CN103837125A - 一种用于隧道施工的收敛监测系统 - Google Patents

Abstract

一种用于隧道施工的收敛监测系统，本发明通过节点测量模块将施工过程中现场的收敛量及时准确地测量出来，并转换为可以方便传输的数字信号，通过通讯模块传送给远程控制主机进行分析处理，同时通过通讯模块，远程控制主机可以将指令传送到节点测量模块，并快速及时获取监测数据等，本发明具有成本低、体积小、观测迅速等特点，特别适用于软岩隧道、大断面隧道、盖挖法基坑等通视条件差、现场施工环境复杂、结构变形监测频率地下工程施工、科研等项目。

Description

一种用于隧道施工的收敛监测系统

【技术领域】

本发明涉及一种收敛监测系统,具体涉及一种用于隧道施工的自动化收敛监测系统。

【背景技术】

已知的，随着我国隧道施工技术的不断进步，针对以前无法修建的长大隧道、软岩隧道以及复杂地质情况下隧道的施工，现在也都进入了建设阶段，但是为了确保这类复杂地段隧道的正常施工和安全施工，有效避免隧道坍塌、关门等事故的发生，隧道信息化施工技术需要不断的提高，以适应当前隧道施工的要求。

在隧道施工过程中，目前的收敛量测方法均存在着成本较高，设备体积较大，操作不方便等弊端，因此，急需开发出一套适用于隧道安全快速施工的实时自动化收敛量测设备和现场应用的技术，应用于软岩隧道、大断面隧道、盖挖法基坑等通视条件差、现场施工环境复杂、结构变形监测频率地下工程施工、科研等项目。

【发明内容】

为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种用于隧道施工的收敛监测系统，本发明通过节点测量模块将施工过程中现场的收敛量及时准确地测量出来，并转换为可以方便传输的数字信号，通过通讯模块传送给远程控制主机进行分析处理，同时通过通讯模块，远程控制主机可以将指令传送到节点测量模块，并快速及时获取监测数据等，本发明具有成本低、体积小、观测迅速等特点。

为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：

一种用于隧道施工的收敛监测系统，由测量模块、姿态监测模块、姿态调整模块、节点控制模块和电源智能管理模块构成节点测量模块，节点测量模块通过通讯模块将测量的数据传送给远程控制主机；

所述测量模块用于测量隧道的收敛量；

所述姿态监测模块将测量模块的姿态信息传送到节点控制模块；

所述姿态调整模块根据节点控制模块反馈的数据调整测量模块的姿态；

所述节点控制模块对测量模块的测量频次进行操控，并对测量信号进行分析处理和数据转换；

所述电源智能管理模块为测量模块、姿态监测模块、节点控制模块和姿态调整模块供电，并实现电源转换、电源调节及电源控制。

所述的用于隧道施工的收敛监测系统，所述测量模块中的节点测量单元利用激光相位法测量技术，用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，其中节点测量单元的分辨率达到0.1mm，测量精度达到0.5mm。

所述的用于隧道施工的收敛监测系统，所述姿态监测模块包括三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计和三轴磁阻型磁强计，所述三轴MEMS陀螺用于测量载体三个方向的绝对角速率，所述三轴MEMS加速度计用于测量载体三个方向的加速度，在系统工作中，感知系统水平方向的倾斜，进而修正三轴MEMS陀螺在俯仰和滚动方向的漂移，所述三轴磁阻型磁强计测量三维地磁强度，提供方向角的初始对准以及修正方位角漂移。

所述的用于隧道施工的收敛监测系统，所述姿态调整模块包括DC/DC模块、嵌入式智能控制模块、Y轴驱动模块和Y轴执行马达及X轴驱动模块和X轴执行马达，所述DC/DC模块接入外部DC12V电源经稳压和滤波后输出两路电压，其中一路直接输出DC12V电源供给X轴驱动模块和Y轴驱动模块，另外一路输出DC5V电压供给嵌入式智能控制模块，所述嵌入式智能控制模块通过RS485通讯和外部设备进行数据交换，获取控制指令，根据外部指令，发出控制脉冲由Y轴驱动模块和X轴驱动模块放大后驱动Y轴执行马达和X轴执行马达进行姿态的调整。

所述的用于隧道施工的收敛监测系统，所述节点控制模块包括嵌入式控制模块、通讯转换模块和无线发射接收模块，所述无线发射接收模块采用ZigBee无线通讯方式与远程控制主机进行数据交换，响应和执行远程控制主机的命令，其中嵌入式控制模块内部采用RS485工业总线通讯模式，通过通讯转换模块连接符合RS485协议的测量模块，在工作时，首先由远程控制主机发出指令，嵌入式控制模块通过无线发射接收模块获取指令，并控制测量模块执行数据采集指令，数据采集完成后，由嵌入式控制模块根据对测量模块内数据进行查询获取相应的数据并进行分析后，通过无线发射接收模块上传数据至远程控制主机。

所述的用于隧道施工的收敛监测系统，所述电源智能管理模块包括蓄电池管理单元、电源检测单元、整流滤波回路、DC/DC转换回路和蓄电池，所述整流滤波回路和DC/DC转换回路将市电转换为DC12V电压为系统供电，同时由蓄电池管理单元监测蓄电池的状态，判断是否给蓄电池进行充电操作，如果蓄电池电量不足，将对蓄电池进行充电，并监测整个充电过程，保证蓄电池在规定的条件下安全的补充电量，在整个供电系统运行周期内，电源检测单元一直处于工作状态，当检测到市电失电时，电源检测单元马上执行切换，系统由市电供电被切换到蓄电池供电，以保证节点设备的稳定运行。

所述的用于隧道施工的收敛监测系统，所述通讯模块为在隧道洞内采用ZigBee网络无线数据传输器点对点式进行传输，若隧道距离较长，可由多个中继无线传输模块自动构成数据传送链，将测量数据从监测点传送到远程控制管理中心。

所述的用于隧道施工的收敛监测系统，所述远程控制主机通过远程通讯网络实现对节点测量模块的操作控制。

采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：

本发明所述的一种用于隧道施工的收敛监测系统，本发明通过节点测量模块将施工过程中现场的收敛量及时准确地测量出来，并转换为可以方便传输的数字信号，通过通讯模块传送给远程控制主机进行分析处理，同时通过通讯模块，远程控制主机可以将指令传送到节点测量模块，并快速及时获取监测数据等，本发明具有成本低、体积小、观测迅速等特点，特别适用于软岩隧道、大断面隧道、盖挖法基坑等通视条件差、现场施工环境复杂、结构变形监测频率地下工程施工、科研等项目。

【附图说明】

图1是本发明的系统原理图；

【具体实施方式】

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；

结合附图1所述的一种用于隧道施工的收敛监测系统，为适应软岩隧道施工的特点和环境，满足收敛量测的精度要求，由测量模块、姿态监测模块、姿态调整模块、节点控制模块和电源智能管理模块构成节点测量模块，节点测量模块通过通讯模块将测量的数据传送给远程控制主机；

进一步，所述测量模块用于测量隧道的收敛量，其中测量模块中的节点测量单元利用激光相位法测量技术，用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，其中节点测量单元的分辨率达到0.1mm，测量精度达到0.5mm；

进一步，所述姿态监测模块将测量模块的姿态信息传送到节点控制模块，姿态监测模块包括三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计和三轴磁阻型磁强计，所述三轴MEMS陀螺用于测量载体三个方向的绝对角速率，所述三轴MEMS加速度计用于测量载体三个方向的加速度，在系统工作中，感知系统水平方向的倾斜，进而修正三轴MEMS陀螺在俯仰和滚动方向的漂移，所述三轴磁阻型磁强计测量三维地磁强度，提供方向角的初始对准以及修正方位角漂移；

进一步，所述姿态调整模块根据节点控制模块反馈的数据调整测量模块的姿态，姿态调整模块包括DC/DC模块、嵌入式智能控制模块、Y轴驱动模块和Y轴执行马达及X轴驱动模块和X轴执行马达，所述DC/DC模块接入外部DC12V电源经稳压和滤波后输出两路电压，其中一路直接输出DC12V电源供给X轴驱动模块和Y轴驱动模块，另外一路输出DC5V电压供给嵌入式智能控制模块，所述嵌入式智能控制模块通过RS485通讯和外部设备进行数据交换，获取控制指令，根据外部指令，发出控制脉冲由Y轴驱动模块和X轴驱动模块放大后驱动Y轴执行马达和X轴执行马达进行姿态的调整；

进一步，所述节点控制模块对测量模块的测量频次进行操控，并对测量信号进行分析处理和数据转换，节点控制模块包括嵌入式控制模块、通讯转换模块和无线发射接收模块，所述无线发射接收模块采用ZigBee无线通讯方式与远程控制主机进行数据交换，响应和执行远程控制主机的命令，其中嵌入式控制模块内部采用RS485工业总线通讯模式，通过通讯转换模块连接符合RS485协议的测量模块，在工作时，首先由远程控制主机发出指令，嵌入式控制模块通过无线发射接收模块获取指令，并控制测量模块执行数据采集指令，数据采集完成后，由嵌入式控制模块根据对测量模块内数据进行查询获取相应的数据并进行分析后，通过无线发射接收模块上传数据至远程控制主机；

进一步，所述电源智能管理模块为测量模块、姿态监测模块、节点控制模块和姿态调整模块供电，并实现电源转换、电源调节及电源控制，所述电源智能管理模块包括蓄电池管理单元、电源检测单元、整流滤波回路、DC/DC转换回路和蓄电池，所述整流滤波回路和DC/DC转换回路将市电转换为DC12V电压为系统供电，同时由蓄电池管理单元监测蓄电池的状态，判断是否给蓄电池进行充电操作，如果蓄电池电量不足，将对蓄电池进行充电，并监测整个充电过程，保证蓄电池在规定的条件下安全的补充电量，在整个供电系统运行周期内，电源检测单元一直处于工作状态，当检测到市电失电时，电源检测单元马上执行切换，系统由市电供电被切换到蓄电池供电，以保证节点设备的稳定运行。

进一步，所述通讯模块为在隧道洞内采用ZigBee网络无线数据传输器点对点式进行传输，若隧道距离较长，可由多个中继无线传输模块自动构成数据传送链，将测量数据从监测点传送到远程控制管理中心。

进一步，所述远程控制主机通过远程通讯网络实现对节点测量模块的操作控制。

本发明为适应软岩隧道施工的特点和环境，满足收敛量测的精度要求，本发明所使用的节点测量模块由测量模块、姿态监测模块、节点控制模块、姿态调整模块、电源智能管理模块构成，其中测量模块用于测量收敛（与目标点距离）量；姿态监测模块通过总线形式将测量模块的姿态信息传送到节点控制模块；节点控制模块对测量频次等进行操控，并对测量信号进行分析处理，数据转换；姿态调整模块中的嵌入式智能控制模块通过RS485总线发送指令，并由Y轴驱动模块和Y轴执行马达及X轴驱动模块和X轴执行马达调整测量模块的姿态；电源智能管理模块用于供电电源转换、电源调节、电源控制，具有电池供电功能。

进一步，测量模块的节点测量单元利用激光相位法测量技术，用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，分辨率达到0.1mm，测量精度达到0.5mm；

进一步，姿态监测模块的监测单元由三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计、三轴磁阻型磁强计等三种类型的传感器构成，其中三轴MEMS陀螺用于测量载体三个方向的的绝对角速率，三轴MEMS加速度计用于测量载体三个方向的加速度，在系统工作中，感知系统水平方向的倾斜，修正陀螺在俯仰和滚动方向的漂移，三轴磁阻型磁强计测量三维地磁强度，提供方向角的初始对准以及修正方位角漂移；

进一步，节点控制模块由嵌入式控制模块、通讯转换模块、无线发射接收模块组成，单元与外部（控制中心或上位机）采用ZigBee无线通讯方式，进行数据交换，响应和执行外部（控制中心或上位机）命令，节点内部采用RS485工业总线通讯模式，用于连接符合RS485协议的智能测量监测单元和执行机构，同时具有8路高分辨率的A/D转换接口，用于连接模拟量输出的测量传感器，嵌入式控制模块根据要求对接点内连接的设备进行查询获取相应的数据进行分析，并输出指令（通过RS485总线）控制执行机构和测量单元，上传数据到外部主控单元；

进一步，姿态调整模块单元由DC/DC模块、嵌入式智能控制模块、Y轴驱动模块和Y轴执行马达、X轴驱动模块和X轴执行马达组成，DC/DC模块接入外部DC12V电源经稳压和滤波后，一路直接输出DC12V电源供给X轴和Y轴驱动模块，另外产生一路DC5V电压供给嵌入式智能控制模块，嵌入式智能控制模块通过RS485通讯和外部设备进行数据交换，获取控制指令，根据外部指令，发出控制脉冲由驱动模块放大后驱动执行马达进行姿态的调整；

进一步，电源智能管理模块在市电供电正常情况下，通过整流滤波回路、DC/DC转换回路产生DC12V电压提供给系统供电，同时由蓄电池管理单元（由参考电压稳压回路、蓄电池充电稳压回路、蓄电池充电控制回路组成）监测蓄电池的状态，判断是否给蓄电池进行充电操作，如果蓄电池电量不足，将对蓄电池进行充电，并监测整个充电过程，保证蓄电池在规定的条件下安全的补充电量，在整个供电系统运行周期内，电源检测单元（由参考电压稳压回路、系统采样比较回路、供电方式切换回路组成）一直处于工作状态，当检测到市电失电时，电源检测单元马上执行切换，系统由市电供电被切换到蓄电池供电，以保证节点设备的稳定运行。

进一步，通讯系统隧道洞内采用ZigBee网络无线数据传输器等点对点式进行传输，Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，若隧道距离较长，可由多个中继无线传输模块自动构成数据传送链，将测量数据从监测点传送到远程控制管理中心，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

进一步，远程控制主机中的远程控制管理系统软件通过远程通讯网络实现对节点测量模块的操作控制，软件系统采用分级管理模式，在登陆界面分为“操作员登录”和“管理员登录”两个级别，“操作员登录”级别可以对节点进行开启关闭操作、数据查询等操作，无法对节点进行配置和维护操作，“管理员登录”级别可以拥有操作员的所有权限，并可以对节点进行配置和维护操作，包括登录密码的管理。

其中控制管理系统软件运行于Windows 环境，采用VB.Net语言编程；采用基于MS Access标准数据库，以满足用户对象的需要，最大限度地采用可视化技术，使用户的操作简单直观，系统的开放性设计使系统能方便地与不同的数据库、不同的网络进行连接，采用标准化开发工具便于系统的扩展、移植和升级。

控制管理系统软件分为远程控制软件和数据分析处理，其中远程控制软件通过远程通讯网络实现对收敛测量控制系统的操作控制，实现预定的测量控制功能。数据分析处理部分以标准远程数据库为核心，提供丰富的基础数据查询与统计分析功能。具有测量周期查询，测点群查询，定时测量的测量次数、测量时间和测量数据的查询及清除复位等功能。

本发明是以适应软岩隧道施工的特点和环境要求，满足收敛量测的精度要求，同时具有实时时钟管理、参数及数据掉电保护、抗雷击、选择测点、测点群设置及周期查询等功能。

本发明未详述部分为现有技术。

为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (8)

1.一种用于隧道施工的收敛监测系统，其特征是：由测量模块、姿态监测模块、姿态调整模块、节点控制模块和电源智能管理模块构成节点测量模块，节点测量模块通过通讯模块将测量的数据传送给远程控制主机；

所述测量模块用于测量隧道的收敛量；

所述姿态监测模块将测量模块的姿态信息传送到节点控制模块；

所述姿态调整模块根据节点控制模块反馈的数据调整测量模块的姿态；

所述节点控制模块对测量模块的测量频次进行操控，并对测量信号进行分析处理和数据转换；

所述电源智能管理模块为测量模块、姿态监测模块、节点控制模块和姿态调整模块供电，并实现电源转换、电源调节及电源控制。

2.根据权利要求1所述的用于隧道施工的收敛监测系统，其特征是：所述测量模块中的节点测量单元利用激光相位法测量技术，用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，其中节点测量单元的分辨率达到0.1mm，测量精度达到0.5mm。

3.根据权利要求1所述的用于隧道施工的收敛监测系统，其特征是：所述姿态监测模块包括三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计和三轴磁阻型磁强计，所述三轴MEMS陀螺用于测量载体三个方向的绝对角速率，所述三轴MEMS加速度计用于测量载体三个方向的加速度，在系统工作中，感知系统水平方向的倾斜，进而修正三轴MEMS陀螺在俯仰和滚动方向的漂移，所述三轴磁阻型磁强计测量三维地磁强度，提供方向角的初始对准以及修正方位角漂移。

4.根据权利要求1所述的用于隧道施工的收敛监测系统，其特征是：所述姿态调整模块包括DC/DC模块、嵌入式智能控制模块、Y轴驱动模块和Y轴执行马达及X轴驱动模块和X轴执行马达，所述DC/DC模块接入外部DC12V电源经稳压和滤波后输出两路电压，其中一路直接输出DC12V电源供给X轴驱动模块和Y轴驱动模块，另外一路输出DC5V电压供给嵌入式智能控制模块，所述嵌入式智能控制模块通过RS485通讯和外部设备进行数据交换，获取控制指令，根据外部指令，发出控制脉冲由Y轴驱动模块和X轴驱动模块放大后驱动Y轴执行马达和X轴执行马达进行姿态的调整。

5.根据权利要求1所述的用于隧道施工的收敛监测系统，其特征是：所述节点控制模块包括嵌入式控制模块、通讯转换模块和无线发射接收模块，所述无线发射接收模块采用ZigBee无线通讯方式与远程控制主机进行数据交换，响应和执行远程控制主机的命令，其中嵌入式控制模块内部采用RS485工业总线通讯模式，通过通讯转换模块连接符合RS485协议的测量模块，在工作时，首先由远程控制主机发出指令，嵌入式控制模块通过无线发射接收模块获取指令，并控制测量模块执行数据采集指令，数据采集完成后，由嵌入式控制模块根据对测量模块内数据进行查询获取相应的数据并进行分析后，通过无线发射接收模块上传数据至远程控制主机。

6.根据权利要求1所述的用于隧道施工的收敛监测系统，其特征是：所述电源智能管理模块包括蓄电池管理单元、电源检测单元、整流滤波回路、DC/DC转换回路和蓄电池，所述整流滤波回路和DC/DC转换回路将市电转换为DC12V电压为系统供电，同时由蓄电池管理单元监测蓄电池的状态，判断是否给蓄电池进行充电操作，如果蓄电池电量不足，将对蓄电池进行充电，并监测整个充电过程，保证蓄电池在规定的条件下安全的补充电量，在整个供电系统运行周期内，电源检测单元一直处于工作状态，当检测到市电失电时，电源检测单元马上执行切换，系统由市电供电被切换到蓄电池供电，以保证节点设备的稳定运行。

7.根据权利要求1所述的用于隧道施工的收敛监测系统，其特征是：所述通讯模块为在隧道洞内采用ZigBee网络无线数据传输器点对点式进行传输，若隧道距离较长，可由多个中继无线传输模块自动构成数据传送链，将测量数据从监测点传送到远程控制管理中心。

8.根据权利要求1所述的用于隧道施工的收敛监测系统，其特征是：所述远程控制主机通过远程通讯网络实现对节点测量模块的操作控制。

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