岩体管道开裂透水损伤模态声发射分形评估方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于地下管道工程安全监测领域，公开了岩体管道开裂透水损伤模态声发射分形评估方法与装置；所述方法在监测中采集岩体管道模态声发射信号，提取能量、持续时间、振铃计数和上升时间四种参量，基于参量集合构建分形特性指标，结合softmax分类方法实现开裂透水程度评估；该装置包含模态声发射采集模块和信号分析模块，信号分析模块中可对开裂透水分形进行评估。本发明专利技术所需硬件简单，识别结果准确，具有良好的实时性和超前性，能提前预警岩体管道开裂透水状态。开裂透水状态。开裂透水状态。

【技术实现步骤摘要】
岩体管道开裂透水损伤模态声发射分形评估方法与装置


[0001]本专利技术属于地下管道工程安全监测领域，具体涉及一种岩体管道开裂透水损伤模态声发射分形评估方法与装置。

技术介绍

[0002]地下岩体管道是维持城市基础设施运转的重要组成，承担着雨污泄洪、能源供给等重要任务。地下岩体管道往往处于高压、温度剧变、强腐蚀等恶劣环境中，此种工况易造成管壁开裂透水，引发管线破裂、瘫痪等事故。管道事故会造成城市内涝、雨水倒灌等灾害，为人民生命安全带来巨大威胁。因此，对地下岩体管道开裂透水状态开展智能化实时监测具有重要意义。
[0003]传统的岩体管道透水状态检测方法主要有时域反射法、频域反射法、中子雷达法等，其主要原理是利用在不同透水状态下岩体颗粒的介电特性。然而，此种方法需要对地下管道进行开挖式检测，且需要停水停工，耗费巨大的人力与财力。针对人员难以直接维护的城市地下管道工况，一种能够实现地下岩体管道开裂透水状态实时、非开挖式、不停工监测的方法亟待提出。
[0004]模态声发射是岩体管道结构在应力作用下释放的弹性超声波。水分会影响岩体的力学参数，改变岩体颗粒间的滑移摩擦效应，进而改变模态声发射能量、持续时间、振铃计数以及上升时间等参数。此种透水状态与模态声发射参数的关联性已得到学术界和工业界的广泛认可，能解决地下岩体管道开裂透水监测的实时性和智能化问题。目前有一些利用模态声发射开展地下岩体管道开裂透水状态评估的研究，如专利申请CN114526451A公开了一种地下空间岩体管道渗水声发射波动层次识别方法与装置，其利用传感器采集与监测节点距离较近的声发射信号，分析信号参数特征，并利用信号动态阶跃特性识别渗水状态；但在真实工程中，传感节点与声源距离具有不确定性；岩体管道环境恶劣，管壁具有各项异性，加之曲折的地下管道走势分布，声发射信号在传播中会出现频散和畸变，易对评估结果带来干扰。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提出岩体管道开裂透水损伤模态声发射分形评估方法与装置，通过构建提取能量、持续时间、振铃计数和上升时间参数重组序列矩阵集合，计算相关分形关联维数指标集合，利用softmax通过四种参数概率总和评估所处的透水状态。
[0006]本专利技术所述的岩体管道开裂透水损伤模态声发射分形评估方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、获取不同透水状态下的地下岩体管道模态声发射信号，提取发射信号能量、持续时间、振铃计数和上升时间参量，构建不同透水状态下的参数重组序列矩阵集合；
[0008]步骤2、针对各个参数的重组序列矩阵，计算不同参数的分形关联维数指标集合；
[0009]步骤3、根据各参数的分形关联维数指标及不同透水状态，通过softmax分类方法计算各参数判断概率，评估透水状态。
[0010]进一步的，步骤1中构建不同透水状态下信号能量、持续时间、振铃计数和上升时间参数的重组序列矩阵集合，具体方法为：
[0011](1)记干燥状态下能量参数序列其中t为有效信号个数，且t为偶数；提取不同透水状态下的能量参数其中r为透水状态；构造能量参数重组序列矩阵：
[0012][0013](2)记干燥状态下持续时间参数序列其中t为有效信号个数，且t为偶数；提取不同透水状态下的持续时间参数其中r为透水状态；构造持续时间参数重组序列矩阵：
[0014][0015](3)记干燥状态下振铃计数参数序列其中t为有效信号个数，且t为偶数；提取不同透水状态下的振铃计数参数其中r为透水状态；构造振铃计数参数重组序列矩阵：
[0016][0017](4)记干燥状态下上升时间参数序列其中t为有效信号个数，且t为偶数；提取不同透水状态下的上升时间参数其中r为透水状态；构造上升时间参数重组序列矩阵：
[0018][0019]通过上述步骤，得到参数重组序列矩阵集合
[0020]进一步的，步骤2中计算信号能量、持续时间、振铃计数和上升时间参数的分形关联维数指标集合，具体步骤为：
[0021]针对能量参数重组序列矩阵对第一行即第一种透水状态，记为向量x＝(x1,
x2,
…
x
N
)，构造m维欧式空间序列集：
[0022][0023]其中N为信号采样点数量，m为欧式空间维度，τ为时间尺度参数，N
m
为累积参数，表达式为N
m
＝N
‑
(m
‑
1)τ；给定阈值h，计算关联积分函数：
[0024][0025]其中H为Heaviside函数，表达式为：
[0026][0027]d
ij
为欧式空间中序列点间的距离：
[0028][0029]其中x
i
和x
j
为欧式空间中的点；
[0030]计算得到的点对(InC
m
(h),Inh)的拟合线性部分的斜率即为分形关联维数指标计算每一种透水状态的分形关联维数指标，记为
[0031]对其他三个参数也进行相同操作，得到信号能量、持续时间、振铃计数和上升时间参数的分形关联维数指标集合，结果记为：
[0032][0033]进一步的，步骤2中利用softmax分类方法评估所属透水状态，具体步骤为：
[0034](1)以能量参数的分形关联维数指标为输入，以r种透水状态为输出，softmax函数输出为在能量参数判据下样本x属于某种透水状态的概率值P(y
i
|x
e
)，i＝1,2,
…
,r，表达式为：
[0035][0036](2)以持续时间参数的分形关联维数指标为输入，以r种透水状态为输出，softmax函数输出为在持续时间参数判据下样本x属于某种透水状态的概率值P(y
i
|x
c
)，i＝1,2,
…
,r，表达式为：
[0037][0038](3)以振铃计数参数的分形关联维数指标为输入，以r种透水状态为输出，softmax函数输出为在振铃计数参数判据下样本x属于某种透水状态的概率值P(y
i
|x
z
)，i＝1,2,
…
,
r，表达式为：
[0039][0040](4)以上升时间参数的分形关联维数指标为输入，以r种透水状态为输出，softmax函数输出为在上升时间参数判据下样本x属于某种透水状态的概率值P(y
i
|x
s
)，i＝1,2,
…
,r，表达式为：
[0041][0042]计算四种参数判据概率总和，即：
[0043]P(y
i
)＝P(y
i
|x
e
)+P(y
i
|x
c
)+P(y
i
|x
z
)+P(y
i
|x...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.岩体管道开裂透水损伤模态声发射分形评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、获取不同透水状态下的地下岩体管道模态声发射信号，提取发射信号能量、持续时间、振铃计数和上升时间参量，构建不同透水状态下的参数重组序列矩阵集合；步骤2、针对各个参数的重组序列矩阵，计算不同参数的分形关联维数指标集合；步骤3、根据各参数的分形关联维数指标及不同透水状态，通过softmax分类方法计算各参数判断概率，评估透水状态。2.根据权利要求1所述的岩体管道开裂透水损伤模态声发射分形评估方法，其特征在于，步骤1中构建不同透水状态下信号能量、持续时间、振铃计数和上升时间参数的重组序列矩阵集合，具体方法为：(1)记干燥状态下能量参数序列其中t为有效信号个数，且t为偶数；提取不同透水状态下的能量参数其中r为透水状态；构造能量参数重组序列矩阵：(2)记干燥状态下持续时间参数序列其中t为有效信号个数，且t为偶数；提取不同透水状态下的持续时间参数其中r为透水状态；构造持续时间参数重组序列矩阵：(3)记干燥状态下振铃计数参数序列其中t为有效信号个数，且t为偶数；提取不同透水状态下的振铃计数参数其中r为透水状态；构造振铃计数参数重组序列矩阵：(4)记干燥状态下上升时间参数序列其中t为有效信号个数，且t为偶数；提取不同透水状态下的上升时间参数其中r为透水状态；构造上升时间参数重组序列矩阵：
通过上述步骤，得到参数重组序列矩阵集合3.根据权利要求1所述的岩体管道开裂透水损伤模态声发射分形评估方法，其特征在于，步骤2中计算信号能量、持续时间、振铃计数和上升时间参数的分形关联维数指标集合，具体步骤为：针对能量参数重组序列矩阵对第一行即第一种透水状态，记为向量x＝(x1,x2,
…
x
N
)，构造m维欧式空间序列集：其中N为信号采样点数量，m为欧式空间维度，τ为时间尺度参数，N
m
为累积参数，表达式为N
m
＝N
‑
(m
‑
1)τ；给定阈值h，计算关联积分函数：其中H为Heaviside函数，表达式为：d
ij
为欧式空间中序列点间的距离：其中x
i
和x
j
为欧式空间中的点；计算得到的点对(InC
m
(h),Inh)的拟合线性部分的斜率即为分形关联维数指标计算每一种透水状态的分形关联维数指标，记为对其他三个参数也进行相同操作，得到信号能量、持续时间、振铃计数和上升时间参数的分形关联维数指标集合，结果记为：4.根据权利要求1所述的岩体管道开裂透水损伤模态声发射...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶锴，王惠民，蒋涵，徐中钰，王强，岳东，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：