道路内部脱空的数值模拟建模方法技术

道路内部脱空的数值模拟建模方法

【技术实现步骤摘要】
道路内部脱空的数值模拟建模方法、电子设备及存储介质


[0001]本专利技术属于道路数值模拟建模
，具体涉及道路内部脱空的数值模拟建模方法
、
电子设备及存储介质
。

技术介绍

[0002]道路是车辆安全行驶的基础
。
近年来，受到城市道路地下管网漏损
、
雨水冲刷
、
周边施工扰动因素的影响，道路内部会出现材料松散，并逐渐演化为脱空
。
脱空的出现，会使道路出现沉降
、
变形
、
结构承载力下降，进而演化为空洞，甚至引发道路塌陷等事件，成为道路车辆安全行驶的严重威胁
。
道路塌陷事件呈逐年增加趋势，严重威胁人们的出行安全，成为社会关注的重点问题
。
[0003]道路内部出现脱空后，需要道路内部的受力状态进行分析，进而才能评价脱空区域对其承载能力的影响
。
数值模拟技术是受力分析常用的方法，通过数值模拟技术建立实际道路模型，将分析计算结果呈递给养护管理部门，可用于指导养护维修方案的制定，保障道路安全运营
。
[0004]申请号为
202110686172.9、
专利技术名称为“城市地下施工情景下脱空道路安全余量评估和预控方法”的专利技术专利，采用模拟的方式，模拟空洞在地下施工振动下的发育过程，基于模拟出的空洞扩展形态，确定行车最不利荷载工况，建立道路破坏判据，确定临灾状态下道路实际承载能力，计算脱空道路安全余量，进而根据结果进行地上
、
地下的联合预控
。
[0005]申请号为
202210881222.3、
专利技术名称为“基于探地雷达路面下空洞及水损检测方法
、
系统及装置”的专利技术专利，通过正演模拟的方式，提取脱空区域的特征图像，然后建立数据集，采用机器学习算法进行道路内部脱空区域的智能识别
。
[0006]上述方法中，在对道路内部进行脱空的数值模拟时，由于难以准确识别脱空区域
、
脱空区域的位置
、
脱空区域的尺寸等信息，导致数值模拟结果与实际状态存在较大差异，无法真实掌握脱空的实际状态信息，以及对道路承载能力的真实影响程度，难以准确指导道路养护决策
。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的问题是对道路内部脱空进行准确数值模拟，提出道路内部脱空的数值模拟建模方法
、
电子设备及存储介质
。
[0008]为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种道路内部脱空的数值模拟建模方法，包括如下步骤：
S1、
采用探地雷达采集道路内部图像；
S2、
将步骤
S1
采集的道路内部图像进行病害目标区域的提取，得到病害道路内部脱空区域图像数据；
S3、
基于步骤
S2
得到的病害道路内部脱空区域图像数据，计算病害道路脱空区域实际高度；
S4、
基于步骤
S2
得到的病害道路内部脱空区域图像数据
、
步骤
S3
得到的病害道路脱空区域实际高度，计算病害道路脱空区域实际面积；
S5、
采用探地雷达采集道路内部电磁波回波断层图像，基于步骤
S2
‑
S4
的方法道路内部电磁波回波断层图像处理，然后构建道路内部脱空的数值模拟模型；构建道路内部脱空的数值模拟模型包括构建道路采集区域的几何模型
、
脱空区域的几何模型：
S5.5.1、
道路采集区域几何模型构建：将探地雷达采集的道路回波图像导入到
CAD
软件中，人工判断道路回波图像的特征点，并在
CAD
软件中采用点选的方式确定特征点的坐标；然后，在有限元软件
Abaqus
中，在部件创建区域，通过坐标输入的方式，输入特征点的坐标，采用线段连接的方式进行连接，即完成几何模型
Gr
的构建；
S5.5.2、
脱空区域几何模型构建：将探地雷达采集的包括脱空区域的回波图像的平面图和纵断面图导入到
CAD
软件中，提取脱空区域的特征点坐标；然后，在有限元软件
Abaqus
中，在部件创建区域，通过坐标输入的方式，输入特征点的坐标，采用线段连接的方式进行连接，即完成脱空区域几何模型的构建
。
[0009]进一步的，步骤
S2
的具体实现方法包括如下步骤：
S2.1、
采用最大类间方差法，对步骤
S1
采集的道路内部图像进行二值化处理，得到二值化处理后的道路内部图像；
S2.2、
将步骤
S2.1
二值化处理后的道路内部图像统计全部连通区域内像素总数量，然后删除像素总数量小于
500
的连通区域，保留像素总数量大于等于
500
的连通区域，并将删除像素处理后的道路内部图像的连通区域编号为
N1
，
N2
…
Ni
…
Nc
；
S2.3、
对步骤
S2.2
删除像素处理后的道路内部图像建立坐标系，以图像左上角的顶点为坐标原点，水平向右为
x
轴正方向，竖直向下为
y
轴正方向，提取删除像素处理后的道路内部图像的全部连通区域中像素的坐标点，设置连通区域
Ni
的最左侧像素点坐标为
、
最右侧像素点坐标为
、
最顶端像素点坐标为，定义坐标表达式为：；；；其中，为连通区域
Ni
的最左侧像素点的
x
轴坐标，为连通区域
Ni
的最左侧像素点的
y
轴坐标；
S2.4、
采用计算倾角的方法筛选出具有双曲线特征的区域，分别求取顶端像素点到最左侧像素点
、
最右侧像素点的倾角和，表达式为：；；
然后提取顶端像素点到最左侧像素点
、
最右侧像素点的倾角的最大值，记为，表达式为：；设置临界角度，提取连通区域
Ni
中的区域为双曲线区域；
S2.5、
提取所有连通区域的双曲线区域，进行重新编号为，其中，为双曲线区域的总数量；
S2.6、
基于步骤
S2.5
得到的所有双曲线区域的全部双曲线的顶点坐标，依次提取所有双曲线区域过顶点坐标的单道波形时域数据，依次记录为：，其中，，为第
i
个双曲线区域过顶点坐标的单道波形时域数据，为第
i
个双曲线区域过顶点坐标的单道波形时域数据中的第
l
个振幅数据；
S2.7、
采用小波变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种道路内部脱空的数值模拟建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、
采用探地雷达采集道路内部图像；
S2、
将步骤
S1
采集的道路内部图像进行病害目标区域的提取，得到病害道路内部脱空区域图像数据；
S3、
基于步骤
S2
得到的病害道路内部脱空区域图像数据，计算病害道路脱空区域实际高度；
S4、
基于步骤
S2
得到的病害道路内部脱空区域图像数据
、
步骤
S3
得到的病害道路脱空区域实际高度，计算病害道路脱空区域实际面积；
S5、
采用探地雷达采集道路内部电磁波回波断层图像，基于步骤
S2
‑
S4
的方法道路内部电磁波回波断层图像处理，然后构建道路内部脱空的数值模拟模型；构建道路内部脱空的数值模拟模型包括构建道路采集区域的几何模型
、
脱空区域的几何模型：
S5.5.1、
道路采集区域几何模型构建：将探地雷达采集的道路回波图像导入到
CAD
软件中，人工判断道路回波图像的特征点，并在
CAD
软件中采用点选的方式确定特征点的坐标；然后，在有限元软件
Abaqus
中，在部件创建区域，通过坐标输入的方式，输入特征点的坐标，采用线段连接的方式进行连接，即完成几何模型
Gr
的构建；
S5.5.2、
脱空区域几何模型构建：将探地雷达采集的包括脱空区域的回波图像的平面图和纵断面图导入到
CAD
软件中，提取脱空区域的特征点坐标；然后，在有限元软件
Abaqus
中，在部件创建区域，通过坐标输入的方式，输入特征点的坐标，采用线段连接的方式进行连接，即完成脱空区域几何模型的构建
。2.
根据权利要求1所述的一种道路内部脱空的数值模拟建模方法，其特征在于，步骤
S2
的具体实现方法包括如下步骤：
S2.1、
采用最大类间方差法，对步骤
S1
采集的道路内部图像进行二值化处理，得到二值化处理后的道路内部图像；
S2.2、
将步骤
S2.1
二值化处理后的道路内部图像统计全部连通区域内像素总数量，然后删除像素总数量小于
500
的连通区域，保留像素总数量大于等于
500
的连通区域，并将删除像素处理后的道路内部图像的连通区域编号为
N1
，
N2
…
Ni
…
Nc
；
S2.3、
对步骤
S2.2
删除像素处理后的道路内部图像建立坐标系，以图像左上角的顶点为坐标原点，水平向右为
x
轴正方向，竖直向下为
y
轴正方向，提取删除像素处理后的道路内部图像的全部连通区域中像素的坐标点，设置连通区域
Ni
的最左侧像素点坐标为
、
最右侧像素点坐标为
、
最顶端像素点坐标为，定义坐标表达式为：；；；其中，为连通区域
Ni
的最左侧像素点的
x
轴坐标，为连通区域
Ni
的最左侧像素点的
y
轴坐标；
S2.4、
采用计算倾角的方法筛选出具有双曲线特征的区域，分别求取顶端像素点到最
左侧像素点
、
最右侧像素点的倾角和，表达式为：；；然后提取顶端像素点到最左侧像素点
、
最右侧像素点的倾角的最大值，记为，表达式为：；设置临界角度，提取连通区域
Ni
中的区域为双曲线区域；
S2.5、
提取所有连通区域的双曲线区域，进行重新编号为，其中，为双曲线区域的总数量；
S2.6、
基于步骤
S2.5
得到的所有双曲线区域的全部双曲线的顶点坐标，依次提取所有双曲线区域过顶点坐标的单道波形时域数据，依次记录为：，其中，，为第
i
个双曲线区域过顶点坐标的单道波形时域数据，为第
i
个双曲线区域过顶点坐标的单道波形时域数据中的第
l
个振幅数据；
S2.7、
采用小波变换的方法将步骤
S2.6
得到的双曲线区域过顶点坐标的单道波形时域数据转换为频域数据，计算表达式为：；；其中，为第
i
个双曲线区域过顶点坐标的单道波形频域数据，为尺度，为平移量，为基本小波；然后计算第
i
个双曲线区域过顶点坐标的单道波形的相位，计算表达式为：；其中，为的虚部，为的实部；
S2.8、
基于电磁波理论设置发射位置处电磁波为，将反射位置处电磁波为，构建方向函数，表达式为：；计算方向函数，当时，表明电磁波从高介电常数向低介电常数介质传播，病害位置处材料的介电常数小于发射位置，判断第
i
个双曲线区域为病害道路内部脱空区域；
S2.9、
计算所有双曲线区域过顶点坐标的单道波形的相位，判断所有双曲线区域的道路内部脱空情况，得到病害道路内部脱空区域图像数据
。3.
根据权利要求1或2所述的一种道路内部脱空的数值模拟建模方法，其特征在于，步骤
S3
的具体实现方法包括如下步骤：
S3.1、
采用钻机钻探病害道路，在病害道路现场验证步骤
S2
中得到的病害道路内部脱空区域图像数据，得到病害道路脱空区域；
S3.2、
将内窥镜深入病害道路脱空区域，通过内窥镜显示器确定病害道路脱空区域的顶板位置和底板位置，测量顶板位置和底板位置的距离，为病害道路脱空区域实际高度；
S3.3、
将步骤
S3.1

【专利技术属性】
技术研发人员：刘星，周子益，贾磊，孟安鑫，安茹，
申请(专利权)人：深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司，
类型：发明
国别省市：