基于多源环境传感的混凝土耐久性能检测方法及系统

本发明涉及混凝土耐久性能检测，具体为基于多源环境传感的混凝土耐久性能检测方法及系统。

背景技术：

1、混凝土结构在服役过程中受温度变化、湿度波动、氯离子侵蚀和碳化作用等多源环境因素影响，耐久性状态由表层向内部逐步劣化。现有耐久性检测技术主要依赖单一环境参量或少量传感器，获取温度、湿度或氯离子浓度等测量值，通过阈值比较、经验公式或回归模型给出耐久性等级。对于碳化深度多通过定期取芯或声光检测独立获取，与温湿度及氯离子数据在时间尺度和空间位置上不一致。该类技术将多种环境因素作为彼此分离的指标处理，未能将温度、湿度、氯离子活度和碳化前沿位置在同一状态空间中同步表达，难以描述多因素耦合作用下的连续劣化过程。

2、传感单元埋设深度不同且响应存在时延，多源数据之间存在时间偏移，现有方法缺乏针对表层、保护层和内部参量序列的时延补偿与同步重构过程，导致后续分析易受采样时刻错位影响。此外，混凝土耐久性劣化在连续检测窗口内表现为非线性衰减轨迹，现有方法通过对时程序列进行均值、方差或峰值等统计特征计算，无法有效利用轨迹在相空间中的几何展开关系及其交叠、分支和闭合结构，检测标识对环境波动敏感，状态区分度不足。需要解决多源环境参量在统一耐久性相空间中的协同表征问题，还需要解决从耐久性演化轨迹中提取具有状态辨识能力的结构化特征问题。

技术实现思路

1、针对现有混凝土耐久性检测中多源环境参量缺乏统一相空间表征、演化轨迹拓扑特征未被有效利用的问题，本发明提供一种基于多源环境传感的混凝土耐久性能检测方法及系统。该方法对多源环境参量数据进行传感响应序列重构，以温度、湿度、氯离子活度和碳化前沿位置为相坐标生成耐久性演化相轨迹，沿衰减主方向对演化相轨迹进行轨迹簇展开，对轨迹投影簇进行拓扑特征提取，生成耐久性劣化状态标识。系统包括存储器、处理器及计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法步骤。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案： 技术实现要素：

3、本发明提供一种基于多源环境传感的混凝土耐久性能检测方法，包括：

4、获取目标混凝土结构检测区段内预埋的多源环境传感阵列输出的多源环境参量数据集合，所述多源环境传感阵列包括表层温度传感单元、保护层湿度传感单元、内部氯离子选择电极传感单元和碳化深度声光传感单元；

5、对所述多源环境参量数据集合进行传感响应序列重构处理，得到各传感单元在连续检测窗口内的环境激励响应序列；

6、以温度、湿度、氯离子活度和碳化前沿位置为相坐标，将所述环境激励响应序列映射至所述检测区段的耐久性相空间中，生成耐久性演化相轨迹；

7、沿所述耐久性演化相轨迹的衰减主方向对所述耐久性演化相轨迹进行轨迹簇展开处理，得到所述耐久性演化相轨迹的轨迹投影簇；

8、对所述轨迹投影簇进行拓扑特征提取处理，生成所述检测区段的耐久性劣化状态标识。

9、该方法利用多源环境传感阵列同步获取温度、湿度、氯离子活度和碳化前沿信息，并在耐久性相空间中构建演化相轨迹，能够综合表征多因素耦合作用下的混凝土耐久性劣化过程，减少单一传感器或单一指标检测造成的误判。

10、作为本发明的一个技术方案，所述对所述多源环境参量数据集合进行传感响应序列重构处理，得到各传感单元在连续检测窗口内的环境激励响应序列，包括：

11、按照所述多源环境传感阵列中各传感单元在所述目标混凝土结构检测区段内的埋设深度顺序，将所述多源环境参量数据集合拆分为表层参量子序列、保护层参量子序列和内部参量子序列；

12、对所述表层参量子序列、保护层参量子序列和内部参量子序列分别执行缺失采样点插值处理，并对插值后的各子序列进行互相关时延补偿处理，得到对齐后的同步参量序列；

13、提取所述同步参量序列中每个采样时刻的瞬时幅值和瞬时变化率，构成所述环境激励响应序列。

14、该方案能够消除不同深度传感单元的采样缺失和响应时延差异，使各环境参量在时间维度上保持同步，提高后续相轨迹构建的一致性和准确性。

15、作为本发明的一个技术方案，所述以温度、湿度、氯离子活度和碳化前沿位置为相坐标，将所述环境激励响应序列映射至所述检测区段的耐久性相空间中，生成耐久性演化相轨迹，包括：

16、将所述环境激励响应序列中的温度响应序列、湿度响应序列、氯离子活度响应序列和碳化前沿位置响应序列分别映射至统一标度域，得到标度化响应序列；

17、在所述标度化响应序列中提取同时刻的温度坐标值、湿度坐标值、氯离子活度坐标值和碳化前沿位置坐标值，组成四维相点序列；

18、按所述连续检测窗口的时间顺序连接所述四维相点序列中的相邻相点，并对连接后的折线路径进行平滑滤波处理，生成所述耐久性演化相轨迹。

19、该处理将不同量纲的环境参量统一到同一标度域，使四维相轨迹能够稳定反映耐久性状态的连续演化过程。

20、作为本发明的一个技术方案，所述沿所述耐久性演化相轨迹的衰减主方向对所述耐久性演化相轨迹进行轨迹簇展开处理，得到所述耐久性演化相轨迹的轨迹投影簇，包括：

21、在所述耐久性演化相轨迹上按等弧长间隔选取多个轨迹邻域，每个所述轨迹邻域包含连续的一段相轨迹；

22、对每个所述轨迹邻域进行主方向辨识处理，得到该轨迹邻域的局部切向向量和局部法向向量，并由所述局部切向向量与所述局部法向向量构成局部正交标架；

23、将每个所述轨迹邻域中的相轨迹点投影至所述局部正交标架的切平面上，并对投影后的各局部投影轨迹按所述耐久性演化相轨迹的延伸顺序排列，得到所述轨迹投影簇。

24、通过沿衰减主方向展开轨迹簇，能够突出相轨迹中的局部结构特征，便于识别耐久性劣化过程中的薄弱区域和趋势变化。

25、作为本发明的一个技术方案，所述对所述轨迹投影簇进行拓扑特征提取处理，生成所述检测区段的耐久性劣化状态标识，包括：

26、对所述轨迹投影簇中的每条局部投影轨迹进行交叠区域检测处理，统计交叠区域数量和交叠区域面积，并记录各交叠区域之间的连通关系；

27、基于所述连通关系构建投影拓扑图，提取所述投影拓扑图中的闭合环数量、悬垂分支数量和连通分量数量，作为拓扑特征；

28、将所述闭合环数量、悬垂分支数量和连通分量数量分别映射为三段状态编码，并将三段状态编码按顺序拼接，生成所述耐久性劣化状态标识。

29、利用交叠区域和拓扑特征生成状态标识，能够量化混凝土耐久性劣化轨迹的复杂程度和空间分布特征，为劣化状态判定提供直观且可比较的依据。

30、作为本发明的一个技术方案，所述对所述轨迹投影簇中的每条局部投影轨迹进行交叠区域检测处理，统计交叠区域数量和交叠区域面积，并记录各交叠区域之间的连通关系，包括：

31、将每条所述局部投影轨迹离散为有序轨迹点集，并按照轨迹点之间的距离阈值将所述有序轨迹点集划分为多个轨迹段；

32、将属于同一所述轨迹投影簇的不同局部投影轨迹上的轨迹段进行两两叠置分析，将存在公共轨迹点或轨迹间距小于间距阈值的轨迹段标记为交叠轨迹段；

33、对标记后的交叠轨迹段进行空间区域合并处理，得到所述交叠区域，并统计所述交叠区域数量和所述交叠区域面积，同时建立交叠区域之间的边邻接关系作为所述连通关系。

34、该处理能够准确提取局部投影轨迹之间的空间交叠结构，提高拓扑特征提取的精度和稳定性。

35、作为本发明的一个技术方案，所述将所述闭合环数量、悬垂分支数量和连通分量数量分别映射为三段状态编码，并将三段状态编码按顺序拼接，生成所述耐久性劣化状态标识，包括：

36、将所述闭合环数量所处的数量区间转换为第一位状态编码，将所述悬垂分支数量所处的数量区间转换为第二位状态编码，将所述连通分量数量所处的数量区间转换为第三位状态编码；

37、按照所述闭合环数量、悬垂分支数量、连通分量数量的顺序拼接所述第一位状态编码、第二位状态编码和第三位状态编码，得到编码序列；

38、将所述编码序列与所述检测区段的区段编号、检测时间戳共同写入所述耐久性劣化状态标识。

39、通过分段编码和时空信息写入，可形成具有可追溯性的耐久性劣化状态标识，便于不同检测区段和不同检测时间之间的比较与跟踪。

40、作为本发明的一个技术方案，所述按所述连续检测窗口的时间顺序连接所述四维相点序列中的相邻相点，并对连接后的折线路径进行平滑滤波处理，生成所述耐久性演化相轨迹，包括：

41、将所述四维相点序列中相邻相点依次用直线段连接，得到初始折线路径；

42、在所述初始折线路径的每个转折点处获取前向相邻路径段的末端方向向量和后向相邻路径段的起始方向向量，并依据两个方向向量的夹角将转折点划分为平滑过渡点和尖锐转向点；

43、对所述平滑过渡点所在区域执行保留处理，对所述尖锐转向点所在区域执行弧段替换处理，得到所述耐久性演化相轨迹。

44、该处理在保留真实相轨迹变化特征的同时抑制高频波动，提升相轨迹的连续性和可解释性。

45、作为本发明的一个技术方案，所述对插值后的各子序列进行互相关时延补偿处理，得到对齐后的同步参量序列，包括：

46、以插值后的表层参量子序列为参考序列，分别计算插值后的保护层参量子序列和插值后的内部参量子序列相对于所述参考序列的时延偏移量；

47、根据所述时延偏移量分别对插值后的保护层参量子序列和插值后的内部参量子序列执行沿时间轴方向的平移处理，得到平移后保护层参量子序列和平移后内部参量子序列；

48、将插值后的表层参量子序列、所述平移后保护层参量子序列和所述平移后内部参量子序列按埋设深度顺序合并为所述同步参量序列。

49、该方案以表层序列为参考进行时延补偿，能够适应不同深度位置的响应滞后特性，提高多源数据同步质量。

50、本发明还提供一种基于多源环境传感的混凝土耐久性能检测系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时，实现前述基于多源环境传感的混凝土耐久性能检测方法的步骤。该系统可自动完成多源环境参量数据的获取、响应序列重构、相轨迹生成、轨迹簇展开和拓扑特征提取，输出耐久性劣化状态标识，降低人工分析负担并提高检测效率。

51、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

52、获取预埋多源环境传感阵列输出的表层温度、保护层湿度、内部氯离子选择电极和碳化深度声光传感数据，按埋设深度顺序拆分为表层参量子序列、保护层参量子序列和内部参量子序列，对缺失采样点进行插值并以表层参量子序列为参考进行互相关时延补偿，得到对齐后的同步参量序列，再提取瞬时幅值和瞬时变化率构成环境激励响应序列。将温度、湿度、氯离子活度和碳化前沿位置响应序列映射至统一标度域，由同一时刻的四个坐标值组成四维相点序列，按时间顺序连接并对折线路径进行平滑滤波，生成耐久性演化相轨迹。该处理将分散在不同空间位置和采样时延下的多源环境参量转换为同一耐久性相空间中的连续轨迹，相轨迹的延伸方向、弯曲程度和空间位置直接对应温度、湿度、氯离子活度和碳化前沿的耦合变化方式，相较单指标阈值判别，能够保留多因素共同作用下的劣化路径信息，降低因采样时刻错位造成的状态误判。

53、在耐久性演化相轨迹上按等弧长间隔选取轨迹邻域，辨识每个轨迹邻域的局部切向向量和局部法向向量并构成局部正交标架，将轨迹邻域中的相轨迹点投影至局部正交标架的切平面，按演化相轨迹的延伸顺序排列，得到轨迹投影簇。对轨迹投影簇中每条局部投影轨迹进行离散化和轨迹段划分，将不同局部投影轨迹上的轨迹段进行叠置分析，标记交叠轨迹段并合并得到交叠区域，统计交叠区域数量、交叠区域面积和各交叠区域之间的连通关系，由连通关系构建投影拓扑图，提取闭合环数量、悬垂分支数量和连通分量数量，再将三类数量映射为三段状态编码并与区段编号、检测时间戳共同写入耐久性劣化状态标识。该处理通过局部正交标架投影将高维相轨迹的局部几何结构展开为可分析的平面轨迹簇，克服相轨迹弯曲和局部噪声对特征提取的干扰；拓扑特征描述轨迹投影的交叠、分支和闭合结构，幅值漂移和环境波动对拓扑关系的影响小于对统计特征的影响，使劣化状态标识具有结构化区分能力。