一种地下线性基础设施结构全息感知方法和系统

本技术涉及结构健康监测，特别是涉及一种地下线性基础设施结构全息感知方法和系统。

背景技术：

1、城市地下管道、综合管廊、长输油气管道等地下线性基础设施是保障城市运行和能源输送安全的重要工程载体。该类结构通常长期埋设于地下，服役环境复杂，持续承受土压力、地下水压力、车辆动荷载、施工扰动、不均匀地基沉降、腐蚀介质侵蚀等多重作用，容易出现截面变形、纵向弯曲、接头错位、裂缝扩展、渗漏和局部失稳等病害。结构病害一旦发展至失控状态，可能造成路面塌陷、管线破坏、介质泄漏或廊体结构失效，直接影响公共安全和城市运行秩序。

2、目前，地下线性基础设施的状态监测主要依赖以下几种方式：

3、其一，人工巡检与宏观检测。巡检人员按计划对管线进行巡查，或采用管道机器人、探地雷达等设备进行周期性抽检。这类方式依赖于人工经验和定期安排，属于离散式、非连续的检测手段，无法实现对结构状态的实时监控，且对于微小变形、初期受力异常等隐蔽性病害难以有效识别。此外，检测结果往往在病害已发展为宏观变形后才能被察觉，缺乏对病害发展过程的追踪能力。

4、其二，点式传感器监测。在地下结构的关键部位离散布设应变片、倾角传感器、位移计或压电传感器等电学传感设备。此类方案受限于传感器布设密度，仅能捕捉孤立点位的状态数据，相邻测点之间存在大量监测盲区。同时，电学传感器在地下高湿度、强电磁干扰环境中长期服役时，易出现数据漂移、精度下降和寿命缩短等问题，难以支撑长期连续监测。

5、其三，单一路径的光纤传感监测。部分方案采用沿管道轴向铺设或环向缠绕的单根/单方向光纤进行应变采集。此类方式虽然实现了沿线连续测量，但由于光纤仅沿单一方向布设，无法同时获取结构体横截面变形和轴向弯曲状态两个维度的信息，导致对地下线性结构体特有的截面椭圆化、纵向不均匀沉降等复合变形形态缺乏完整的感知能力。

6、其四，数据利用层次较低。现有监测系统大多将传感器输出以曲线或数值形式呈现给运维人员，数据停留在“读数”层面，缺乏将离散测点数据与结构体整体力学状态建立关联的手段。运维人员难以基于有限的监测数据判断未布设传感器区域的受力状态、变形程度和潜在风险，亦难以识别作用于结构体上的外部荷载来源及其变化趋势。

7、其五，监测接口维护成本高。地下结构监测所需的信号引出及接入接口通常设置于结构表面或地下空间内部。当后期需要进行数据采集、设备维护或系统升级时，往往需要开挖路面、破路或进入受限空间，施工干扰大、周期长、综合成本高，难以满足长期服役过程中按需接入和无人值守运维的实际需求。

8、此外，各类监测手段之间缺乏统一的数据融合与状态评估框架。不同来源、不同类型的数据相互独立，难以形成对结构体整体服役状态的一致性描述。当某一区域出现异常时，运维人员难以综合多源信息快速判断病害类型、定位异常位置并评估风险等级，导致从数据异常到运维决策的响应周期较长。

技术实现思路

1、本技术提供一种地下线性基础设施结构全息感知方法和系统，旨在解决现有技术中监测维度单一、数据利用层次低、维护成本高以及缺乏统一评估框架的问题。

2、第一方面，提供了一种地下线性基础设施结构全息感知方法，包括：

3、步骤s1，获取复合光纤传感网络采集的传感监测数据；所述复合光纤传感网络预先布设于地下线性结构体内部，通过免开挖传输接口连接至无人值守监测模块，包括用于感知结构体截面变形的环向光纤传感阵列、和用于感知结构体纵向弯曲状态的纵向光纤传感阵列；

4、步骤s2，根据所述地下线性结构体的结构参数、地质参数和所述传感监测数据建立三维数智孪生模型，并通过数据同化算法在线修正所述三维数智孪生模型，生成自适应数智孪生模型；

5、步骤s3，基于所述自适应数智孪生模型反演获得结构全息感知结果；所述结构全息感知结果包括全域应力场、全域应变场、三维变形形态以及外部荷载信息；

6、步骤s4，根据所述结构全息感知结果生成可视化交互界面和预警诊断信息。

7、上述方案中，可选地，所述步骤s2包括：

8、s21，模型初始化阶段：

9、获取已知的所述结构参数和地质参数；其中，所述结构参数至少包括结构尺寸、材料参数和接头参数，所述地质参数至少包括覆土厚度、地下水位及周边土体参数；基于上述已知的结构参数和地质参数离散有限元网格，构建初始的三维数智孪生模型；

10、s22，数据同化与在线修正阶段：

11、将所述传感监测数据作为边界条件和观测量输入至所述初始的三维数智孪生模型中；

12、通过数据同化算法计算模型预测应变与实测应变之间的残差，以预设时间窗口内的多组观测数据为同化窗口，生成若干扰动样本，通过卡尔曼增益矩阵将模型预测应变与实测应变的残差映射到状态变量的修正量上，递推更新状态变量，所述状态变量包括真实的土体弹性模量、接头转动刚度、外部荷载幅值及结构位移；

13、持续进行所述递推更新状态变量的步骤，直至所述残差满足预设阈值或达到预设迭代次数，输出收敛后的所述自适应数智孪生模型。

14、上述方案中，进一步可选地，所述基于所述自适应数智孪生模型反演获得结构全息感知结果，具体包括：

15、根据工程场景预设多个候选外部荷载工况；

16、将收敛后的所述自适应数智孪生模型的参数、传感阵列观测量以及候选外部荷载工况输入反演计算流程；

17、通过正演计算得到各候选工况下的全域应力场、全域应变场和三维变形形态，并比较计算应变与实测应变之间的匹配误差；

18、选取匹配误差最小的工况作为外部荷载的反演结果，输出包含荷载位置、荷载大小及荷载移动趋势的外部荷载信息，以及包含异常位置和风险等级的结构全息感知结果。

19、上述方案中，可选地，所述环向光纤传感阵列沿所述地下线性结构体的横截面周向布设，用于采集截面径向变形、管壁弯曲或侧墙变形数据；

20、所述纵向光纤传感阵列沿所述地下线性结构体的轴向布设，用于采集纵向沉降、上拱、弯曲曲率或轴向受力数据。

21、上述方案中，进一步可选地，所述环向光纤传感阵列包括单环传感结构或由内环传感阵列和外环传感阵列构成的双环传感结构；

22、所述双环传感结构通过对比内环传感阵列与外环传感阵列的应变差值，区分结构体截面整体变形和壁厚方向弯曲变形。

23、上述方案中，可选地，所述免开挖传输接口包括从所述地下线性结构体引出至近地表位置的竖向接入管、沿所述竖向接入管敷设的信号传输线缆以及设置于近地表位置的密封接口盒；

24、所述密封接口盒内设置传感插座，用于在不开挖路面的情况下与外部监测设备连接；所述密封接口盒或其邻近位置设置有电子定位标签，所述电子定位标签包括rfid标签、二维码标签或北斗定位标识中的至少一种，用于确定所述免开挖传输接口的位置。

25、上述方案中，可选地，所述数据同化算法包括卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、集合卡尔曼滤波、粒子滤波、贝叶斯更新或物理约束机器学习算法中的至少一种，用于根据所述传感监测数据在线修正所述三维数智孪生模型的材料参数、边界条件、荷载参数或状态变量；

26、所述数据同化算法以模型预测应变与实测应变之间的残差为输入，通过状态更新方程将残差映射至模型参数的修正量，实现模型参数的在线递推更新。

27、上述方案中，可选地，所述结构全息感知结果以多图层三维可视化方式输出，所述多图层至少包括结构几何模型图层、传感器布设图层、应力场图层、应变场图层、三维变形图层、外部荷载图层和预警诊断图层。

28、第二方面，提供了一种地下线性基础设施结构全息感知系统，包括：

29、智能结构体模块，用于承载地下线性结构体并在其内部布设复合光纤传感网络；

30、免开挖传输接口，用于将所述复合光纤传感网络从地下线性结构体引出至近地表位置，并与外部监测设备连接；

31、无人值守监测模块，用于采集并远程传输所述复合光纤传感网络输出的传感监测数据；

32、数据处理与孪生建模模块，用于执行如上任一项所述方法的步骤；

33、可视化交互模块，用于展示所述结构全息感知结果并输出预警诊断信息；

34、远程运维终端，用于接收所述预警诊断信息并查看所述可视化交互模块输出的监测结果。

35、上述方案中，可选地，所述系统还包括声发射传感器、腐蚀传感器、振动传感器、温湿度传感器或水位压力传感器中的至少一种；

36、所述数据处理与孪生建模模块还用于融合所述复合光纤传感网络和所述至少一种传感器的多物理场数据，将所述多物理场数据作为附加观测量输入所述自适应数智孪生模型，对模型参数进行多源数据联合修正。

37、相比现有技术，本技术至少具有以下有益效果：

38、本技术基于对现有技术问题的进一步分析和研究，认识到现有技术中存在监测维度单一、数据利用层次低、维护成本高以及缺乏统一评估框架的问题，通过在地下线性结构体内部布设由环向光纤传感阵列和纵向光纤传感阵列构成的复合光纤传感网络，同步采集结构体截面变形数据和纵向弯曲变形数据，达到从单一维度监测扩展为截面与纵向协同的多维度全息感知的有益效果，克服了现有技术中单一方向光纤或点式传感器无法完整捕捉地下线性结构体复合变形形态的缺陷；

39、通过根据地下线性结构体的结构参数、地质参数和传感监测数据建立三维数智孪生模型，并以数据同化算法将实测数据同化至模型中，在线迭代修正模型参数，生成随结构服役状态自适应调整的数智孪生模型，达到使数字模型与物理实体始终保持一致、实现对结构状态动态精准表征的有益效果，克服了现有技术中静态模型无法反映结构真实服役状态的缺陷；

40、通过基于自适应数智孪生模型反演计算，将离散传感点测量数据扩展为结构体全域的应力场、应变场和三维变形形态，并对候选外部荷载工况进行正演匹配以识别荷载位置、大小和移动趋势，达到由有限测点数据推断未布设传感器区域的全域结构响应、反演外部荷载信息的有益效果，克服了现有技术中传感数据停留在“读数”层面、缺乏与结构全域力学状态关联的缺陷；

41、通过免开挖传输接口将复合光纤传感网络从地下线性结构体引出至近地表位置，支持在不破坏路面的情况下按需接入监测设备，达到显著降低后期维护成本、支撑长期无人值守运维的有益效果，克服了现有技术中监测接口设置于地下需开挖接入、维护成本高的缺陷；

42、通过将结构全息感知结果以多图层三维可视化方式输出，并联动预警诊断信息和远程运维终端，达到将复杂计算数据转化为直观可理解的结构状态信息、缩短从数据异常到运维决策响应周期的有益效果，克服了现有技术中多源数据相互独立、缺乏统一评估框架的缺陷。