楊萌宇，張 雷

（重慶交通大學(xué)，重慶400074）

“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”作為當(dāng)前社會發(fā)展新理念，已經(jīng)在各行各業(yè)提出了新的要求。地下綜合管廊應(yīng)運(yùn)而生，在緩解交通擁堵問題的同時，極大提高了城市電力、通信、燃?xì)?、供排水等設(shè)施的維護(hù)效率。但是，目前綜合管廊的維護(hù)仍然存在著一些不足。在綜合管廊背景下，為更加高效地對相關(guān)設(shè)施進(jìn)行檢修和維護(hù)，本文構(gòu)造了一個基于超聲波掃描和SVM 的綜合管廊故障診斷模型[1]。模型利用超聲波對管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期掃描，然后使用SVM 對得到的管廊數(shù)據(jù)進(jìn)行故障識別。

1 綜合管廊模型

地下綜合管廊是建設(shè)在城市地下的一種建筑，用來鋪設(shè)電網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)、電視信號、水利設(shè)施等管線的新一代綜合隧道。但是，中國的地下管道欠缺更加智能化的監(jiān)測和維護(hù)模型[2]。因此，本文在文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上，在市政綜合管廊優(yōu)化維護(hù)中融合了基于超聲波和SVM 的故障檢測模型。利用BIM 技術(shù)建立包含管廊自身各項信息完備的三維建筑模型，賦予模型以各種信息，技術(shù)人員可從任何視角查看模型，而GIS 地理信息模型用于確定管廊整體在城市地下空間中的位置。通過技術(shù)的結(jié)合，技術(shù)人員無需反復(fù)開挖路面，在綜合管廊中就可對各類管線進(jìn)行檢測、維護(hù)、改造等，減少了施工對交通和居民生活帶來的影響。地下綜合管廊內(nèi)部如圖1 所示。

圖1 地下綜合管廊內(nèi)部圖

由于市政綜合管道里程較長，數(shù)據(jù)存儲負(fù)荷較大，所以本文采取分區(qū)域監(jiān)控的方式，在不同區(qū)域內(nèi)設(shè)置信息操作臺，對該段區(qū)域進(jìn)行分段數(shù)據(jù)搜集與處理，能夠有效解決由于數(shù)據(jù)過多導(dǎo)致模型崩潰的問題。

地下空間改造前后區(qū)別如圖2 所示。優(yōu)化后的地下綜合管廊有以下優(yōu)勢：綜合管廊消除了城市各類管線系統(tǒng)在城市上空布下的豎立的電線桿、高壓塔等，減少了路面、人行道上各種管線的檢查井、室等，優(yōu)化了城市環(huán)境；綜合管廊在智能維護(hù)系統(tǒng)管理下可以較快定位管線故障位置和故障狀況，進(jìn)而提升了維護(hù)效率；綜合管廊的建設(shè)，避免了由于鋪設(shè)和維修地下管線而導(dǎo)致的對路面的頻繁挖掘，減少對城市交通和居民出行造成的影響和干擾；有效利用城市地下空間，節(jié)約了城市用地，提升了城市土地的利用率；確保城市各類管線的穩(wěn)定安全，而且減少了后期維護(hù)費(fèi)用；增強(qiáng)城市對于各類災(zāi)害的承受能力，城市各種管線設(shè)施由于設(shè)置在綜合管廊內(nèi)，當(dāng)面對洪水、地震等自然災(zāi)害時，抗災(zāi)能力有大幅度提升。

圖2 地下空間改造前后區(qū)別

2 超聲波檢測技術(shù)

超聲波檢測[4-5]是一種對金屬、非金屬以及復(fù)合材料等多種材料的無損檢測方法。其通過超聲波與檢測元件的相互作用，對得到的反射、透射和散射波進(jìn)行研究，進(jìn)而得到對檢測元件的故障診斷評價結(jié)果，缺陷定位準(zhǔn)確，檢測成本低，速度快，設(shè)備輕便。超聲波掃描如圖3 所示。

圖3 超聲波掃描示意圖

超聲波檢測有較強(qiáng)的穿透能力，探測深度可達(dá)數(shù)米，而且不易損傷檢測物體；靈敏度高，對于細(xì)微的管線裂縫有較高的識別成功率；檢測速度快，可立即提供缺陷檢驗結(jié)果；操作簡便，設(shè)備易于布置；頻率較高（20 000 Hz 以上），不會對操作人員造成影響。

3 支持向量機(jī)故障檢測模型

支持向量機(jī)[5]（Support Vector Machine ，SVM）是由VAPNIK 等人在1995 年提出的，是一種基于統(tǒng)計學(xué)理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化原理的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。作為一種借助最優(yōu)化方法解決機(jī)器學(xué)習(xí)問題的工具，是克服“維數(shù)災(zāi)難”和“過學(xué)習(xí)”問題的強(qiáng)有力手段?；舅枷胧腔陂g隔最大化的原則尋找一個超平面對樣本空間進(jìn)行分割。當(dāng)樣本空間線性可分時，支持向量機(jī)通過一個劃分超平面，將不同類別的樣本分開；當(dāng)樣本空間線性不可分時，為了使樣本在高維空間線性可分，使用核函數(shù)將訓(xùn)練集樣本從原始空間映射到一個高維空間。已經(jīng)證明，如果原始空間維數(shù)有限（即樣本屬性有限），那么一定存在一個高維空間使樣本線性可分。支持向量機(jī)原理如圖4 所示。

圖4 支持向量機(jī)原理圖

對于訓(xùn)練集樣本：（x1，y1）（x2，y2），…，（xN，yN），x∈Rn，y∈（-1，1）。

尋找其最優(yōu)分類超平面的二次規(guī)劃問題如下：

可以推得其Lagrange 函數(shù)為：

式中，λi≥0，i=1，2，…，N。

可得式的對偶問題可表示為：

可得決策函數(shù)為f（x，l）=sgn[yihi（xixj）+b]。

則對線性不可分的對偶函數(shù)為：

決策函數(shù)為f（x，l）=sgn[yiλiK（xi，xj）+b]。

4 結(jié)語

為了實現(xiàn)對地下管廊的實時監(jiān)控和管道及線路損壞的有效診斷，本文構(gòu)造了一個基于超聲波掃描和SVM 的綜合管廊故障診斷模型，使用SVM 對得到的管廊數(shù)據(jù)進(jìn)行故障識別，為市政綜合管廊的改造和升級提供了一種可靠的思路。除此之外，還可以對管道進(jìn)行分段掃描，在相應(yīng)區(qū)域設(shè)置信息操作臺，避免出現(xiàn)模型癱瘓、數(shù)據(jù)丟失的情況。