CN104359457A - 一种基于psd传感器的地铁运营沉降智能监测和预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PSD传感器的地铁运营沉降智能监测和预警系统，系统包括：工控机、过程控制接口卡PCI、PLC控制器、PSD光电位置传感器、自动收缩保护装置、优质激光发射器、数据采集硬件、信号调理器、无线传输设备、综合评价预警装置。方法包括：1)工控机内的电脑控制总台发指令至PLC控制器，控制激光发射器、PSD传感器及数据采集硬件的工作；2)数据采集硬件将采集的数据通过无线传输设备将数据传输至电脑控制总台；3)工控机经数据实时分析模块分析数据结果；4)数据分析结果输送至综合评价预警装置中，通过实测值与规范标准值对比分析发出预警。该系统能考虑运营地铁实际情况，测量精度高、受环境干扰小，具有动态实时、科学便捷的优点。

Description

一种基于PSD传感器的地铁运营沉降智能监测和预警系统

技术领域

本发明涉及一种基于PSD传感器的地铁运营沉降智能监测和预警系统，更具体的涉及PSD光电位置传感器、无线控制和传输技术，同时还涉及一种综合评价预警技术，特别适用于监测精度和自动化程度要求较高的工程：运营期地铁隧道沉降的实时监测和隧道沉降预警。

背景技术

城市地下空间的开发利用，已成为世界性的发展趋势，并以此作为衡量城市现代化的重要标志。城市地下空间发展形成网络取决于城市地下轨道交通系统，因此，以地铁为标志的城市轨道交通工程规模建设势在必行。截止到2013年5月，中国城市地铁运营里程达2518.6公里，在建里程达2975.58公里。城市地铁的大规模建设和运营，必然会带来一系列需要引起重视的问题：地铁运营过程中隧道管片的沉降和变形问题，地铁运营维护和运营安全问题，以及地铁沿线地表沉降和邻近建筑的沉降和变形问题。因此，有必要对城市地铁运营沉降特别是隧道管片沉降进行监控量测工作，以保证地铁运营安全，对可能存在的风险进行预警。

与公路和铁路隧道不同，地铁隧道运营监测有其自身特点：(1)地铁隧道里程一般较长，多达几十公里，监测工作量极大；(2)地铁运营监测环境复杂，监控量测工作容易受环境干扰；(3)地铁运营沉降监测精度要求较高；(4)监控量测工作不能影响地铁的正常运营和运营安全。而现有测量方法中：水准测量精度较高，但其自动化程度不高；而以全站仪测量为代表的非接触量测方法，精度很难达到地铁沉降测量精度要求；且现有地铁沉降测量方法中，测量数据多为隧道管片的相对沉降和变形，反映不出隧道的整体沉降，存在安全隐患。因此，测量精度和自动化程度高的地铁运营沉降智能监测和预警系统的研制开发，具有重要的工程意义和较好的发展前景。

发明内容

针对上述背景技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种能考虑运营地铁实际情况，测量精度高、受环境干扰小的一种基于PSD传感器的地铁运营沉降智能监测和预警系统，该发明具有动态实时、科学便捷的优点。

为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种基于PSD传感器的地铁运营沉降智能监测和预警系统，该系统至少包括：

——工控机，包括电脑控制总台和通过过程控制接口卡PCI连接的数据分析程序模块和数据采集程序模块，用于控制地铁隧道运营的监测和数据结果的分析；

——数据采集程序模块，用于控制数据采集硬件的数据采集；

——数据实时分析模块，用于数据的实时分析，通过电脑控制总台动态读取监测数据，对数据进行分析，将数据结果转化为测点变形随时间的变化曲线，便于监测的实时分析应用；

——PLC控制器，包括解码模块、无线主控装置、无线从动装置和A/D转换模块，用于解码工控机中采集控制程序模块发出的指令，控制激光发射器电源的开关和数据采集硬件的数据采集，同时控制PSD光电位置传感器运行工作和信号之间的转化；

——数据采集硬件，用于采集PSD光电位置传感器输出信号，并经信号调理器处理的电信号，通过A/D转换模块所得数字信号；

——无线传输设备，用于数据采集硬件所采集数据的无线传输；

——信号调理器，用于对PSD光电位置传感器输出的电信号进行加工和处理，转换成便于输送、显示和记录的电信号；

——激光发射器，用于发射激光束至PSD光电位置传感器；

——PSD光电位置传感器，用于将激光发射器发射在其上的光信号转化为电信号，通过光斑在传感器上位置变化所引起的电信号改变，确定光斑确切的位置变化；

——综合评价预警装置，包括综合评判预警模块，用于将工控机传输的地铁隧道监测数据分析结果与相关规范值进行实时分析对比，并发出预警；

所述综合评价预警装置连接工控机内的过程控制接口卡PCI，过程控制接口卡PCI分别连接PLC控制器、无线传输设备、数据采集程序模块和数据实时分析模块；PLC控制器分别连接信号调理器、激光发射器、PSD光电位置传感器和数据采集硬件；数据采集硬件连接无线传输设备。

进一步地，所述PSD光电位置传感器包括光斑传感器，PSD光电位置传感器与激光发射器分别安装于地铁隧道拱顶，所述传感器激光发射器将其上的光信号传输至光斑传感器，由光斑的位置变化确定地铁隧道变化。

进一步地，所述无线主控装置设在PLC控制器中，无线从动装置分别与PSD光电位置传感器、激光发射器、数据采集硬件和信号调理器连接。

进一步地，系统进一步设有与工控机相连的沉降监测控制网基准点，所述沉降监测控制网基准点为布设在施工影响的变形区域以外稳固、便于寻找、保存和引测的水准测量基点，符合《国家一、二等水准点测量规范》(GB 12897-2006)要求；所述水准测量基点设置符合《城市轨道交通工程测量规范》(GB50308-2008)要求的埋设形式和规格。

进一步地，所述PSD光电位置传感器和激光发射器分别设于自动收缩保护装置内。

进一步地，所述自动收缩保护装置由多级依次套装的伸缩臂构成，在各相邻伸缩臂夹层内设有伸缩臂油缸，PSD光电位置传感器或激光发射器设于最内层伸缩臂端部。

进一步地，所述自动收缩保护装置由多级能够相互折叠的连杆构成，PSD光电位置传感器或激光发射器设于连杆的端部。

相应地，本发明还给出了一种PSD传感器的地铁运营沉降智能监测和预警方法，该方法包括下述步骤：

1)由VB编制的数据采集程序模块通过电脑控制总台发出控制指令，PLC控制器接受工控机中电脑控制总台所发出的指令，并解码识别控制指令；

2)通过PLC控制器中的无线主控装置和无线从动装置分别控制PSD光电位置传感器、激光发射器、数据采集硬件和信号调理器的工作；

3)当激光发射器和PSD光电位置传感器识别出电脑控制总台发出控制指令后，开始对地铁隧道管片变形进行监测；

4)PSD光电位置传感器接收激光发射器发射的激光束，并将光信号转换为电信号，并通过信号调理器处理转换成便于输送、显示和记录的电信号；

5)通过处理后的电信号再由PLC控制器中的A/D转换模块得到数字信号，最终将这些数字信号存储至数据采集硬件中；

6)无线传输设备将数据采集硬件中所储存的数据传输到远端的电脑控制总台；

7)数据实时分析模块通过电脑控制总台动态读取监测数据，对数据进行变形分析，并将数据结果转化为测点随时间的变化曲线，同时将数据进行拟合分析，便于监测的实时分析和应用；

8)系统的综合评价预警装置将监测数据的结果与系统标准值进行对比分析和综合评价，对运营地铁隧道沉降及隧道结构安全进行预警。

本发明的有益效果在于：

1)通过PSD光电位置传感器接收激光发射器发射的用于地铁隧道管片沉降监测的激光束，通过PLC控制器信号存储并将数据传输到远端的电脑控制总台，通过PSD光电位置传感器上的光斑变化来判断和确定隧道管片的沉降和变形，将监测数据的结果与系统标准值进行对比分析和综合评价，对运营地铁隧道沉降及隧道结构安全能够进行预警。

2)以往的自动监测系统只能测到地铁管片的相对沉降和变形，较以往的自动监测系统，本系统引入的沉降监测控制网基准点，既可以监测得地铁管片的相对变形，又可监测到地铁管片的整体沉降和变形。

3)较以往的自动化监测系统而言，本系统具有较高的测量精度，可以达到0.1mm。

4)在PSD光电位置传感器和激光发射器外分别设有自动收缩保护装置，保护监测设备免受污染、损坏，且不影响地铁的正常运营。

附图说明

图1是本发明系统示意图。

图2是本发明系统应用于运营地铁示意图。

图3是本发明系统自动收缩保护装置方案一细部示意图。

图4是本发明系统自动收缩保护装置方案二细部示意图。

图中：1、电脑控制总台；2、采集控制程序模块；3、PLC控制器；4、数据采集硬件；5、信号调理器；6、PSD光电位置传感器；7、优质激光发射器；8、数据实时分析模块；9、无线传输设备；10、综合评价预警装置；11、自动收缩保护装置；12、沉降监测控制网基准点；13、过程控制接口卡PCI。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，该地铁运营沉降智能监测和预警系统包括：

工业控制计算机，包括电脑控制总台1和通过过程控制接口卡PCI 13连接的数据分析程序模块8和数据采集程序模块2，含有采集控制程序模块2、数据实时分析模块8和电脑控制总台1位于地铁隧道之外的监控室内，用于控制地铁隧道运营期的监测和数据结果的分析；

PLC控制器3，包括解码模块、无线主控装置、无线从动装置和A/D转换模块，用于解码工控机中采集控制程序模块2发出的指令，及电压、数字信号间的转化；控制激光发射器7电源的开关和数据采集硬件4的数据采集，同时控制PSD光电位置传感器6运行工作和信号之间的转化；

过程控制接口卡PCI，该接口连接综合评价预警装置、PLC控制器、数据实时分析模块、数据采集程序模块和无线传输设备；

数据采集程序模块2，用于控制数据采集硬件4的数据采集；

数据采集硬件4，用于采集PSD光电位置传感器6输出信号，并经信号调理器5处理的电信号，通过A/D转换模块所得数字信号；

信号调理器5，同PSD光电位置传感器6安装于隧道同一位置用于对传感器输出的电信号进行加工和处理，转换成便于输送、显示和记录的电信号；

PSD光电位置传感器6，采用光斑传感器，安装于地铁管片拱顶位置，由优质激光发射其上的光信号转化为电信号，通过光斑在传感器上的位置变化引起电信号的改变，从而确定光斑中心的位置变化，光斑初始位置位于传感器中心，根据偏离中心上下位置可测得地铁管片的沉降或隆起。PSD光电位置传感器是一种对其感光面上入射光斑重心位置敏感的光电器件，即当入射光斑落在器件感光面的不同位置时，PSD将对应输出不同的电信号。通过对输出电信号的处理，即可确定入射光斑重心在PSD上的位置，入射光的强度和尺寸大小对PSD的位置输出信号均无关。

该传感器为光敏传感器，与优质激光发射器距离在15m以内，在监测范围内系统的监测精度可达0.1mm，该PSD传感器可自动旋转360°，激光发射器发射的激光初始时应打在PSD传感器的几何中心位置这样既可测得地铁管片的隆起又能测得地铁管片的沉降；

激光发射器7，安装于地铁隧道拱顶，发射优质激光，该激光器采用220V电源开关，接通电源开关发出激光；传感器激光发射器7将其上的光信号传输至光斑传感器，由光斑的位置变化确定地铁隧道变化；

数据实时分析模块8，用于数据的实时分析，通过电脑控制总台动态读取监测数据，对数据进行分析，将数据结果转化为测点变形随时间的变化曲线，便于监测的实时分析应用；

无线传输设备9，所述无线传输设备包含无线数据传输模块，该模块采用抗干扰性强的GFSK的调制解调方式，数据传输稳定可靠；

无线传输设备包含无线数据传输模块，该模块采用抗干扰性强的GFSK的调制解调方式，数据传输稳定可靠，空旷可视传输距离300-1800m，超强穿透力(可穿透6-12层楼)。

综合评价预警装置10，包括综合评判预警模块，该模块包含地铁运营监测相关规范所涉及的安全阀值，用于将工控机传输的地铁隧道监测数据分析结果与规范值进行实时分析对比，并发出预警；

自动收缩保护装置11，用于保护监测设备免受污染、损坏以及不影响地铁的正常运营。

沉降监测控制网基准点12，基准点应布设在施工影响范围以外的稳定区域，根据规范在同一测区内基准点可提供一个绝对高程，基准点应在工程施工前埋设，位于地铁隧道外的不动点，作为向隧道内传递坐标和方位的联系测量依据。该沉降监测控制网基准点为城市二级控制点，用于校对监测地铁隧道拱顶下沉。沉降监测控制网基准点为布设在施工影响的变形区域以外保存和引测的水准测量基点，符合《国家一、二等水准点测量规范》(GB 12897-2006)要求；所述水准测量基点设置符合《城市轨道交通工程测量规范》(GB 50308-2008)规格埋设。系统的其他组件安装于地铁隧道内。

其中，工控机中的电脑控制总台1通过过程控制接口卡PCI 13分别连接数据实时分析模块8、数据采集程序模块2、PLC控制器3、无线传输设备9和综合评价预警装置10；PLC控制器3分别连接数据采集硬件4、信号调理器5、PSD光电位置传感器6和激光发射器7，无线传输设备9与数据采集硬件4相连，信号调理器5与传感器6相连。

如图2所示，本发明系统应用于运营地铁示意图。通过该运营地铁示意图可进一步说明本发明系统的工作原理：

首先，系统的工控机中电脑控制总台1与过程控制接口卡PCI13相连，过程控制接口卡PCI13分别与PLC控制器3、无线传输设备9、数据采集程序模块2、数据实时分析模块8和综合评价预警装置10相连，PLC控制器3分别与数据采集硬件4、信号调理器5、PSD传感器6及激光发射器7相连，由VB编制的数据采集程序模块2通过电脑控制总台1发出控制指令，PLC控制器3接受工控机中电脑控制总台1所发出的指令，并解码识别控制指令；之后通过PLC控制器3中的无线主控装置和无线从动装置组件控制PSD光电位置传感器6、激光发射器7、数据采集硬件4和信号调理器5的工作；其中无线主控装置组件在PLC控制器3中，无线从动装置连接在PSD光电位置传感器6、激光发射器7、数据采集硬件4和信号调理器5上。

当激光发射器7和PSD光电位置传感器6识别出电脑控制总台1发出控制指令后，开始对地铁管片变形进行监测；激光发射器7和PSD光电位置传感器6均固定于地铁拱顶管片位置处，PSD传感器6接受激光发射器7发射的激光束，并将光信号转换为电信号，该电信号通过信号调理器5处理转换成便于输送、显示和记录的电信号；通过处理后的电信号再由PLC控制器3中的A/D转换模块得到数字信号，最终将这些数字信号存储至数据采集硬件4中；无线传输设备9将数据采集硬件4中所储存的数据传输到远端的电脑控制总台1。

然后进行数据分析，数据实时分析模块8通过电脑控制总台1动态读取监测数据，对数据进行变形分析，并将数据结果转化为测点随时间的变化曲线，同时将数据进行拟合分析，便于监测的实时分析和应用。

系统的综合评价预警装置10基于监测数据的结果，将监测数据分析结果与系统标准值进行对比分析，结合相关规范、规程等监测标准值进行综合评价，对运营地铁隧道沉降及隧道结构安全进行预警。

如图3、图4所示，给出了两种不同的自动收缩保护装置11结构示意图，自动收缩保护装置11，用于保护监测设备免受污染、损坏以及不影响地铁的正常运营。

图3为自动式液压收缩装置第一种实施方式。

该方案包括多级套装在一起的伸缩臂和设置在伸缩臂内的伸缩臂油缸，可实现自动收缩，PSD光电位置传感器6或激光发射器7设于最内层伸缩臂端部。当监测系统工作时伸缩臂自动伸缩至测量位置，测量完毕装置自动收缩，不影响地铁的正常运营。

图4为自动式液压收缩装置第一种实施方式。

此方案涉及的机械式升降收缩为多级能够相互折叠的连杆折叠机构，能够张开或收起，，PSD光电位置传感器6或激光发射器7设于连杆的端部。连杆机构因其可实现比较复杂的运动规律，可以满足运营地铁内对目标的监测要求，在监测系统使用时装置自动张开至测量位置，测量完毕装置自动收缩起来，不影响地铁的正常运营。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于PSD传感器的地铁运营沉降智能监测和预警系统，其特征在于，该系统至少包括：

——工控机，包括电脑控制总台(1)和通过过程控制接口卡PCI(13)连接的数据分析程序模块(8)和数据采集程序模块(2)，用于控制地铁隧道运营的监测和数据结果的分析；

——数据采集程序模块(2)，用于控制数据采集硬件(4)的数据采集；

——数据实时分析模块(8)，用于数据的实时分析，通过电脑控制总台动态读取监测数据，对数据进行分析，将数据结果转化为测点变形随时间的变化曲线，便于监测的实时分析应用；

——PLC控制器(3)，包括解码模块、无线主控装置、无线从动装置和A/D转换模块，用于解码工控机中采集控制程序模块(2)发出的指令，控制激光发射器(7)电源的开关和数据采集硬件(4)的数据采集，同时控制PSD光电位置传感器(6)运行工作和信号之间的转化；

——数据采集硬件(4)，用于采集PSD光电位置传感器(6)输出信号，并经信号调理器(5)处理的电信号，通过A/D转换模块所得数字信号；

——无线传输设备(9)，用于数据采集硬件(4)所采集数据的无线传输；

——信号调理器(5)，用于对PSD光电位置传感器(6)输出的电信号进行加工和处理，转换成便于输送、显示和记录的电信号；

——激光发射器(7)，用于发射激光束至PSD光电位置传感器(6)；

——PSD光电位置传感器(6)，用于将激光发射器发射在其上的光信号转化为电信号，通过光斑在传感器上位置变化所引起的电信号改变，确定光斑确切的位置变化；

——综合评价预警装置(10)，包括综合评判预警模块，用于将工控机传输的地铁隧道监测数据分析结果与相关规范值进行实时分析对比，并发出预警；

所述综合评价预警装置(10)连接工控机内的过程控制接口卡PCI(13)，过程控制接口卡PCI(13)分别连接PLC控制器(3)、无线传输设备(9)、数据采集程序模块(2)和数据实时分析模块(8)；PLC控制器(3)分别连接信号调理器(5)、激光发射器(7)、PSD光电位置传感器(6)和数据采集硬件(4)；数据采集硬件(4)连接无线传输设备(9)。

2.根据权利要求1所述的基于PSD传感器的地铁运营沉降智能监测和预警系统，其特征在于，所述PSD光电位置传感器(6)包括光斑传感器，PSD光电位置传感器(6)与激光发射器(7)分别安装于地铁隧道拱顶，所述传感器(6)将激光发射器(7)发射其上的光信号传输至光斑传感器，由光斑的位置变化确定地铁隧道变化。

3.根据权利要求1所述的基于PSD传感器的地铁运营沉降智能监测和预警系统，其特征在于，所述无线主控装置设在PLC控制器(3)中，无线从动装置分别与PSD光电位置传感器(6)、激光发射器(7)、数据采集硬件(4)和信号调理器(5)连接。

4.根据权利要求1所述的基于PSD传感器的地铁运营沉降智能监测和预警系统，其特征在于，系统进一步设有与工控机相连的沉降监测控制网基准点，所述沉降监测控制网基准点为布设在施工影响的变形区域以外稳固、便于寻找、保存和引测的水准测量基点，符合《国家一、二等水准点测量规范》(GB12897-2006)要求；所述水准测量基点设置符合《城市轨道交通工程测量规范》(GB 50308-2008)要求的埋设形式和规格。

5.根据权利要求1所述的基于PSD传感器的地铁运营沉降智能监测和预警系统，其特征在于，所述PSD光电位置传感器(6)和激光发射器(7)分别设于自动收缩保护装置(11)内。

6.根据权利要求5所述的基于PSD传感器的地铁运营沉降智能监测和预警系统，其特征在于，所述自动收缩保护装置(11)由多级依次套装的伸缩臂构成，在各相邻伸缩臂夹层内设有伸缩臂油缸，PSD光电位置传感器(6)或激光发射器(7)设于最内层伸缩臂端部。

7.根据权利要求5所述的基于PSD传感器的地铁运营沉降智能监测和预警系统，其特征在于，所述自动收缩保护装置(11)由多级能够相互折叠的连杆构成，PSD光电位置传感器(6)或激光发射器(7)设于连杆的端部。

8.一种基于权利要求1所述的PSD传感器的地铁运营沉降智能监测和预警方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

1)由VB编制的数据采集程序模块(2)通过电脑控制总台(1)发出控制指令，PLC控制器(3)接受工控机中电脑控制总台(1)所发出的指令，并解码识别控制指令；

2)通过PLC控制器(3)中的无线主控装置和无线从动装置分别控制PSD光电位置传感器(6)、激光发射器(7)、数据采集硬件(4)和信号调理器(5)的工作；

3)当激光发射器(7)和PSD光电位置传感器(6)识别出电脑控制总台(1)发出控制指令后，开始对地铁隧道管片变形进行监测；

4)PSD光电位置传感器(6)接受激光发射器(7)发射的激光束，并将光信号转换为电信号，并通过信号调理器(5)处理转换成便于输送、显示和记录的电信号；

5)通过处理后的电信号再由PLC控制器(3)中的A/D转换模块得到数字信号，最终将这些数字信号存储至数据采集硬件(4)中；

6)无线传输设备(9)将数据采集硬件(4)中所储存的数据传输到远端的电脑控制总台(1)；

7)数据实时分析模块(8)通过电脑控制总台(1)动态读取监测数据，对数据进行变形分析，并将数据结果转化为测点随时间的变化曲线，同时将数据进行拟合分析，便于监测的实时分析和应用；

8)系统的综合评价预警装置(10)将监测数据的结果与系统标准值进行对比分析和综合评价，对运营地铁隧道沉降及隧道结构安全进行预警。