CN105089701B - 基于分布式光纤传感的运营隧道健康监测预警系统及方法 - Google Patents

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薛晓辉
童波
高荣
申俊敏
张军
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山西省交通科学研究院
山西交科公路勘察设计院
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Abstract

本发明涉及一种基于分布式光纤传感的运营隧道健康监测预警系统及方法,该系统包括预警子系统、数据处理子系统、无线传输子系统、数据采集子系统和光纤传感子系统;数据采集子系统通过光纤传感子系统对隧道现场进行实时在线监测,获取隧道实时监测信号,同时将隧道实时监测信号转换为电信号;无线传输子系统将数据采集子系统采集并转换得到的电信号进行远距离传输至数据处理子系统;数据处理子系统接收到无线传输子系统发送来的电信号后,将该电信号与数据处理子系统的预定阈值进行比较,并将比较结果通过预警子系统进行预警任务。本发明具有成本低、施工方便、抗干扰能力强、空间适用性强、自动化程度高、预警准确度高的优点。

Description

基于分布式光纤传感的运营隧道健康监测预警系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种监测预警系统,特别涉及一种基于分布式光纤传感的运营隧道健 康监测预警系统及方法。
背景技术
[0002] 随着我国公路网的不断完善及中西部大开发战略的不断实施,高速公路逐步向崇 山峻岭地区迈进,公路隧道的数量和通车里程迅速增加,其面临的气象、水文地质、围岩类 型、地形地貌等情况越来越复杂,导致隧道衬砌剥落、掉块、塌方、渗漏、涌水等病害越来越 多,已严重影响到行车安全,降低了隧道的服务水平。同时,随着特长、长隧道数量的不断增 多,隧道内火灾发生的可能性不断增大,一旦发生火灾,若不及时发出预警信息,不能及时 扑灭,将导致严重的人员伤亡和财产损失。因此,针对运营隧道健康监测预警中一系列问题 进行深入系统的研究,是我国公路隧道工程界新一轮的重大课题。
[0003] 目前,隧道健康监测预警常用的措施主要有传感器监测法(土压力盒、钢筋应力计 以及表面应变计等)、人工定期巡检、地质雷达探测等,其中最常用的为传感器监测法,其通 过埋设传感器以监测支护结构应力、应变及其与围岩的接触压力等,从而定性了解隧道结 构健康状况。然而,由于传统的传感器为点式监测,若需对隧道进行全面的健康监测,所需 布设的传感器数量较大,布设作业费时费力,且成本较高。随着光纤监测技术的不断发展, 分布式光纤逐渐用于隧道健康监测,如专利分布式传感光纤隧道健康监测系统”(申请号 是200910157116.5)就公布了一种利用分布式光纤的隧道健康监测技术,但其主要针对结 构安全健康状况,对隧道运营过程中的火灾、渗漏水等病害无法监测。而目前常用的火灾监 测方法主要是视频监测法,即通过安装摄像头及视频管理单元,通过视频监控进行火灾预 警,但由于隧道为封闭空间,内部空气污浊,能见度减低,加之摄像头存在盲区,导致视频监 测法空间适用性差、火灾预警准确度低;且渗漏水方面主要采用人工巡检,尚未实现自动监 测。总之,上述监测预警措施由于其自身的技术缺陷,导致其难以推广普及,从而严重制约 了运营隧道健康监测预警技术的实际应用。因此,随着现代隧道技术的不断发展,急需研发 一种精度高、全方位、适应性强、自动化程度高的隧道健康监测预警方法。
发明内容
[0004] 本发明针对现有运营隧道健康监测预警技术中存在的问题,提供一种预警准确度 高以及抗干扰能力强的基于分布式光纤传感的运营隧道健康监测预警系统及方法。
[0005]本发明的目的是通过以下技术手段实现的:
[0006] —种基于分布式光纤传感的运营隧道健康监测预警系统,其特征在于:所述基于 分布式光纤传感的运营隧道健康监测预警系统包括预警子系统、数据处理子系统、无线传 ^子系统、数据采集子系统以及设置在隧道衬砌混凝土表面的光纤传感子系统;所述数据 采集子系统通过光纤传感子系统对隧道现场进行实时在线监测,获取隧道实时监测信号, 同时将隧道实时监测信号转换为电信号;所述无线传输子系统将数据采集子系统采集并转 换得到的电信号进行远距离传输至数据处理子系统;所述数据处理子系统接收到无线传输 子系统发送来的电信号后,将该电信号与数据处理子系统的预定阈值进行比较,并将比较 结果通过预警子系统进行预警任务。
[0007]作为优选,本发明所采用的光纤传感子系统包括沿隧道拱圈环向布设的一条或多 条环向传感光纤、布设在隧道任意一侧电缆沟内的温度补偿光纤以及布设在隧道拱顶、两 侧拱肩以及两侧拱腰位置的纵向传感光纤;所述环向传感光纤是多条时,相邻环向传感光 纤间距不大于10m;所述多条环向传感光纤通过设置在隧道拱脚部位的过渡段传感光纤连 接;所述环向传感光纤、温度补偿光纤以及纵向传感光纤分别与数据采集子系统相连。
[OOOS]作为优选,本发明所采用的数据采集子系统包括光纤分析仪以及光电转换器;所 述环向传感光纤、温度补偿光纤以及纵向传感光纤分别通过光纤分析仪接入光电转换器; 所述光电转换器接入无线传输子系统。
[0009] 作为优选,本发明所采用的光纤分析仪的工作波长的范围是1550±5nm,所述光纤 分析仪的最大动态范围宜为15dB,所述光纤分析仪的应变测试精度宜为±10^,所述光纤 分析仪的频率扫描间隔为50MHz;所述光电转换器的通信速率不小于115Kbps,所述光电转 换器的误码率应小于10%。
[0010]作为优选,本发明所采用的无线传输子系统包括数据传输接口以及与数据传输接 口相连的无线数据发送系统;所述光电转换器将采集并转换得到的电信号传输至数据传输 接口;所述无线数据发送系统通过无线的方式将数据采集子系统采集并转换得到的电信号 进行远距离传输至数据处理子系统。
[0011]作为优选,本发明所采用的数据传输接口是USB接口;所述无线数据发送系统是 GPRS数据发送系统。
[0012]作为优选,本发明所采用的数据处理子系统包括无线数据接收系统、用于设置预 警信息的设置单元以及用于判断接收到的电信号是否达到预警信息并将预警信息进行预 警发送的判据单元;所述无线数据发送系统通过无线的方式将数据采集子系统采集并转换 得到的电信号进行远距离传输至无线数据接收系统;所述无线数据接收系统通过设置单元 接入判据单元;所述预警信息包括但不限于隧道掉块参数、隧道塌方参数、隧道渗漏参数、 隧道火灾参数以及隧道衬砌剥落参数;所述无线数据接收系统是GPRS数据接收系统。
[0013]作为优选,本发明所采用的预警子系统包括安全预警平台以及与安全预警平台相 连的短信发送服务器;所述设置单元将预警信息依次通过安全预警平台以及短信发送服务 器发送进行预警任务;所述安全预警平台包括Web平台以及与Web平台相连的数据服务器。 [0014] 一种基于如前所述的基于分布式光纤传感的运营隧道健康监测预警系统运营隧 道健康监测预警方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:
[0015] 1)在隧道衬砌混凝土表面设置光纤传感子系统,所述沿隧道拱圈环向布设一条或 多条环向传感光纤,在隧道任意一侧电缆沟内布设温度补偿光纤以及在隧道拱顶、两侧拱 肩以及两侧拱腰位置布设纵向传感光纤;
[0016] 2)利用数据采集子系统对光纤传感子系统的应变以及温度数据进行实时在线监 测,并通过数据采集子系统的光电转换器将所监测到的实时监测数据转换为电信号;
[0017] 3)通过无线传输子系统将步骤2)采集并转换得到的电信号发送至数据处理子系 统中; LUUI〇J 4)奴据处理于糸统接收到步骤3)所发来的电信号后,对实时监测数据进行实时标 准超限对比分析,若无超限数据,直接返回步骤2);若存在超限数据,则进行步骤5);
[0019] 5)将步骤4)中的超限数据与设定的预警参数进行对比分析,进行分级预警,产生 分级预警结果;
[0020] 6)通过预警子系统将分级预警结果进行预警发送。
[0021]本发明的优点是: ~
[0022]本发明针对现有运营隧道健康监测预警系统中存在的问题,公开了一种基于分布 式光纤传感的运营隧道健康监测预警系统及其控制方法,该监测预警系统包括光纤传感子 系统、数据采集子系统、无线传输子系统、数据处理子系统以及预警子系统;光纤传感子系 统主要由环向传感光纤和纵向传感光纤组成,其分布在隧道衬砌混凝土上;数据采集子系 统主要包括分布式光纤应变、温度测量伩及数据转换单元,可对隧道现场进行实时在线监 测,并将监测信号转换为电信号;无线传输子系统将电信号远距离传输至隧道监控室内的 数据处理子系统;数据处理子系统可将监测数据与预定阈值进行比较,对隧道健康状况进 行分级预警;预警子系统通过安全预警平台、短信单元将预警信息以手机短信形式发送至 隧道管理人员的手机上。本发明可实现对运营隧道衬砌剥落、掉块、塌方、渗漏、涌水、火灾 等灾害的实时在线监测,其具有成本低、施工方便、抗干扰能力强、空间适用性强、自动化程 度高、预警准确度高等优点。具体而言,本发明具有以下优点:
[0023] 1)本发明所采用的传感光纤具有施工方便、体积小、重量轻、性能稳定、灵敏度高、 易于实现自动化监测等优点;
[0024] 2)本发明利用环向传感光纤、纵向传感光纤铺设成网状,形成了覆盖面较广的光 纤监测网,避免了传统点式监测法的缺陷,实现对隧道的全方位监测,且提高了监测预警的 准确性。
[0025] 3)本发明利用温度补偿光纤对环向传感光纤、纵向传感光纤的监测数据进行修 正,进一步提高了监测数据的精确度。
[0026] 4)本发明利用传感子系统可对隧道结构应变、温度进行多维度监测,从而提供较 为全面的隧道健康信息,主要包括隧道衬砌剥落、掉块、塌方、渗漏、涌水、火灾等灾害信息。 [0027] 5)本发明利用光电转换器将所监测的光信号转换为电信号,最大程度的减小了数 据传输过程中的误码率,保证监测信息的准确度。
[0028] 6)本发明根据隧道现场反馈信息,通过设置单元和判据单元可人为设定灾害等级 参数,从而提供更加精准的隧道健康分级预警信息。
附图说明
[0029]图1为本发明所提供的基于分布式光纤传感的运营隧道健康监测预警系统的结构 不意图;
[0030]图2为本发明所采用传感光纤布设位置的横断面图;
[0031]图3为本发明所采用的系统方框示意图;
[0032]图4为本发明所采用的总程序流程图;
[0033] 附图标记说明如下:
[0034] 1-光纤传感子系统;2-数据采集子系统;无线传输子系统;4-数据处理子系统; 5-预警子系统;6-手机客户端;11-环向传感光纤;12-纵向传感光纤;13-温度补偿光纤;21-光纤分析仪;22-光电转换器;31-数据传输接口; 32-无线数据发送系统;41-无线数据接收 系统;42-设置单元;43-判据单元;51-安全预警平台;52-短信发送服务器;511-Web平台; 512-数据服务器;521-SMS应用软件;522-SMS短信网关。
具体实施方式
[0035]下面结合附图和具体的实施例对本发明的系统及其控制方法做进一步的详细说 明:
[0036]参见图1、图2、图3,本发明提供了一种基于分布式光纤传感的运营隧道健康监测 预警系统包括光纤传感子系统1、数据采集子系统2、无线传输子系统3、数据处理子系统4以 及预警子系统5;光纤传感子系统1布设在隧道衬砌混凝土表面;数据采集子系统2对隧道现 场进行实时在线监测,并将监测信号转换为电信号;无线传输子系统3将电信号远距离传输 至隧道监控室内的数据处理子系统4;数据处理子系统4将监测数据与预定阈值进行比较, 对隧道健康状况进行分级预警;预警子系统5通过安全预警平台51、短信发送服务器52将预 警信息以手机短信形式发送至隧道管理人员的手机客户端6,从而完成监测预警任务。
[0037]光纤传感子系统1包括环向传感光纤11、纵向传感光纤12及温度补偿光纤13;环向 传感光纤11沿隧道拱圈环向布设,相邻环向传感光纤11间距l〇m,并通过位于拱脚部位的过 渡段传感光纤进行连接;纵向传感光纤12共有5条,分别布设在隧道拱顶、两侧拱肩、两侧拱 腰位置;温度补偿光纤I3应沿隧道轴向布设在隧道任意一侧电缆沟内。
[0038]数据采集子系统2包括光纤分析仪21和光电转换器22;光纤分析仪21工作波长宜 为1550±5nm,最大动态范围宜为15dB,应变测试精度宜为±l〇ye,频率扫描间隔为50MHz; 光电转换器22的通信速率不低于115Kbps,误码率应小于10%。
[0039]无线传输子系统3包括数据传输接口 31、无线数据发送系统32;数据传输接口 31宜 为USB接口;无线数据发送系统32宜为GPRS数据发送系统。
[0040]数据处理子系统4包括无线数据接收系统41、设置单元42、判据单元43;无线数据 接收系统41宜为GPRS数据接收系统;设置单元42和判据单元43都宜采用13个参数,包括2个 衬砌剥落参数、2个隧道掉块参数、2个隧道塌方参数、3个渗漏参数、4个火灾参数。
[0041]预警子系统5包括安全预警平台51、短信发送服务器52;安全预警平台51由Web平 台511和数据服务器512组成;短信发送服务器52宜采用SMS应用软件521及SMS短信网关 522〇
[0042]参见图4,本发明还提供了一种基于分布式光纤传感的运营隧道健康监测预警系 统的预警方法,其步骤是:
[0043] A)通过隧道衬砌表面刻槽、环氧树脂封闭法布设环向传感光纤丨丨及纵向传感光纤 12,并沿隧道轴向在电缆沟内布设一条温度补偿光纤13;
[0044] B)利用数据采集子系统2对光纤传感子系统1的应变、温度数据进行在线、实时监 测,并通过光电转换模22块将所监测到的光信号转换为电信号;
[0045] C)将电信号通过无线传输子系统3发送至数据处理子系统4中;
[0046] D)数据处理子系统4对监测数据进行实时标准超限对比分析,若无超限数据,直接 返回步骤B);
[0047] E)将步骤D)中的超限数据存储,并生成数据表格,其次将超限数据与设定的参数 进行对比分析,进行分级预警;分级预警是对超限数据进行详细分级,根据其病害程度将其 划分为一般、较大、重大、特别重大等级别,并发出不同的预警信号;
[0048] F)将分级预警结果以数据图表的形式通过预警子系统5发送至手机客户端6;
[0049] G)待手机客户端6执行决策后,重新返回步骤B)。
[0050]由图1、图2可知,传感光纤具有施工方便、体积小、重量轻、性能稳定、灵敏度高、易 于实现自动化监测等优点;利用环向传感光纤、纵向传感光纤铺设成网状,形成了覆盖面较 广的光纤监测网,避免了传统点式监测法的缺陷,实现对隧道的全方位监测,且提高了监测 预警的准确性。利用温度补偿光纤对环向传感光纤、纵向传感光纤的监测数据进行修正,进 一步提高了监测数据的精确度。利用传感子系统可对隧道结构应变、温度进行多维度监测, 从而提供较为全面的隧道健康信息,主要包括隧道衬砌剥落、掉块、塌方、渗漏、涌水、火灾 等灾害信息。由图3可知,光电转换器22将所监测的光信号转换为电信号,最大程度的减小 了数据传输过程中的误码率,保证监测信息的准确度。由图4可知,根据隧道现场反馈信息, 通过设置单元和判据单元可人为设定灾害等级参数,从而提供更加精准的隧道健康分级预 警信息。综上,本发明可实现对运营隧道衬砌剥落、掉块、塌方、渗漏、涌水、火灾等灾害的实 时在线监测,其具有成本低、施工方便、抗干扰能力强、空间适用性强、自动化程度高、预警 准确度高等优点,具有较高的经济效益和社会效益。
[0051]最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照最 佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1. 一种基于分布式光纤传感的运营隧道健康监测预警系统,其特征在于:所述基于分 布式光纤传感的运营隧道健康监测预警系统包括预警子系统、数据处理子系统、无线传输 子系统、数据采集子系统以及光纤传感子系统;所述光纤传感子系统设置在隧道衬砌混凝 土表面,获取隧道衬砌结构应变、温度信息;所述数据采集子系统通过光纤传感子系统对隧 道现场进行实时在线监测,获取隧道实时监测信号,并利用光纤分析仪及光电转换器将监 测信号转换为电信号;所述无线传输子系统将数据采集子系统采集并转换得到的电信号进 行远距离传输至数据处理子系统;所述数据处理子系统将接收到的电信号进行解析并将各 类数据与预定阈值进行比较,再将比较结果通过预警子系统执行预警任务; 所述光纤传感子系统包括沿隧道拱圈环向布设的一条或多条环向传感光纤、布设在隧 道任意一侧电缆沟内的温度补偿光纤以及布设在隧道拱顶、两侧拱肩以及两侧拱腰位置的 纵向传感光纤;所述环向传感光纤是多条时,相邻环向传感光纤间距不大于10m;所述多条 环向传感光纤通过设置在隧道拱脚部位的过渡段传感光纤连接;所述环向传感光纤、温度 补偿光纤以及纵向传感光纤分别与数据采集子系统相连; 所述数据采集子系统包括光纤分析仪以及光电转换器;所述环向传感光纤、温度补偿 光纤以及纵向传感光纤分别通过光纤分析仪接入光电转换器;所述光电转换器接入无线传 输子系统; 所述无线传输子系统包括数据传输接口以及与数据传输接口相连的无线数据发送系 统;所述光电转换器将采集并转换得到的电信号传输至数据传输接口;所述无线数据发送 系统通过无线的方式将数据采集子系统采集并转换得到的电信号进行远距离传输至数据 处理子系统; 所述数据处理子系统包括无线数据接收系统、用于设置预警信息的设置单元以及用于 判断接收到的电信号是否达到预警信息并将预警信息进行预警发送的判据单元;所述无线 数据发送系统通过无线的方式将数据采集子系统采集并转换得到的电信号进行远距离传 输至无线数据接收系统;所述无线数据接收系统通过设置单元接入判据单元;所述预警信 息包括隧道掉块参数、隧道塌方参数、隧道渗漏参数、隧道火灾参数以及隧道衬砌剥落参 数;所述无线数据接收系统是GPRS数据接收系统; 所述预警子系统包括安全预警平台以及与安全预警平台相连的短信发送服务器;所述 设置单元将预警信息依次通过安全预警平台以及短信发送服务器发送进行预警任务;所述 安全预警平台包括Web平台以及与Web平台相连的数据服务器。
2. 根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的运营隧道健康监测预警系统,其特征 在于:所述光纤分析仪的工作波长的范围是1550±5 nm,所述光纤分析仪的最大动态范围 为15 dB,所述光纤分析仪的应变测试精度为±10 M,所述光纤分析仪的频率扫描间隔为 50 MHz;所述光电转换器的通信速率不小于115 Kbps,所述光电转换器的误码率应小于 10%〇
3. 根据权利要求2所述的基于分布式光纤传感的运营隧道健康监测预警系统,其特征 在于:所述数据传输接口是USB接口;所述无线数据发送系统是GPRS数据发送系统。
4. 一种基于如权利要求3所述的基于分布式光纤传感的运营隧道健康监测预警系统运 营隧道健康监测预警方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤: 1)在隧道衬砌混凝土表面设置光纤传感子系统,所述沿隧道拱圈环向布设一条或多条 环向传感光纤,在隧道任意一侧电缆沟内布设温度补偿光纤以及在隧道拱顶、两侧拱肩以 及两侧拱腰位置布设纵向传感光纤; 2) 利用数据采集子系统对光纤传感子系统的应变以及温度数据进行实时在线监测,并 通过数据采集子系统的光电转换器将所监测到的实时监测数据转换为电信号; 3) 通过无线传输子系统将步骤2)采集并转换得到的电信号发送至数据处理子系统中; 4) 数据处理子系统接收到步骤幻所发来的电信号后,对实时监测数据进行实时标准超 限对比分析,若无超限数据,直接返回步骤2);若存在超限数据,则进行步骤5); 5) 将步骤4)中的超限数据与设定的预鑿参数进行对比分析,进行分级预警,产生分级 预警结果; 6) 通过预警子系统将分级预警结果进行预警发送。
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