本發(fā)明涉及管道安全風(fēng)險評估，尤其是一種排水管道健康指標(biāo)構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

1、隨著城市的快速發(fā)展，排水管道的長度和復(fù)雜度都在不斷增加；排水管道鋪設(shè)完成后需要定期進(jìn)行維護(hù)，當(dāng)前的城市管網(wǎng)維護(hù)策略傾向于被動救火式運維策略，財政負(fù)擔(dān)重，但效能差強人意。面對這些問題，提升市政管網(wǎng)的運維效率成為了推動城市向綠色、安全方向發(fā)展的一項關(guān)鍵任務(wù)。準(zhǔn)確地評估和預(yù)測管道系統(tǒng)的運行狀態(tài)，可以及時發(fā)現(xiàn)排水管道的結(jié)構(gòu)性和功能性缺陷、預(yù)測排水管道運行風(fēng)險、指導(dǎo)排水系統(tǒng)優(yōu)化和運維，首先需要建立一個全面且明確的健康評估體系。

2、目前，現(xiàn)有技術(shù)主要采用如ahp層析分析法、專家咨詢權(quán)重法（特爾斐法）、優(yōu)劣解距離法、主成分分析法、模糊綜合評價、因子分析法、熵權(quán)法等方法對管道健康狀態(tài)進(jìn)行評估；然而，這些方法大多依賴主觀賦權(quán)，客觀性差。

3、其次，國內(nèi)外也有一些常見的排水管道健康狀態(tài)評價規(guī)范，如美國nassco發(fā)行的pacp采用平均缺陷等級得到狀況等級，平均后的等級無法顯示管道的真實情況；英國wrc出版的srm-4采用計算管段最大缺陷分值并與預(yù)設(shè)閾值做比較得出狀況等級，這種方法將管段最嚴(yán)重的局部點的問題代表整個管段的缺陷，以偏概全；還有中國住建部發(fā)行的cjj181-2012采用平均缺陷分值和最大缺陷分值中較大的值與預(yù)設(shè)閾值比較得出缺陷參數(shù)，再計算修復(fù)指數(shù)ri，然而經(jīng)驗證明得出完好管段的ri仍可能在二級修復(fù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種排水管道健康指標(biāo)構(gòu)建方法，本發(fā)明具有極高的實用性、通用性、客觀性和合理性等特點，適合所有情況的排水管道，且無需進(jìn)行主觀打分。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種排水管道健康指標(biāo)構(gòu)建方法，包括如下步驟：

3、s1）、建立排水管道歷史數(shù)據(jù)庫；

4、s2）、根據(jù)運維需求對目標(biāo)管道進(jìn)行檢測，獲取目標(biāo)管道的檢測視頻；并對目標(biāo)管道檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和對齊處理，得到待評估管道的檢測視頻；

5、s3）、從檢測視頻中自動化提取關(guān)鍵幀，并篩選出高分辨率的含有目標(biāo)管道缺陷的圖像；

6、s4）、將待評估的排水管道缺陷圖像加入缺陷分類數(shù)據(jù)庫，并利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對待評估的排水管道缺陷圖像進(jìn)行特征提??；得到缺陷特征圖像，并通過缺陷特征圖像得到缺陷有效信息，即類別和尺寸定量化數(shù)據(jù)；

7、s5）、基于排水管道本體的缺陷特征圖像構(gòu)建排水管道健康狀態(tài)評估指標(biāo)體系；

8、s6）、基于所述缺陷定量化數(shù)據(jù)和定義的排水管道健康狀態(tài)評估指標(biāo)體系計算各指標(biāo)數(shù)值，得到排水管道健康狀態(tài)值，并將最新檢測結(jié)果分類存儲于排水管道歷史數(shù)據(jù)庫。

9、作為優(yōu)選的，步驟s1）中，所述的排水管道歷史數(shù)據(jù)庫包括排水管道本體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、檢測結(jié)果數(shù)據(jù)和歷史運維決策數(shù)據(jù)。

10、作為優(yōu)選的，步驟s1）中，所述排水管道本體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫包括結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫、功能數(shù)據(jù)庫和缺陷分類數(shù)據(jù)庫。

11、作為優(yōu)選的，步驟s4）中，所述的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為改進(jìn)vggnet-4網(wǎng)絡(luò)模型，所述的改進(jìn)vggnet-4網(wǎng)絡(luò)模型包括輸入層、卷積塊、全連接層和輸出層；每個所述的卷積塊中具有相應(yīng)的卷積層，每個所述的卷積層采用3x3卷積核。

12、作為優(yōu)選的，步驟s4）中，所述的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有四個卷積層和兩個全連接層，且相鄰卷積層之間還連接有相應(yīng)的池化層；每個全連接層之后使用丟棄層dropout來防止過擬合；

13、所述的第一個全連接層與第四個卷積層之間還連接有平坦層。

14、作為優(yōu)選的，步驟s4）中，利用所述的改進(jìn)vggnet-4網(wǎng)絡(luò)模型對待評估的排水管道缺陷圖像進(jìn)行特征提取，具體為：

15、通過輸入層輸入待評估的排水管道缺陷圖像 x；所述的缺陷圖像 x通過第一個卷積層得到低級特征圖像 z1；低級特征圖像 z1經(jīng)過激活函數(shù)再經(jīng)過第一個池化層得到池化后的特征圖；

16、重復(fù)經(jīng)過卷積層、池化層、全連接層處理，最后輸出層生成預(yù)測結(jié)果。

17、作為優(yōu)選的，步驟s4）中，所述的改進(jìn)vggnet-4網(wǎng)絡(luò)模型通過反向傳播算法優(yōu)化模型參數(shù)；并基于鏈?zhǔn)椒▌t，計算損失函數(shù)相對于每個參數(shù)的梯度，根據(jù)梯度更新模型的參數(shù)，具體包括如下步驟：

18、s41）、從輸出層開始逐層先前反向傳播，輸出層誤差梯度為：

19、

20、式中，為真實標(biāo)簽；為預(yù)測概率；

21、s42）、第二個全連接層的梯度為：

22、

23、式中， w 2是第二個全連接層的權(quán)重矩陣， a2是第一個全連接層的輸出；表示 relu的導(dǎo)數(shù)， l表示損失函數(shù)；表示全連接層2的輸出；表示全連接層2的誤差梯度；

24、s43）、第一個全連接層的梯度的表達(dá)式為：

25、

26、其中，是第一個全連接層的權(quán)重矩陣， a1為平坦層的輸出；?表示 relu的導(dǎo)數(shù)，表示全連接層1的輸出；表示全連接層1的誤差梯度；

27、s44）、第四個卷積層的梯度為：

28、

29、式中，是第三個池化層的輸出，池化層的梯度通過反向傳播中的“最大池化掩碼”進(jìn)行傳播；繼續(xù)逐層計算每個卷積層的權(quán)重梯度，使用鏈?zhǔn)椒▌t將梯度傳播回輸入層；

30、

31、式中，為當(dāng)前層的誤差梯度；為當(dāng)前層的權(quán)重矩陣；為前一層的輸出；

32、每一層的權(quán)重梯度都是通過前一層的輸入和該層的誤差信號 δ計算得到的；在計算出所有層的梯度后，用梯度下降法更新模型參數(shù)：

33、

34、式中，表示模型權(quán)重；表示學(xué)習(xí)率；

35、重復(fù)進(jìn)行以上步驟，直到模型在訓(xùn)練集上達(dá)到收斂。

36、作為優(yōu)選的，步驟s4）中，通過使用交叉熵?fù)p失函數(shù)衡量預(yù)測概率與真實標(biāo)簽之間的差距，所述的交叉熵?fù)p失函數(shù)的表達(dá)式為：

37、

38、式中，其中 c是類別數(shù)，是第 i個缺陷類別的真實標(biāo)簽，是第 i個缺陷類別的預(yù)測概率。

39、作為優(yōu)選的，步驟s5）中，所述的排水管道健康狀態(tài)評估指標(biāo)體系分兩類：一類適用維修更換是不同部門的架構(gòu)，包括排水管道維修指標(biāo) pmi和排水管道更換指標(biāo) pri，其中， pmi幫助判斷管道是否需要維修， pri幫助決定是否需要更換整個管段，關(guān)注缺陷的嚴(yán)重性；一類適用于維修更換是同一部門的架構(gòu)，采用單一指標(biāo) pri針對管道的綜合健康狀況進(jìn)行評估，開展涉及長期監(jiān)測和維護(hù)計劃的決策。

40、作為優(yōu)選的，步驟s5）中，所述的排水管道維修指標(biāo) pmi表示為：

41、

42、式中，表示缺陷 k的等級數(shù)值，表示缺陷等級數(shù)量；表示管道重要性；

43、所述排水管道更換指標(biāo) pri表示為：

44、

45、式中，表示缺陷 k的等級數(shù)值，表示缺陷 k的面積， a表示待計算管段內(nèi)表面積或截面積；

46、 pri在兩類部門架構(gòu)中應(yīng)用場景和目標(biāo)不同；其中，在維修更換是同一部門的架構(gòu)中， pri負(fù)責(zé)維護(hù)更新場景，用于評估管道的整體健康狀態(tài)，該指標(biāo)不僅適用于日常的維修、養(yǎng)護(hù)需求，同時也能為大規(guī)模更新改造提供決策依據(jù)；而維修更換是不同部門的架構(gòu)中， pri適用于分工負(fù)責(zé)的場景，專注于管道的更換需求，為更換決策提供依據(jù)。

47、本發(fā)明的有益效果為：

48、1、本發(fā)明基于缺陷特征信息構(gòu)建，反映管道真實服役性能狀態(tài)；并且本發(fā)明可以捕捉個體差異，綜合考慮目標(biāo)排水管道具有的所有特殊性考量；

49、2、本發(fā)明根據(jù)計算后的指標(biāo)數(shù)值分布情況及其對應(yīng)的管道物理力學(xué)內(nèi)涵，劃分健康狀態(tài)等級，指標(biāo)數(shù)值連續(xù)、客觀，評價結(jié)果極大地減小適用性誤差；

50、3、本發(fā)明基于缺陷等級與尺寸構(gòu)建健康指標(biāo)，不受地區(qū)與規(guī)范限制，可應(yīng)用于cjj181、pacp?或?wrc?等不同標(biāo)準(zhǔn)。這種適應(yīng)性增強了評估體系的通用性，為實際應(yīng)用提供了更廣泛的支持。

51、4、本發(fā)明的評價方法指標(biāo)物理意義明確、代表性好，按部門架構(gòu)分為兩類評價體系，均可指導(dǎo)維修決策和更新替換需求，簡明清晰地提高管理人員對運維和替換決策的效率和準(zhǔn)確性，為城市排水管網(wǎng)的高效精準(zhǔn)運維和城市綠色安全建設(shè)提供有力保障。