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DT-CWT-LMS自适应降噪模型构建及其在隧道监测工程中的应用

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隧道建设（中英文） 2024年第5期44卷 973-983页

作者：李子祥蔡海兵程桦侯公羽安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083

针对隧道工程监测现场应用布里渊光时域反射仪(BOTDR)系统存在的问题,提出基于双树复小波变换(DT-CWT)和改进的LMS算法的组合降噪模型,用于对BOTDR分布式光纤监测信号进行降噪处理。首先,基于双树复小波变换算法分解原始信号;然后,使用... 详细信息

针对隧道工程监测现场应用布里渊光时域反射仪(BOTDR)系统存在的问题,提出基于双树复小波变换(DT-CWT)和改进的LMS算法的组合降噪模型,用于对BOTDR分布式光纤监测信号进行降噪处理。首先,基于双树复小波变换算法分解原始信号;然后,使用样本熵作为目标函数自动选择最优小波分解层数的模型,并基于优化双曲余弦函数改进LMS算法的收敛速度和收敛性;最后,为验证所提出算法的有效性,进行BOTDR温度信号降噪试验。试验结果表明:1)DT-CWT-LMS算法的降噪效果明显优于传统的小波阈值降噪方法,在6个温度梯度上的平均SNR值比WDD、EMT、EMD分别高出43.98%、17.5%、8.4%,平均RMSE值分别降低33.18%、17.14%、9.23%,平均SE值分别降低29.04%、21.17%、20.67%。为验证所提算法在工程现场的有效性,依托北京地铁隧道监测项目,使用DT-CWT-LMS算法对光纤监测信号进行降噪研究,降噪后信号的样本熵平均降低幅为64.03%;2)和常规WDD、EMT、EMD 3种方法相比,DT-CWT-LMS算法在3条光纤上的表现均优于其他3种算法,在1号、2号、3号光纤上的SNR指标比其他3种算法的平均值分别高出22%、38%、27%,说明该算法可作为隧道工程光纤监测信号的一种有效降噪方法。

关键词：隧道监测信号降噪分布式光纤技术小波分析

锚杆预紧力对锚固岩体力学性能改善的试验研究

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岩石力学与工程学报 2024年

作者：侯公羽邵耀华张世欧赵铁林刘春雷中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院

为研究预紧力锚杆对完整岩体及含裂隙岩体力学性能的影响，开展不同预紧力锚杆支护条件下完整岩体的单轴压缩试验和含裂隙岩体的直剪试验，并结合声发射技术揭示岩体内部裂纹演化特征。单轴压缩试验结果表明：(1)与无支护试件相比，极... 详细信息

为研究预紧力锚杆对完整岩体及含裂隙岩体力学性能的影响，开展不同预紧力锚杆支护条件下完整岩体的单轴压缩试验和含裂隙岩体的直剪试验，并结合声发射技术揭示岩体内部裂纹演化特征。单轴压缩试验结果表明：(1)与无支护试件相比，极低预紧力和低预紧力支护时完整岩体强度基本无变化，中等预紧力和高预紧力支护时完整岩体强度显著增大。(2)无支护、极低预紧力和低预紧力锚杆支护下岩体呈明显的单斜面剪切破坏；随锚杆预紧力的增大，锚固体破坏模式由剪切破坏转变为张拉劈裂破坏，这一破坏特征与声发射RA-AF值表征的裂纹类型相对应。直剪试验结果表明：(1)预紧力锚杆可显著提高含裂隙岩体的承载性能，随锚杆预紧力的增大，含裂隙锚固体的抗剪强度逐渐增大。(2)通过声发射信号分析，揭示直剪加载过程中含裂隙锚固体的裂纹演化模式；在加载初期，张拉和剪切裂纹比例相近；随加载的持续进行，剪切裂纹占主导地位。研究成果可为研究主动支护的作用机制及锚杆支护设计提供理论基础。

关键词：岩石力学锚固岩体预紧力锚杆力学响应声发射

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基于改进YOLOv5的安全帽检测算法

工程科学学报 2024年第2期46卷 329-342页

作者：侯公羽陈钦煌杨振华张又文张丹阳李昊翔中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083

为了解决建筑工地、隧道、煤矿等施工场景中现有安全帽检测算法对于小目标、密集目标以及复杂环境下的检测精度低的问题,设计实现了一种基于YOLOv5的改进目标检测算法,记为YOLOv5-GBCW.首先使用Ghost卷积对骨干网络进行重构,使得模型的... 详细信息

为了解决建筑工地、隧道、煤矿等施工场景中现有安全帽检测算法对于小目标、密集目标以及复杂环境下的检测精度低的问题,设计实现了一种基于YOLOv5的改进目标检测算法,记为YOLOv5-GBCW.首先使用Ghost卷积对骨干网络进行重构,使得模型的复杂度有了显著降低;其次使用双向特征金字塔网络(BiFPN)加强特征融合,使得算法对小目标准确率提升;引入坐标注意力(Coordinate attention)模块,能够将注意力资源分配给关键区域,从而在复杂环境中降低背景的干扰;最后提出了Beta-WIoU作为边框损失函数,采用动态非单调聚焦机制并引入对锚框特征的计算,提升预测框的准确率,同时加速模型收敛.为了验证算法的可行性,以课题组收集的安全帽数据集为基础,选用了多种经典算法进行对比,并且进行了消融实验,探究各个改进模块的提升效果.实验结果表明:改进算法YOLOv5-GBCW相较于YOLOv5s算法,算法平均精确率(IOU=0.5)提升了5.8%,达到了94.5%,检测速度达到了124.6 FPS(每秒处理帧数),模型更加轻量化,在复杂环境、密集场景和小目标场景下检测能力提升显著,并且同时满足安全帽检测精度和实时性的要求,给复杂施工环境下安全帽检测提供了一种新的方法.

关键词：安全帽目标检测 YOLOv5 注意力机制双向特征金字塔网络

基于语义分割的隧道渗漏水轻量化检测模型研究

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铁道科学与工程学报 2024年

作者：王丹丹侯公羽张欣怡陈钦煌邵耀华符欢欢中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院

针对传统计算机视觉渗漏水检测算法模型参量大、检测速度慢和复杂背景下抗干扰能力差的问题，提出了一种基于DeepLabV3+改进的轻量化分割模型SC-DeepLabV3+，以实现地铁隧道渗漏水病害的高效检测。首先，采用融合空间和通道激励注意力... 详细信息

针对传统计算机视觉渗漏水检测算法模型参量大、检测速度慢和复杂背景下抗干扰能力差的问题，提出了一种基于DeepLabV3+改进的轻量化分割模型SC-DeepLabV3+，以实现地铁隧道渗漏水病害的高效检测。首先，采用融合空间和通道激励注意力机制的（concurrent spatial and channel squeeze and excitation，简称scSE）的轻量化网络S-Efficientnet作为主干特征提取网络，以降低模型参数量，提高渗漏水检测速度；其中scSE注意力机制通过在空间和通道两个维度上进行信息的压缩和增强，突出有用通道，抑制无用通道，进而提升模型的检测精度。其次，设计一种高层语义特征细化模块CASPP(Contact-Atrous Spatial Pyramid Pooling)。该模块通过缩小膨胀因子、调整特征提取分支数以及融合深度可分离卷积，在考虑全局上下文信息的同时，增强对渗漏水边缘细节的关注；且C-ASPP模块可通过多尺度感受野特征提取结构，更准确地处理和整合来自不同尺度的语义特征，以实现对多尺度语义信息的相互交融，进而增强复杂环境下模型的抗干扰能力。最后，在构建的渗漏水混合数据集上进行实验，结果表明：S-Efficientnet主干网络极大地降低模型的复杂度，增强了对渗漏水区域的关注度；C-ASPP模块提高了对多尺度信息的综合利用；SC-DeepLabV3+模型交并比达到90.17%，模型大小仅为5.457 M，图像处理速度可达89.525 f/s。与当今主流语义分割模型相比，SC-DeepLabV3+模型在检测精度和分割速度等方面展现出显著的优越性。

关键词：深度学习语义分割隧道病害渗漏水 DeepLabV3+ 轻量化

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温度-渗流耦合作用下砂岩卸荷蠕变试验研究

水文地质工程地质 2024年

作者：梁金平张振铎李小瑞荆浩勇侯公羽苏占东张明磊张建勇防灾科技学院地质工程学院河北省地震灾害防御与风险评价重点实验室北京住总置地有限公司国家管网集团工程技术创新有限公司中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院

巷道/隧道开挖后环境因素（温度、水）及耦合作用会改变围岩的卸荷蠕变性质，从而对围岩稳定及施工现场的安全维护产生威胁。为研究温度、渗流水及耦合作用对砂岩卸荷蠕变特性的影响，采用自主设计的温度控制系统和改良的孔隙水传导试... 详细信息

巷道/隧道开挖后环境因素（温度、水）及耦合作用会改变围岩的卸荷蠕变性质，从而对围岩稳定及施工现场的安全维护产生威胁。为研究温度、渗流水及耦合作用对砂岩卸荷蠕变特性的影响，采用自主设计的温度控制系统和改良的孔隙水传导试件密封装置，开展了砂岩试件（φ50 mm×100 mm）三轴卸荷蠕变试验。研究发现：（1）在卸围压后的300 min蠕变时长内，轴向压缩及径向扩容蠕变速度先逐渐增加后放缓，以径向蠕变为主。（2）温度降低（65 ℃→30 ℃）最终会导致干燥及饱和试件的轴向蠕变量增加，而径向蠕变量减小。（3）随着渗流水压增加，轴向蠕变量减小，渗流水压增加对开挖后轴向蠕变起到抑制作用；而径向蠕变量显著增加，扩容现象明显，渗流水压增加对径向蠕变起到促进作用。（4）随着渗流水压增加，轴向卸荷蠕变速率减小，径向卸荷蠕变速率增大。温度-渗流耦合作用下，卸荷蠕变速率曲线分为衰减阶段和稳定阶段，衰减阶段变形量占主导地位。径向蠕变速率高于轴向，且径向蠕变速率的波动幅度较小，趋于稳定的速度更快。本文研究结果可为深部地下工程围岩稳定评价提供参考。

关键词：开挖卸荷温度渗流蠕变特性

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城市地下工程课程试验教学改革与创新

高教学刊 2024年第18期10卷 41-47页

作者：李涛任东伟吴雨停刘波侯公羽中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083

根据工程专业育人特点,进行育人、育才、知识、能力相统一的目标设定,在研究型本科教育理念为先导的教育教学体系基础上,运用以PBL项目教学为引导的CDIO教学模式,将社会主义核心价值观、开拓创新、安全第一、沟通协作等思政元素与专业... 详细信息

根据工程专业育人特点,进行育人、育才、知识、能力相统一的目标设定,在研究型本科教育理念为先导的教育教学体系基础上,运用以PBL项目教学为引导的CDIO教学模式,将社会主义核心价值观、开拓创新、安全第一、沟通协作等思政元素与专业知识教学相结合,创新改革北京市精品课程城市地下工程课程试验内容。经实践证明,学生的试验能力与协作水平有效提高,正确的价值观、世界观得以塑造,为今后土木相关专业课程试验思政实践教学提供思路。

关键词：课程试验课程思政试验改革 PBL项目教学 CDIO教学模式

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节理巷道围岩卸荷变形试验研究

岩土工程学报 2024年第3期46卷 616-623页

作者：侯公羽邵耀华刘春雷王一哲陈钦煌胡志宇赵庆儒中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083

自然界中的岩体在长期的地质构造运动作用下,内部往往发育不同尺度的节理,而巷道围岩的稳定性与节理的发育密切相关。为研究节理对巷道围岩开挖卸荷变形的影响,采用课题组的开挖卸荷模型试验系统,对不同节理尺寸水泥砂浆围岩试件开展了... 详细信息

自然界中的岩体在长期的地质构造运动作用下,内部往往发育不同尺度的节理,而巷道围岩的稳定性与节理的发育密切相关。为研究节理对巷道围岩开挖卸荷变形的影响,采用课题组的开挖卸荷模型试验系统,对不同节理尺寸水泥砂浆围岩试件开展了系列试验。研究结果表明:(1)巷道围岩开挖卸荷变形主要发生在卸荷阶段,维持阶段变形继续存在,但节理对其卸荷变形无明显影响。此阶段,卸荷变形程度显著降低并逐渐趋于稳定,其应变增量大约为100με;(2)与无节理试件相比,含节理试件S-1和S-2的应变平均降低幅度超过70%,远高于S-3,即节理尺寸越大,卸荷变形程度越大,卸荷作用越明显;(3)试件在不同方向的应变差异较大,切向应变均大于径向应变,含节理试件尤为突出。

关键词：小型模型试验节理开挖卸荷围岩变形

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温度-渗流耦合作用下砂岩卸荷蠕变试验研究

水文地质工程地质 2024年第5期51卷 105-113页

作者：梁金平张振铎李小瑞荆浩勇侯公羽苏占东张明磊张建勇防灾科技学院地质工程学院河北三河065201 河北省地震灾害防御与风险评价重点实验室河北三河065201 北京住总置地有限公司北京100010 国家管网集团工程技术创新有限公司天津300450 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

巷道/隧道开挖后环境因素(温度、水)及耦合作用会改变围岩的卸荷蠕变性质,从而对围岩稳定及施工现场的安全维护产生威胁。为研究温度、渗流水及耦合作用对砂岩卸荷蠕变特性的影响,采用自主设计的温度控制系统和改良的孔隙水传导试件密... 详细信息

巷道/隧道开挖后环境因素(温度、水)及耦合作用会改变围岩的卸荷蠕变性质,从而对围岩稳定及施工现场的安全维护产生威胁。为研究温度、渗流水及耦合作用对砂岩卸荷蠕变特性的影响,采用自主设计的温度控制系统和改良的孔隙水传导试件密封装置,开展了砂岩试件(φ50 mm×100 mm)三轴卸荷蠕变试验。研究发现:(1)在卸围压后的300 min蠕变时长内,轴向压缩及径向扩容蠕变速度先逐渐增加后放缓,以径向蠕变为主。(2)温度降低(65°C→30°C)最终会导致干燥及饱和试件的轴向蠕变量增加,而径向蠕变量减小。(3)随着渗流水压增加,轴向蠕变量减小,渗流水压增加对开挖后轴向蠕变起到抑制作用;而径向蠕变量显著增加,扩容现象明显,渗流水压增加对径向蠕变起到促进作用。(4)随着渗流水压增加,轴向卸荷蠕变速率减小,径向卸荷蠕变速率增大。温度-渗流耦合作用下,卸荷蠕变速率曲线分为衰减阶段和稳定阶段,衰减阶段变形量占主导地位。径向蠕变速率高于轴向,且径向蠕变速率的波动幅度较小,趋于稳定的速度更快。研究结果可为深部地下工程围岩稳定评价提供参考。

关键词：开挖卸荷温度渗流蠕变特性

围岩-支护作用机制评述及其流变变形机制概念模型的建立与分析

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岩石力学与工程学报 2008年第A02期27卷 3618-3629页

作者：侯公羽中国矿业大学力学与建筑工程学院北京100083

岩石地下工程支护理论的核心问题是围岩-支护相互作用机制。首先,分析卡斯特纳方程和围岩-支护作用机制存在的缺陷和错误,包括:(1)模型对支护反力的产生及其支护时机、加载路径等力学处理不具有工程实际意义。(2)由卡氏方程和弹塑性公... 详细信息

岩石地下工程支护理论的核心问题是围岩-支护相互作用机制。首先,分析卡斯特纳方程和围岩-支护作用机制存在的缺陷和错误,包括:(1)模型对支护反力的产生及其支护时机、加载路径等力学处理不具有工程实际意义。(2)由卡氏方程和弹塑性公式推导的围岩特性曲线在工程实际中不存在,因此也不存在与支护结构的支护特性曲线相交的可能性。(3)将围岩特性曲线和支护特性曲线相交求解围岩-支护相互作用的平衡点存在概念及逻辑上的错误。然后,建立基于流变变形的围岩-支护相互作用机制的概念模型。最后,应用流变机制概念模型对工程实例进行计算,推演围岩与支护的相互作用过程,从理论上证实混凝土结构在一定条件下支护软岩巷道是可以的。提出的流变机制概念模型,既可以对围岩-支护相互作用给出定性解释,也可以应用于岩石地下工程的设计,理论基础可靠,能够应用于工程实践。

关键词：岩石力学围岩-支护作用机制弹塑性变形流变变形:围岩特性曲线支护特性曲线