一种基于复杂松散体掘进的土质状态分析方法及系统

本发明涉及土质状态监测，具体为一种基于复杂松散体掘进的土质状态分析方法及系统。

背景技术：

1、随着盾构施工监测和智能掘进控制技术的发展，盾构机运行数据已由单一施工记录逐渐扩展为多源时序数据融合分析。针对复杂松散体在土仓及螺旋输送通道内的非均质、可压缩、可重排特性，相关技术开始关注排土过程中的负载变化、仓压衰减、体积平衡和微波动特征，以辅助判断盾构掘进过程中的土质状态变化。

2、现有土质状态分析技术通常依赖排土速率、土仓压力或螺旋机负载等单一参数进行判断，难以揭示复杂松散体在表观稳定排土条件下发生的内部状态变化。当排土速率和累计排土量保持稳定时，传统方法容易将其直接解释为土体状态稳定，而忽略土体压缩、含水析出、孔隙塌缩或颗粒重排引起的隐性异常。现有技术对不同来源数据的时间同步、缺失补偿和噪声保留缺乏精细处理，容易将连续高幅值负载波动误作为噪声剔除；对仓压衰减也往往未结合排土速率分档建立参考基准，导致不同排土节奏下的压力响应不可直接比较。传统分析缺少面向土体压缩、含水析出、孔隙塌缩和颗粒重排的多特征触发规则及置信度回写机制。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明解决的技术问题是：现有的盾构掘进土质状态分析方法存在容易将表观稳定排土误判为土体状态稳定，难以基于负载、仓压、排土计量和推进成形数据识别复杂松散体内部隐性异常，缺少针对土体压缩、含水析出、孔隙塌缩和颗粒重排的多特征联合判别及置信度修正机制，以及如何在螺旋输送过程中对复杂松散体内部土质状态进行系统化分析的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于复杂松散体掘进的土质状态分析方法，包括按照统一时间基准采集盾构机掘进过程中的螺旋输送关联运行数据，并读取开挖断面参数，生成螺旋输送时序数据；依据排土计量稳定性，从螺旋输送时序数据中筛选表观稳定排土区间，并写入区间标记；调用表观稳定排土区间内的负载响应数据、排土计量数据以及仓压响应数据，计算排土负载和仓压衰减偏离；结合推进成形数据、排土计量数据以及负载扰动数据，形成隐性偏离特征；根据隐性偏离特征与状态触发规则集合的匹配关系，判别复杂松散体内部土体异常状态；依据判别状态和置信度回写表观稳定排土区间，生成修正后的土质状态分析结果。

4、作为本发明所述的基于复杂松散体掘进的土质状态分析方法的一种优选方案，其中：所述生成螺旋输送时序数据包括，采集复杂松散体在土仓及螺旋输送通道内形成的螺旋输送关联运行数据，所述螺旋输送关联运行数据包括螺旋输送运行数据、排土计量数据、仓压响应数据以及推进成形数据；螺旋输送运行数据包括螺旋机转速、螺旋机扭矩以及螺旋机电流；排土计量数据包括排土速率和累计排土量；仓压响应数据包括土仓压力，推进成形数据包括推进速度；开挖断面参数包括参与理论开挖量计算的开挖断面面积或等效开挖面积；所述累计排土量由排土速率进行时间对齐、缺失补齐以及滑动去噪处理后，沿基准时间轴累加得到累计排土量；在盾构机连续掘进过程中，从螺旋机控制记录中读取转速、扭矩以及电流；从排土计量记录中读取排土速率和累计排土量；从土仓压力采集点读取土仓压力；从推进控制记录中读取推进速度，并从施工参数记录中读取开挖断面参数；以统一采样周期建立基准时间轴，将不同来源数据按照时间邻近关系映射至基准时间轴；对缺失数据段写入无效标记并按照前后有效采样值补齐，对扭矩、电流、排土速率以及土仓压力执行滑动去噪处理；按照同一采样时刻对应一组螺旋输送关联运行数据和开挖断面参数的方式写入数据表，形成对应复杂松散体螺旋输送过程的螺旋输送时序数据。

5、作为本发明所述的基于复杂松散体掘进的土质状态分析方法的一种优选方案，其中：所述写入区间标记包括，在螺旋输送时序数据中设置滑动时间窗口；在每一滑动时间窗口内调用排土计量数据，根据排土速率的平均水平和离散程度，确定复杂松散体排土速率波动状态；当排土速率的离散程度相对于平均水平的波动比小于预设排土稳定阈值时，将对应滑动时间窗口写入候选稳定标记；在写入候选稳定标记后，基于累计排土量随采样时间的变化顺序，对累计排土量进行单调性校验；当后一采样时刻的累计排土量小于前一采样时刻的累计排土量时，将对应采样区间标记为计量异常区间；当累计排土量满足单调不减条件时，判断相邻采样时刻之间的排土量增量是否未超过预设跳变上限，确定复杂松散体累计排土量连续性；当候选稳定标记、累计排土量非递减条件和累计排土量连续性条件同时成立时，将对应滑动时间窗口确认为复杂松散体表观稳定排土区间；当相邻两个表观稳定排土区间的时间间隔低于预设合并间隔，并且两个区间内排土速率平均水平的差异低于预设均值差阈值时，将两个区间合并后写入同一表观稳定排土区间标记。

6、作为本发明所述的基于复杂松散体掘进的土质状态分析方法的一种优选方案，其中：所述计算排土负载和仓压衰减偏离包括，在每一表观稳定排土区间内调用扭矩、电流以及排土速率，以排土速率经过零值修正后的数值作为归一化基准，分别计算排出单位复杂松散体土量所对应的扭矩负载和电流负载；对排出单位复杂松散体土量对应的扭矩负载和电流负载按照采样时间求取变化趋势，并记录持续上升、阶段性突变以及间歇性峰值变化形态；在同一表观稳定排土区间内调用仓压响应数据，按照单位时间内土仓压力下降幅度形成复杂松散体仓压衰减趋势；将仓压衰减趋势与对应排土速率平均水平所属预设速率分档下的仓压衰减参考基准进行比较；所述仓压衰减参考基准为排土速率平均水平处于同一预设速率分档且未写入仓压衰减偏离记录的时间片段中，土仓压力下降幅度随时间变化形成的参考变化关系；当仓压衰减趋势满足预设仓压衰减偏离判定条件时，记录仓压衰减偏离类型和偏离持续时间，并将对应结果写入单位排土负载及仓压衰减偏离；当仓压衰减趋势不满足预设仓压衰减偏离判定条件时，将对应时间片段标记为仓压衰减未偏离片段，并将仓压衰减偏离类型记为未偏离。

7、作为本发明所述的基于复杂松散体掘进的土质状态分析方法的一种优选方案，其中：所述隐性偏离特征的形成过程包括，在表观稳定排土区间内调用推进速度和开挖断面参数，按照推进速度随时间累积形成的推进距离与开挖断面参数相乘，得到复杂松散体理论开挖量；调用同一表观稳定排土区间起止时刻的累计排土量，得到复杂松散体实际排土量，并将理论开挖量与实际排土量进行差值比较，形成体积平衡偏离；对扭矩和电流分别执行滑动平均处理，得到低频负载变化趋势，并从原始扭矩和原始电流中扣除对应低频负载变化趋势，得到扭矩微波动和电流微波动；根据微波动幅值相对于对应窗口常规幅值的偏离程度，记录微波动强度、峰值出现次数和峰值时间分布；将体积平衡偏离、排出单位土量所对应的负载变化趋势、仓压衰减偏离类型、扭矩微波动特征以及电流微波动特征按照预设顺序归一化编码，形成表征复杂松散体内部变化的隐性偏离特征；所述扭矩微波动特征和电流微波动特征分别包括对应微波动的强度、峰值出现次数和峰值时间分布；所述归一化编码以历史正常排土区间或当前掘进段稳定片段对应的特征基准范围为比较对象；将高于特征基准范围上限的特征编码为正向偏离；将低于特征基准范围下限的特征编码为负向偏离；将处于特征基准范围内的特征编码为未偏离，并按照偏离量相对于特征基准范围宽度的比例确定偏离等级。

8、作为本发明所述的基于复杂松散体掘进的土质状态分析方法的一种优选方案，其中：所述判别复杂松散体内部土体异常状态包括，基于历史正常排土区间、现场复核异常区间以及试验标定区间中提取的复杂松散体隐性偏离特征，建立状态触发规则集合和置信度生成规则；所述状态触发规则集合包括土体压缩触发规则、含水析出触发规则、孔隙塌缩触发规则和颗粒重排触发规则；当排出单位复杂松散体土量所对应的扭矩负载和电流负载中的一项呈持续上升，仓压衰减趋势低于仓压衰减参考基准下限并持续超过预设时长，并且理论开挖量相对于实际排土量形成连续正向偏离时，匹配土体压缩触发规则，生成土体压缩候选状态；当排出单位复杂松散体土量所对应的扭矩负载和电流负载中的一项出现阶段性突变，电流微波动强度升高，并且仓压衰减偏离在相邻窗口之间发生方向变化时，匹配含水析出触发规则，生成含水析出候选状态；当土仓压力在短时窗口内出现突降，扭矩微波动或电流微波动在同一时间邻域内出现尖峰，并且排土速率未出现对应幅度的持续增加时，匹配孔隙塌缩触发规则，生成孔隙塌缩候选状态；当扭矩微波动和电流微波动在连续多个预设时间窗口内出现相邻峰值时间间隔处于预设间隔范围内的峰值序列，并且仓压衰减偏离呈间歇性变化时，匹配颗粒重排触发规则，生成颗粒重排候选状态；对每一候选状态，按照触发特征数量、偏离等级、持续时间和时间一致性进行综合评分，并根据置信度生成规则将综合评分转换为对应置信度；当对应置信度达到预设状态阈值时，将对应候选状态确认为复杂松散体内部土体异常状态。

9、作为本发明所述的基于复杂松散体掘进的土质状态分析方法的一种优选方案，其中：所述生成修正后的土质状态分析结果包括，在每一表观稳定排土区间结束后，读取复杂松散体土体压缩、含水析出、孔隙塌缩以及颗粒重排对应判别状态及置信度；当所有判别状态的置信度均低于预设状态阈值时，保留对应表观稳定排土区间的排土稳定标记，并写入内部土质未异常标记；当任一判别状态的置信度达到预设状态阈值时，将对应表观稳定排土区间从单一排土稳定标记修正为表观排土稳定伴随复杂松散体内部异常标记；当两个以上判别状态的置信度达到预设状态阈值时，按照置信度高低确定主状态和伴随状态，并在置信度差异低于预设区分阈值时写入复合状态标记；当同一主状态在连续多个表观稳定排土区间内重复出现时，写入持续状态标记，当同一主状态仅在单个表观稳定排土区间内出现时，写入瞬时状态标记；输出包含区间起止时间、排土稳定标记、修正后的复杂松散体土质状态、主状态、伴随状态和置信度的土质状态分析结果。

10、作为本发明所述的基于复杂松散体掘进的土质状态分析系统的一种优选方案，其中：包括采集校准模块，区间筛选模块，负载衰减模块，偏离构建模块，状态判别模块，结果修正模块；所述采集校准模块用于按照统一时间基准采集盾构机掘进过程中的螺旋输送关联运行数据，并读取开挖断面参数，生成螺旋输送时序数据；所述区间筛选模块用于依据排土计量稳定性，从螺旋输送时序数据中筛选表观稳定排土区间，并写入区间标记；所述负载衰减模块用于调用表观稳定排土区间内的负载响应数据、排土计量数据以及仓压响应数据，计算排土负载和仓压衰减偏离；所述偏离构建模块用于结合推进成形数据、排土计量数据以及负载扰动数据，形成隐性偏离特征；所述状态判别模块用于根据隐性偏离特征与状态触发规则集合的匹配关系，判别复杂松散体内部土体异常状态；所述结果修正模块用于依据判别状态和置信度回写表观稳定排土区间，生成修正后的土质状态分析结果。

11、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序是实现基于复杂松散体掘进的土质状态分析方法的步骤。

12、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于复杂松散体掘进的土质状态分析方法的步骤。

13、本发明的有益效果：本发明提供的基于复杂松散体掘进的土质状态分析方法，通过统一时序数据构建、表观稳定排土区间筛选、单位排土负载与仓压衰减偏离计算、体积平衡及微波动隐性特征构建、多状态触发规则判别和置信度回写修正，形成针对复杂松散体内部状态的递进式分析链路。将难以直接观测的内部土体变化转化为可计算、可比较、可追溯的隐性偏离特征，通过多特征组合触发及置信度修正降低单一参数误判风险，实现对表观稳定排土区间的土质状态再判别，为盾构掘进参数调整、排土节奏控制、土仓压力控制及渣土改良提供更准确的状态依据。