一种基于多域耦合监测网络的隧洞温湿度动态预测预警方法与流程

本发明属于隧洞施工安全与智能化监测预警领域，具体涉及一种基于多域耦合监测网络的隧洞温湿度动态预测预警方法。

背景技术：

1、随着铁路隧道、公路隧道、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房及地下交通廊道等地下工程逐步向深埋化、长大化、复杂地质条件发展，隧洞施工过程中高温围岩、高温热水、高湿空气、通风受限及高温高湿作业风险日益突出。在高地温或深埋隧洞中，围岩深部热量持续向洞内释放，裂隙渗水涌水或高温热水不断补充水分和热量，洞内空气在通风作用下发生热量和水汽输运，使隧洞温度和湿度呈现明显的时空动态变化。因此，隧洞温湿度变化并非单一空气参数变化，而是渗水状态、围岩温度、空气温湿度及热量交换状态共同作用形成的水-岩-气-热耦合演化过程，有必要开展面向水-岩-气-热耦合过程的监测与预测预警。

2、现有隧洞环境监测手段仅沿隧洞轴向布设监测断面，分别布置围岩温度、洞内空气温湿度、风速传感器，仅能采集局部区域实时热环境参数，存在明显局限性：其一，监测数据按传感器类型、施工区段分开存储，未建立渗水、围岩、空气、热量交换测点间空间配准关系，无法构建多域耦合监测链，难以追溯热湿异常的空间来源与传递路径；其二，仅依靠空气温湿度、壁温、风速等单一指标开展阈值报警，未构建统一量化指标表征水-岩-气-热耦合演化状态，无法将多源监测数据转化为温湿度预测有效特征；其三，预警模式仅为实时参数超限报警，仅能反馈当前环境风险，无法预判未来时段温湿度变化趋势，且无法区分高温、高湿、复合风险的核心致因，难以针对性指导现场通风、排水、制冷调控作业。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于多域耦合监测网络的隧洞温湿度动态预测预警方法，解决现有隧洞环境监测技术无法实现水-岩-气-热多域测点空间关联、缺少统一耦合状态量化指标、仅能实时阈值报警且无法预判未来温湿度与识别风险致因的问题。

2、本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

3、一种基于多域耦合监测网络的隧洞温湿度动态预测预警方法，包括以下步骤：

4、s1.在隧洞内布设多类监测节点，采集隧洞水-岩-气-热多域监测数据；

5、s2.对全部监测节点统一空间编码并完成监测数据时间同步，基于节点空间编码计算空间配准距离，依据配准距离阈值构建耦合监测链，形成多域耦合监测网络；

6、s3.基于多域耦合监测网络内的多域监测数据，分别计算渗水状态指数、围岩热储指数、空气热湿输运指数、热量交换指数，进行融合后获得多域耦合状态指数；

7、s4.将所述多域耦合状态指数、历史温湿度数据、施工调控信息输入预先建立的温湿度预测模型，预测隧洞未来空气温湿度，基于预测温湿度计算风险指数并输出预警结果；

8、s5.分别计算渗水状态指数、围岩热储指数、空气热湿输运指数、热量交换指数对所述多域耦合状态指数的贡献率，依据贡献率识别风险主导致因，并输出相应的辅助决策建议。

9、进一步的，步骤s1中，在隧洞内布设多类监测节点，采集隧洞水-岩-气-热多域监测数据，具体包括：

10、沿隧洞轴向、径向布置多个监测断面，在各监测断面分别布设渗水状态节点、围岩温度节点、空气状态节点和热量交换节点；

11、通过渗水状态节点采集渗水温度和渗水流量；通过围岩温度节点采集围岩表面温度和围岩深部温度；通过空气状态节点采集空气温度、相对湿度和空气流速；通过热量交换节点采集对流换热量、蒸发潜热量、凝露潜热量及通风换热量。

12、进一步的，步骤s1中，采集的隧洞水-岩-气-热多域监测数据表示为：

13、；

14、其中，为时刻的多域监测数据；为时刻的渗水状态数据；为时刻的围岩状态数据；为时刻的空气状态数据；为时刻的热量交换状态数据；

15、；

16、；

17、；

18、；

19、其中，为渗水温度；为渗水流量；为湿润状态参数；为围岩深部温度，为围岩表面温度；为围岩温度变化量；为空气温度；为空气相对湿度；为空气流速；为对流换热量；为蒸发潜热量；为凝露潜热量；为通风换热量。

20、进一步的，步骤s2中，对全部监测节点统一空间编码并完成监测数据时间同步，具体包括：

21、对每一个监测节点赋予统一空间编码：

22、；

23、其中，为第个监测节点的空间编码；为隧洞里程；为断面方位；为径向深度；为距底板高度；为节点类型，包括渗水节点、围岩节点、空气节点、热量交换节点和施工调控节点；

24、将监测节点的空间编码、监测值和数据质量状态组合为节点状态：

25、；

26、其中，为第个监测节点在时刻的节点状态；为节点监测值；为数据质量状态，用于表示数据正常、缺失、异常、漂移或离线；

27、对于不同采样频率的监测数据进行时间同步处理，统一至相同时间基准。

28、进一步的，步骤s2中，基于节点空间编码计算空间配准距离，依据配准距离阈值构建耦合监测链，形成多域耦合监测网络，具体包括：

29、根据节点空间编码计算节点间空间配准距离：

30、；

31、其中，为第个监测节点与第个监测节点的空间配准距离；、分别为第个监测节点和第个监测节点的空间编码；

32、依据空间配准距离和节点类型判断两个节点是否建立空间关联：

33、；

34、其中，为第个监测节点与第个监测节点的空间配准关系；当小于或等于预设空间配准阈值，且属于允许关联的监测节点类型组合时，判定节点和节点建立空间关联；否则不建立空间关联；

35、将完成空间关联的渗水节点、围岩节点、空气节点和热量交换节点归入同一局部影响单元，并构建耦合监测链，表示为：

36、；

37、其中，为第个耦合监测链；为渗水节点；为围岩节点；为空气节点；为热量交换节点；为施工调控节点；

38、将耦合监测链按照隧洞里程、断面位置、节点关联关系和施工区段进行组织，形成耦合监测网络，用于表征不同局部影响单元之间的热湿影响传递关系：

39、；

40、其中，为多域耦合监测网络；为第个耦合监测链，为耦合监测链总数量。

41、进一步的，步骤s3中，所述渗水状态指数、围岩热储指数、空气热湿输运指数、热量交换指数的计算方式包括：

42、；

43、；

44、；

45、；

46、其中，为渗水状态指数，表征渗水温度、渗水流量及湿润状态对隧洞热湿环境的影响程度；为围岩热储指数，表征围岩向洞内释放热量的能力；为空气热湿输运指数，表征空气热量和水汽输运能力；为热量交换指数，表征围岩、渗水及空气之间的热量交换强度；

47、为渗水温度归一化值；为渗水流量归一化值；为湿润状态归一化值；

48、为围岩表面温度归一化值；为围岩深部温度归一化值；为围岩温度变化量归一化值；

49、为对流换热热量归一化值；为蒸发潜热量归一化值；为凝露潜热量归一化值；为通风换热量归一化值；、、、、、、、、、为权重系数。

50、进一步的，步骤s3中，所述多域耦合状态指数的计算方式为：

51、；

52、其中，为多域耦合状态指数；、、、为权重系数。

53、进一步的，步骤s4中，隧洞未来空气温湿度表示为：

54、；

55、其中，为未来温湿度预测结果；为未来时刻空气温度预测值；为未来时刻空气相对湿度预测值，为预测时长；

56、基于预测温湿度计算风险指数并输出预警结果，具体包括：

57、计算风险指数：

58、；

59、其中，为温湿度风险指数；为归一化后的未来空气温度预测值；为归一化后的未来相对湿度预测值；为温度权重系数；为湿度权重系数；

60、根据风险指数大小确定风险等级，并输出风险预警结果：

61、；

62、其中，为风险预警结果，包含风险等级、风险位置、风险发生时间和风险类型；其中，风险等级分为无风险、一般风险、中等风险、高风险四个级别；风险类型包括高温风险、高湿风险以及高温高湿复合风险。

63、进一步的，步骤s5中，渗水状态指数、围岩热储指数、空气热湿输运指数、热量交换指数对所述多域耦合状态指数的贡献率表示为：

64、；

65、其中，为第种状态指数对多域耦合状态指数的贡献率，分别对应渗水状态指数、围岩热储指数、空气热湿输运指数、热量交换指数；表示第种状态指数；

66、风险致因识别结果表示为：

67、；

68、其中，为贡献率最大的状态指数所对应的风险致因；为渗水状态贡献率；为围岩热储贡献率；为空气热湿输运贡献率；为热量交换贡献率。

69、进一步的，步骤s5中，所述辅助决策建议包括：通风优化、制冷降温、喷淋调整、排水除湿和人员作业调度。

70、本发明的有益效果是：

71、（1）本发明通过统一空间编码、空间配准距离判定规则归集具备热湿交互关系的渗水、围岩、空气、热量交换监测节点，构建耦合监测链并整合形成多域耦合监测网络，将渗水热湿补给、围岩地热释放、空气热湿输运、场间换热全过程纳入同一空间分析体系，可清晰定位热湿源头并追踪热量、水汽在隧洞空间内的扩散路径，完整表征水-岩-气-热耦合演化规律，提升监测数据对洞内热湿环境变化机理的表征与解释能力。

72、（2）本发明分维度构建渗水状态指数、围岩热储指数、空气热湿输运指数、热量交换指数四类分项指标，加权融合得到多域耦合状态指数；各类分项指数独立量化单一物理场对洞内温湿度的驱动强度，耦合指数统一表征局部区域热湿耦合剧烈程度，解决异构监测参数量纲不统一、难以融合建模的问题，为温湿度预测模型提供完整、标准化输入特征，有效降低预测误差，提升未来温湿度变化趋势的预测准确度。

73、（3）本发明将多域耦合状态指数、历史温湿度时序数据、施工调控信息共同作为预测模型输入，输出未来多时段隧洞空气温湿度预测结果；基于预测值计算标准化风险指数，自动划分四级风险等级并区分高温、高湿、高温高湿复合三类风险类型，同步输出包含风险位置、预计发生时间、风险等级的完整预警信息，便于现场提前开展通风、排水、制冷等前置调控作业，主动规避高温高湿作业安全隐患。

74、（4）本发明通过加权分项指数计算各物理场对应的贡献率，定量判定渗水、围岩放热、通风不足、热量交换异常四类风险主导致因，实现风险根源数字化诊断；针对不同主导致因自动匹配通风优化、制冷降温、排水除湿、喷淋调节、人员作业调度等差异化处置方案，直接输出可落地的施工决策建议。