一种用于数字化工程的传感器数据采集与处理系统的制作方法

本公开的实施例涉及工程监测数据处理，尤其涉及一种用于数字化工程的传感器数据采集与处理方法、系统、电子设备和存储介质。

背景技术：

1、随着数字化工程技术的持续发展，深基坑、隧道及地下工程等复杂工程场景中多深度传感器阵列的大规模部署已成为工程安全监测的重要手段。围护结构渗流状态的实时感知对于工程安全预警具有基础性意义，孔隙水压力传感器等多类型传感器被广泛布置于不同深度层位，以获取渗流场的时空分布信息。

2、然而，随着监测断面数量与传感器密度的持续增加，工程现场的数据采集与处理面临显著的技术瓶颈。在强降雨工况下，围护结构中的优先流现象使得深层传感器响应呈现出与常规基质渗流截然不同的时滞特征和幅度特征，常规渗流条件下建立的基线模型难以准确描述优先流条件下的传感器响应规律。与此同时，传感器在超渗期间受复杂水文环境影响，探头接触退化、量程饱和漂移等物理故障的发生概率显著升高，其异常响应特征与真实优先流贯入事件的快速响应特征在时滞和幅度维度上存在混叠，给异常识别与数据质量控制带来了较大困难。

3、现有的工程传感器数据处理方案通常基于单一阈值判别或统计控制图方法对传感器异常进行检测，此类方案在常规工况下具有一定适用性，但在超渗优先流工况下存在明显局限性。一方面，现有方案所采用的基线模型未将围护结构裂隙率参数与超渗比率纳入预期响应的建模过程，导致优先流条件下的预期响应包络与实际响应存在系统性偏差；另一方面，现有方案缺乏对传感器响应波形形态特征的定量表征手段，无法有效区分优先流贯入引起的快速响应与传感器物理故障引起的漂移或突变，从而导致故障节点数据被误用于下游工程分析或正常快速响应数据被错误剔除。本公开的发明人注意到，目前的传感器数据处理方案没有考虑到超渗优先流工况下裂隙传输特性对各深度层位响应的差异化影响，导致在强降雨期间传感器故障与真实优先流响应的混叠问题无法得到有效解决，进而影响多深度监测数据的完整性与可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于数字化工程的传感器数据采集与处理系统，解决现有技术中在超渗优先流工况下无法有效区分真实优先流贯入事件与传感器故障、且故障节点缺乏物理一致性数据修复手段的问题。

2、本发明公开了一种用于数字化工程的传感器数据采集与处理方法，包括以下步骤：根据瞬时外部水荷载强度与围护结构基质饱和渗透系数的比较结果确定超渗事件标识并计算优先流激活强度指标；

3、根据同一监测断面多深度传感器历史数据序列的滑动窗口互相关计算生成各层间渗流时滞特征参数；

4、基于所述优先流激活强度指标和裂隙率参数，经指数衰减深度分配函数生成各深度层位的预期缩短时滞值和预期响应幅度包络；

5、在超渗事件期间，根据深层传感器实测响应与所述预期缩短时滞值及预期响应幅度包络的偏差生成双维度异常指标；

6、对双维度异常指标超出容许范围的深层传感器，根据其与浅层传感器响应波形的互相关形状相似度系数判定为真实优先流贯入事件或传感器故障；

7、对判定为传感器故障的节点，将浅层传感器实测值经所述指数衰减深度分配函数得到的预期深层响应值与同层水平邻域传感器空间插值估计进行加权融合，生成校正后的深层监测数据；

8、将校正后的深层数据与判定为正常优先流响应的实测数据合并输出，并将超渗期间实测时滞数据追加至优先流工况专用样本集以更新渗流时滞特征参数的季节性基准范围。

9、在一个优选的实施方式中，所述根据瞬时外部水荷载强度与围护结构基质饱和渗透系数的比较结果确定超渗事件标识并计算优先流激活强度指标，包括：逐时间步将瞬时外部水荷载强度  与基质饱和渗透系数  进行比较并维护连续超渗持续时间计数器 ；当  达到预设时间窗口  时输出超渗事件标识为激活状态并记录超渗起始时刻 ；根据超渗起始时刻  至当前时刻  的外部水荷载强度时间均值 与  的比值计算超渗比率 作为所述优先流激活强度指标，其中 ， 为无量纲数。

10、在一个优选的实施方式中，所述指数衰减深度分配函数的到达时间分配计算为：，其中， 为优先流模式下浅层参考层位深度  至深度 之间的预期缩短时滞值， 为常规基质渗流条件下同层间的基线时滞值， 为围护结构裂隙率参数， 为超渗比率， 为该监测断面的最大监测深度跨度，指数项自变量中深度差与最大深度跨度量纲相消使整体为无量纲数。

11、在一个优选的实施方式中，所述指数衰减深度分配函数的响应幅度分配计算为：，其中， 为深度  的预期响应幅度中值， 为常规基质渗流条件下深度  的基线响应幅度， 为幅度深度衰减系数， 为浅层参考层位深度；所述预期响应幅度包络的上界和下界分别为 和 ，其中  为包络容差系数。

12、在一个优选的实施方式中，所述双维度异常指标包括时滞偏差标准化分数 和幅度偏差标准化分数 ：，，其中， 为深层传感器实测时滞， 为该层间历史时滞的标准偏差， 为实测响应幅度， 为包络半宽度作为幅度偏差的归一化基准。

13、在一个优选的实施方式中，所述根据互相关形状相似度系数判定为真实优先流贯入事件或传感器故障，包括：当互相关形状相似度系数  不低于预设相似度阈值 且深层传感器响应波形保持与浅层传感器一致的上升沿后指数衰减特征时，判定为真实优先流贯入事件；当  低于所述预设相似度阈值  且深层传感器响应波形呈现单调漂移特征或阶跃突变特征时，判定为传感器故障，其中单调漂移特征对应探头接触退化故障，阶跃突变特征对应量程饱和漂移故障。

14、在一个优选的实施方式中，所述加权融合中垂直维度替代估计值为，其中  为浅层参考传感器当前时刻实测值， 和  分别为所述指数衰减深度分配函数生成的对应层位预期响应幅度中值；融合校正后的监测数据为 ，其中 为同深度水平邻域传感器空间插值估计值，，， 为垂直互相关强度， 为水平空间变异函数可靠度指标。

15、在一个优选的实施方式中，还包括：将所述校正后的深层监测数据与判定为真实优先流贯入事件的传感器实测数据合并输出为多深度监测数据校正序列；将超渗事件期间各层传感器实测的层间时滞数据追加至优先流工况专用样本集，所述优先流工况专用样本集与常规工况样本集分别统计，常规工况样本集用于更新所述渗流时滞特征参数的基线时滞值，优先流工况专用样本集用于为所述指数衰减深度分配函数提供超渗工况下的时滞参考信息。

16、一种电子设备，包括：至少一个存储器，非瞬时性地存储有计算机可执行指令；至少一个处理器，配置为运行所述计算机可执行指令，其中，所述计算机可执行指令被所述处理器运行时实现本公开任一实施例所述的用于数字化工程的传感器数据采集与处理方法。

17、一种用于数字化工程的传感器数据采集与处理系统，包括：超渗事件识别模块、常规基线获取模块、预期响应包络生成模块、双维度异常指标计算模块、故障判别模块、数据融合校正模块；所述超渗事件识别模块配置为根据瞬时外部水荷载强度与围护结构基质饱和渗透系数的比较结果确定超渗事件标识并计算优先流激活强度指标；所述常规基线获取模块配置为根据同一监测断面多深度传感器历史数据序列的滑动窗口互相关计算生成各层间渗流时滞特征参数；所述预期响应包络生成模块配置为基于所述优先流激活强度指标和裂隙率参数，经指数衰减深度分配函数生成各深度层位的预期缩短时滞值和预期响应幅度包络；所述双维度异常指标计算模块配置为根据深层传感器实测响应与所述预期缩短时滞值及预期响应幅度包络的偏差生成双维度异常指标；所述故障判别模块配置为根据异常深层传感器与浅层传感器响应波形的互相关形状相似度系数判定为真实优先流贯入事件或传感器故障；所述数据融合校正模块配置为对判定为传感器故障的节点将浅层传感器实测值经所述指数衰减深度分配函数得到的预期深层响应值与同层水平邻域传感器空间插值估计进行加权融合，生成校正后的深层监测数据。

18、本发明的有益效果是：

19、1、本发明通过将瞬时外部水荷载强度与基质饱和渗透系数进行逐时间步比较并引入连续超渗持续时间计数器，能够在超渗事件发生时及时输出超渗事件标识及超渗比率，使后续处理流程得以在超渗工况与常规工况之间自适应切换，避免了将优先流工况下的传感器响应与常规基线进行不适当比较所导致的误判。

20、2、本发明通过将围护结构裂隙率参数  与超渗比率  共同引入指数衰减深度分配函数，使各深度层位的预期缩短时滞值和预期响应幅度包络能够反映优先流在裂隙通道中随深度呈指数衰减的传输特性，所生成的预期响应包络与实际优先流响应之间的系统性偏差得到客观抑制。

21、3、本发明通过在时滞维度和幅度维度分别计算标准化偏差分数并构成双维度异常指标，使单一维度无法触发的异常模式得以在另一维度被识别，提高了超渗期间异常传感器节点的检出覆盖范围。

22、4、本发明通过对双维度异常指标触发节点进一步提取响应波形与浅层传感器响应波形的互相关形状相似度系数，并结合偏差方向特征区分真实优先流贯入事件与传感器物理故障，使故障类型的判定具有可追溯的波形形态依据，降低了正常快速响应数据被错误剔除的概率。

23、5、本发明对判定为故障的节点，通过垂直维度替代估计与水平维度空间插值估计的加权融合生成校正数据，融合权重由垂直互相关强度与水平空间变异函数可靠度共同确定，使校正结果能够在两种估计来源的可靠性之间实现客观的自适应分配。

24、6、本发明通过将超渗期间各层实测时滞数据追加至优先流工况专用样本集，并与常规工况样本集分别统计，使常规工况基线不受超渗期间时滞缩短效应的干扰，同时为指数衰减深度分配函数提供持续更新的超渗工况时滞参考信息，实现了传感器数据采集与处理的闭环输出。