[发明专利]一种隧道运营阶段的安全监测系统

权利要求书

1.一种隧道运营阶段的安全监测系统，其特征在于，包括有：

数据监测子系统，用于实时在线采集获取隧道运营阶段隧道微小振动时的振动数据信号；

数据汇集以及处理子系统，用来结合隧道的现状条件对采集到的隧道振动数据信号进行集中处理，得到处理后的振动特征量；

数据通信子系统，用于将所述振动特征量进行无线传输给远程后台的监测预警子系统；

监测预警子系统，用于接收所述振动特征量，依据所述振动特征量对隧道结构进行综合评估，并依评估结果进行监测预警；

所述数据监测子系统通过数据通信子系统与数据汇集以及处理子系统连接，所述监测预警模块也通过数据通信子系统与所述数据汇集以及处理子系统连接；

所述信号预处理单元用于对所述振动数据信号进行初步降噪、过渡平滑，得到预处理振动信号；所述信号延展模块用于对所述预处理振动信号进行拓展延伸，以此完善预处理振动信号的端点信息，得到延拓振动信号；所述信号补偿模块用于生成白噪声信号，并用所述白噪声信号对所述延拓信号进行补偿得到补偿振动信号；所述信号降噪单元用于将所述补偿振动信号依据经验模态分解算法进行降噪处理得到振动特征信号；所述信号特征提取单元用于对所述振动特征信号进行处理得到所述振动特征量，所述振动特征量包括有固有振动频率、振动阻尼比以及振型系数；

所述数据汇集以及处理子系统包括数据信号汇集模块，数据信号处理模块以及预警结果反馈模块；所述数据信号汇集模块用于对所述振动数据信号进行汇集、再依传感器ID号进行分类整合，分别储存在与传感器ID号对应的本地服务器上的储存区域内；所述数据信号处理模块包括信号预处理单元、信号延展单元、信号补偿单元、信号降噪单元以及信号特征提取单元，用于对所述振动数据信号进行一步步处理得到所述振动特征量；所述预警结果反馈模块用于通过数据通信子系统获取监测预警子系统得到的所述评估结果，并将所述评估结果反馈给隧道本地的相关工作人员进行检测核实；

所述对预处理振动信号进行拓展延伸，以完善预处理振动信号的端点信息，得到延拓振动信号的具体过程为：

(1)判断确定所述预处理振动信号的左端点的端点处为极大值还是极小值；针对上述判断结果，获取与左端点对应的端点特征波；具体为：

若左端点为极小值点，则获取与左端点依次最邻近的第一个极大值点、第一个极小值点、以及第二个极大值点；连接这四个包括左端点的极值点构成一个极值四边形，通过极值四边形来描述其端点特征波；若左端点为极大值点，则获取与左端点依次最邻近的第一个极小值点、第一个极大值点、以及第二个极小值点；连接这四个包括左端点的极值点构成一个极值四边形，通过极值四边形来描述其端点特征波；

(2)获取除左端点外的所有极值点，在预处理振动信号中搜寻与所述极值四边形差异度最小、匹配度最高的匹配四边形；所述匹配四边形与所述左端点的极值四边形对应，即：若左端点为极小值，则匹配四边形由匹配极值点，所述匹配极值点为预处理振动信号中一个极小值点，并在匹配极值点右边且与匹配极值点依次邻近的第i个极大值点、第i个极小值点、以及第i+1个极大值点构成；若左端点为极大值，则匹配四边形由匹配极值点，所述匹配极值点为预处理振动信号中的一个极大值点，并与匹配极值点依次邻近的第i个极小值点、第i+1个极大值点、以及第i+1个极小值点构成；所述i仅代表极值点的顺序标号，不具限定性；

其中，当左端点为极小值时，所述匹配四边形与极值四边形的匹配度的计算公式为：

式中，x₁为所述左端点为极小值时左端点对应的信号幅值；u₁为在预处理振动信号中与所述左端点最邻近的第一极大值点对应的信号幅值；v₁为在预处理振动信号中与所述第一极大值点靠右邻近的第一极小值点对应的信号幅值；u₂为与所述第一极小值点靠右邻近的第二极大值点对应的信号幅值；v_i为在预处理振动信号中间且为极小值点的匹配极值点对应的信号幅值；u_i+1为与所述匹配极值点靠右邻近的第i+1极大值点对应的信号幅值；v_i+1为与所述第i+1极大值点靠右邻近的第i+1极小值点对应的信号幅值；u_i+2为与所述第i+1极小值点靠右邻近的第i+2极大值点对应的信号幅值；y_min为左端点为极小值时所述与匹配极值点对应的匹配四边形与极值四边形的匹配度；

其中，当左端点为极大值时，所述匹配四边形与极值四边形的匹配度的计算公式为：

式中，x₁为所述左端点为极大值时左端点对应的信号幅值；v₁为在预处理振动信号中与所述左端点最邻近的第一极小值点对应的信号幅值；u₁为在预处理振动信号中与所述第一极小值点靠右邻近的第一极大值点对应的信号幅值；v₂为与所述第一极大值点靠右邻近的第二极小值点对应的信号幅值；u_i为在预处理振动信号中间且为极大值点的匹配极值点对应的信号幅值；v_i+1为与所述匹配极值点靠右邻近的第i+1极小值点对应的信号幅值；u_i+1为与所述第i+1极小值点靠右邻近的第i+1极大值点对应的信号幅值；v_i+2为与所述第i+1极大值点靠右邻近的第i+2极小值点对应的信号幅值；y_max为左端点为极大值时所述与匹配极值点对应的匹配四边形与极值四边形的匹配度；

(3)依据上述算法找到与所述极值四边形最匹配的匹配四边形对应的匹配极值点后，并获取其对应的时间值，将该匹配极值点的数据进行延拓至预处理振动信号的左端点处；

(4)通过以上同样步骤对预处理振动信号的右端点同样的进行延拓，最后得到延拓处理后的延拓振动信号；

所述信号补偿模块用于生成补偿用的白噪声信号，所述白噪声信号的幅值标准差的计算步骤为：

(1)通过经验模态分解算法(EMD)对所述预处理振动信号进行分解得到一系列有序的本征模函数分量，计算各个本征模函数分量对应的高频有效系数为：

式中，k_i为第i个本征模函数分量对应的高频有效系数；T为全部本征模函数分量中存在的极值点个数；T_i为第i个本征模函数分量存在的极值点的个数；L为所述预处理振动信号的长度；f_i(n)为第i个本征模函数分量中第n个极值点的幅值；i为与本征模函数分量对应的序号；T_j为第j个本征模函数分量存在的极值点的个数；f_j(n)为第j个本征模函数分量中第n个极值点的幅值；

(2)将各个本征模函数分量对应的高频有效系数进行从低到高的排序，并筛选出高频有效系数较大的K个本征模函数分量作为预处理振动信号中的高频成分；对这些高频成分进行重构获取与所述高频成分对应的幅值标准差；

(3)将所述高频成分对应的幅值标准差的1/6作为所述添加白噪声的幅值标准差，将求取得到的白噪声对延拓振动信号进行补偿得到补偿振动信号。