铁路下穿燃气管道的施工安全策略评估方法、装置及系统与流程

本发明涉及管道施工领域，尤其涉及铁路下穿燃气管道的施工安全策略评估方法、装置及系统。

背景技术：

1、随着社会生产和生活发展对能源需求的不断增大，天然气在社会生产和生活的使用占比也相应增大。为了实现对天然气的大范围与持续性供应，地下燃气管道铺设施工等建设活动逐渐频繁。地下燃气管道铺设施工对于地下地质结构具有较高要求，通常而言地下燃气管道要求铺设在不容易发生沉降和塌方的地质结构稳定的地下区域，使得在地下燃气管道铺设施工之前需要进行地质勘探，确定适合铺设地下燃气管道的区域。

2、在实际燃气管道铺设施工过程中，为了尽可能缩短燃气管道的铺设长度，燃气管道会不可避免下穿经过铁路下方区域。地下燃气管道在铺设施工过程中对地下区域的挖掘穿凿会对铁路下方的地质稳定性产生影响。此外，铁路上的列车在行驶过程中也会对铁路下方土层产生振动作用，使得土层在长期振动作用下发生结构松动的问题，一旦在铁路的地下区域铺设燃气管道存在施工操作不当等情况，会导致铁路的地下区域发生塌陷等安全事故，严重影响燃气管道施工和铁路运作的安全性。可见如何结合铁路自身运营对地下区域的地质结构影响，对铁路下穿燃气管道施工进行安全预测和施工策略评估，对提高铁路下穿燃气管道施工安全性和可靠性具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、为了避免铁路下穿燃气管道施工过程中因施工不当导致地下区域塌陷，并且结合铁路自身运营对地下区域的地质结构影响，对铁路下穿燃气管道施工进行安全预测和施工策略评估，本发明提供了铁路下穿燃气管道的施工安全策略评估方法，所述方法包括以下步骤：

2、获取铁路的物理空间状态数据，基于所述物理空间状态数据，得到所述铁路的物理状态特征；基于所述物理状态特征和所述铁路的列车行驶动态特征，对所述铁路所在地面区域进行分析，估计所述地面区域下方受到列车行驶影响的地下区域；基于所述地下区域的空间特征，获取所述地下区域的地质结构动态数据；

3、对所述地质结构动态数据进行分析，生成所述地下区域的地质结构演变模型；基于所述地质结构演变模型，预测所述地下区域的地质结构异常事件发生特征；基于所述地质结构异常事件发生特征，确定所述地下区域下属所有子区域的安全评估结果；

4、基于所有子区域的安全评估结果和燃气管道的物理空间铺设状态信息，估计每个子区域的燃气管道施工极限条件；基于所述燃气管道施工极限条件，确定所述地下区域的燃气管道施工策略信息。

5、优选地，所述获取铁路的物理空间状态数据，基于所述物理空间状态数据，得到所述铁路的物理状态特征，具体为：

6、采集铁路所在地面区域的三维影像，对所述三维影像进行像素轮廓识别，得到所述地面区域的铁路路轨边缘轮廓数据和铁路地基边缘轮廓数据；

7、对所述铁路路轨边缘轮廓数据和所述铁路地基边缘轮廓数据进行三维空间整合识别，得到所述铁路的物理状态特征；其中，所述物理状态特征包括所述铁路的三维物理空间结构形态特征和三维物理空间作用力传输特征。

8、优选地，所述基于所述物理状态特征和所述铁路的列车行驶动态特征，对所述铁路所在地面区域进行分析，估计所述地面区域下方受到列车行驶影响的地下区域，具体为：

9、基于所述铁路在预设时间区间内的列车行驶速度数据，估计所述铁路在预设时间区间内列车行驶经过产生的振动作用力动态特征；其中，所述振动作用力动态特征包括列车行驶经过产生的振动作用力大小和方向变化特征；

10、基于所述物理状态特征和所述振动作用力动态特征，对所述铁路所在地面区域进行所述列车行驶经过产生的振动作用力扩散传播分析，估计所述振动作用力在所述地面区域下方传播对应的强度衰减特征；其中，所述强度衰减特征是指所述振动作用力在所述地面区域下方每传播单位距离对应的强度衰减比率；

11、基于所述强度衰减特征，估计所述地面区域下方受到列车行驶影响的地下区域的三维空间范围。

12、优选地，所述基于所述地下区域的空间特征，获取所述地下区域的地质结构动态数据，具体为：

13、基于所述地下区域的三维空间范围，确定所述地下区域的内部空间形状和边界轨迹形状；基于所述内部空间形状和所述边界轨迹形状，从所述地下区域筛选若干内部关键点和若干边界关键点；

14、基于所有内部关键点和所有边界关键点各自的位置信息，对所述地下区域进行定点地质结构动态监测，得到所有内部关键点和所有边界关键点各自的地质结构动态数据；其中，所述地质结构动态数据包括地质结构位移速度和位移方向动态变化数据。

15、优选地，所述对所述地质结构动态数据进行分析，生成所述地下区域的地质结构演变模型；基于所述地质结构演变模型，预测所述地下区域的地质结构异常事件发生特征，具体为：

16、基于所有内部关键点和所有边界关键点之间的相对位置关系，对所述地质结构动态数据包括地质结构位移速度和位移方向动态变化数据进行时间与空间演变分析，生成所述地下区域的地质结构沉降演变模型；

17、基于所述地质结构沉降演变模型，对所述地下区域进行地质结构沉降情况预测，得到所述地下区域的地质结构断面错位沉降事件的发生特征；其中，所述发生特征包括所述地质结构断面错位沉降事件的发生位置、发生时间和断面错位沉降幅度。

18、优选地，所述基于所述地质结构异常事件发生特征，确定所述地下区域下属所有子区域的安全评估结果，具体为：

19、基于所述地下区域的地质结构断面错位沉降事件的发生特征，对所述地下区域下属所有子区域各自的地质安全评估结果；其中，所述地质安全评估结果包括每个子区域维持地质结构断面稳定状态对应的最大外力承受值。

20、优选地，所述基于所有子区域的安全评估结果和燃气管道的物理空间铺设状态信息，估计每个子区域的燃气管道施工极限条件，具体为：

21、基于所述地下区域的燃气管道铺设路径信息和燃气管道外形尺寸信息，估计所述地下区域的燃气管道铺设施工区域；

22、基于所述燃气管道铺设施工区域和所有子区域的地质安全评估结果，确定所述燃气管道铺设施工区域与每个子区域之间的重叠空间各自的施工极限条件；其中，所述施工极限条件是指对所述重叠空间进行燃气管道铺设施工过程中允许执行的施工动作强度和施工动作轨迹。

23、优选地，所述基于所述燃气管道施工极限条件，确定所述地下区域的燃气管道施工策略信息，具体为：

24、将所有子区域对应的重叠空间各自的施工极限条件进行连续性整合处理，确定在所述地下区域进行燃气管道铺设施工对应的全局施工动作路径和施工动作强度在所述全局施工动作路径的变化信息，从而生成所述地下区域的燃气管道施工策略导航地图信息。

25、另一方面，本发明提供了铁路下穿燃气管道的施工安全策略评估装置，所述装置包括以下单元：

26、铁路物理状态识别模块，用于获取铁路的物理空间状态数据，基于所述物理空间状态数据，得到所述铁路的物理状态特征；

27、列车行驶影响区域估计模块，用于基于所述物理状态特征和所述铁路的列车行驶动态特征，对所述铁路所在地面区域进行分析，估计所述地面区域下方受到列车行驶影响的地下区域；

28、地质结构数据获取模块，用于基于所述地下区域的空间特征，获取所述地下区域的地质结构动态数据；

29、地质结构异常预测模块，用于对所述地质结构动态数据进行分析，生成所述地下区域的地质结构演变模型；基于所述地质结构演变模型，预测所述地下区域的地质结构异常事件发生特征；

30、地下区域安全评估模块，用于基于所述地质结构异常事件发生特征，确定所述地下区域下属所有子区域的安全评估结果；

31、管道施工极限确定模块，用于基于所有子区域的安全评估结果和燃气管道的物理空间铺设状态信息，估计每个子区域的燃气管道施工极限条件；

32、管道施工策略生成模块，用于基于所述燃气管道施工极限条件，确定所述地下区域的燃气管道施工策略信息。

33、此外，本发明还提供了铁路下穿燃气管道的施工安全策略评估系统，所述系统包括：

34、上述铁路下穿燃气管道的施工安全策略评估装置；

35、施工导航显示装置，其用于根据来自所述施工安全策略评估装置的燃气管道施工策略信息，生成燃气管道施工策略导航虚拟现实地图。

36、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

37、获取铁路的物理空间状态数据，基于物理空间状态数据，得到铁路的物理状态特征；基于物理状态特征和铁路的列车行驶动态特征，对铁路所在地面区域进行分析，估计地面区域下方受到列车行驶影响的地下区域；基于地下区域的空间特征，获取地下区域的地质结构动态数据。当在铁路下穿施工铺设燃气管道时，需要考虑铁路地下区域的地质结构稳定性，若铁路地下区域某一范围的地质结构比较脆弱，并且下穿施工铺设燃气管道过程中施工强度较大，容易破坏相应范围的地质结构，导致地质结构断面破裂和错位沉降，从而使相应范围发生塌陷等安全事故。另外，铁路上持续不断行驶经过列车，而列车以高速状态行驶经过铁路过程中会产生振动作用，这些振动作用经铁路的路轨和地基等结构传递到铁路对应的地下区域，在长时间高强度的振动作用下铁路对应的地下区域的土层结构会不可避免发生松动而无法维持原有的紧密稳固状态。一旦在地下区域进行燃气管道铺设施工过程中对土层结构松动位置施加其无法承受的施工强度时，会导致地下区域的土层结构松动位置及其附近范围发生塌陷，从而危及铁路的结构安全。为此在进行铁路下穿燃气管道铺设施工过程中需要考虑铁路上列车行驶对地下区域的土层结构影响，从而对地下区域的地质结构状态进行动态全面表征。具体地，基于铁路的路轨和地基等结构的物理空间状态数据，得到铁路的物理状态特征，并结合铁路的列车行驶动态特征，估计铁路所在地面区域下方受到列车行驶影响的地下区域，对因列车行驶产生的振动作用可能发生土层结构松动的区域进行范围估计划定，为准确获取地下区域的地质结构动态数据限定空间范围，避免过度获取地质结构动态数据而增大无关数据的干扰。

38、对地质结构动态数据进行分析，生成地下区域的地质结构演变模型；基于地质结构演变模型，预测地下区域的地质结构异常事件发生特征；基于地质结构异常事件发生特征，确定地下区域下属所有子区域的安全评估结果。地下区域的地质结构动态数据是全局化表征受到列车行驶影响的地下区域在列车行驶产生的振动作用而发生沉降和/或错位等结构移位情况。随着地下区域的沉降和/或错位等结构移位的不断加剧变化，地下区域整体的地质结构安全也会发生劣化，使得地下区域的某一位置点或者若干位置点会存在塌陷等安全事故。为了准确全面对整个地下区域进行塌陷等地质结构异常事件在空间和时间层面的预测，以地质结构动态数据为基础，生成关于地下区域的地质结构演变模型，并利用地质结构演变模型，预测地下区域的地质结构断面错位沉降事件的发生位置、发生时间和断面错位沉降幅度等特征信息，多维度对地下区域的沉降情况进行量化预测表征，为确定地下区域下属所有子区域的安全评估结果提供可靠依据，从而确定对每个子区域维持地质结构安全状态能够承受的最大外力作用。

39、基于所有子区域的安全评估结果和燃气管道的物理空间铺设状态信息，估计每个子区域的燃气管道施工极限条件；基于燃气管道施工极限条件，确定地下区域的燃气管道施工策略信息。地下区域下属所有子区域的安全评估结果限定了每个子区域维持地质结构安全状态能够承受的最大外力作用，而燃气管道的铺设路径和管道外形尺寸决定燃气管道铺设施工区域范围大小，在实际燃气管道铺设施工过程中，并不是全部燃气管道均会穿过子区域，而是会与子区域存在一定的重叠范围，为此结合所有子区域的安全评估结果和燃气管道铺设施工区域，确定相应的燃气管道施工极限条件，以此确定地下区域的燃气管道施工策略信息，为后续燃气管道实际铺设施工提供准确全面的导航指引，提高铁路下穿燃气管道施工安全性和可靠性。