基于边缘计算与多模态融合的隧道环境监测预警系统及方法

本发明属于隧道工程安全监测，具体涉及一种基于边缘计算与多模态融合的隧道环境监测预警系统及方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、隧道施工中可能存在有毒有害气体聚集、地下水突涌、掌子面失稳、围岩变形、衬砌开裂、人员误入危险区域等安全风险；隧道运营中可能出现火灾烟雾、车辆异常停留、路面积水、通风失效、照明异常、结构长期变形和渗漏病害等问题。上述风险具有突发性、耦合性和隐蔽性，对监测系统的实时性、准确性和联动处置能力提出了较高要求。

3、现有隧道环境监测系统多采用单一传感器或分散式子系统进行监测，在实际应用中，环境监测、结构监测、水害监测和视频监控往往相互独立，缺少对多源异构数据的统一融合分析，难以及时识别结构变形伴随渗漏、气体浓度异常伴随通风失效、路面积水伴随排水系统堵塞等复合型风险；隧道内部空间狭长、封闭，通信链路受布设条件、施工扰动、电磁干扰和公网覆盖不足等因素影响较大，若将原始视频流和高频传感器数据全部上传至云端，不仅占用大量带宽，也容易造成延迟和数据丢失风险；大多采用静态阈值报警，未能充分考虑隧道所处的工程阶段、空间位置、历史趋势和多源数据之间的一致性；一般停留在“发现异常—人工查看—人工处置”的阶段，与通风、排水、照明、交通诱导和声光报警等现场设备的联动能力不足，难以在风险发生初期实现快速响应。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出了一种基于边缘计算与多模态融合的隧道环境监测预警系统及方法，在边缘侧进行数据清洗、时空对齐、异常初筛和事件包生成，在云端侧进行多模态融合、趋势分析、数字孪生映射和综合风险评分，结合安全联锁条件控制现场设备，实现了隧道环境风险的及时识别、分级预警和闭环处置；解决了现有隧道监测系统存在的多源数据割裂、原始数据传输压力大、预警响应滞后、静态阈值适应性差以及缺少联动闭环控制的难题。

2、根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种基于边缘计算与多模态融合的隧道环境监测预警系统，采用如下技术方案：

3、一种基于边缘计算与多模态融合的隧道环境监测预警系统，包括：

4、多源感知采集模块，设置在隧道内的不同监测断面，采集隧道的原始监测数据；

5、边缘计算与事件生成模块，连接所述多源感知采集模块，对所采集到的原始监测数据进行预处理，筛选异常数据，生成事件数据包；

6、可靠通信模块，连接所述边缘计算与事件生成模块，将事件数据包和原始监测数据传输至云端；

7、云端融合决策模块，通过可靠通信模块接收数据，结合数字孪生模型和多模态融合算法计算综合风险评分；

8、分级预警与联动控制模块，与所述云端融合决策模块及现场执行设备连接，根据综合风险评分进行分级预警和联动控制。

9、作为进一步的技术限定，所获取的原始监测数据至少包括环境参数、水文参数、结构状态参数和视觉图像数据。

10、作为进一步的技术限定，所述多源感知采集模块包括环境感知单元、水文感知单元、结构状态感知单元和机器视觉感知单元；其中，所述环境感知单元包括co传感器、h2s传感器、ch4传感器、温湿度传感器、风速风向仪及烟雾探测器；所述水文感知单元包括水位计、渗压计、流量计、渗漏监测传感器或围岩含水率传感器；所述结构状态感知单元包括振弦式应变计、激光位移计、mems倾角计、裂缝计、收敛计或沉降监测装置；所述机器视觉感知单元包括高清摄像机、红外热成像仪或低照度摄像机，用于识别涌水、积水、烟雾、明火、人员入侵、车辆异常停留及设备运行异常事件。

11、作为进一步的技术限定，所述边缘计算与事件生成模块包括数据接入单元、时空对齐单元、边缘推理单元、事件包生成单元和本地缓存单元；其中，所述数据接入单元用于接收传感器数据、视频流数据及设备运行状态数据；所述时空对齐单元用于按照统一时间戳、空间断面编号和工程阶段标签对不同采样频率、不同数据格式的多模态数据进行同步处理；所述边缘推理单元用于对视频图像和传感器数据进行异常识别，并输出异常类型、异常位置、异常置信度和关键帧图像；所述事件包生成单元用于将异常识别结果、传感器特征值、变化趋势、关键帧图像和初步处置建议封装为事件数据包；所述本地缓存单元用于在通信中断或网络质量低于设定阈值时缓存监测数据和事件数据包，并在通信恢复后进行补传。

12、作为进一步的技术限定，所述云端融合决策模块包括数据存储单元、数字孪生映射单元、阶段策略库、风险评分单元和模型更新单元；其中，所述数据存储单元用于存储隧道施工期、运营期及养护期的历史监测数据、事件数据包和处置记录；所述数字孪生映射单元用于将实时监测数据、事件位置和风险等级映射至隧道三维模型或平面展开模型中；所述阶段策略库用于存储不同工程阶段对应的监测指标、采样频率、预警阈值、风险权重和联动规则；所述风险评分单元用于根据阈值偏离度、变化趋势、视觉识别置信度、工程阶段权重、数据一致性和设备运行状态计算综合风险评分；所述模型更新单元用于根据历史事件、人工复核结果和现场处置结果对风险评分参数及识别模型进行更新。

13、作为进一步的技术限定，所述分级预警与联动控制模块包括风险等级判定单元、信息发布单元、安全联锁判断单元和设备联动控制单元；其中，所述风险等级判定单元用于将综合风险评分划分为一般关注、黄色预警、橙色预警和红色预警等级；所述信息发布单元用于通过声光报警器、短信、app、监控大屏、广播系统或可变情报板发布预警信息；所述安全联锁判断单元用于判断现场设备状态、人员位置、供电状态、通风状态及人工授权条件是否满足联动要求；所述设备联动控制单元用于在满足安全联锁条件时，通过plc、do接口、工业网关或继电器控制通风设备、排水设备、照明设备、报警设备、交通诱导设备或非必要电源回路。

14、根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种基于边缘计算与多模态融合的隧道环境监测预警方法，采用了第一方案所提供的一种基于边缘计算与多模态融合的隧道环境监测预警系统，采用如下技术方案：

15、一种基于边缘计算与多模态融合的隧道环境监测预警方法，包括：

16、获取隧道原始监测数据；

17、基于所获取的隧道原始监测数据，筛选异常数据，生成事件数据包；

18、根据事件数据包、数字孪生模型和多模态融合算法计算综合风险评分；

19、根据综合风险评分进行分级预警和联动控制，完成基于边缘计算与多模态融合的隧道环境监测预警。

20、根据一些实施例，本发明的第三方案提供了一种计算机可读存储介质，采用如下技术方案：

21、一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第二方案所述的一种基于边缘计算与多模态融合的隧道环境监测预警方法中的步骤。

22、根据一些实施例，本发明的第四方案提供了一种电子设备，采用如下技术方案：

23、一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第二方案所述的一种基于边缘计算与多模态融合的隧道环境监测预警方法中的步骤。

24、根据一些实施例，本发明的第五方案提供了一种计算机程序产品，采用如下技术方案：

25、一种计算机程序产品，包括软件代码，所述软件代码中的程序执行如本发明第二方案所述的一种基于边缘计算与多模态融合的隧道环境监测预警方法中的步骤。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

27、本发明通过在边缘侧进行数据清洗、时空对齐、异常初筛和事件包生成，在云端侧进行多模态融合、趋势分析、数字孪生映射和综合风险评分，结合安全联锁条件控制现场设备，实现隧道环境风险的及时识别、分级预警和闭环处置；降低了隧道监测数据冗余传输，提高了异常识别及时性和多灾害耦合场景下的预警准确性，适用于隧道施工期、运营期及养护期的安全监测与风险预警。