[發明專利]基于移動列車振動信號的隧道損傷檢測管理系統

有效

• 申請號: 202010051082.8
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111257415B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發明（設計）人: 謝雄耀;張永來;李鴻橋;周彪
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G08C17/02;E21F17/00
• 代理公司: 上海科律專利代理事務所(特殊普通合伙) 31290
• 代理人: 葉鳳

1.一種基于移動列車振動信號的隧道損傷檢測管理系統，其特征在于，設計原理：利用傳感器采集服役列車的振動信號，數據通過無線發射模塊及網絡傳輸至服務器，經分析處理后識別隧道及其附屬結構損傷，判斷損傷或缺陷的類型與大致位置，并發布在管理云平臺；

由四個功能子系統組成：信號采集系統，信號傳輸系統，數據分析系統，隧道健康狀態管理云平臺，其中

所述信號采集系統，服役中的地鐵列車在盾構隧道中運行時，與隧道結構、地層組成耦合振動系統，利用安裝在列車上的傳感器采集傳遞到列車上的振動信號；所述的傳感器包含若干加速度傳感器、速度傳感器、定位傳感器，所述的加速度傳感器、速度傳感器均安裝在車軸、裝箱架及車廂內上，利用磁力座及綁扎帶固定；所述的定位傳感器安裝在車廂內，利用磁力支座固定；所述的速度傳感器、速度傳感器、定位傳感器為無線傳感器，采樣頻率為2kHz，采集到數據后，將數據實時發送至車廂內的采集模塊；

所述的信號傳輸系統包括數據采集模塊、數據處理模塊、數據無線傳輸模塊、電源模塊；所述的信號傳輸系統封包在一個箱體內，安裝在與傳感器相同列車的車廂內車座下；所述的數據接收模塊，實時接收傳感器傳輸的測量數據；所述的數據處理模塊包含微處理器、存儲器和編碼器，緩存一定的數據，將數據進行初步整理和壓縮，并重新編碼；所述的數據傳輸模塊，將編碼好的數據通過5g網絡或者Intel網上傳至服務器，進行數據處理與分析；所述的電源模塊為信號傳輸系統供電；

所述的數據處理系統包括高性能計算處理器、超大容量存儲器、網絡模塊、電源模塊、分析軟件；所述的高性能計算處理器包括若干中央處理器CPU和圖形處理器GPU，支持并行計算和快速處理大量數據；所述的超大容量存儲器存儲大量的測量數據；所述的網絡模塊，接收通過互聯網傳輸來的數據；所述的電源模塊為數據處理系統供電；

所述分析軟件：

首先，利用MATLAB、SPSS已有數據處理軟件對采集到的列車振動信號的數據，進行解碼、解壓縮得到加速度、速度及位置原始數據X（t，a_x，a_y，a_z，v，s）,t為時間,v為速度，s是位置，a_x為X軸加速度，為Y軸加速度a_y，為Z軸加速度a_z；

進一步，利用已有的小波包變換、赫爾伯特黃變換算法對原始數據進行去噪、增強信噪比一系列預處理過程；

然后，通過為已有的主成分分析PCA算法降維，構造出特征向量F（t，α），t為時間，α為降維后特征向量，作為機器學習的樣本集；

再，采用循環神經網絡分類器和決策樹分類器，通過初始樣本訓練循環神經網絡使之具有判斷損傷的能力；訓練決策樹分類器使之確定損傷位置、損傷類型、損傷程度；利用循環神經網絡快速判斷是否存在隧道損傷，若存在損傷則利用決策樹分類器初步判斷隧道損傷的位置及損傷的類型，輸出后用于評估隧道健康狀態；

同時將新采集到的數據補充到樣本集，繼續訓練神經網絡、決策樹分類器，不斷提高分類器的精度；

最后，將評估結果發布到隧道健康狀態管理云平臺，為相關人員維護隧道提供參考；

所述的隧道健康狀態管理云平臺，包含隧道健康狀態、隧道損傷位置、隧道損傷評估內容，作為手機應用安裝在地鐵運營維護公司相關人員的手機中；當隧道發生較危險的損傷時，可將消息實時推送至相關人員。