智能信息化监控系统在隧道工程中的运用

辽宁省交通高等专科学校学报

JOURNAL OF LIAONING PROVINCIAL COLLEGE OF COMMUNICATIONS

Vol. 18 No. 2APr-

2016

文章编号：1008-3812(2016)02-004-05

智能信息化监控系统在隧道工程中的运用

董方

(辽宁省交通工程质量与安全监督局，辽宁沈阳110005)

针对隧道工程的复杂性与不确定性的问题，利用智能信息化监控系统来优化施工越来

越得到重视。本文从基于差异进化和支持向量机（DE-SVM)的智能信息化监控系统的分析流程、

摘

要

软件开发等方面对该系统进行探讨，进一步分析和总结了现阶段比较前沿的研究（集成智能系统、 智能反馈分析基于VTK可视化平台的发展），并对下一步的研究方向进行展望。以期为智能信息化 监控系统在隧道中的提供参考与借鉴。

关键词隧道工程；智能监控信息系统；DE-SVM; VTK可视化平台 中图分类号：U456.3

1

引言

文献标识码：B

的对下阶段的隧道施工进行预测与优化。可见， 现阶段我国的隧道施工在信息化监控处理这一块 还是存在比较大的不足。

智能信息化监控系统，即通过现场监测数据 输入已经编好程序的平台中进行反馈反析，得出 相应的力学参数并进一步很好的预测下阶段的施 工情况来优化施工方案。目前，智能信息化监控 系统在国内学者不断的研究与探索下，从基础理 论，到软件以及工程应用都有了很好的发展。其

的简单原理如图1所示：

由于隧道工程的隐蔽性和参数的不确定性， 近年来利用施工监测的信息来动态调整施工方案 并指导隧道施工的方法越来越得到重视[1]。目前 阶段，我国隧道施工过程中常用的隧道监测主要 包括超前地质预报，以及隧道施工过程中的沉降 位移监测等方面，这类监测数据在一定程度上能 反映隧道施工的质量并起到一定的指导作用。但 是，此类监测方法都具有其比较明显的不足之 处，监测数据不能实时指导隧道施工，不能很好

收稿日期：2016-03-08

作者简介：董方（1979— ），男，山东泰安人，硕士，工程师。研究方向：交通机电。

Calculation of Steel Reinforced Corrosion Ratio and Concrete Cracking Widths in Steel Reinforced Concrete

HANa，WANGXue-Ying

[Abstract] With the increasing of the serving time, concrete cover will crack due to the corrosion expan­sion force of steel, which influence the durability of SRC structure. Calculating formula of steel reinforced corrosion ratio was built on theory of metal corrosion and method of elastic mechanics. And combining fic­titious crack model in fracture mechanics of concrete, the relationship between transmitting stress and crack width were obtained and analyzed by examples. The results showed that steel reinforced corrosion ratio would increase with the time and crack width increased, and would also decrease with the concrete cover thickness and concrete strength grade, and the size of lower flange of steel increased.

[Keywords] steel reinforced corrosion ratio, fictitious crack model, crack width, example analysis

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第2期

董方：智能信息化监控系统在隧道工程中的运用

施工优化分析（控制）

力学反馈分析（辨识）

力学参数 11 — 监测数据

图1智能信息化监控系统原理图

然而，智能信息化监控分析虽已取得较多学 术理论成果，在软件开发上也有不少的成就，但 是由于隧道工程非线性特点以及智能信息化监控 系统对操作人员的专业素养以及理论知识的掌握 比较高，导致在实际工程的应用存在一些不足之 处。智能信息化监控分析基于VTK可视化平台 的发展，在工程实践中的成功应用证明可以有效 的解决上述问题。同时，在针对大型洞室群问题 而开发的集成智能系统将智能信息化监控分析引 人一个更高技术层次的研究。

本文主要介绍了基于DE-SVM智能信息化 监控系统的流程，可视化软件以及集成智能系统 开发等方面，对国内外学者在这方面的研究成果 进行总结与分析，并对未来的研究趋势进行了展 望。

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智能信息化监控系统的流程

通过算法反演得到识别的参数，该过程是智 能分析方法中的一个重要部分，同时必须基于计 算机语言平台建立数值模型，利用智能反馈分析 流程才能运行。为了优化方法，引人了支持向量 机。下面通过DE-SVM反馈分析方法来介绍反 馈分析的流程。基于差异进化算法，结合支持向

量机，建立DE-SVM的三维快速反馈分析的方 法。

2.1 DE-SVM非线性模型

映人支持向量机（SVM)可以将高维非线性 问题映射成线性问题，从而使问题得到简化。通 过事先选择的非线性映射将输人向量映射到高维 空间，在利用结构风险最小化原则，在这个空间 中构造最优决策函数，并巧妙利用原空间的然后 用核函数代替高维特征空间的点积运算，使复杂 计算得到简化[2]。但是支持向量机本身没有提供 选取参数的理论方法，所以，将差异算法DE与 支持向量机SVM组合构成差异进行的支持向量

机DE-SVM，该方法可以较好的解决SVM遇到

的选择参数困难的问题。DE-SVM在运行的过程 中包括参数初始化、变异操作、交叉操作、选

择、循环代替这5个具体的操作步骤。以上5个 步骤的计算可以得到识别的SVM参数，并输出 其所对应的训练效果最好的SVM模型。2.2基于DE-SVM的隧道力学参数反馈分析

随机取一组隧道围岩力学参数导人SVM模 型中，可以进一步得到其相应的隧道位移，将现

成实测的位移数据与该数据进行比较分析，若二 者数据不太吻合，则需要重新进行上一步的参数 选取，通过不断的尝试，计算，达到预期的效 果，此时即可得到识别的围岩力学参数。采用

SVM模型进行隧道的力学参数与实测位移的非 线性关系的表达，并进一步根据隧道力学参数的 特定物理意义设定上下限，如果区域内有m个观 测值，那么有约束的优化问题为[3]院

m缮

minE(x1，心，.in)=ml Xi=1

[Y0-SFMi]2

<臆尤臆Xi(1 = 1， 2， •••， n)

式中：Y0为围岩多元信息的实测值，SVMi 为围岩多元信息的支持向量机预测值，m为观测 个数，^为第i个参数，n为参数个数，xa和^为 力的上、下限[3]。

2.3 DE-SVM的隧道反馈分析的优点

(1)

该系统将DE与SVM有效的进行组合，输出其相应的SVM模型进行围岩参数的反馈来 指导施工，由于模型的优越性，传统的方法中的 容易受困于局部最小点的不足得到了解决。

(2) 该系统很好的发挥了 DE与SVM的优 点，DE算法的计算时收敛快，全局性较好。

SVM能够解决传统方法过学习的不足之处，二

者相辅相成，充分发挥优势，能够很好的输出准 确的围岩参数。

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智能信息化监控分析软件系统

隧道智能信息化监控系统必须建立在计算机 平台上，其中，该系统中的智能反馈分析的方法 与流程相当于一个理论指导思想，但只有将方法 与流程植人计算机语言，开发出相应的软件系 统，才能为信息化分析的应用提供有效途径来解 决实际的问题。所以对软件的开发与应用就显得 非常的重要，在这方面，目前也是取得了丰硕的 研究成果，比较常用的有同济曙光、BMP等软 件。同时，为了减少软件的操作难度，使施工现

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辽宁省交通高等专科学校学报

2016 年

场的技术人员操作更容易，可视化平台的开发与 应用显得很有必要，将极大的提高隧道施工的效 率与质量。目前在处理复杂的洞室问题中又开发 了智能集成系统。3.1 可视化软件系统

在实际的工程运用中，我们必须考虑到系统 得到的复杂的参数数据如果不能以一种简单易懂 的可视化形式表现出来，将会在施工过程中带来 不必要的麻烦，也很难让该信息化系统在工程运 用中得到更好的推广运用。基于DE-FEM (Differential Evolution Finite Element Method)算 法，采用微软VC++研制了隧道反馈分析可视化 软件系统 EEOS ( Engineering Emulation Opti­

mization System ， 简称） [ 4] 。 有限元方法 FEM

(Finite Element Method)经过40多年的发展在 岩土工程中已成为一个有效的工具，因为它可以 模拟复杂的几何结构，边界和荷载情况以及材 料。传统的有限元方法在复杂的工程计算中太耗 费时间，近年来并行有限元的方法得到发展。 DE-FEM算法将全局智能优化算法与有限元方法 结合，实现围岩参数的快速识别。该平台主要包 括前处理模块、FEM计算模块、DE算法模块和 后处理模等四个模块，如图2所示：

图2反馈分析可视化EEOS的程序模块

同时，引用现阶段主流的VTK (Visualiza­

tion Toolkit) 可视化技术进行该系统的程序编

写。VTK面向对象的可视化工具是基于Win­

dows 和 Unix 环境而建立的 ，在 Open GL 的基础

上，可以将一些常用算法和细节屏蔽起来，以类 库的形式给开发工作以直接支持，从而提高了工 作效率咱5]。VTK是一个图形应用函数库，具有• 6 •

开放的源码、跨平台、并且支持平行处理，在此 基础上进行可视化程序的编写使得编写的程序的 质量、效率得到较大的改善咱5暂。

VTK技术在该系统中的运用使得系统的可视

化得到了实现，从而是该系统在实际工程中的应 用显得非常的简单易懂。该系统在实际工程中的 使用效果比较好。

3.2集成智能系统的初步发展

目前阶段，交叉学科的发展一直是一个热 点的问题，通过各个学科之间的交叉，充分发 挥各个学科之间的优势，弥补了单个学科的不 足与盲区。隧道工程主要是复杂和不可预见性， 而智能科学计算能通过程序将复杂问题简化， 进一步求解出来，从而满足复杂的隧道工程的 施工需求。

隧道施工过程是一个复杂的非线性问题，同 时也是一^个高度不确定性的动态施工系统。因

此，在具体的施工过程中，为了保证工期而出现 的紧迫性与隧道施工复杂性而导致系统反馈过慢 之间存在较大问题。具体表现为：在下一个施工 之前，系统需要较快的做出施工优化方案的决 策，以及整个分析的过程需要耗费的时间比较长 且需要较多部门的配合咱6暂。

为了解决上述问题，利用计算机技术、信息 技术和人工智能技术采用综合集成的思想，在反 馈分析流程和多种反馈分析方法基础上，提出的 包括数据库知识库、模型库和推理机的IDSS (Intelligent Decision Support System)框架的反馈 分析的集成智能系统。集成智能反馈分析系统的 总体结构如图3所示：

第2期

董方：智能信息化监控系统在隧道工程中的运用

基于PB和VV++平台进行了程序的初步开 发，并编制可视化的软件，提供给大型洞室群施 工现场的管理人员使用。从而，该软件可在现场 对监测数据进行快处理和分析，提高效率，为解 决上述问题提供了有效途径。该系统在实际工程 中已经得到初步应用。

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工程应用

图4所示为集成智能信息化监控系统的总体 结构图。在该系统中，通过数据库中的已经存人 的程序对现场的数据进行过滤、参数识别、状态 评估。所得到的参数将于系统中的已经存人的数 据进行进一步对比分析，得到因为精确的结果， 通过VTK可视化平台来反映，并对下一步的施 工进行优化设计。

图4

集成智能监控系统总体结构

该方法和系统在甘肃付家窑黄土隧道K0+ 400与K0+800之间区域的监测分析得到了运用。 付家窑隧道是三车道黄土特大断面隧道，隧道所 处的黄土具有一定的湿陷性，以上问题决定该隧 道施工过程中遇到的问题比较复杂，对隧道的施 工质量带来比较大的考验。因此，采用集成智能 信息化监控系统来指导优化施工。为了使得测试 的数据有代表性，用于检测的传感器布置在两个

典型的断面上，监测仪器在隧道中的布置如图5 所示。

图5隧道断面传感器布设

经过以上四个步骤的处理，得到反馈分析位 移与实测位移进行对比结果见表1:

表1

反馈分析的位移与实测位移对比

测线

监测位移(cm)

预测位移(cm)

相对误差(％ )

AD5.9765.7314.09AB5.3245.0125.86GY

4.748

4.541

4.35

集成智能系统监控信息化的监测值与现场实 测值的最大相对误差为5.86%，最大绝对误差 0.312mm，监测结果与平台预测值的误差很小， 结果令人满意。说明该系统在甘肃付家窑黄土隧 道施工过程中的运用是非常成功的。

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结语

目前，国内外学者对智能信息化系统分析进 行了大量的研究，这些研究加深了我们对隧道中 信息化监控的理解与认识，对工程实践有重要的

意义。本文探讨了智能信息化监控系统的思路， 研究其在工程中的应用，并指出了该系统的研究 方向：包括分析方法的完善，可视化软件，集成 智能系统的开发。智能信息化监控在隧道中的运 用隧道施工质量、安全、缩短工期等方面将起到 重要的作用，能改变中国目前隧道施工技术滞后 的现象。但是，虽然智能监控分析的研究已经取 得了不少的研究成果，但是由于隧道工程的复杂 性与不确定性，针对不同的工程问题还有待做进 一步的深人研究。

基于智能反馈分析的现状，笔者认为在以下 方面可以进一步的研究与探索：对智能信息化监 控分析软件的进一步开发，不仅仅局限于可视 化，集成智能系统，还可以在系统自动化的技术 上进行更多的研究，施工过程不仅要信息化，科 学化，还要机械化，自动化。目前，国外隧道的

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辽宁省交通高等专科学校学报

施工已经开始慢慢的步人机械化施工的阶段，国 内在这方面也开始在尝试。将智能反馈系统运用 到机械化施工过程中，通过现场监测信息反馈分 析，在施工过程中能自动调整参数，从而实现整 个施工过程中的自动化。

参考文献

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出版社，1996.

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2016 年

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研究[J].地下空间与工程学报，2013, 9 (4): 766-770.[4] 姜谙男，李鹏，唐述林，等.基于DE-FEM隧道反分析可视

化平台研究及应用[J].岩土力学报，2012，33 (8): 2508-2512.

[5] 唐述林，姜谙男.隧道施工中可视化智能反馈分析系统的应

用研究[J].施工技术，2011，40 (增刊）：89-92.

[6] 姜谙男，冯夏庭，高纬，等.大型洞室群收敛位移分析的集

成智能研究[J].岩石力学与工程学报，2002, 21 (增刊 2): 2501-2505.

Application of Intelligent Information Monitoring

System in Tunnel Engineering

DONG Fang

[Abstract] In view of the complexity and uncertainty of the tunnel engineering, the intelligent information

monitoring system, which has engaged more and more attention, is used to optimize the construction. The system, based on Differential Evolution and Support Vector Machine (DE-SVM), was discussed from the analysis process, software development, etc. in this article. Furthermore, it investigated and summarized rel­atively cutting-edge research at present ( e.g. integrated intelligent system, intelligent feedback analysis based on VTK visualization platform development), and the future research direction was prospected. Those aim to provide reference for the development intelligent information monitoring system in the tunnel.

也 Keywords] tunnel engineering, intelligent information monitoring system, DE-SVM, VTK visualization

platform

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