隧道掘进地质-机-结构多源感知与辅助决策方法及系统

本发明涉及隧道掘进辅助决策，特别是涉及一种隧道掘进地质-机-结构多源感知与辅助决策方法及系统。

背景技术：

1、隧道掘进机已成为深埋、超长隧道施工的核心装备，但现有技术存在显著痛点。首先，掘进机机身空间狭小、地震波场串扰，传统超前地质预报技术探测距离短、精度低，难以精准识别溶洞、断层破碎带及水体等不良地质，易引发开挖面坍塌等安全事故；气体环境与粉尘监测缺乏集成化方案，交叉干扰问题突出，威胁施工人员安全；地层界面识别滞后，掘进参数无法实时适配地层软硬变化，导致施工效率低下；滚刀磨损依赖人工检测，无法实时掌握状态，易因过度磨损引发设备故障；隧道衬砌质量检测多为事后抽检，效率低、覆盖面窄，难以保障施工质量。

2、此外，当前隧道掘进施工的地质预报、设备监测、环境感知、结构检测等各功能模块相互独立、分散布设，各类感知数据碎片化、严重割裂，未形成统一的多源数据融合感知体系，缺乏一体化集成感知能力。同时，缺少基于多源感知数据的智能决策体系，无法依托实时地质条件、设备状态、环境参数、结构质量数据开展动态施工优化，管控协同性差，难以实现隧道掘进全过程的智能化、精准化、协同化管控。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种隧道掘进地质-机-结构多源感知与辅助决策方法及系统，实现地质、设备、环境、结构多维度感知一体化，实现施工全过程智能化协同管控。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种隧道掘进地质-机-结构多源感知与辅助决策方法，包括：

4、根据地震波数据计算反射系数，根据隧道内目标气体的类型及浓度计算地质风险值，根据破岩过程中的振动信号提取累积振动能量，根据掘进机滚刀的磁感应电流计算累计磨损量，根据衬砌结构的弹性反射波计算衬砌厚度；

5、根据反射系数、地质风险值、累积振动能量、累计磨损量和衬砌厚度，构建以里程为轴的空间数据矩阵，基于掘进参数构建可行施工参数范围，在可行施工参数范围内，构建以掘进速度、掘进比能和刀具磨损量为指标的多目标优化函数，基于对空间数据矩阵的单源风险评估，调整多目标优化函数中各项指标的权重因子，并以最大化多目标优化函数为目标，确定最优掘进参数组合。

6、作为可选择的实施方式，基于刀盘转速、推力、扭矩和掘进速度构建可行施工参数范围，在可行施工参数范围内构建的多目标优化函数为：

7、；

8、式中，、、分别为掘进效率收益、能耗收益和刀具磨损控制收益对应的权重因子；为由刀盘转速、推力、扭矩和掘进速度构成的一组掘进参数；

9、其中，掘进效率收益为：；

10、能耗收益为：

11、；

12、；

13、刀具磨损控制收益为：

14、；

15、；

16、；

17、式中，s为里程；为最小推进速度；为最大推进速度；a为隧道开挖断面面积；为最大掘进比能；为最小掘进比能；为掘进比能；为预测刀具磨损量；为滚刀报废磨损阈值；为当前累计磨损量；为在掘进参数组合下掘进单位里程的新增磨损量，为地层磨蚀系数。

18、作为可选择的实施方式，基于对空间数据矩阵的单源风险评估，调整多目标优化函数中各项指标的权重因子的过程包括：

19、将空间数据矩阵中的多源数据统一转换为0至1范围内的标准化数据，根据标准化数据偏离正常范围的程度，得到各数据源的单源风险表征值；

20、根据各单源风险表征值与预设的风险阈值，判断当前里程处的异常状态，依此选择施工控制模式，根据施工控制模式，调用对应的权重。

21、作为可选择的实施方式，单源风险表征值为：

22、设第类数据源在里程处的标准化特征值为，正常取值区间为，最低允许阈值为，最高允许阈值为，且满足；

23、当位于正常取值区间内时，单源风险表征值取0；

24、当时，；

25、当时，。

26、作为可选择的实施方式，选择施工控制模式的过程包括：

27、效率优先模式：当所有数据源的单源风险表征值均为0时，选择效率优先模式；

28、当存在1个数据源的单源风险表征值满足，或至少两个数据源的单源风险表征值满足但位于不同里程位置时，选择均衡掘进模式；

29、当同一里程处存在至少两个数据源的单源风险表征值满足，或任意1个数据源的单源风险表征值满足时，选择安全优先模式；为风险阈值。

30、作为可选择的实施方式，地质风险值的计算公式为：；式中，为气体的地质权重因子，为气体的监测浓度，为气体的正常地层背景浓度，为气体的波动标准差，n为气体类别数量。

31、作为可选择的实施方式，衬砌厚度的计算公式为：；t为衬砌厚度，为纵波波速，为主频值；

32、反射系数波的计算公式为：；式中，为波阻抗差异界面其中一侧地层的岩石密度，为波阻抗差异界面另一侧地层的岩石密度；v1为波阻抗差异界面其中一侧地层的波速，v2为波阻抗差异界面另一侧地层的波速。

33、作为可选择的实施方式，所述隧道掘进地质-机-结构多源感知与辅助决策方法还包括，根据累积振动能量判断刀盘所在位置的地层状态，具体包括：

34、提取振动信号的均方根值；

35、计算当前累积振动能量变化率与稳定掘进段平均振动能量变化率的比值，当比值大于预设的突变系数时，即判定产生瞬时突变，判定刀盘当前处于软硬不均的异质地层界面交界处；

36、根据均方根值及累积振动能量的数值在预设的标准数据库中所处的区间范围，得到当前区域岩体的强度判定结果。

37、作为可选择的实施方式，所述隧道掘进地质-机-结构多源感知与辅助决策方法还包括，根据掘进机滚刀的磁感应电流，以及预先标定的磁通密度-滚刀磨损量标准对应曲线，确定累计磨损量，根据累计磨损量和磁感应电流在刀盘旋转周期内的波动频率识别偏磨状态；具体包括：若波动频率与滚刀自转频率一致，则判定滚刀圆周上存在固定的局部磨损点，识别为偏磨；当累计磨损量大于或等于预设磨损量阈值时，自动触发报警。

38、第二方面，本发明提供一种隧道掘进地质-机-结构多源感知与辅助决策系统，包括：

39、多源感知模块，被配置为根据地震波数据计算反射系数，根据隧道内目标气体的类型及浓度计算地质风险值，根据破岩过程中的振动信号提取累积振动能量，根据掘进机滚刀的磁感应电流计算累计磨损量，根据衬砌结构的弹性反射波计算衬砌厚度；

40、辅助决策模块，被配置为根据反射系数、地质风险值、累积振动能量、累计磨损量和衬砌厚度，构建以里程为轴的空间数据矩阵，基于掘进参数构建可行施工参数范围，在可行施工参数范围内，构建以掘进速度、掘进比能和刀具磨损量为指标的多目标优化函数，基于对空间数据矩阵的单源风险评估，调整多目标优化函数中各项指标的权重因子，并以最大化多目标优化函数为目标，确定最优掘进参数组合。

41、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

42、本发明提出了一种隧道掘进地质-机-结构多源感知与辅助决策方法及系统，实现地质、设备、环境、结构多维度感知一体化，解决模块分散、数据割裂问题。同时，构建多源数据融合智能决策体系，实现施工全过程智能化协同管控。通过整合地质预报、地层状态、设备工况、环境参数、结构质量等多维度数据，构建以里程为轴的标准化空间数据矩阵，通过构建兼顾掘进速度、掘进比能、刀具磨损的多目标优化函数，并结合单源风险评估动态调整指标权重因子，自适应匹配不同地质与施工工况，求解最优掘进参数组合，实现隧道掘进施工安全、效率、质量、设备运维的多维度协同优化，显著提升隧道施工智能化、精准化、一体化管控水平，尤其适用于深埋、超长、复杂地质隧道工程的规模化、高质量施工。

43、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。