一种基于融合时空数据的隧道形变预测方法技术

本申请公开了一种基于融合时空数据的隧道形变预测方法，该方法充分利用时间和空间数据，根据历史数据获取预测值，为隧道形变安全的评判提供辅助的依据；模型的图卷积神经网络有利于提取数据的空间特征，卷积门控循环单元网络能很好地提取基于时间的特征，注意力机制则有助获取赋予权重的时空特征，拟合数据变化，获取较好的预测模型，预测精度较高。预测精度较高。预测精度较高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于融合时空数据的隧道形变预测方法


[0001]本专利技术涉及大数据分析处理
，尤其涉及一种基于基于融合时空数据的隧道形变预测方法。

技术介绍

[0002]随着城市化进程的加速，建设各种基础设施，来满足社会的发展需求。城市基础设施是人民生活正常进行的重要基础，也是城市正常运行的基础。因此，需要确保基础设施的正常运行，更重要的是基础设施的安全性。同时，基础设施受到自然环境的影响，如腐蚀、碰撞、风化等，和人为因素的影响，其结构功能引起变化，性能总体是处于衰减的，因而基础设施的生命期限是有限的，对基础设施的安全检测和预测具有重要意义。
[0003]大量传感器布设到基础设施中，采集存储数据，积累了大量数据。由于云计算技术的发展，可以结合机器学习的方法处理并分析大量数据，获取有用的信息。例如在高速公路车流量预测中，基于各条路段传感器记录的历史车流量、车速等数据，利用深度学习模型获取未来某时间的某条道路车流量预测。
[0004]由于隧道是容易受到温度、湿度、地质结构等因素影响的基础设施，其安全性将影响过往车辆和行人的安全。因此如何本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于融合时空数据的隧道形变预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：获取隧道在一个时间段内的形变历史数据；S2：利用滑动采样窗口从所述形变历史数据中进行采样得到多个用于进行训练的形变样本数据，所述滑动采样窗口包括1个标签时间块和a个时间长度不同的用于进行数据提取的数据提取时间块，a为大于等于2的整数；S3：对各所述数据提取时间块提取的形变样本数据进行归一化处理得到归一化形变样本数据；S4：将各所述数据提取时间块对应的归一化形变样本数据输入预先构建的形变预测模型的分时处理形变特征模块，对所述形变预测模型的学习参数值进行训练，得到目标形变预测模型；所述形变预测模型包括b个结构相同的分时处理形变特征模块和对b个所述分时处理形变特征模块的输出数据进行深度融合处理的深度融合形变特征模块，每一所述分时处理形变特征模块包括依次连接的第一形变特征处理单元和第二形变特征处理单元；每一所述分时处理形变特征模块的第一形变特征处理单元包括依次连接的第一STAM(时空注意力机制)处理单元、第一SGCNN(空间图卷积神经网络)与TGCNN(时间图卷积神经网络)处理单元、第一FC(全连接神经网络)处理单元以及CNN(卷积神经网络)处理单元，所述第二形变特征处理单元包括依次连接的第二STAM处理单元、第二SGCNN与TGCNN处理单元以及第一ConvGRUs(卷积门控循环单元网络)处理单元，所述第一STAM处理单元利用具有时空邻接关系的注意力机制对其输入数据进行处理获取第一加权形变特征向量，所述第一SGCNN与TGCNN处理单元利用所述第一加权形变特征向量获取形变特征与空间结构的第一关联关系以及形变特征与时间结构的第二关联关系，所述第一FC处理单元融合形变特征向量得到FC处理数据，所述CNN处理单元用于对输入所述第一形变特征处理单元的数据进行卷积操作后与所述FC处理数据求和，并将该求和数据输送至该分时处理特征模块的第二STAM处理单元，所述第二STAM处理单元利用具有时空邻接关系的注意力机制对其输入数据进行处理获取第二加权形变特征向量，所述第二SGCNN与TGCNN处理单元利用所述第二加权形变特征向量获取形变特征与空间结构的第三关联关系以及形变特征与时间结构的第四关联关系，所述第一ConvGRUs处理单元利用第二SGCNN与TGCNN处理单元的输出计算获得形变特征的时序信息，所述深度融合形变特征模块用于融合b个分时处理形变特征模块输出的形变特征的时序信息；S5：利用所述滑动采样窗口从待预测时间之前的隧道形变数据集中进行采样，获取不含时间标签的数据集；S6：将所述数据集输入目标预测模型得到所述待预测时间下隧道的可能形变值集合；S7：利用K
‑
means算法对所述可能形变值集合进行处理得到所述待预测时间下隧道的最终预测形变值。2.如权利要求1所述的基于融合时空数据的隧道形变预测方法，其特征在于，所述形变历史数据包括隧道不同位点的形变统计特征数据，每一位点的所述形变统计特征数据包括该位点每日形变量的最大值、每日形变量的累计值以及每日形变量的平均值中的至少一种。3.如权利要求1所述的基于融合时空数据的隧道形变预测方法，其特征在于，a＝3，所述数据提取时间块由数据提取周时间块、数据提取月时间块和数据提取季度时间块组成。
4.如权利要求3所述的基于融合时空数据的隧道形变预测方法，其特征在于，所述滑动采样窗口为双层滑动窗口，第一层窗口由标签时间块、季度时间块、月时间块和周时间块组成；第二层窗口由季度数据提取时间块、月数据提取时间块和周数据提取时间块组成，时间长度分别为周的3倍、2倍和1倍，且分别对应内嵌于第一层窗口的季度时间块、月时间块和周时间块中；所述步骤S2包括：所述第一层窗口沿时间方向滑动单位步长后保持不动，所述第二层窗口各时间块以6步长为单位在所述第一层窗口中沿时间方向各自滑动，把所述第二层窗口每个数据提取时间块滑动提取到的数据沿时间顺序与其他长度时间块全排列组合，并把每种组合的数据与标签时间块的数据进行组合得到用于进行训练的形变样本数据，直至所述第二层窗口提取的数据覆盖完所述第一层窗口的所有数据，再将所述第一层窗口沿时间方向滑动单位步长。5.如权利要求4所述的基于融合时空数据的隧道形变预测方法，其特征在于，所述形变样本数据构成的形变样本数据集为，其中，(ts,z)∈{(q,t
q
),(m,t
m
),(w,t
w
)}，j表示第j个监测隧道形变的位点，n为监测隧道形变位点的总个数，i表示形变样本数据集中的样本序号，k表示第k天且共有z天，z可取的值为t
q
,t
m
,t
w
，ts表示第二层窗口的块数据提取时间块，表示第i个样本中由数据提取季度时间块q...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊安萍，李梦凡，田野，龙林波，蒋溢，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：