本发明涉及小断面隧洞中数据监测，具体涉及一种小断面隧洞数据路径优化方法及环境智能监测系统。
背景技术：
1、隧洞工程，尤其是小断面隧洞，由于其空间封闭、通风条件有限等特点，内部环境条件易发生变化，可能存在诸如缺氧、有害气体积聚、湿度过大导致腐蚀、温度过高或过低影响作业人员健康、火灾风险增加等各种安全隐患。为了确保施工人员的生命安全和工程项目的顺利进行，实时、准确地监测并控制隧洞环境至关重要。近年来，物联网、传感器技术、大数据分析、人工智能等科技领域的快速发展为构建高效、精准的环境监测系统提供了强大技术支持。随着“智慧工地”、“智慧城市地下空间”等概念的兴起，利用先进技术提升隧洞工程的安全管理水平和运维效能已成为行业发展趋势。环境智能监测系统正是这一趋势的具体体现，通过集成多种先进科技，实现对隧洞环境的精细化、智能化管理。现有技术中，监测数据（隧道的环境参数和结构参数）在传输的过程中容易受到环境以及隧道内部结构的干扰，导致数据传输延迟，尤其是在需要实时监控和快速响应的安全监测系统中，响应时间的延长可能延误应急处置，危及人员安全和设施完整性。
技术实现思路
1、本发明提供一种小断面隧洞数据路径优化方法及环境智能监测系统，以解决上述背景技术中提出的监测数据在传输的过程中容易受到环境以及隧道内部结构的干扰的问题。
2、本发明通过下述技术方案实现：
3、一种小断面隧洞数据路径优化方法，包括：
4、根据隧道的环境参数和结构参数生成至少一条射线路径，所述环境参数和结构参数统称为原始信号数据；
5、基于lee模型分别计算至少一条所述射线路径对应的视距路径的第一传播损耗；
6、计算至少一条所述射线路径的空气和隧道壁面介质引起的第二损耗以及隧道路径上的几何损耗；
7、利用迭代射线追踪算法结合lee模型，将各射线路径的贡献加权平均得到对应的传播路径最终的总传播损耗；
8、选择总传播损耗最小的所述传播路径作为最优传播路径，并基于所述最优传播路径的损耗重构和补偿所述原始信号数据得到最终信号数据，并对所述最终信号数据通过所述最优传播路径进行传输。
9、作为优化，所述第一传播损耗表示为：
10、；
11、其中，表示第一传播损耗，表示所述射线路径对应的视距路径的传播损耗，
12、，是视距路径的发送端和视距路径的接收端之间的直线距离，为发送端天线的有效高度，为额外损耗，是信号波长，是大气吸收和散射造成的损耗，是降雨造成的损耗。
13、作为优化，所述第二损耗表示为：
14、；
15、所述几何损耗表示为：
16、；
17、其中，是射线路径中空气和隧道壁面介质引起的损耗，即第二损耗；是空气介质对信号的吸收和散射损耗；是隧道壁面对信号的发射和穿透损耗；是隧道中烟雾对信号的吸收和反射；是隧道路径上的几何损耗，取决于射线与隧道界面的相互作用；和分别为入射角和发射角，入射角即射线与隧道界面法线之间的角度；反射角即反射射线与隧道界面法线之间的角度；是与射线接触的介质属性。
18、作为优化，所述传播路径的总传播损耗表示为：
19、；
20、；
21、；
22、；
23、其中，为总传播损耗，是发射功率，为第i条射线路径的总的传播损耗；是第i条射线路径中视距路径的总的传播损耗；是第i条射线路径中空气和隧道壁面介质引起的损耗；是第i条射线路径中空气介质对信号的吸收和散射损耗；是第i条射线路径的加权因子；是第i条射线路径的基础权重；是损耗指数项；为总接收功率；n是射线路径的个数；。
24、本发明还公开了一种环境智能监测系统，对小断面隧洞进行监测，包括：
25、参数监测单元，用于实时监测隧道的环境参数和结构参数，所述环境参数和结构参数统称为原始信号数据；
26、信号传输单元，用于使用前述的一种小断面隧洞数据路径优化方法结合所述原始信号数据并基于lee模型和迭代射线追踪算法生成最优传播路径，并基于所述最优传播路径将参数监测单元监测的所述原始信号数据进行数据清洗、预处理、重构和补偿后传输至远程监控管理单元；
27、数据处理控制单元，用于对参数监测单元采集到的所述原始信号数据进行处理分析，并根据预设的规则进行相应的预警；
28、应急响应单元，用于根据所述数据处理控制单元的预警信号自动触发相应的应急措施；
29、远程监控管理单元，用于提供用户界面，远程监控隧道内环境的实时状态。
30、作为优化，所述信号传输单元包括信号建模模块、路径选择模块、数据补偿模块和信号调整模块，其中，
31、所述信号建模模块用于结合所述原始信号数据并基于lee模型和迭代射线追踪算法建立信号传播模型，通过所述信号传播模型根据隧道的所述原始信号数据估计信号不同传播路径的总传播损耗；
32、所述路径选择模块用于根据信号不同传输路径的总传播损耗情况，进行优化传输路径的选择从而得到最优传播路径的选择信号；
33、所述数据补偿模块用于根据所述信号建模模块的模型数据对因信号衰减而损坏的数据进行重构和补偿得到最终信号数据；
34、所述信号调整模块用于将所述最优传播路径的选择信号传输至所述远程监控管理单元中，并接收所述远程监控管理单元的信号调整使所述信号调整模块通过所述最优传播路径发送所述最终信号数据。
35、作为优化，结合所述原始信号数据并基于lee模型和迭代射线追踪算法建立信号传播模型的具体过程为：
36、根据隧道的环境参数和结构参数生成至少一条射线路径；
37、基于lee模型分别计算至少一条所述射线路径对应的视距路径的第一传播损耗，所述第一传播损耗表示为：
38、；
39、其中，表示第一传播损耗，表示所述射线路径对应的视距路径的传播损耗，
40、，是视距路径的发送端和视距路径的接收端之间的直线距离，为发送端天线的有效高度，为额外损耗，是信号波长，是大气吸收和散射造成的损耗，是降雨造成的损耗；
41、计算至少一条所述射线路径的空气和隧道壁面介质引起的第二损耗以及隧道路径上的几何损耗，具体的，所述第二损耗表示为：
42、；
43、所述几何损耗表示为：
44、；
45、其中，是射线路径中空气和隧道壁面介质引起的损耗，即第二损耗；是空气介质对信号的吸收和散射损耗；是隧道壁面对信号的发射和穿透损耗；是隧道中烟雾对信号的吸收和反射；是隧道路径上的几何损耗，取决于射线与隧道界面的相互作用；和分别为入射角和发射角，入射角即射线与隧道界面法线之间的角度；反射角即反射射线与隧道界面法线之间的角度；是与射线路径接触的介质属性；
46、利用迭代射线追踪算法结合lee模型，将各射线路径的贡献加权平均得到对应的传播路径最终的总传播损耗，所述信号传播模型即为该传播路径最终的总传播损耗；
47、所述传播路径的总传播损耗表示为：
48、；
49、；
50、；
51、；
52、其中，为总传播损耗，是发射功率，为第i条射线路径的总的传播损耗；是第i条射线路径中视距路径的总的传播损耗；是第i条射线路径中空气和隧道壁面介质引起的损耗；是第i条射线路径中空气介质对信号的吸收和散射损耗；是第i条射线路径的加权因子；是第i条射线路径的基础权重；是损耗指数项；为总接收功率；n是射线路径的个数；。
53、作为优化，所述路径选择模块用于根据信号不同传输路径的总传播损耗情况，进行优化传输路径的选择从而得到最优传播路径的选择信号的具体规则包括避开高损耗区域、采用低损耗的传输介质以及利用低损耗窗口分集接收。
54、作为优化，所述数据处理控制单元包括数据处理模块和数据控制模块；其中，所述数据处理模块用于对所述参数监测单元的原始信号数据进行数据清洗和预处理；所述数据控制模块用于根据所述数据处理模块处理后的数据进行分析，判断数据是否需要进行预警；所述远程监控管理单元用于为所述数据处理控制单元设置预警规则，所述数据处理单元处理后的数据以及所述数据控制模块的预警信息记录传输至所述远程监控管理单元，所述应急响应单元持续接收所述数据控制模块的最新数据分析结果，并将所述最新数据分析结果传输给所述远程监控管理单元，所述远程监控管理单元根据所述最新数据分析结果更新预警规则。
55、作为优化，所述数据补偿模块根据所述信号建模模块的模型数据对因信号衰减而损坏的数据进行重构和补偿得到最终信号数据的具体步骤如下：
56、对所述原始信号数据通过所述信号建模模块得到的中间信号数据进行质量检测，计算信噪比、统计误码率和数据包丢失率；
57、对所述中间信号数据进行校验，识别出所述中间信号数据中含有错误的数据包，通过解码器反馈的错误指示，确定需要补偿的数据块；
58、利用fec解码器和线性插值的方法，纠正和推算出所述中间信号数据中损坏的数据点，并在所述原始信号数据对应的位置上对该损坏的数据点进行重构；
59、对重构后得到的最终信号数据的信噪比、误码率、包丢失率重新计算，评估最终信号数据的质量；
60、将数据损坏的信息以及补偿后得到的最终信号数据传输至所述远程监控管理单元，定期生成数据补偿模块的工作报告。
61、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
62、本发明的路径优化方法以及小断面隧洞中的环境智能监测系统中，该对小断面隧洞内的射线路径进行精细化模拟，不仅考虑视距传播，还纳入多径效应、壁面反射、介质吸收等复杂因素，提高了传播损耗计算的准确性，且提供了准确的链路预算依据，有助于优化系统设计、提高数据传输质量和应急响应能力。
1.一种小断面隧洞数据路径优化方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种小断面隧洞数据路径优化方法，其特征在于，所述第一传播损耗表示为：
3.根据权利要求2所述的一种小断面隧洞数据路径优化方法，其特征在于，所述第二损耗表示为：
4.根据权利要求3所述的一种小断面隧洞数据路径优化方法，其特征在于，所述传播路径的总传播损耗表示为：
5.一种环境智能监测系统，对小断面隧洞进行监测，其特征在于，包括：
6.根据权利要求5所述的一种环境智能监测系统，其特征在于，所述信号传输单元（2）包括信号建模模块（21）、路径选择模块（22）、数据补偿模块（23）和信号调整模块（24），其中，
7.根据权利要求6所述的一种环境智能监测系统，其特征在于，结合所述原始信号数据并基于lee模型和迭代射线追踪算法建立信号传播模型的具体过程为：
8.根据权利要求6所述的一种环境智能监测系统，其特征在于，所述路径选择模块（22）用于根据信号不同传输路径的总传播损耗情况，进行优化传输路径的选择从而得到最优传播路径的选择信号的具体规则包括避开高损耗区域、采用低损耗的传输介质以及利用低损耗窗口分集接收。
9.根据权利要求5所述的一种环境智能监测系统，其特征在于，所述数据处理控制单元（3）包括数据处理模块（31）和数据控制模块（32）；
10.根据权利要求6所述的一种环境智能监测系统，其特征在于，所述数据补偿模块（23）根据所述信号建模模块（21）的模型数据对因信号衰减而损坏的数据进行重构和补偿得到最终信号数据的具体步骤如下：
