CN103088806A - 一种高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，包括依次连接的监测单元、数据采集单元、数据库管理单元、无线通信单元和远程监管中心。本发明所述高填方路基变形与土石坝无线实时监测系统，可以克服现有技术中效率低、误差大、成本高、精确度低和自动化程度低等缺陷，以实现效率高、误差小、成本低、精确度高和自动化程度高的优点。

Description

一种高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统

技术领域

本发明涉及路基与土石坝变形监测系统技术领域，具体地，涉及一种高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统。

背景技术

路基与土石坝指的是按照路线位置和一定技术要求修筑的作为带状构造物，是铁路、公路和水利工程的基础，一般用土料、石料或混合料修筑而成。

路基（subgrade，substructure），是由填筑或开挖而形成的直接支承轨道的结构，也叫做线路下部结构。路基与桥梁、隧道相连，共同构成一条线路。路基依其所处的地形条件不同，有两种基本形式：路堤和路堑，俗称填方和挖方。铁路路基的作用是在路基面上直接铺设轨道结构。因此，路基是轨道的基础，它既承受轨道结构的重量，即静荷载，又同时承受列车行驶时通过轨道传播而来的动荷载（参见路基荷载）。路基同轨道一起共同构成的这种线路结构是一种相对松散连结的结构形式，抵抗动荷载的能力弱。建造路基的材料，不论填或挖，主要是土石类散体材料，所以路基是一种土工结构。因而路基经常受到地质、水、降雨、气候、地震等自然条件变化的侵袭和破坏，抵抗能力差。因此，路基应具有足够的坚固性、稳定性和耐久性。对于高速铁路，路基还应有合理的刚度，以保障列车高速行驶中的平稳性和舒适性。

路基本体包括用天然土、石所填筑的路堤和在天然地层中挖出的路堑，它直接支撑轨道，承受通过轨道的列车荷载，是路基的主体。路基本体根据地质条件和填筑材料的不同，又可分为路堤、路堑、半路堤、半路堑、半堤半堑、不填不挖路基六种基本形式。

但是，目前路基监测的手段，存在测量效率低、测量误差大、测量成本高、测量参数不全面、不能实现自动监测等不足，不能满足我国道路高速发展特别是客运专线运行的需要。

土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝、以石渣、卵石、爆破石料为主时，称堆石坝；当两类当地材料均占相当比例时，称土石混合坝。目前，土石坝是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。随着科技的进步和国民经济的发展，水利水电工程的建设规模和速度都在快速增长，随之而来的各种工程事故也层出不穷，所以，大坝的变形监测工作就显得尤为重要。我国相关规范规定,大坝变形是安全监测中重要的必测项目，已受到水利水电工程界的广泛重视。

土石坝的观测工作是通过各种仪器设备和工具，对正在施工和投入运用的结构物的变形、应力和渗流以及结构内部和其他集中的孔隙水压力，进行经常的、系统的观察和测量是检验、预测、法律和研究所必需的。土石坝自动化监测系统的建设是一项复杂的系统工程，它不仅要实现对现场采集单元的控制和数据远传功能，而且涉及了大量基于水工专业知识和统计理论知识的数据监控和报警问题。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在效率低、误差大、成本高、精确度低和自动化程度低等缺陷。 

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，以实现效率高、误差小、成本低、精确度高和自动化程度高的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，包括依次连接的监测单元、数据采集单元、数据库管理单元、无线通信单元和远程监管中心。

进一步地，所述监测单元，包括依次连接至所述数据采集单元的位移传感器和传感器适配电路。

进一步地，所述位移传感器，包括差分GPS位移监测装置。

进一步地，所述数据库管理单元，包括微控制单元，以及分别与所述微控制单元连接的存储单元和外部辅助设备；所述数据采集单元与存储单元连接，所述无线通信单元与微控制单元连接。

进一步地，所述外部辅助设备，包括分别与所述微控制单元连接的串行接口扩展和并行光电隔离接口。

进一步地，所述无线通信单元，包括分别与所述微控制单元连接的GPRS传输模块和GPS模块。

进一步地，所述远程监管中心，包括设在室内、且具有数据接收软件的计算机。

本发明各实施例的高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，由于包括依次连接的监测单元、数据采集单元、数据库管理单元、无线通信单元和远程监管中心，可以实现对路基变形的全天候、实时监测；从而可以克服现有技术中效率低、误差大、成本高、精确度低和自动化程度低的缺陷，以实现效率高、误差小、成本低、精确度高和自动化程度高的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统的工作原理示意图；

图2为本发明高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统中数据库管理单元的工作原理示意图；

图3为用于高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统和监测中心沟通的无线通信单元的工作原理示意图；

图4为本发明高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统的工作流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，提供了一种高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，可以实现对路基与土石坝整体沉降变形、局部沉降与变形、截面内不同层的沉降与变形的长时间实时自动监测，主要技术性能指标达到国际先进水平。

如图1-图4所示，本实施例的高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，主要包括监测单元、数据采集单元、无线通信单元和数据库管理单元等。该高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统的设计和应用不仅具有重要的现实意义，而且具有重要的科学意义，将对推动和发展数字化、智能化道路工程发挥积极的作用。

在图1-图4中，本实施例的高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，包括依次连接的监测单元、数据采集单元、数据库管理单元、无线通信单元和远程监管中心。

其中，上述监测单元，可以包括依次连接至数据采集单元的位移传感器和传感器适配电路。数据库管理单元，可以包括微控制单元，以及分别与微控制单元连接的存储单元和外部辅助设备；数据采集单元与存储单元连接，无线通信单元与微控制单元连接。无线通信单元，可以包括分别与微控制单元连接的GPRS传输模块和GPS模块。远程监管中心，可以包括设在室内、且具有数据接收软件的计算机。

具体地，上述位移传感器，可以包括差分GPS位移监测装置。外部辅助设备，可以包括分别与微控制单元连接的串行接口扩展和并行光电隔离接口。

上述实施例的实施例的高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，利用远程监测的思想，旨在研制一种能对现场仪器进行无线遥测和数据自动回收的远程监测系统，不但可将现场的监测数据传回中心站，也可把中心站的指令传到现场的监测仪器中，这样可以大幅度提高工作效率和提高监测的实时性。

上述实施例的实施例的高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，首先使用激光技术、无线网络传输技术、各种先进传感技术等现代高新成熟技术实现对一段范围的路基沉降与变形的全面实时监测。在研究这四种自动测量与数据采集技术即①路基与土石坝分层沉降自动测量与数据采集技术、②路基与土石坝横向剖面变形自动测量与数据采集技术、③地面激光自动扫描测量技术和④数据采集与远程传输技术等的基础上，获得一套完整的高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，实现对路基与土石坝整体沉降和变形、局部沉降与变形、截面内不同层的沉降与变形的长时间实时自动监测，克服已有技术的缺点，满足对路基与土石坝沉降与变形监测的要求，同时提供路基与土石坝沉降与变形的变化规律，为控制沉降与变形提供试验依据，为我国山区高速公路与水利建设提供技术支持。

该高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，主要包括用于监测系统现场的数据采集单元、计算机数据接收软件（即数据库管理单元）、GSM无线传输模块和远程数据接收单元（即无线通信单元，可以由GSM无线传输模块和远程数据接收单元共同构成）。具体如下：

1、用于监测系统现场的数据采集单元，主要包括：

（1）路基与土石坝分层沉降自动测量与数据采集装置：按基于分层沉降仪的构想，实现对路基与土石坝一个截面内不同层的垂直沉降与横向位移的自动测量与数据采集，测量灵敏度小于0.2mm，且满足不同现场需要的分层要求；系统采用多个霍尔器件对磁性定位环进行触发，采用滚轮法测量得到磁性定位环垂直沉降，采用倾角传感器得到两个相邻磁性环对应的测斜（即横向位移），实现对路基与土石坝分层沉降与横向位移的同时测量。

（2）路基与土石坝横向剖面变形自动测量与数据采集装置：按基于倾斜法的原理实现对路基与土石坝横向剖面内不同点的沉降的自动测量与数据采集，测量灵敏度小于0.1mm，采样间隔小于500mm。按照基于倾斜法的原理，采用主动、被动步进电机协调实现对路基与土石坝横向剖面内不同点的沉降的自动连续扫描测量的技术方案，巧妙地解决了长管道数据传输的技术难题，研制了测量系统，成功应用于现场，实现了对路基与土石坝横向剖面变形的自动测量。利用基于倾斜法的原理来实现对路基与土石坝横向剖面沉降变形的测量，采用自动控制和无线传输技术，实现横向剖面内不同点的沉降变形的自动测量与数据采集。

测量时，高精度倾角传感器两边用钢丝绳，分别由电机带动，可在测斜管内自由滑动。利用轴角编码器确定测量步长，每500mm为一测点，自动控制电机停止、转动。一次自动测量结束，各测点的倾斜测量数据通过无线网络传输到终端，进行处理和分析。

（3）地面激光自动扫描测量装置：安装在地面基准点上的激光扫描，分别对设在路基与土石坝分层沉降自动测量装置上的探测器（该探测器安装在顶部且露出地面）和设在剖面变形自动测量装置上的探测器进行扫描，自动得到这些监测点相对于基准点的沉降量，从而能得到与以上测量装置一道得到不同层的绝对沉降量。沉降板与表面地基相连，随表面沉降而沉降，与沉降板固定相连的杆上固定两个已知距离的点光源（相当于星点），在一基准点安装自行设计的星点位置观察装置，由于基准点选择在没有沉降或者沉降量很小处(相比被监测路基)，并且此基准点可以与国家2、3级水准点建立联系，形成监测网络，保证监测的可靠性。当沉降板向下沉降时，其上安装的点光源同样沉降，使用观察装置可以得到点光源的沉降量，即为路基的表面沉降量。

上述三种数据采集单元构成的高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统的总体设计方案参见图1。在图1中，该高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统主要包括以下几个部分：监测单元、数据采集单元、无线发送单元（即无线通信单元）和数据库管理单元。该高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统中的数据采集单元具有多种类型的接口，可以接收不同形式的测试数据，具有一定的可扩性。

（4）GPS位移数据采集系统：数据采集器（即数据库管理单元）由主控单片机（即微控制单元）、数据存储器、串行接口扩展、并行光电隔离接口等，参见图2。

无线通信单元中的GPS模块将接收到的观测数据由串行扩展接口传送至主控单片机（即微控制单元），经单片机（即微控制单元）压缩、编码和TCP/IP数据封装后，再通过串行接口送至GPRS传输模块。数据存储器（即存储单元）用于暂存处理后的观测数据，用于保存一些系统启动时的设置参数。串行接口扩展电路将单片机并行总线扩展为4个可同时工作的串行接口，分别与GPS接收机（即GPS模块）、GPRS传输模块及其它测量仪器连接。

并行光电隔离接口作用是将外部开关量传感器与采集器内部电路从电气上完全隔开，以防止雷击和其它干扰信号串入内部系统。

2、计算机数据接收软件（即远程监管中心）主要包括：

该高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统的计算机数据接收软件是用VB语言编写的，VB语言是一种结构化的编程语言，采用了面向对象的结构方式和组件式的编程理念，整个程序结构紧凑，易于维护和升级。管理员首先把“监测地点”、“监测时间”、“监测频率”、“监测生成的数据文件名称”等信息写入文件中，放在特定的路径下。数据接收程序到固定的路径下取出该文件，对其进行操作。数据拟合完毕后，把数据以数据文件的形式存到预先设定的目录下。

3、GSM通讯模块（即无线通信单元）

GSM通讯模块是用于高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统和室内监测中心站（即远程监管中心）的桥梁，前端监测系统（即高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统中的监测单元、数据采集单元和数据库管理单元）中的监测数据传回中心站和前端监测系统的参数设置由中心站传回前监测系统均需通过通讯模块进行数据交换，其基本工作流程参见图3。

该高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统的前端监测系统，能够完成变形数据的自动采集和数据处理，并自动存储在前端监测系统内部的数据存储器中，当室内中心站发出查询指令后，通过GSM通讯模块便可查询现场监测仪器中数据存储器内的数据。为满足用户的不同要求，在不需要无线通讯时，只需将前端监测系统与计算机直连，无须购买通讯模块；若需要无线数据通讯，前端监测系统可通过传输模块与计算机实现无线通讯。为此，可以将GPRS传输模块设计成具有独立功能的模块，没有将其嵌入前端监测系统内部。

上述实施例的高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，具有以下特点： 

⑵   将激光扫描测量技术应用各监测点位置的探测，能得到绝对沉降量；

⑵研制分层沉降自动测量装置和横向剖面变形自动测量装置,实现对路基与土石坝沉降及变形的全面监测，能得到路基与土石坝的全面信息；

⑶采用无线网络传输技术，实现远程监测，既能减少后续测量成本，又能实现对路基与土石坝的长时间实时监测，得到路基与土石坝变化规律与趋势，能起到预警作用。

上述实施例的高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，差分GPS位移监测、GPRS网络数据实时传输和TCP/IP协议组网等较先进技术，可以实现对路基变形的全天候、实时监测；该高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，本监测系统已在厦蓉高速公路高填方路基变形监测中应用，实施效果良好，具有以下优点：

⑴功耗低：网络观测点的功耗必须较低，自带电池能够使用较长时间，至少能支持一个月以上时间，以免给人工换电池工作带来不便；

⑵可以自组网工作：在荒郊野外等偏僻地方缺少外界基站设备支持时，能够自动组网即可正常工作，减少对外界的依赖性；

⑶可扩展性好：由于边坡处于不同状态时，可以人为动态调整观测点个数，如边坡稳定性程度差的地方可以加入新的观测点、对于边坡稳定性程度好的地方可以减少观测点、某些阶段性任务完成的观测点可以移除等。

⑷可修复性好：由于边坡大都处在人迹稀少的地方，人工维护不便，成本较高，需要网络自身在节点出现故障失效时，能够进行自我修复，保证整个网络数据传输和可靠运行；

⑸网络容量大：由于监测面积较大，需要观测的节点较多，需要网络容量足够大，能够支持大规模观测点的数据监测；

⑹节点成本低：由于监测的观测点数目较多，需要网络节点的成本低，减少网络的布设成本；

⑺运营成本低：由于需要长期监测，布设完成后，最好不会再产生额外费用，降低整个监测系统的运营成本。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，其特征在于，包括依次连接的监测单元、数据采集单元、数据库管理单元、无线通信单元和远程监管中心。

2.根据权利要求1所述的高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，其特征在于，所述监测单元，包括依次连接至所述数据采集单元的位移传感器和传感器适配电路。

3.根据权利要求2所述的高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，其特征在于，所述位移传感器，包括差分GPS位移监测装置。

4.根据权利要求1所述的高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，其特征在于，所述数据库管理单元，包括微控制单元，以及分别与所述微控制单元连接的存储单元和外部辅助设备；所述数据采集单元与存储单元连接，所述无线通信单元与微控制单元连接。

5.根据权利要求4所述的高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，其特征在于，所述外部辅助设备，包括分别与所述微控制单元连接的串行接口扩展和并行光电隔离接口。

6.根据权利要求1所述的高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，其特征在于，所述无线通信单元，包括分别与所述微控制单元连接的GPRS传输模块和GPS模块。

7.根据权利要求1所述的高填方路基与土石坝变形无线实时监测系统，其特征在于，所述远程监管中心，包括设在室内、且具有数据接收软件的计算机。

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