基于多頻率地質(zhì)雷達(dá)的隧道工程襯砌質(zhì)量告警方法研究

摘" 要： 傳統(tǒng)隧道襯砌質(zhì)量告警方法中，襯砌質(zhì)量檢測依賴物理測試，導(dǎo)致告警精度有限。針對上述問題，提出基于多頻率地質(zhì)雷達(dá)的隧道工程襯砌質(zhì)量告警方法，通過計算介電常數(shù)、反射與折射系數(shù)獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)增益和濾波操作處理，確定質(zhì)量告警參數(shù)，最后設(shè)定告警等級劃分，實現(xiàn)隧道工程襯砌質(zhì)量的告警。實驗表明，設(shè)計方法的AP值比實驗中另兩種方法的AP值分別高出0.11和0.15，說明該方法的告警精度高。

關(guān)鍵詞：多頻率地質(zhì)雷達(dá)" 隧道工程" 襯砌質(zhì)量" 質(zhì)量告警

中圖分類號：TM76

Tunnel Engineering Lining Quality Alarm Method Based on Multi-Frequency Geological Radar

CHEN Jinfeng

Beijing Tiecheng Testing and Certification Co.， Ltd.， Beijing， 100163 China

Abstract： In traditional tunnel lining quality alarm methods， the lining quality detection relies on physical test， which leads to limited alarm accuracy. In view of the above problems， a multi-frequency geological radar based tunnel lining quality alarm method is proposed. The data is obtained by calculating dielectric constant， reflection and refraction coefficient， and the quality alarm parameters are determined by gain and filtering operation. Finally， alarm level classification is set to achieve the tunnel lining quality alarm. The experimental results show that the AP value of the design method is 0.11 and 0.15 higher than that of the other two methods in the experiment， indicating that the alarm accuracy of the method is high.

Key Words： Multi-frequency geological radar; Tunnel engineering; Lining quality; Quality alarm

在隧道工程建設(shè)中，襯砌質(zhì)量關(guān)乎隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。然而，傳統(tǒng)檢測方法受限人工與物理測試，難以全面、準(zhǔn)確地評估襯砌狀態(tài)。因此，如何高效、精準(zhǔn)地實現(xiàn)隧道工程襯砌質(zhì)量的監(jiān)測與告警成為了一個亟待解決的問題。在國內(nèi)外，已經(jīng)吸引大量學(xué)者的關(guān)注并開始對此進行深入研究。肖瀟等人[1]提出了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險告警方法，通過利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對圖像或視頻數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和分析，遇險時可實時發(fā)出告警信號，提醒相關(guān)人員采取應(yīng)對措施。李興等人[2]提出了基于深度學(xué)習(xí)的襯砌質(zhì)量告警方法，該方法融合了深度學(xué)習(xí)技術(shù)的優(yōu)勢，能夠更好地捕捉信息潛在的危險信號，實現(xiàn)對質(zhì)量的實時監(jiān)測和快速響應(yīng)。本文提出基于多頻率地質(zhì)雷達(dá)的隧道工程襯砌質(zhì)量告警方法。通過對多頻率地質(zhì)雷達(dá)不同頻率信號的發(fā)射與接收，該技術(shù)能夠獲取豐富的襯砌內(nèi)部信息，為襯砌質(zhì)量評估提供了有力的數(shù)據(jù)支持。本研究的成果對于提高隧道工程襯砌質(zhì)量監(jiān)測水平、保障隧道結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。

1" 隧道工程襯砌質(zhì)量告警方法設(shè)計

1.1" 隧道工程襯砌質(zhì)量數(shù)據(jù)提取

多頻率地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射無線高頻電磁波，探測隧道襯砌質(zhì)量。雷達(dá)電磁波[3]在傳播時，傳播路徑和電磁場強度會受其通過介質(zhì)的自身電性特性、幾何形態(tài)及尺寸影響從而發(fā)生變化，所以多頻率地質(zhì)雷達(dá)進行探測的前提條件，是介電常數(shù)的差異性。探測前需標(biāo)定混凝土介電常數(shù)與電磁波速，多次測量取均值確保準(zhǔn)確?，F(xiàn)場電磁波波速標(biāo)定方法可選用直接測量法，通過得到的厚度和實測的電磁波走時來計算電磁波速。標(biāo)定結(jié)果應(yīng)由下式計算：

式（1）中：代表電磁波在混凝土中的波速（m/ns）；為角頻率；為相位常數(shù)；為磁導(dǎo)率；為介電常數(shù)。根據(jù)上述公式，即可得到混凝土的電磁波波速。多頻率地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波在存在各類阻波抗界面地下介質(zhì)中傳播時，由于阻波抗界面的存在，會使得其產(chǎn)生反射波和折射波。再根據(jù)示波器有無反射信號和反射信號平均反射波速，可以判斷有無被測目標(biāo)與探測目標(biāo)的距離。對于實際隧道工程中的地質(zhì)體探測來說，地下的圍巖和礦體都屬于高阻抗，因而電磁波的反射波速和折射波速可作如下表達(dá)。

式（2）中：為反射波速；為折射波速；與分別為界面上與界面下的介電常數(shù)。根據(jù)上述公式可以得出，電磁波的反射波和折射波的波速受界面兩側(cè)媒質(zhì)的介電常數(shù)影響。二者差異越大，電磁波反射越強，反射波速越快則對探測越有利。綜上，使用多頻率地質(zhì)雷達(dá)獲取隧道工程襯砌質(zhì)量數(shù)據(jù)的部分完成。

1.2" 隧道工程襯砌質(zhì)量數(shù)據(jù)處理

上述通過多頻率地質(zhì)雷達(dá)獲取的質(zhì)量數(shù)據(jù)，記錄的是雷達(dá)脈沖反射攜帶回來的介質(zhì)信息。而雷達(dá)波在傳播過程中會發(fā)生衰減，雷達(dá)圖像記錄的信息也會隨著探測深度的加深而變得越來越不明顯，因此在對雷達(dá)數(shù)據(jù)處理時，應(yīng)適當(dāng)進行圖像的增益處理[4]。圖像通過增益處理進行增強后，數(shù)據(jù)中的噪聲雜波也會更加明顯，在這里可通過濾波法消除噪聲和其他雜波。詳細(xì)的處理過程如圖1所示。

在運用濾波法使數(shù)據(jù)清晰后，采用鏡像翻轉(zhuǎn)的方式來擴大數(shù)據(jù)樣本，增強空間復(fù)雜度和泛化性。對降噪后的數(shù)據(jù)進行歸一化和標(biāo)準(zhǔn)化處理。具體處理過程如下：

式（3）中：表示歸一化處理后隧道工程襯砌質(zhì)量數(shù)據(jù)；?表示標(biāo)準(zhǔn)化處理后的隧道工程襯砌質(zhì)量數(shù)據(jù)；表示襯砌質(zhì)量異常特征量的數(shù)量。經(jīng)過上述的數(shù)據(jù)處理過程，隧道工程襯砌質(zhì)量數(shù)據(jù)已經(jīng)可以被識別。至此，隧道工程襯砌質(zhì)量數(shù)據(jù)處理過程全部完成。

1.3" 確定隧道工程襯砌質(zhì)量告警參數(shù)

將隧道工程襯砌質(zhì)量數(shù)據(jù)經(jīng)過以上方法進行處理后，需要確定隧道工程襯砌質(zhì)量告警參數(shù)，從而檢測是否需要進行告警 [5]。首先在一定范圍內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的干擾數(shù)據(jù)捕捉節(jié)點，以便后續(xù)能夠及時精準(zhǔn)定位隧道襯砌質(zhì)量異常部分，縮短告警時間。捕捉到干擾數(shù)據(jù)之后通過對其進行計算，從而得出干擾數(shù)據(jù)的矢量值參數(shù)。計算的具體過程如下：

式（4）中：代表干擾數(shù)據(jù)的矢量值參數(shù)；代表特征矢量；代表干擾數(shù)據(jù)的捕捉范圍。結(jié)合上述計算，將矢量值參數(shù)作為告警限制的約束條件。

但是由于干擾數(shù)據(jù)的存在，可能會導(dǎo)致告警時存在虛假告警現(xiàn)象。為了避免此類現(xiàn)象的發(fā)生，還需要確定檢測虛假告警參數(shù)。計算方法如下：

式（5）中：代表檢測出的虛假告警參數(shù)；代表識別函數(shù)；代表定向標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則；代表識別的單元值。根據(jù)得出的虛假告警參數(shù)，結(jié)合采集到的干擾數(shù)據(jù)，對當(dāng)前的告警結(jié)果進行修正。至此，確定隧道工程襯砌質(zhì)量告警參數(shù)的部分全部完成。

1.4" 實現(xiàn)隧道工程襯砌質(zhì)量告警

結(jié)合上述確定的隧道工程襯砌質(zhì)量告警參數(shù)，設(shè)定告警監(jiān)控規(guī)則：

式（6）中：代表襯砌質(zhì)量告警值；代表告警識別范圍；代表真實告警值與虛假告警值的比率；表示堆疊范圍。根據(jù)計算出的襯砌質(zhì)量告警值，定義不同程度的告警等級：告警值在[0，0.5]為正常，[0.5，1]為預(yù)警等級，[1，3]為警告等級，大于3的告警值為緊急告警等級。一旦告警監(jiān)控識別到異常數(shù)值，它將根據(jù)設(shè)定的告警等級自動觸發(fā)相應(yīng)的告警通知，以便工作人員能夠?qū)崟r了解并響應(yīng)當(dāng)前告警。綜上，隧道工程襯砌質(zhì)量告警方法設(shè)計完成。

2" "實驗測試

完成隧道工程襯砌質(zhì)量告警方法設(shè)計后，進行對比實驗。本文設(shè)計的基于多頻率地質(zhì)雷達(dá)的隧道工程襯砌質(zhì)量告警方法為對比組方法1，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險告警方法為參照組方法2，基于深度學(xué)習(xí)的襯砌質(zhì)量告警方法為參照組方法3。為了對比3種方法的告警精度，設(shè)計實驗的具體過程如下。

2.1" 實驗準(zhǔn)備

本文針對隧道工程襯砌質(zhì)量告警問題進行研究，搭建的實驗平臺環(huán)境如表1所示。

選擇將缺陷可視化，移除周圍干擾源。依次選用3種方法進行襯砌質(zhì)量告警。本次實驗采集的數(shù)據(jù)集為實際收集隧道工程襯砌質(zhì)量深度檢測數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集中帶有標(biāo)簽，根據(jù)實驗環(huán)境的編號分別為1～5。所設(shè)置的訓(xùn)練集和測試集具體數(shù)據(jù)如表2所示。

在訓(xùn)練階段，設(shè)置參數(shù)批尺寸為100，迭代次數(shù)為300次，動量為0.953，權(quán)重值為0.05。保存訓(xùn)練后的權(quán)重文件，并在測試集上進行測試。

2.2" 實驗結(jié)果討論

具體實驗結(jié)果如表3所示。

將上述告警結(jié)果轉(zhuǎn)化為可用來評估告警精度的AP值，進而得出最終結(jié)論。方法一的質(zhì)量告警數(shù)據(jù)與測試集中的數(shù)據(jù)最為接近，AP值為0.99；方法二的AP值為0.88；方法三的AP值為0.15。由3種方法的AP值得出結(jié)果，方法一的告警精度最高，明顯優(yōu)于其他兩種告警方法，更能滿足實際情況中對隧道工程襯砌質(zhì)量的告警。綜上，基于多頻率地質(zhì)雷達(dá)的隧道工程襯砌質(zhì)量告警方法的精度最高、效果最好。

3" 結(jié)語

在本文中，深入探討了基于多頻率地質(zhì)雷達(dá)的隧道工程襯砌質(zhì)量告警方法，通過系統(tǒng)的研究與實踐，成功提出了一種具有實時性、高分辨率的告警方法。通過多頻率地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，能夠獲取襯砌內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，及時發(fā)現(xiàn)潛在的質(zhì)量問題，并通過告警系統(tǒng)及時通知相關(guān)人員，從而避免了潛在的安全隱患。盡管本文在隧道襯砌質(zhì)量告警方面取得了一定的成果，但仍存在不足之處。多頻率地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)對于復(fù)雜的地質(zhì)條件和襯砌結(jié)構(gòu)，可能存在解釋不準(zhǔn)確的情況。未來將繼續(xù)深化對多頻率地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的研究，并探索更先進的信號處理和數(shù)據(jù)解釋方法，以提高襯砌質(zhì)量監(jiān)測的準(zhǔn)確性和效率。

參考文獻

[1]肖瀟，牛曉雷，賢柱英，等.基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸電現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險告警方法[J].長江信息通信，2024，37（5）：19-21.

[2]李興，路勇，吳天宇.智能電網(wǎng)中基于深度學(xué)習(xí)的故障告警方法研究[J].信息與電腦（理論版），2024，36（5）：37-39.

[3]李鵬宇，王洪華，王欲成，等.探地雷達(dá)高頻電磁波在頻散介質(zhì)中的傳播特征分析[J].地球物理學(xué)進展，2023，38（5）：2276-2287.

[4]劉偉家.基于粒子群算法的配電線路運檢異常告警方法[J].電子元器件與信息技術(shù)，2023，7（11）：134-136，140.

[5]周楊，王春林，郭銳.基于隨機森林算法的數(shù)據(jù)中心運維異常告警方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2023，46（8）：143-148.