道變形量和隧道變形速率的預(yù)測模型，由此預(yù)測模型給出下一段時(shí)間的隧道變形量和隧道變形速率.

接著，采用灰色模型方法對隧道變形情況進(jìn)行預(yù)測，得到下一段時(shí)間的隧道變形量和變形速率。

然后，給兩種方法得到的預(yù)測值賦予不同的權(quán)重，得到最終的預(yù)測值。

最后，將最終的預(yù)測值與閾值進(jìn)行比較，如果最終的預(yù)測值大于閾值，由所述監(jiān)測中心計(jì)算機(jī)6發(fā)出預(yù)警，如果最終的預(yù)測值小于閾值，則隧道安全。

本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。