一种路基沉降实时监测自适应补压修复集成控制系统的制作方法

本发明属于道路基础设施，尤其涉及一种路基沉降实时监测自适应补压修复集成控制系统。

背景技术：

1、路基沉降是道路工程运营期最常见的病害之一，不均匀沉降会导致路面开裂、桥头跳车、轨道平顺性下降等问题，严重影响行车安全与道路使用寿命。目前路基沉降治理普遍采用“定期人工检测—发现病害—人工制定方案—现场施工修复”的事后处置模式，存在以下显著技术缺陷：

2、人工检测周期长，难以捕捉沉降发展的动态过程，往往在沉降发展到肉眼可见、影响行车时才被发现，错失最佳修复时机，修复成本高且对交通影响大。

3、现有监测多仅采集表面沉降数据，缺少路基内部土压力、孔隙水压力等力学参数的同步监测，无法准确判断沉降诱因，修复方案缺乏针对性。

4、补压注浆等修复工艺的压力、流量、注浆量等参数多依靠工程经验设定，无法根据路基实际沉降速率、填料性质、内部应力状态动态调整，易出现补压不足导致修复效果差，或补压过量引发路基隆起、路面破坏等二次病害。

5、监测系统与修复施工相互独立，数据无法互通，修复过程中无法实时反馈沉降变化，难以形成闭环控制，修复质量难以保障。

6、多路段路基运维依赖人工巡检与台账管理，缺少数字化、集成化的管控平台，运维成本高、响应速度慢。

7、因此，亟需开发一种能够实现路基沉降实时监测、智能决策、自适应修复的集成化系统，解决现有技术中监测与修复脱节、修复精度不足、运维效率低下的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种路基沉降实时监测自适应补压修复集成控制系统，通过分布式多参数感知、边缘-云端协同计算、自适应智能决策与闭环补压执行的一体化系统架构，实现路基沉降的早预警、准诊断、自适应修复，提升路基运维的智能化水平与修复效果。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

3、一种路基沉降实时监测自适应补压修复集成控制系统，自上而下分为感知层、边缘层、决策层、执行层与云端层五层架构，具体包括沉降感知监测单元、边缘计算处理单元、自适应决策控制单元、补压修复执行单元以及云端运维管理单元。

4、所述沉降感知监测单元布设于目标路基的不同深度与横断面位置，作为系统的感知输入端，用于实时采集路基沉降数据与内部力学、环境参数，并将采集数据通过有线/无线通信网络传输至边缘计算处理单元。

5、所述边缘计算处理单元部署于路基现场的工业控制柜内，作为系统的本地数据处理核心，用于对原始采集数据进行预处理、本地异常识别与数据缓存；断网状态下可独立维持监测采集与基础预警功能，保障数据连续性与系统可靠性。

6、所述自适应决策控制单元采用边缘端与云端协同部署的架构，作为系统的核心控制中枢，用于基于多参数融合数据进行沉降等级划分、沉降趋势预测，并自适应生成补压修复控制策略，向补压修复执行单元下发控制指令。

7、所述补压修复执行单元布设于路基内部与现场作业端，作为系统的执行输出端，用于接收控制指令，按照自适应参数执行补压修复作业，并将作业过程中的压力、流量等运行数据实时反馈至自适应决策控制单元，形成“感知-决策-执行-反馈”的完整闭环控制。

8、所述云端运维管理单元部署于云服务器集群，作为系统的全局管控中枢，用于全路段监测数据存储、大数据分析、数字孪生可视化展示、设备全生命周期管理与运维工单派发。

9、进一步地，所述沉降感知监测单元包括沉降监测模块、力学参数监测模块与环境补偿模块：

10、沉降监测模块采用分布式光纤沉降传感器与静力水准沉降仪组合布设：分布式光纤传感器沿路基纵向埋设于路床顶面、上路堤中部、下路堤底部三个深度层，覆盖全路段纵向沉降分布，实现连续空间分辨率的沉降监测；静力水准沉降仪沿纵向按固定间隔布设一组，每组在路中、左右路肩各布设1个测点，用于对分布式光纤数据进行定点校准与单点高精度沉降测量，消除光纤蠕变带来的系统误差。

11、力学参数监测模块包括土压力传感器与孔隙水压力传感器，与静力水准测点同位置布设，分别埋设于对应深度的路基填料中，用于采集路基内部竖向应力与孔隙水压力数据，辅助判断沉降诱因与发展阶段，区分固结沉降、荷载沉降等不同沉降类型。

12、环境补偿模块包括温度传感器与雨量计，温度传感器随分布式光纤同步布设，用于对光纤沉降监测数据进行温度解耦补偿，消除温度变化对沉降监测结果的干扰；雨量计布设于路段现场边坡处，用于采集降雨数据，修正水荷载与路基软化对沉降的影响，降低环境干扰导致的误预警概率。

13、进一步地，所述边缘计算处理单元的数据预处理流程包括小波阈值去噪、温度补偿计算、沉降速率与差异沉降衍生参数计算；本地异常识别采用多阈值联动判断机制，当表面沉降量、沉降速率、层间差异沉降任一参数超过对应预警阈值时，触发一级预警并上传数据至云端；当两项及以上参数超过阈值时，触发二级预警并自动启动补压决策流程。边缘计算处理单元内置不间断电源与本地存储介质，可在断电、断网状态下独立运行72小时以上。

14、进一步地，所述自适应决策控制单元包含沉降等级划分模块、沉降预测模块与补压策略生成模块：

15、沉降等级划分模块采用模糊综合评价法，以累计沉降量、沉降速率、差异沉降、土压力变化率四项指标为评价因子，将路基沉降划分为轻微沉降、中度沉降、重度沉降三个等级，对应不同的修复优先级与工艺模式。

16、沉降预测模块采用改进lstm神经网络模型，以历史沉降数据、土压力、孔隙水压力、雨量、温度为输入特征，输出未来7-30天的沉降发展趋势预测值，判断沉降是否会持续发展；模型支持增量学习，每完成一次修复作业后自动用新数据训练优化。

17、补压策略生成模块基于沉降等级与预测结果，结合路基填料类型、埋深参数，自适应计算补压位置、注浆压力、注浆流量、单孔注浆量与注浆时序，采用分级递进式补压逻辑：先以低压进行渗透注浆充填沉降空隙，再逐步提升压力进行压实加固，补压过程中根据实时沉降反馈动态调整参数。

18、进一步地，所述补压修复执行单元包括预埋式注浆管网与移动式供浆工作站：

19、预埋式注浆管网沿路基纵向布设，对应沉降监测断面设置注浆支管，每根支管设置电磁控制阀、压力传感器与流量传感器，注浆出口分布于路基不同深度，在路基建设阶段同步预埋，修复作业时无需大面积开挖路面。

20、移动式供浆工作站集成于工程作业车辆上，包含储浆罐、变频注浆泵、现场控制器与无线通信模块，可通过快速接口与对应路段的注浆管网对接，接收自适应决策控制单元的指令，通过变频调节注浆泵输出压力与流量，实现参数控制。

21、补压作业过程中，沉降感知监测单元同步采集路基沉降变化，当沉降回弹量达到设定目标值或监测到路基隆起趋势时，自适应决策控制单元立即下调注浆压力或停止该孔位补压，自动切换至下一孔位作业，避免引发二次病害。

22、进一步地，所述云端运维管理单元搭载路基数字孪生模块，基于路基bim模型与实时监测数据，三维可视化展示全路段沉降分布、应力状态、补压作业进度与设备运行状态；同时具备历史数据回溯、修复效果自动评估、运维报表自动生成功能，可对接公路/铁路运维管理平台，实现多路段集中统一管控。

23、进一步地，所述系统的完整工作流程包括以下步骤：

24、s1常态化监测：沉降感知监测单元按设定频率采集路基沉降、力学与环境数据，传输至边缘计算处理单元进行预处理与本地存储，同步上传至云端运维管理单元；

25、s2异常识别预警：边缘计算处理单元实时判断监测数据是否超过预警阈值，触发对应等级预警并推送至运维人员；

26、s3自适应决策：二级预警触发后，自适应决策控制单元调用沉降预测模型判断沉降发展趋势，划分沉降等级，自动生成最优补压修复方案；

27、s4补压作业执行：运维人员确认方案后，移动式供浆工作站对接现场注浆管网，系统按照自适应参数自动执行分级补压作业，过程中实时采集压力、流量与沉降数据；

28、s5闭环反馈调整：补压过程中，系统根据实时沉降反馈动态调整注浆压力与流量，防止补压不足或过度补压；

29、s6效果验证与模型优化：补压完成后，系统持续监测沉降变化，自动评估修复效果，并将修复数据输入预测模型进行增量训练优化，持续提升后续决策精度。

30、采用上述结构后，本发明有益效果如下：

31、（1）打破传统监测与修复分离的模式，通过五层系统架构实现从沉降感知、智能分析到补压执行的全流程自动化闭环控制，沉降病害响应速度提升80%以上，可在沉降发展初期主动介入修复，大幅降低修复成本与对交通的影响。

32、（2）采用分布式光纤+静力水准的组合沉降监测方案，同步采集土压力、孔隙水压力与环境参数，通过温度补偿与多源数据校准，沉降监测精度可达0.1mm，同时可准确区分沉降类型，为修复决策提供全面的数据支撑。

33、（3）基于沉降等级与趋势预测生成个性化补压方案，采用分级递进式补压逻辑，过程中根据实时沉降反馈动态调整参数，既保证沉降修复到位，又有效避免补压过量引发的路基隆起、路面开裂等二次病害，修复合格率提升30%以上。

34、（4）边缘端负责实时数据处理与本地控制，保证补压控制的低时延与断网可用性；云端负责大数据分析、数字孪生与全局运维，兼顾系统运行可靠性与运维管理效率。

35、（5）通过数字孪生模块实现路基状态可视化展示，自动生成运维报表与修复评估报告，大幅降低人工运维工作量，提升道路运维的数字化、智能化水平，可支撑大规模路网的集中管控。