智能信息化监控系统在隧道工程中的运用

智能信息化监控系统在隧道工程中的运用

摘要 随着社会的发展，隧道工程越来越多。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、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

前言

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。目前，智能信息化监控系统在国内学者不断地研究与探索下，从基础理论，到软件以及工程应用都有了很好的发展。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地解决上述问题。

1 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，引入了支持向量机。

2.1 DE-SVM非线性模型

通过事先选择的非线性映射将输入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。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，该方法可以较好地解决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。

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入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：

式中：Y0i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，xi为第i个参数，n为参数个数，xai和xbi为xi的上、下限。

2.3 DE-SVM的隧道反馈分析的优点[1]

（1）该系统将DE与SVM有效地进行组合，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點的不足得到了解决。

（2）该系统很好地发挥了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，能够很好地输出准确的围岩参数。

3 智能信息化监控分析软件系统

3.1 可视化软件系统

基于DE-FEM算法，采用微软VC++研制了隧道反馈分析可视化软件系统EEOS。有限元方法FEM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：

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OpenGL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。VTK是一个图形应用函数库，具有开放的源码、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。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

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，系统需要较快地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[2]。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框架的反馈分析的集成智能系统。

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。

4 结束语

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。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

[1] 孙钧.地下工程设计理论与实践[M].上海：上海科学技术出版社，1996：66.

[2] 姜谙男.基于PSO-SVM非线性时序模型的隧洞围岩变形预报[J].岩土力学，2007，28（6）：1176-1180.