CN105423936A - 一种全自动激光隧道断面收敛仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动激光隧道断面收敛仪及测量方法，包括激光测距系统、采集通信系统(2)、安装固定系统(3)；所述激光测距系统包含若干个激光测距模块(11)；所述采集通信系统(2)包括中央处理模块、数据采集模块、数据存储模块、数据通信模块、电源管理模块、电源接口(26)、数据接口(27)；所述安装固定系统(3)包括基座(31)、核心板(32)、边框板(33)、盖板(34)、倾角计(35)；所述激光测距模块(11)固定在核心板(32)上，每个激光测距模块(11)都通过数据线与数据采集模块相连，所述激光测距模块(11)和固定在核心板(32)设置在边框板(33)内。本发明能够方便地安装在隧道拱顶或者侧壁上，并实现全自动化的隧道断面多点收敛监测与数据传输。

Description

一种全自动激光隧道断面收敛仪及测量方法

技术领域

本发明涉及隧道变形监测领域，特别涉及一种全自动激光隧道断面收敛仪，适用于对铁路、公路隧道断面的收敛变形进行长期监测。

背景技术

在隧道及地下工程的施工与运营阶段，隧道断面的收敛变形是一项重要的监测内容。在施工阶段，断面的收敛变形反映了隧道结构与围岩土体在卸荷载条件下的受力状态与稳定性；而在运维阶段，它反映了隧道结构的性能演化，是判断结构安全与运营维护的重要依据。

最常用隧道断面收敛测量装置是接触式的。例如，专利文献200910182325.5公开了一种精密杆式收敛计，专利文献CN102494627B公开了一种精密钢索式数显收敛计，但此类收敛装置的测量部件须穿越隧道的断面空间，无法在繁忙的运营期的铁路或者公路隧道中进行长期监测。

现有技术中，更为合理的长期监测技术方案是非接触式的测量方法，此类方法具有精度高、重量轻，操作方便、不影响隧道通行的优点。专利文献CN102297661B公开了一种激光式收敛计装置，实现了无靶标非接触式的收敛测量；专利文献CN103743355A公开了一种便携式激光收敛计装置，可以通过插头快速安装并定位激光收敛计；专利文献CN202074964U公开了一种隧道收敛激光监测系统。上述三个专利文献将单个手持式的激光测距仪与机械结构相结合，仅能进行点到点的隧道水平直径或垂直直径的变形测量，这种测量模式无法满足全断面隧道收敛变形的需求。

专利文献CN103776359A公开了一种基于微波测距的隧道收敛传感器，但这种传感器需在隧道内壁设置靶标，然而在长期监测中，无法确保隧道的收敛变形能使得微波始终命中靶标。专利文献CN104613887A公开了一种断面沉降收敛分析仪器，包含前后垂准测量激光系统和半圆面激光测距系统，可以测量一个断面上19个测点的收敛变形；专利文献CN104792274A公开了一种圆形隧道收敛变形的测量方法，该方法使用三维激光扫描仪获得隧道三维点云，对原始数据除噪后，使用圆柱拟合算法得到隧道三维收敛变形，但该方法仅适用于圆形隧道；专利文献CN103335596A公布了一种带有球窝的隧道收敛位移和拱顶沉降测量装置，仅需一台测量装置便可完成对整个隧道收敛的测量。然而，上述四个专利文献所公开的技术需要大量的人工现场调整与操作，无法实现自动化的长期断面监测。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种全自动激光隧道断面收敛仪及测量方法，能够方便地安装在隧道拱顶或者侧壁上，并实现全自动化的隧道断面多点收敛监测与数据传输。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种全自动激光隧道断面收敛仪，包括三个子系统：激光测距系统、采集通信系统、安装固定系统。

所述激光测距系统包含若干个激光测距模块。

所述采集通信系统包括中央处理模块、数据采集模块、数据存储模块、数据通信模块、电源管理模块、电源接口、数据接口。

所述安装固定系统包括基座、核心板、边框板、盖板、倾角计，所述倾角计用于安装时确定全自动激光隧道断面收敛仪的姿态，使得核心板的平面与隧道断面平面相平行。

所述激光测距模块通过螺柱固定在核心板上，所有激光测距模块的测量轴线反向交汇于一点，可以根据具体工程需求，设计调整激光测距模块的测量范围和各激光测距模块之间的夹角，使得测量范围可以满足0～360°全覆盖。每个激光测距模块都通过数据线与数据采集模块相连，所述激光测距模块和固定在核心板设置在边框板内。

所述采集通信系统设置在边框板内，所述电源接口和数据接口安装在边框板的侧面。

所述基座安装在边框板前部，所述盖板通过螺丝与边框板相连接，边框板、盖板形成一封闭外壳。

上述的一种全自动激光隧道断面收敛仪，其中，所述采集通信系统的中央处理模块、数据采集模块、数据存储模块、数据通信模块、电源管理模块集成在一块电路上，并相互连通，所述电源接口通过电缆与电源管理模块相连，数据接口通过数据线缆与数据通信模块相连。所述中央处理模块按照内部既有指令或数据通信模块输入的指令，控制数据采集模块采集激光测距模块的测量数据，采集得到数据后，将数据储存入数据存储模块内，再控制数据通信模块将数据存储模块内的数据输出。

上述的一种全自动激光隧道断面收敛仪，其中，所述基座上还设有螺栓孔，可以通过膨胀螺栓固定在隧道内壁上。

上述的一种全自动激光隧道断面收敛仪，其中，所述边框板上设有多个孔洞，在孔洞上安装透镜，光测距模块发射的激光束可通过透镜射出，到达隧道内壁。

上述的一种全自动激光隧道断面收敛仪，其中，所述盖板内侧设有密封垫，使得装置整体可以防止水与灰尘的侵入。

上述的一种全自动激光隧道断面收敛仪，其中，所述激光测距模块采用相位式激光测距传感器、激光雷达式测距传感器、激光三角式测距传感器中的任意一种。

上述的一种全自动激光隧道断面收敛仪，其中，所述数据通信模块通过RS485接口、USB接口、Wi-Fi、Lan、GPRS、ZigBee或蓝牙的通信方式输入/输出数据。

上述的一种全自动激光隧道断面收敛仪，其中，所述电源管理模块内部安装有蓄电池。

一种基于上述的全自动激光隧道断面收敛仪的数据处理及测点收敛计算方法、预警判别方法，至少包括以下步骤：

(1)剔除无效点：剔除测距数据中的不良点和噪点，由于本发明用于监测运营期隧道，因此有时激光测点会打至车辆上，造成无效测值。计算每个测点在一定时间段内测值的均值，作为测点均值；选定一定范围的测点均值，剔除原始测量数据中在测点均值范围之外的测值。

(2)计算测点坐标：以激光测距模块轴线的交汇点作为坐标系原点O，假定该点为不动点，全自动激光断面收敛仪的水平轴线在测量平面内与x轴的夹角为α_i，装置包含n个激光测距模块，第i个激光测距模块的测量轴线与水平轴线的夹角为β_i，则第i个激光测距模块的测量轴线与x轴的夹角θ_i为：

θ_i＝α_i+β_i，

第i个激光测距模块测量到的距离值为L_i，则该激光测点的坐标值为：

x_i＝cosθ_i·L_i

y_i＝sinθ_i·L_i。

(3)计算测点收敛：取第i个测点的坐标(x_i，y_i)和第j个测点的坐标(x_j，y_j)，则该两个测点之间的收敛△D为：

$\mathrm{\Δ}D=\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+{(y_i-y_j)}^2}.$

(4)预警判别：在隧道断面发生收敛变形后，测点坐标发生变化，两点之间的距离变为D’，预设一个收敛预警值ΔD，当|D′-D|＞ΔD时，则系统发出警报。

综上所述，采用上述技术方案，本发明具有以下优点和积极效果：

1、本发明所述的一种全自动激光隧道断面收敛仪继承了激光测距仪在距离测量中的优点，精度高、稳定性高且无需在隧道内另行布置靶标；

2、本发明装置中包含多个激光测距模块，可以实现多个测点的同步测量，通过采集通信模块，实现了隧道断面收敛的自动化测量与数据传输，避免了人工现场操作；

3、本发明的激光测距系统可以根据实际需求灵活布置，适用于各种形状的隧道，通用性强；

4、本发明的全固定式的内部结构设计，可以避免安装和使用过程中机械振动造成零部件损伤导致的系统误差；

5、本发明可以根据实测数据，自动化地拟合得到断面变形曲线，并可自动判断报警；

6、本发明具有体积小、重量轻、安装快捷的特点，特别适用于施工期与运营期隧道断面的长期监测。

附图说明

图1为本发明一种全自动激光隧道断面收敛仪的外部结构示意图；

图2为本发明一种全自动激光隧道断面收敛仪的内部结构示意图；

图3为本发明一种全自动激光隧道断面收敛仪的内部结构平面图；

图4为本发明的采集通信系统的架构图；

图5为本发明的监测流程图；

图6为本发明的监测隧道内径收敛示意图；

图7为本发明计算测点坐标示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细介绍。

请参见图1、图2、图3，一种全自动激光隧道断面收敛仪，包括三个子系统：激光测距系统、采集通信系统2、安装固定系统3。

激光测距系统包含若干个激光测距模块11，激光测距模块11采用相位式激光测距传感器、激光雷达式测距传感器、激光三角式测距传感器中的任意一种。所有激光测距模块的测量轴线反向交汇于一点，可以根据具体工程需求，设计调整激光测距模块的测量范围和各激光测距模块之间的夹角，使得测量范围可以满足0～360°全覆盖。

如图4所示，采集通信系统2包括中央处理模块、数据采集模块、数据存储模块、数据通信模块、电源管理模块、电源接口26、数据接口27，中央处理模块、数据采集模块、数据存储模块、数据通信模块、电源管理模块集成在一块电路上，并相互连通，电源接口26通过电缆与电源管理模块相连，数据接口27通过数据线缆与数据通信模块相连。

数据通信模块通过RS485接口、USB接口、Wi-Fi、Lan、GPRS、ZigBee或蓝牙的通信方式输入/输出数据。

电源管理模块既可以外接电源，又自带电源，能够保证无外部电源状态下，全自动激光隧道断面收敛仪长时间的正常运行。

如图1、图2、图3所示，安装固定系统3包括基座31、核心板32、边框板33、盖板34，基座31安装在边框板33前部，边框板33沿着核心板32边缘布置，与其垂直连接，盖板34通过螺丝与边框板33相连接，盖板34内侧设有密封垫，使得装置整体可以防止水与灰尘的侵入，边框板33、盖板34形成一封闭外壳。

在安装固定系统3上还布置有若干个倾角计35。

核心板32上设置有若干个螺柱321，用于固定激光测距模块11，螺柱321的排布可根据激光测距模块的排布位置进行调整，每个激光测距模块11都通过数据线与数据采集模块相连。激光测距模块11和固定在核心板32设置在边框板33内，采集通信系统2设置在边框板33内，电源接口26和数据接口27安装在边框板33的侧面。

在基座31上设有螺栓孔311；边框板33上设有孔洞331，用于安装透镜332，激光测距模块发射的激光束可通过透镜332射出，到达隧道内壁。

如图5所示，在全自动激光隧道断面收敛仪在安装前，先测定隧道轴线的倾角。在隧道内壁选定一个安装收敛仪后不会影响交通通行的位置，在安装时使用倾角计35确定。在选定位置处的隧道内壁上打孔，将膨胀螺栓穿过螺栓孔311，埋入孔内，使得基座31固定在隧道内壁上。根据倾角计35的读数确定核心板33的姿态，不断对三个螺栓进行微调，使得核心板33的平面与隧道断面平面相平行。

接通断面收敛仪的电源接口26与数据传输接口27，通过远程服务器可以与数据通信模块取得通信，通过数据通信模块给予中央处理模块采集数据的指令。中央处理模块控制数据采集模块激发激光测距模块测量数据，采集得到数据后，将数据储存入数据存储模块内，再控制数据通信模块将数据存储模块内的数据输出。

如图6、图7所示，全自动激光隧道断面收敛仪固定在隧道内壁表面，通过n个激光测距模块测量得到收敛仪至隧道内壁n个测点的距离。以激光测距模块轴线的交汇点作为坐标系原点O，假定该点为不动点，全自动激光断面收敛仪的水平轴线AB在测量平面内与x轴的夹角为α_i，装置包含n个激光测距模块，第i个激光测距模块的测量轴线与水平轴线的夹角为β_i，则第i个激光测距模块的测量轴线与x轴的夹角θ_i为：

θ_i＝α_i+β_i；

第i个激光测距模块测量到的距离值为L_i，则该激光测点C的坐标值为：

x_i＝cosθ_i·L_i

y_i＝sinθ_i·L_i；

取第i个测点的坐标(x_i，y_i)和第j个测点的坐标(x_j，y_j)，则该两个测点之间的距离D为：

$D=\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+{(y_i-y_j)}^2}.$

在隧道断面发生收敛变形后，测点坐标发生变化，两点之间的距离变为D’。预设一个收敛预警值|ΔD|，当|D′-D|＞|ΔD|时，则系统发出警报。

全自动激光测距传感器测量得到的距离也可以用于隧道断面形状的拟合与重构，从而得到隧道断面横纵径与椭圆率等参数。在施工期荷载或者运营期长期荷载作用下，隧道断面发生收敛变形，这种变化将在收敛仪的测量数据中反映出来。远程客户端以一定的频率不断控制激光式断面收敛仪进行测量，从而可以自动化地监测隧道断面的长期变形状况。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (9)

1.一种全自动激光隧道断面收敛仪，其特征在于，包括三个子系统：激光测距系统、采集通信系统(2)、安装固定系统(3)；

所述激光测距系统包含若干个激光测距模块(11)；

所述采集通信系统(2)包括中央处理模块、数据采集模块、数据存储模块、数据通信模块、电源管理模块、电源接口(26)、数据接口(27)；

所述安装固定系统(3)包括基座(31)、核心板(32)、边框板(33)、盖板(34)、倾角计(35)；

所述激光测距模块(11)通过螺柱(321)固定在核心板(32)上，每个激光测距模块(11)都通过数据线与数据采集模块相连，所述激光测距模块(11)和固定在核心板(32)设置在边框板(33)内；

所述采集通信系统(2)设置在边框板(33)内，所述电源接口(26)和数据接口(27)安装在边框板(33)的侧面；

所述基座(31)安装在边框板(33)前部，所述盖板(34)通过螺丝与边框板(33)相连接，边框板(33)、盖板(34)形成一封闭外壳。

2.根据权利要求1所述的一种全自动激光隧道断面收敛仪，其特征在于，所述采集通信系统(2)的中央处理模块、数据采集模块、数据存储模块、数据通信模块、电源管理模块集成在一块电路上，并相互连通，所述电源接口(26)通过电缆与电源管理模块相连，数据接口(27)通过数据线缆与数据通信模块相连。

3.根据权利要求1所述的一种全自动激光隧道断面收敛仪，其特征在于，所述基座(31)上还设有螺栓孔(311)。

4.根据权利要求1所述的一种全自动激光隧道断面收敛仪，其特征在于，所述边框板(33)上设有多个孔洞(331)，在孔洞(331)上安装透镜(332)。

5.根据权利要求1所述的一种全自动激光隧道断面收敛仪，其特征在于，所述盖板(34)内侧设有密封垫。

6.根据权利要求1所述的一种全自动激光隧道断面收敛仪，其特征在于，所述激光测距模块(11)采用相位式激光测距传感器、激光雷达式测距传感器、激光三角式测距传感器中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的一种全自动激光隧道断面收敛仪，其特征在于，所述数据通信模块通过RS485接口、USB接口、Wi-Fi、Lan、GPRS、ZigBee或蓝牙的通信方式输入/输出数据。

8.根据权利要求1所述的一种全自动激光隧道断面收敛仪，其特征在于，所述电源管理模块内部安装有蓄电池。

9.一种基于权利要求1所述的全自动激光隧道断面收敛仪的数据处理及测点收敛计算方法、预警判别方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

(1)剔除无效点：剔除测距数据中的不良点和噪点，计算每个测点在一定时间段内测值的均值，作为测点均值；选定一定范围的测点均值，剔除原始测量数据中在测点均值范围之外的测值；

(2)计算测点坐标：以激光测距模块轴线的交汇点作为坐标系原点O，假定该点为不动点，全自动激光断面收敛仪的水平轴线在测量平面内与x轴的夹角为α_i，装置包含n个激光测距模块，第i个激光测距模块的测量轴线与水平轴线的夹角为β_i，则第i个激光测距模块的测量轴线与x轴的夹角θ_i为：

θ_i＝α_i+β_i，

第i个激光测距模块测量到的距离值为L_i，则该激光测点的坐标值为：

x_i＝cosθ_i·L_i

y_i＝sinθ_i·L_i；

(3)计算测点收敛：取第i个测点的坐标(x_i，y_i)和第j个测点的坐标(x_j，y_j)，则该两个测点之间的收敛ΔD为：

$\mathrm{\Δ}D=\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+{(y_i-y_j)}^2};$

(4)预警判别：在隧道断面发生收敛变形后，测点坐标发生变化，两点之间的距离变为D’，预设一个收敛预警值ΔD，当|D′-D|＞ΔD时，则系统发出警报。