基于物联网的地下洞室群施工专家信息系统研究与开发

摘要

地下洞室群施工是一项复杂的系统工程,会受到各种复杂天然地质状况等诸多未知因素的影响。针对地下洞室群施工过程的随机性、突发性、不确定性和经验性强等特点,本文引入物联网等先进的技术与方法,从信息采集、工程进度、工程安全、工程预警四个主要方面对地下洞室群施工过程开展了系统地分析研究,研发基于物联网技术的地下洞室群施工专家信息系统。本文主要研究内容和成果如下:
　　(1)基于物联网技术,给出了地下洞室群各种施工信息基于物联网的实时采集建设方案,搭建了地下洞室群施工信息实时采集平台。
　　本文首次将物联网技术应用到地下洞室群施工信息采集中,结合地下洞室群施工过程中产生各类信息的各自特点,建立三种不同的信息采集方式,实现地下洞室群施工过程中信息的无线实时采集,弥补了目前地下洞室群施工信息采集中信息采集过程复杂、时效性差等不足之处,为地下洞室群施工过程中科学管理与决策提供即时的数据信息保障。
　　(2)提出了基于贝叶斯理论的地下洞室群时变施工进度风险预测方法,同时结合施工进度风险控制理念,研发了基于贝叶斯理论的地下洞室群施工进度风险实时控制专家系统。
　　本文将贝叶斯理论与实时仿真技术同时引入到地下洞室群施工进度预测中,建立了基于贝叶斯理论的地下洞室群时变施工进度风险预测方法。该方法将工序单位工作量施工时间的均值和方差视为随机变量,利用现场采集到的实际施工记录信息,不断修正和改进正在施工工序剩余工作时间和未施工工序工作时间的预测概率分布,同时结合柔性网络计划仿真方法实现对工程后期整体施工进度的完工风险预测。基于本文方法得到的施工进度预测结果更加贴近工程实际,对于地下洞室群施工进度概率预测方法的发展起到了一定的推动作用。
　　(3)给出了适用于实时仿真的数值模型建立方法,建立实际施工状态与数值模型模拟状态的实时映射关系,提出了基于数值模拟技术的地下洞室群施工结构安全实时数值仿真方法。
　　本文通过对地下洞室群实际施工状态与施工数值模拟状态的深入分析,给出各自所包含的主要要素,并引入数学中集合的概念,建立了两个状态之间的实时动态映射关系,完成了实际施工进度、突发不良地质及支护措施在大尺度精细化数值模型上的实时、自动化映射模拟,实现了地下洞室群施工过程中结构安全的实时数值仿真,为现场工程师进行指挥决策提供了重要的参考依据。
　　(4)将(2)、(3)两个创新点进行融合,提出了地下洞室群施工期结构安全与进度耦合实时仿真方法,研发了基于结构安全与进度耦合实时仿真的地下洞室群施工突发不良地质处理措施专家系统。
　　大型地下洞室群施工安全与进度受突发不良地质状况影响较大,实时确定不良地质对施工结构安全与进度的综合影响具有重要工程意义。本文将突发不良地质状况映射到数值模型上,根据实时数值仿真结果对不良地质段施工的结构安全性进行预测评估,对不满足安全要求的施工状态提出相应的处理措施,并对处理效果进行实时仿真预测,将确定的处理措施以施工参数的形式反馈给施工进度控制系统,实时评价处理措施对总体施工进度的影响。该系统实现了地下工程安全施工与进度控制的现场办公一体化,为地下工程现场施工的安全与进度控制提供了技术支持。
　　(5)基于强度折减的思想,结合(3)中的实时数值仿真方法,提出了基于实时数值仿真的地下洞室群施工期围岩劣化损伤折减计算方法,该方法能够给出施工期某一施工状态下的围岩变形动态预警指标及标准,实现了施工期动态安全预警。
　　针对开挖扰动会导致围岩内部产生劣化损伤区的事实,本文引入边坡开挖中常用的强度折减法的计算思想,提出了基于实时数值仿真的施工期围岩劣化损失折减计算方法。该方法利用屈服接近度指标划定围岩劣化损失区的范围,每次只对劣化损伤区内的指定参数进行折减,直到数值计算不收敛为止,得到某施工状态下围岩变形与折减系数关系曲线;通过对曲线划分为匀速、加速和破坏三个变形过程,利用三段的分界值建立该开挖状态下的动态预警标准,进而实现了地下洞室群施工期的动态安全预警。
　　(6)基于多层次模糊综合评价方法,提出了基于实测性态的地下洞室群安全性综合评价方法。
　　本文基于对地下洞室群安全监测设计进行了深入分析与广泛调研,建立了基于实测信息的地下洞室群安全评价结构体系,采用层次分析法和专家打分法确定评价指标权重;然后通过混合使用―乘与取大算子M(·,∨)‖和―乘与和算子M(·,+)‖两种算子,对模糊综合评价方法的权重向量与模糊关系矩阵的合成进行改进,充分考虑断面最危险区域对整体安全性评价结果的重要性,将不稳定危险因素更好的向上层传递,使得最终的结构稳定性评判结果更加真实可信。此方法也为地下洞室群整体安全性评价提供一个新的思路。
　　(7)综上,研发了基于物联网的地下洞室群施工专家信息系统,并对其它辅助功能进行简要展示。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究发展与现状

1.3本文主要研究内容与创新点

第二章 基于物联网技术的地下洞室群施工信息采集平台

2.1 引言

2.2 物联网技术概述

2.3 基于物联网技术的地下洞室群施工信息采集平台总体设计

2.4 基于物联网技术的地下洞室群安全监测信息采集

2.5 基于物联网技术的地下洞室群人员及机械实时监控信息采集

2.6 基于物联网技术的地下洞室群现场施工信息采集

2.7 本章小结

第三章 基于贝叶斯理论的地下洞室群时变施工进度风险控制专家系统

3.1 引言

3.2 地下洞室群施工进度实时风险预测方法

3.3 基于贝叶斯理论的地下洞室群时变施工进度风险预测方法研究

3.4 地下洞室群施工进度实时控制专家建议

3.5 地下洞室群施工进度实时控制专家系统开发

3.6 工程应用实例

3.7 本章小结

第四章 基于结构安全与进度耦合实时仿真的地下洞室群施工突发不良地质处理专家系统

4.1 引言

4.2适用于实时仿真的地下洞室群三维大尺度精细化数值模型建立

4.3 支护方案神经网络专家建议

4.4 地下洞室群施工期结构安全与进度耦合实时仿真方法研究

4.5 围岩局部塌方及回填实时数值仿真方法研究

4.6 地下洞室群施工突发不良地质处理专家系统开发

4.7 工程应用实例

4.8 本章小结

第五章 基于实时数值仿真的地下洞室群施工期动态安全预警及决策专家系统

5.1 引言

5.2 基于实时数值仿真的地下洞室群施工期动态安全预警研究

5.3 地下洞室群施工期安全预警决策专家系统

5.4 地下洞室群施工期动态安全预警及决策专家系统开发

5.5 工程应用实例

5.6 本章小结

第六章 基于物联网的地下洞室群施工专家信息系统开发

6.1 系统总体开发目标

6.2 系统总体结构设计

6.3 系统数据库设计

6.4 系统开发及运行环境

6.5 系统开发关键技术与方法

6.6 本章小结

第七章 基于物联网的地下洞室群施工专家信息系统功能展示

7.1 施工进度三维动态可视化

7.2 施工信息交互式查询

7.3 工程图纸综合管理

7.4 施工人员/车辆实时监控及可视化指挥调度

7.5 施工期通风网络实时仿真与方案快速评价

第八章 结论与展望

8.1 主要研究成果和结论

8.2 研究工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢