本發明涉及路基施工質量管理領域，具體涉及基于聯邦學習的路基壓實質量評估系統及其方法，尤其適用于提高路基壓實過程的質量監控和評估效率。

背景技術：

1、路基壓實質量是路基工程施工質量的關鍵指標，對后續瀝青路面乃至整個道路工程的使用壽命和安全性有著重大影響。傳統的路基壓實質量評估方法主要依靠人工取樣檢測和簡單的機械設備測量，存在工作效率低、評估精度不足、實時性差等問題，難以滿足現代化道路工程建設的需求。

2、隨著物聯網和人工智能技術的發展，一些智能化的路基壓實質量評估系統逐漸應用于實際工程中。例如，基于振動傳感器的壓路機智能控制系統能夠實時采集壓實過程中的振動數據，并對壓實質量進行初步評估；基于gps定位的壓路機軌跡監控系統能夠記錄壓路機的行駛路徑和壓實次數，從而判斷壓實覆蓋的完整性。

3、然而，現有技術仍然存在以下不足：首先，多數系統采用中心化的數據處理架構，需要將大量原始數據上傳至中央服務器，造成通信負擔重、實時性差；其次，數據傳輸過程中的安全性和隱私保護問題未得到充分解決；第三，現有評估模型通常采用簡單的統計分析或傳統機器學習方法，難以精確捕捉路基壓實過程中的復雜時空關系，評估精度有限；第四，未充分考慮邊緣設備的計算資源限制，模型部署效率低下。

4、因此，亟需一種能夠解決上述問題的路基壓實質量評估新技術，以提高評估精度和效率，同時保障數據安全。

技術實現思路

1、本發明的目的是提供基于聯邦學習的路基壓實質量評估系統及其方法，通過創新的多層級時空圖神經網絡、自適應振動特征處理、層級化差分隱私保護和知識蒸餾輕量化技術，解決現有路基壓實質量評估中存在的精度不足、數據不安全、通信負擔重和邊緣部署困難等問題。

2、本發明提出了基于聯邦學習的路基壓實質量評估系統，包括：

3、壓路機端模塊，用于：

4、采集壓路機振動頻譜數據和行駛軌跡數據；

5、對所述振動頻譜數據和所述行駛軌跡數據進行預處理和差分隱私保護；

6、基于輕量化模型評估路基壓實質量，生成實時評估數據；

7、中央服務器端模塊，與所述壓路機端模塊無線連接，用于：

8、接收所述壓路機端模塊發送的經差分隱私保護的振動頻譜數據和行駛軌跡數據；

9、基于改進的時空圖神經網絡，處理所述經差分隱私保護的振動頻譜數據和行駛軌跡數據，生成差分隱私土方特征圖；

10、根據所述差分隱私土方特征圖，評估路基壓實質量，更新全局模型；

11、將所述全局模型通過知識蒸餾技術轉換為輕量化模型，并將所述輕量化模型發送至所述壓路機端模塊；

12、施工質量監管模塊，與所述中央服務器端模塊連接，用于：

13、接收所述實時評估數據，并通過人機交互界面顯示；

14、根據所述實時評估數據的壓實質量評估值，按照預設的質量等級閾值將路基區域劃分為不同質量等級，并基于不同質量等級向所述壓路機端模塊發送相應的控制指令，其中：當壓實質量評估值低于第一閾值時，發送增加壓實次數的控制指令；當壓實質量評估值介于第一閾值和第二閾值之間時，發送調整壓實頻率的控制指令；當壓實質量評估值高于第二閾值時，發送減少后續壓實的控制指令；

15、選擇性地對所述壓路機端模塊發送控制指令，調整壓實參數。

16、作為優選，所述壓路機端模塊包括：

17、振動壓力采集模塊，用于通過集成式壓電傳感器和集成式磁懸浮軸承分別采集所述振動頻譜數據和所述行駛軌跡數據；

18、振動數據分析模塊，與所述振動壓力采集模塊連接，用于：

19、接收所述振動頻譜數據和所述行駛軌跡數據；

20、通過自適應閾值濾波算法對所述振動頻譜數據進行降噪處理；

21、通過自適應滑動窗口機制識別壓實質量欠佳區域；

22、數據差分隱私保護模塊，與所述振動數據分析模塊連接，用于對所述降噪處理后的振動頻譜數據和所述行駛軌跡數據添加隨機噪聲，實現差分隱私保護；

23、無線傳輸終端模塊，與所述數據差分隱私保護模塊連接，用于將所述經差分隱私保護的振動頻譜數據和行駛軌跡數據傳輸至所述中央服務器端模塊；

24、壓路機本地評估模塊，與所述無線傳輸終端模塊連接，用于基于所述輕量化模型評估路基壓實質量，生成所述實時評估數據。

25、作為優選，所述中央服務器端模塊包括：

26、時空圖神經網絡模型，用于處理所述經差分隱私保護的振動頻譜數據和行駛軌跡數據，生成所述差分隱私土方特征圖；

27、壓實質量評估模塊，與所述時空圖神經網絡模型連接，用于基于所述差分隱私土方特征圖計算路基壓實質量評估指標；

28、聯邦學習聚合模塊，與所述壓實質量評估模塊連接，用于：

29、接收多個所述壓路機端模塊上傳的本地模型參數；

30、通過動態加權聚合機制更新所述全局模型；

31、模型訓練與優化模塊，與所述聯邦學習聚合模塊連接，用于：

32、訓練優化所述全局模型；

33、通過知識蒸餾技術將所述全局模型轉換為所述輕量化模型。

34、作為優選，所述時空圖神經網絡模型包括：

35、位置編碼子網絡，用于將所述行駛軌跡數據轉換為位置編碼特征向量；

36、空間圖子網絡，與所述位置編碼子網絡連接，用于基于所述位置編碼特征向量構建空間圖結構，生成空間特征表示；

37、時間圖子網絡，用于處理隨時間變化的所述振動頻譜數據，生成時間特征表示；

38、注意力模型網絡，與所述空間圖子網絡和所述時間圖子網絡連接，用于融合所述空間特征表示和所述時間特征表示，生成所述差分隱私土方特征圖。

39、作為優選，所述自適應滑動窗口機制包括：

40、設定初始滑動窗口長度和時間間隔；

41、使用深度優先策略對路徑節點進行滑動，計算窗口內相鄰測點的振動特征差異；

42、當所述振動特征差異超過設定閾值時，判定為壓實質量欠佳，并動態調整所述滑動窗口長度；

43、對識別出的壓實質量欠佳區域進行標記和特征提取。

44、作為優選，所述聯邦學習聚合模塊的動態加權聚合機制包括：

45、評估每個所述本地模型參數的質量和貢獻度；

46、根據所述質量和貢獻度為不同的所述本地模型參數分配權重；

47、對所述權重進行自適應調整，提高高質量模型的影響；

48、使用加權平均機制聚合所述本地模型參數，生成更新后的所述全局模型。

49、作為優選，所述模型訓練與優化模塊的知識蒸餾技術包括：

50、設計教師－學生網絡架構，將所述全局模型作為教師網絡，將所述輕量化模型作為學生網絡；

51、準備蒸餾訓練數據集，包含標準數據和所述教師網絡的輸出；

52、設計蒸餾損失函數，包括標準任務損失和教師－學生輸出一致性損失；

53、通過所述蒸餾損失函數訓練所述學生網絡，使其學習所述教師網絡的知識。

54、作為優選，所述施工質量監管模塊包括：

55、監測單元，用于通過無線傳輸接收所述實時評估數據，并通過所述人機交互界面顯示；

56、控制單元，與所述監測單元連接，用于：

57、基于所述實時評估數據分析壓實質量狀況；

58、生成所述控制指令并發送至所述壓路機端模塊，調整壓實參數。

59、作為優選，所述壓實質量評估模塊包括：

60、振幅壓實指標計算單元，用于計算振幅壓實指標，所述振幅壓實指標綜合考慮介電常數、粒徑比、振動頻率標準差等因素；

61、相位壓實指標計算單元，用于計算相位壓實指標，所述相位壓實指標基于介電常數、粒徑比和振動頻率標準差；

62、有效緊迫壓實指標計算單元，用于計算有效緊迫壓實指標，所述有效緊迫壓實指標結合有效碰撞率、振幅均值標準差和彈性模量；

63、綜合評估單元，與所述振幅壓實指標計算單元、所述相位壓實指標計算單元和所述有效緊迫壓實指標計算單元連接，用于融合所述振幅壓實指標、所述相位壓實指標和所述有效緊迫壓實指標，生成路基壓實質量評估值。

64、基于聯邦學習的路基壓實質量評估方法，包括：

65、在壓路機端采集振動頻譜數據和行駛軌跡數據；

66、對所述振動頻譜數據和所述行駛軌跡數據進行預處理和差分隱私保護；

67、將經差分隱私保護的振動頻譜數據和行駛軌跡數據發送至中央服務器端；

68、在所述中央服務器端，基于改進的時空圖神經網絡處理所述經差分隱私保護的振動頻譜數據和行駛軌跡數據，生成差分隱私土方特征圖；

69、根據所述差分隱私土方特征圖，評估路基壓實質量，更新全局模型；

70、通過知識蒸餾技術將所述全局模型轉換為輕量化模型，并將所述輕量化模型發送至所述壓路機端；

71、在所述壓路機端，基于所述輕量化模型評估路基壓實質量，生成實時評估數據；

72、在施工質量監管端，接收所述實時評估數據，并通過人機交互界面顯示；

73、根據所述實時評估數據的壓實質量評估值，按照預設的質量等級閾值將路基區域劃分為不同質量等級，并基于不同質量等級向所述壓路機端模塊發送相應的控制指令，其中：當壓實質量評估值低于第一閾值時，發送增加壓實次數的控制指令；當壓實質量評估值介于第一閾值和第二閾值之間時，發送調整壓實頻率的控制指令；當壓實質量評估值高于第二閾值時，發送減少后續壓實的控制指令。

74、本發明具有以下有益效果：

75、1.通過多層級時空圖神經網絡技術，實現了對路基壓實狀態時空關系的精確建模，評估精度較傳統方法提高35%～50%，顯著提升了路基壓實質量評估的準確性。

76、2.采用層級化差分隱私保護機制，在保障數據安全的同時對模型精度的影響控制在5%以內，平衡了數據隱私保護與模型性能。

77、3.基于聯邦學習框架和數據壓縮技術，將系統通信量較傳統方法降低60%以上，大幅減輕了網絡通信負擔。

78、4.通過知識蒸餾與邊緣輕量化部署技術，將壓實質量評估的響應時間從秒級縮短至毫秒級，實現了真正的實時評估和控制。

79、5.自適應振動特征處理機制提高了對壓實質量欠佳區域的識別準確性，路基壓實質量缺陷發現率提高到95%以上。

80、6.閉環控制系統減少了不必要的重復作業，施工效率提升約30%，降低了工程成本。