一种拱桥水上拆切施工的河道状态评估系统的制作方法

本发明涉及水桥施工，尤其涉及一种拱桥水上拆切施工的河道状态评估系统。

背景技术：

1、拱桥作为跨越江河的重要桥型，其拆除施工面临着结构受力复杂、水上作业环境多变等多重挑战。当采用浮船作为施工平台进行拱桥水上切割拆除时，浮船通过锚碇系统与临时系杆共同维持定位和承载稳定，整个施工体系的安全高度依赖于河床锚碇点的承载能力以及河道水动力环境的实时状态。

2、传统方法多采用点式流速计或人工测深仪进行单点离散测量，无法同步获取施工水域全场的流场分布、河床地形动态演化、底质特性以及浮船-锚链系统的力学响应。现有预警系统通常基于预设的固定阈值进行单参数报警，无法识别多因素耦合作用下锚固安全状态的渐变式劣化，更无法发现未知的新型风险模式。例如，在某些工况下，即使流速和冲刷深度均未超限，但由于底质密实度不均与流场激振的耦合作用，仍可能导致系杆拉力失衡和锚碇渐进式走锚，这种复合风险在传统方法中难以被及时捕捉。未能将安全评估结果量化为可执行的施工工艺调整参数，难以为浮船压载补偿、系杆张拉修正和切割速率调节等操作提供具体的指令级指导，导致从发现风险到采取控制措施之间存在较长的人工决策延迟。

3、因此，亟需一种能够对拱桥水上拆切施工中河道状态进行多维度原位感知，智能聚类评估并自动生成施工决策指令的方法，以提升复杂水环境下浮船拆桥锚固安全的风险预判能力和应急响应效率。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：现有技术难以对施工水域河道状态数据的同步采集与融合处理，难以分析识别锚固承载状态的风险模式。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种拱桥水上拆切施工的河道状态评估系统，包括：

3、采集模块，用于执行拱桥拆切施工，获取河道状态数据；

4、特征构建模块，用于对河道状态数据进行处理，得到第一向量特征和第二向量特征，并进行向量特征拼接获得河道特征矩阵；

5、环境聚类模块，用于利用聚类算法对所述河道特征矩阵进行处理，得到锚固承载评估数据；

6、安全预警模块，用于根据所述元模型对锚固绘制热力图渲染，并触发分级警报，输出施工决策指令。

7、优选地，所述采集模块包括：

8、通过无人测量船和姿态解算仪，采用时空联合校准得到水下测深相位参考面；

9、控制无人测量船沿实际河道的施工水域进行空间网格化扫查，在每一个空间采样坐标点处，根据拱桥拆除施工的作业面向量，执行正交维度探测测量，所述正交维度探测测量的处理逻辑为：

10、使多波束声呐探测方向垂直于河床界面方向，发射声波信号并接收回波，采集水深方向的底质散射响应数据；

11、使流速剖面仪探测方向平行于水流演进方向，发射声波信号并接收回波，采集流场水平方向的流速梯度响应数据；

12、提取不同工况下的浮船位移参数与系杆应变参数，构建多模态环境数据流，将各空间采样坐标点与多模态环境数据流进行空间坐标对应，输出河道状态数据。

13、优选地，所述特征构建模块包括特征提取单元和矩阵拼接单元；

14、所述特征提取单元用于对河道状态数据进行解析，提取时序水文演变特征并构建水动力理想流场模型；

15、解析水上拆切施工环境的河道状态数据，提取每一时序阶段的流速梯度向量、水位波动变幅和理论冲刷速率，并映射为第一向量特征与第二向量特征：

16、提取水文动力层面的流速向量与水位数据作为第一向量特征；提取地质力学层面的河床底质密实度与临时系杆初始应力作为第二向量特征。

17、优选地，所述矩阵拼接单元用于建立水流在理想流场模型中演进的时空耦合积分方程，采用三维体素网格和状态空间插值方法离散得到离散代数矩阵方程，进行向量特征拼接获得河道特征矩阵；

18、在目标施工窗口下，建立水流扰动在理想流场模型中演进的时空耦合积分方程，采用三维体素网格对水下三维河床数字模型进行划分，并引入状态空间插值方法对水动力场进行离散化处理，将局部流速场划分为n个局部基函数线性组合，采用测试函数法对积分方程进行加权内积，得到离散代数矩阵方程；

19、将所述第一向量特征与第二向量特征在三维体素网格的每个空间坐标块内进行时间步长对齐，拼接得到河道特征矩阵；

20、将河道特征矩阵对角化后计算当前空间坐标点处的理论锚固抗力度，将最终输出空间坐标、河道特征矩阵和理论锚固抗力度存入数据库中。

21、优选地，所述环境聚类模块包括聚类解析单元和场构建单元；

22、所述聚类解析单元用于利用聚类算法对河道特征矩阵进行降维与中心点迭代，得到中间变量特征值和系杆受力波动系数；

23、读取河道特征矩阵，对所述河道特征矩阵进行相位延迟校正，获取校正后的状态特征矩阵，利用聚类算法提取校正后的高维特征中心点，计算水文演变与地质演变的和变量与差变量，通过和变量和差变量计算得到中间变量特征值和系杆受力波动系数。

24、优选地，所述场构建单元用于引入物理机理误差补偿策略，通过锚固力逆向解算模型重构得到锚固承载评估数据，提取实际承载力绝对值并计算实际抗滑各项异性度，并构建河床锚固物理矩阵场；

25、引入物理机理误差补偿策略，利用系杆受力波动系数，建立流速激振力与校正后河床密实度的物理关联；

26、采用冲刷特征值的深度主导公式计算得到锚固力逆向解算模型；

27、将流体力学矩阵和地质力学矩阵分别代入锚固力逆向解算模型，计算得到主向承载力与侧向承载力，并重构出当前空间采样坐标点处的锚固承载评估数据，提取锚固承载评估数据的主对角线实部元素作为实际承载力绝对值，并计算当前空间采样坐标点处的实际抗滑各向异性度，将各空间采样坐标点和对应的锚固承载评估数据与实际抗滑各向异性度进行空间映射，构建整个河道的河床锚固物理矩阵场，所述河床锚固物理矩阵场的每个体素包括空间坐标、锚固承载评估数据和实际抗滑各向异性度。

28、优选地，所述安全预警模块包括：

29、读取河床锚固物理矩阵场与物理基准数据库构建统一的三维空间坐标系，将实际锚固承载评估数据和理论锚固抗力度进行一一对应，将实际抗滑各向异性度与参考各向异性度进行一一对应，计算三维空间坐标系中每个空间采样坐标点处的承载特征偏差值，所述承载特征偏差值包括承载绝对值偏差和抗滑退化度偏差。

30、优选地，所述根据元模型对锚固承载热力图渲染，并触发分级警报的处理逻辑为：

31、建立河道状态异常判定映射规则，利用元模型对全局空间的偏差数据进行统计分布分析，计算得到承载力跌落阈值和抗滑退化阈值；

32、利用承载力跌落阈值和抗滑退化阈值，对河道状态风险进行分类，得到风险级别，所述风险级别的判定处理逻辑为：

33、当承载绝对值偏差≥承载力跌落阈值，且抗滑退化度偏差<抗滑退化阈值时，判断当前坐标区域存在第一级风险；

34、当承载绝对值偏差<承载力跌落阈值，且抗滑退化度偏差≥抗滑退化阈值时，判断当前坐标区域存在第二级风险；

35、当承载绝对值偏差≥承载力跌落阈值，且抗滑退化度偏差≥抗滑退化阈值时，判断当前坐标区域存在第三级风险；

36、当承载绝对值偏差<承载力跌落阈值，且抗滑退化度偏差<抗滑退化阈值时，判断当前处于安全可施工区域；

37、提取判断出存在风险的坐标区域，通过承载力定量评估，计算局部当量抗拔力，通过流致振动损伤指数，对存在风险的坐标区域，进行系杆疲劳量化，得到系杆动态损伤度；

38、将所有空间采样坐标点处的空间坐标、风险级别、局部当量抗拔力和系杆动态损伤度进行整合，标注在三维空间坐标系中，采用元模型渲染生成锚固承载热力图并触发对应的分级警报。

39、优选地，所述输出施工决策指令的处理逻辑包括：

40、读取锚固承载热力图，在三维数字孪生空间中，将各空间采样坐标点逆向映射至解析水上拆切施工环境的多维监测文件中对应的具体浮船舱室与拆切施工时序段，根据映射后得到的拆切施工时序段，通过风险级别执行差异化的施工工艺动态调整策略，具体的处理逻辑为：

41、当施工时序段关联的风险级别为安全可施工区域时，保持作业段原始切割与吊装控制指令不变；

42、当施工时序段关联的风险级别为第一级风险时，执行局部压载水动态补偿策略：

43、提取当前水域对应的局部当量抗拔力，基于静力学平衡原理计算当前浮船缺失的重力补偿量，在对应位置的姿态控制指令中，增加目标压水舱的单位时间注水量，将增加的注水调平参数作为正向补偿参数写入施工决策指令，当施工时序段关联的风险级别为第二级风险时，执行拉力协同张拉强化策略：

44、提取当前水域对应的系杆动态损伤度，执行拉力场修正处理，所述拉力场修正处理包括预应力修正和缓冲位移修正。

45、优选地，所述安全预警模块还包括指令驱动单元：

46、在完成对所有拆切施工时序段的逆向映射与参数修改后，对更新后的全局调度指令集进行运动学平滑滤波处理，限制相邻工序段之间注水阀开度、千斤顶压力和切割机转速指令的瞬态剧烈跳变率，生成并输出修正后的施工决策指令，将修正后的施工决策指令直接下发至带有控制阀组的浮船自动压载终端与拱桥水上切割设备主控机。

47、本发明的有益效果：通过无人测量船搭载多波束声呐、adcp、姿态解算仪，并同步采集浮船位移与系杆应变参数，能够在水上拆切施工过程中同步获取流场分布、河床地形演化、底质散射响应及锚固系统力学响应，打破了传统方法的数据维度壁垒，为安全评估提供了完整的物理信息基础；依据拱桥拆除施工作业面向量执行正交维度探测，使多波束声呐探测方向垂直于河床以获取精确的底质散射响应，使流速剖面仪平行于水流方向以获取准确的流场梯度响应，保证了各维度数据的测量精度和物理指向性；通过提取水文动力层面和地质力学层面的差异化特征，并基于时空耦合积分方程与三维体素网格拼接为河道特征矩阵，将水流驱动力与河床抗冲刷能力纳入统一的数学框架中进行关联分析；采用聚类算法对高维特征矩阵进行降维与中心点迭代，并通过物理机理误差补偿策略重构锚固承载评估数据，能够自动识别环境状态的异常模式，无需依赖预设固定阈值，对新异复合风险具有自适应性；通过逆向解算各空间坐标点的主向承载力与侧向承载力，计算实际抗滑各向异性度并构建全河道物理矩阵场，能够揭示锚碇在不同方向上承载能力的差异性，预警因水流方向变化或底质不均导致的定向滑移风险；以承载绝对值偏差和抗滑退化度偏差作为双重判定指标，将风险划分为三类等级并明确各类风险对应的物理含义，避免了单指标判据的误报，提高了预警的准确性。