一种既有隧道的变形监测预警方法及系统

1.一种既有隧道的变形监测预警方法，其特征在于，包括步骤：获取参考隧道的多个图像监测点位的历史监测图像序列、多个力学监测位置的历史监测数据序列以及多个力学监测位置的地质结构信息，其中，所述历史监测图像序列包括多个历史时间点的监测图像，所述历史监测数据序列包括多个历史时间点的衬砌的负荷比例、温湿度、围岩含水量、振动幅值以及振动频率；基于所述历史监测图像序列确定既有隧道中存在衬砌变形的目标位置以及发生衬砌变形的目标时间点；基于所述地质结构信息对多个力学监测位置进行分类，得到地质结构类别；并基于每种地质结构类别的力学监测位置的目标监测数据构建变形特征模板数据，其中，所述目标监测数据包括目标时间点以及目标时间点之前目标时长的多个历史时间点的监测数据；获取既有隧道的目标位置在当前时间点之前目标时长内多个时间点的监测数据序列和地质结构类别，并从所述监测数据序列中提取变形特征数据；基于所述地质结构类别确定所述目标位置的目标变形特征模板数据，将所述变形特征数据与所述目标变形特征模板数据进行相似性对比，并基于对比结果对既有隧道进行变形预警。 2.根据权利要求1所述的一种既有隧道的变形监测预警方法，其特征在于，基于所述历史监测图像序列确定既有隧道中存在衬砌变形的目标位置以及发生衬砌变形的目标时间点，包括：将所述历史监测图像序列中任意两个相邻时间点的历史监测图像划分至同一个对照组；将所述对照组中的前一帧图像作为参考图像，后一帧图像作为对照图像；对所述参考图像和所述对照图像分别进行预处理，得到第一预处理图像和第二预处理图像，其中，预处理方式包括灰度转换和高通滤波；对所述第一预处理图像和所述第二预处理图像进行亮度调整，得到亮度一致的第一图像和第二图像；并从所述第一图像和所述第二图像提取灰度值小于预设阈值的缝隙候选区域；提取所述缝隙候选区域的轮廓特征；并对所述缝隙候选区域的轮廓特征进行形态学处理，得到所述缝隙候选区域的闭合轮廓特征；并计算闭合轮廓特征的尺寸和圆度，将符合预设尺寸范围和圆度范围的轮廓特征作为顶拱缝隙轮廓；将所述第一图像的闭合轮廓特征和所述第二图像的闭合轮廓特征分别绘制至空白图像中，得到第一轮廓图像和第二轮廓图像；提取顶拱缝隙轮廓以及其他闭合轮廓特征的质心，并基于顶拱缝隙轮廓的质心将所述第一轮廓图像和所述第二轮廓图像进行配准；将所述第一轮廓图像和所述第二轮廓图像中质心距离最近的闭合轮廓特征作为对照轮廓，并计算每组对照轮廓的重合率 ，所述重合率 的数学表达式为： 式中， 为对照轮廓的重叠部分的面积， 为对照轮廓中面积最大的轮廓的面积；将重合率 小于预设阈值的对照轮廓还原至所述对照图像中，得到变形位置；并将所述对照图像的时间点作为目标时间点。 3.根据权利要求2所述的一种既有隧道的变形监测预警方法，其特征在于，对所述第一预处理图像和所述第二预处理图像进行亮度调整，得到亮度一致的第一图像和第二图像，包括：对所述第一预处理图像和所述第二预处理图像中的所有像素点的灰度值进行归一化，分别得到第一归一化图像和第二归一化图像；采用相同的灰度范围对所述第一归一化图像和所述第二归一化图像进行重新赋值，得到亮度一致的第一图像和第二图像。 4.根据权利要求1所述的一种既有隧道的变形监测预警方法，其特征在于，基于每种地质结构类别的力学监测位置的目标监测数据构建变形特征模板数据，包括：计算所述目标监测数据中多个历史时间点的每种监测参数的方差；在所述目标监测数据中存在方差大于预设对应的方差阈值的目标监测参数时，提取目标监测参数的异常值，并计算其他监测参数在多个历史时间点的平均值，并基于目标监测参数的异常值、其他监测参数在多个历史时间点的平均值以及第一参数标志位构建特征向量，其中，所述第一参数标志位的值表示特征向量为突变性特征；在所述目标监测数据中不存在方差大于预设方差阈值的监测参数时，计算每种监测参数在多个历史时间点的平均值，并基于每种监测参数在多个历史时间点的平均值以及第二参数标志位构建特征向量，其中，所述第二参数标志位表示特征向量为持续性特征；对所有特征向量进行密度聚类，得到多个特征簇；将特征向量数量大于预设数量阈值的特征簇作为目标特征簇，并计算所述目标特征簇中每种监测参数的平均值，得到变形特征模板数据。 5.根据权利要求1所述的一种既有隧道的变形监测预警方法，其特征在于，从所述监测数据序列中提取变形特征数据，包括：计算所述监测数据序列中多种监测参数在多个时间点的方差；在所述监测数据序列中存在方差大于预设对应的方差阈值的目标监测参数时，提取目标监测参数的异常值，并计算其他监测参数在多个历史时间点的平均值，并基于目标监测参数的异常值、其他监测参数在多个历史时间点的平均值以及第一参数标志位构建特征向量，将所述特征向量作为变形特征数据；在所述目标监测数据中不存在方差大于预设方差阈值的监测参数时，计算每种监测参数在多个历史时间点的平均值，并基于每种监测参数在多个历史时间点的平均值以及第二标志位构建变形特征数据。 6.根据权利要求4或5所述的一种既有隧道的变形监测预警方法，其特征在于，提取目标监测参数的异常值，并计算其他监测参数在多个历史时间点的平均值，并基于目标监测参数的异常值、其他监测参数在多个历史时间点的平均值以及第一参数标志位构建特征向量，包括：计算目标监测参数在多个历史时间点的平均值；并计算目标监测参数的每个值与平均值的偏差率；将偏差率大于设定偏差比例的值作为异常值，对所有异常值进行聚类，得到多个异常值簇；计算每个异常值簇的平均值，得到目标监测参数的异常值；将目标监测参数的每种异常值分别与其他监测参数在多个历史时间点的平均值、第一标志位进行组合，得到一个或者多个特征向量。 7.根据权利要求1所述的一种既有隧道的变形监测预警方法，其特征在于，基于所述地质结构类别确定所述目标位置的目标变形特征模板数据，将所述变形特征数据与所述目标变形特征模板数据进行相似性对比，包括：确定与所述目标位置的地质结构类别相同且标志位相同的目标变形特征模板数据；计算所述变形特征数据与所述目标变形特征模板数据中每一种监测参数的偏差率 ，其中，所述偏差率 的数学表达式为： 式中， 为变形特征数据中第 个监测参数的值， 为目标变形特征模板数据中第 个监测参数的值， 为 和 中的最大值；在每一个位置的偏差率 均小于预设的偏差率阈值时，判定所述变形特征数据与所述目标变形特征模板数据相似；否则，判定所述变形特征数据与所述目标变形特征模板数据不相似。 8.根据权利要求1所述的一种既有隧道的变形监测预警方法，其特征在于，基于对比结果对既有隧道进行变形预警，包括：在对比结果为相似时，监测数据序列标记为存在形变风险并生成预警信息，以及将预警信息发送至目标对象；在对比结果为不相似时，将监测数据序列标记为无形变风险。 9.根据权利要求1所述的一种既有隧道的变形监测预警方法，其特征在于，所述目标位置为预先标记的应变易发生的位置。 10.一种既有隧道的变形监测预警系统，其特征在于，包括：样本获取模块，用于获取参考隧道的多个图像监测点位的历史监测图像序列、多个力学监测位置的历史监测数据序列以及多个力学监测位置的地质结构信息，其中，所述历史监测图像序列包括多个历史时间点的监测图像，所述历史监测数据序列包括多个历史时间点的衬砌的负荷比例、温湿度、围岩含水量、振动幅值以及振动频率；变形事件筛选模块，用于基于所述历史监测图像序列确定既有隧道中存在衬砌变形的目标位置以及发生衬砌变形的目标时间点；模板特征提取模块，用于基于所述地质结构信息对多个力学监测位置进行分类，得到地质结构类别；并基于每种地质结构类别的力学监测位置的目标监测数据构建变形特征模板数据，其中，所述目标监测数据包括目标时间点以及目标时间点之前目标时长的多个历史时间点的监测数据；特征提取模块，用于获取既有隧道的目标位置在当前时间点之前目标时长内多个时间点的监测数据序列和地质结构类别，并从所述监测数据序列中提取变形特征数据；对比和预警模块，用于基于所述地质结构类别确定所述目标位置的目标变形特征模板数据，将所述变形特征数据与所述目标变形特征模板数据进行相似性对比，并基于对比结果对既有隧道进行变形预警。