一种盾构管片的全寿命周期管理系统和方法与流程

1.本发明涉及采用数据分析方法监管构件的技术，尤其涉及一种盾构管片的全寿命周期管理系统和方法。


背景技术：

2.管片在使用过程中可能发生局部损坏，影响正常使用。《邓唐.高铁列车动载作用下盾构隧道管片疲劳影响因素及评价方法研究.西南交通大学研究生学位论文.2015》通过固定的传感器件监管隧道管片，但是该方案适用于实验分析，无法解决在实际运营过程中，列车振动导致多个状态参数干涉的问题。cn107818372a的那种盾构管片质量巡检系统，包括数据采集装置、数据管理装置以及数据分析装置。该系统根据用户输入的管片信息采集相应的缺陷信息，并对缺陷信息进行分析汇总。cn103544556b的那种隧道全生命周期管理系统包括一运营子系统，运营子系统获得时空数据信息并通过状态参数分析技术来分析、确定运营隧道病害的情况。在这些现有技术中，同时全程分析多个管片状态，数据量较大。有必要提出一种针对目标管片的准确监管。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提供了一种盾构管片的全寿命周期管理系统和方法，通过监控管片所属区域在不同运营状态下的多个参数，精准管理目标管片，提高隧道的安全性。
4.本发明的目的可通过以下技术方案实现：一种盾构管片的全寿命周期管理系统，其特征在于，包括：监管对象、移动装置、第一工作部、第二工作部、控制部、数据输入部、数据检索部、管片监管部以及响应部，其中，监管对象具有多组轨道和监管段，至少部分的轨道穿过所述监管段，监管段内侧壁布置多个管片；移动装置在所述轨道上移动；第一工作部具有多个第一监测单元和第一分析单元，第一监测单元获取任意轨道的振动数据，第一分析单元根据该振动数据确定该轨道所在区域的第一寿命参数；第二工作部具有多个第二监测单元和第二分析单元，第二监测单元获取任意监管段的位移数据，第二分析单元根据该位移数据确定该监管段所在区域的第二寿命参数；控制部激活处于移动装置基准距离内的第一监测单元和处于移动装置基准距离外的第二监测单元；数据输入部接收目标管片h的中心坐标z；数据检索部根据中心坐标z检索目标管片h所属的轨道区间［x1，x2］和监管段区间［y1，y2］，并提取轨道区间和监管段区间对应的参考轨道d和参考监管段s，z∈［x1，x2］且z∈［y1，y2］；管片监管部根据参考轨道d的第一寿命参数和参考监管段s的第二寿命参数确定目标管片h的预期寿命；
响应部提取预期寿命小于要求寿命的多个目标管片h，输出对该目标管片h的图像监管请求。
5.在本发明中，第一工作部还具有第一存储单元，第一存储单元根据多个时点振动数据生成疲劳寿命模型，第一分析单元根据疲劳寿命模型确定第一寿命参数。
6.在本发明中，第二工作部还具有第二存储单元，第二存储单元具有由多个历史沉降数据生成的沉降寿命模型，第二分析单元根据该沉降寿命模型计算对应沉降数据的第二寿命参数。
7.在本发明中，第一监测单元为压电式加速度计，压电式加速度计安装在轨道底部。
8.在本发明中，第二监测单元由偶数个光纤光栅传感器组成，光纤光栅传感器对称布置在监管段的内壁。
9.在本发明中，全寿命周期管理系统还包括一图像分析部，响应部连接至图像分析部，该图像分析部具有高速摄像单元，高速摄像单元安装在移动装置上，移动装置处于目标管片基准距离内时，控制部激活高速摄像单元。
10.一种盾构管片的全寿命周期管理方法，其特征在于，包括以下步骤：step1，选定监管对象，监管对象具有多组轨道和监管段，至少部分的轨道穿过所述监管段，监管段内侧壁布置多个管片；step2，周期性驱动移动装置在轨道上移动；step3，获取处于移动装置基准距离内轨道的振动数据，根据该振动数据确定该轨道所在区域的第一寿命参数；step4，获取处于移动装置基准距离外监管段的位移数据，根据该位移数据确定该监管段所在区域的第二寿命参数；step5，输入目标管片h的中心坐标z；step6，根据中心坐标z检索目标管片h所属的轨道区间［x1，x2］和监管段区间［y1，y2］，并提取轨道区间和监管段区间对应的参考轨道d和参考监管段s，z∈［x1，x2］且z∈［y1，y2］；step7，根据参考轨道d的第一寿命参数和参考监管段s的第二寿命参数确定目标管片h的预期寿命；step8，提取预期寿命小于要求寿命的多个目标管片h，输出该目标管片h的图像监管请求。
11.实施本发明的盾构管片的全寿命周期管理系统和方法，具有以下有益效果：第一工作部和第二工作部可以在预定的时间段内获得振动数据和沉降数据，降低振动对沉降数据的影响。目标管片的中心坐标所在区域内的环境状态可准确反映该管片疲劳状态的寿命参数，提高了隧道的安全性。
附图说明
12.图1为本发明的这种盾构管片的全寿命周期管理系统的框图；图2为监管对象的截面示意图；图3为图2的另一方向的示意图；图4为本发明的振动数据的实测图；
图5为本发明的位移数据的实测图；图6为图1的另一优选实施例的框图；图7为本发明的这种盾构管片的全寿命周期管理方法的流程图。
具体实施方式
13.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
14.如图1至5所示本发明的这种盾构管片的全寿命周期管理系统，包括：监管对象、移动装置、第一工作部、第二工作部、控制部、数据输入部、数据检索部、管片监管部以及响应部。监管对象具有多组轨道1和监管段2，至少部分的轨道1穿过所述监管段2，监管段2内侧壁布置多个管片3。在本实施例中，管片由五个子管片组成，其中，一个a型子管片为21.5
°
，两个b型子管片为68
°
三个c型子管片为67.5
°
。相邻管片的接缝交叉布置，每六组管片构成一个循环。移动装置6在轨道1上移动，为获得准确的振动数据，控制部激活处于移动装置6的基准距离内的第一监测单元4。同时为了降低振动对位移数据的影响，控制部激活处于移动装置6的基准距离外的第二监测单元5。控制部例如具有定位模块，可以实时获得移动装置6的位置坐标，根据位置坐标激活不同的检测单元。
15.操作者通过数据输入部提供目标数据，包括但不限于目标管片的编号l以及中心坐标z。数据检索部根据中心坐标z检索目标管片h所属的轨道区间［x1，x2］和监管段区间［y1，y2］。z∈［x1，x2］且z∈［y1，y2］。提取轨道区间和监管段区间对应的参考轨道d和参考监管段s。管片监管部根据参考轨道d的第一寿命参数和参考监管段s的第二寿命参数确定目标管片h的预期寿命。本发明不限制寿命的评价方法，例如采用构件损伤敏感性评价，预期寿命l＝n－［（n－l
d
）μ1＋（n－l
s
）μ2］，参照所述。n为设计寿命，由工程设计文件决定。l
d
与l
s
分别为第一寿命参数和第二寿命参数，受工程实际使用条件影响。μ1与μ2分别为使用寿命对振动的敏感性以及使用寿命对变形的敏感性。又如采用损伤的加速评价，预期寿命l=（l
d
/ n）
×
（l
s
/ n）n，或者采用最小值评价，预期寿命l=min（l
d
，l
s
）。
16.响应部提取预期寿命小于基准寿命的多个目标管片h，基准寿命可以是预设的到达下一大修期的寿命。在本实施例中，采用图像分析部完成对标管片h的图像监管请求。响应部连接至图像分析部，该图像分析部具有高速摄像单元，高速摄像单元安装在移动装置上，移动装置处于目标管片h的基准距离内时，控制部激活高速摄像单元。
17.第一工作部通过测量轨道的振动确定轨道所在区域内管片的应力数据。第一工作部具有多个第一监测单元、第一存储单元和第一分析单元。第一监测单元固定在轨道的底部，用于获取对应轨道的振动数据。第一存储单元包含疲劳寿命模型，第一分析单元根据该振动数据的疲劳寿命模型确定该轨道所在区域的第一寿命参数，第一寿命参数为区域内管片在当前振动趋势下的寿命。在隧道中，振动加速度体现为该区域管片的主要振动状态，根据该振动状态的变异数值模拟管片疲劳应力曲线。本实施例的第一监测单元为tst121a
‑
100型压电式加速度计，灵敏度约为100mv/g，分辨频率为0.5~5000hz。某隧道工程的压电式加速度的实测数据参照图4所示。在始末时点，移动装置位于参考轨道附近，振幅较小；在中间时点，移动装置位于参考轨道上方，振幅较大。本实施例不限制该第一分析单元确定第一寿命参数的具体方法。在本实施例中， 第一存储单元根据多个时点的振动数据的变化趋势
生成疲劳寿命模型，疲劳寿命模型例如采用s
‑
n曲线。该疲劳寿命模型的极限状态对应的寿命数据第一寿命参数。通过振动时的极限应力水平估计应变量，根据该应变量与允许最大应变的关系预测第一寿命参数。
18.第二工作部通过监管段的位移情况确定所在区域内的管片的沉降数据。第二工作部具有多个第二监测单元、第二存储单元和第二分析单元。第二监测单元由偶数个光纤光栅传感器组成，对称布置在监管段的内壁。光纤光栅传感器的平均测量值为对应监管段的位移数据。据此，每一第二监测单元可以获取对应监管段内管片的沉降值。本发明的光纤光栅（fbg）参照《徐万鹏.隧道位移监测新方法的可行性探索.铁道工程学报》等所述。第二存储单元具有由多个历史位移数据生成的沉降寿命模型。第二分析单元根据该位移数据确定该监管段所在区域的第二寿命参数。已知隧道沉降曲线趋近于对数函数，在隧道建成初始，沉降较大，在隧道长期使用后，沉降逐渐减小。图5为某隧道工程左右两组光纤光栅传感器的实测数据。第二分析单元根据沉降寿命模型可以预测沉降值达到最大允许沉降（例如11mm）的时间，从而获得对应沉降数据的第二寿命参数。
19.参照图6，作为本技术的进一步改进，本发明的全寿命周期管理系统还包括摄像单元、图像处理单元、图像分析单元、数据库、数据对比单元。摄像单元接收到触发请求之后打开安装在地铁列车外表面的ccd相机，拍摄的图像发送至图像处理单元。将摄像单元拍摄的多组管片瞬时图像传入图像处理单元，对图像进行灰度化、裁剪。图像处理单元接收ccd相机拍摄的瞬时图像，由于编码系统会将图像的颜色信息也编码在其中。灰度化处理消除原始图像中rgb三原色由于光照等的影响。
20.根据管片的静态参照裁剪图像。例如隧道每组管片的多个位置设置标识点，以标识点为准，将拼接图像裁剪成与数据库中目标管片组的原始图像相同的融合图像。将经过灰度化、裁剪之后的融合图像传入图像分析单元，使用卷积神经网络的编码系统对融合图像进行编码。融合图像通过神经网络的编码处理后，输出实时编码矩阵c。该卷积神经网络例如由三层卷积层构成。
21.将获得的实时编码矩阵c传入数据对比单元，与数据库中存储的基础编码矩阵c
p
进行对比。若计算得到的绝对误差e小于系统中设定的误差阈值，则判断融合图像正常，若是大于了误差阈值（例如30），则判断融合图像出现异常，管片的变形超出稳定范围，输出警告信号。在该优选实施例中，通过第一工作部和第二工作部的检测可以初步确定病变管片的大致位置，通过摄像单元和数据对比单元等模块可以获得比较准确的病变数据。由于该摄像单元只在预定的区域内拍摄图像，可以降低图像处理工作量。
22.如图7所示的本发明的这种盾构管片的全寿命周期管理方法，包括以下步骤：step1，选定监管对象，监管对象具有多组轨道和监管段，至少部分的轨道1穿过所述监管段，监管段内侧壁布置多个管片。
23.step2，周期性驱动移动装置在轨道上移动。本实施例的移动装置例如是地铁车厢或cn204007533u的那种检测设备。移动装置在移动过程中周期性的处于不同的轨道和监管段内，靠近移动装置的轨道和监管段处于振动状态。
24.step3，获取处于移动装置的基准距离内的轨道的振动数据，根据该振动数据确定该轨道所在区域的第一寿命参数。振动数据例如采用第一监测单元获得。采用轨道在不同阶段振动数据不同，为获得准确的振动数据，测量处于移动装置的基准距离内的轨道，基准
距离例如是50m。
25.step4，获取处于移动装置的基准距离外的监管段的位移数据，根据该位移数据确定该监管段所在区域的第二寿命参数。位移数据例如采用第二监测单元获得。同时为了降低振动对位移数据的影响，获得移动装置远离后的第二寿命参数。
26.step5，输入目标管片h的中心坐标z。中心坐标例如是目标管片h几何中心点的坐标值。
27.step6，根据中心坐标z检索目标管片h所属的轨道区间［x1，x2］和监管段区间［y1，y2］，并提取轨道区间和监管段区间对应的参考轨道d和参考监管段s，z∈［x1，x2］且z∈［y1，y2］。例如目标管片的中心坐标z为86.5m，该目标管片所属的轨道坐标区间为［80，88］和监管段区间为［84，90］。
28.step7，根据参考轨道d的第一寿命参数和参考监管段s的第二寿命参数确定目标管片h的预期寿命。目标管片的中心坐标所在区域内的环境状态可准确反映该管片疲劳状态的寿命参数，提高了隧道的安全性。
29.step8，提取预期寿命小于要求寿命的多个目标管片h，输出该目标管片h的图像监管请求。例如预期寿命48年小于基准寿命50年，说明该目标管片达不到下一大修期，则应当输出对该目标管片h的图像监管请求。
30.step9，获取目标管片h的瞬时图像，若瞬时图像的变形量大于绝对误差，输出警告信号。
31.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。