CN106197304B - 一种高速铁路隧道收敛自动检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速铁路隧道收敛自动检测装置及检测方法，包括：激光靶、电源模块、机柜、激光传感器、倾角传感器、通信模块和服务器；机柜固定在隧道的内壁上，激光靶固定在隧道的内壁上，激光传感器固定在机柜内，激光传感器与倾角传感器固定连接，激光传感器、倾角传感器和通信模块分别与电源模块连接，激光传感器和倾角传感器分别与通信模块连接，通信模块与服务器通讯，通信模块将激光传感器测量的距离和倾角传感器测量的偏转角度传送到服务器，服务器根据距离和偏转角度获得隧道收敛值，这种高速铁路隧道收敛自动检测装置，实现了高速铁路隧道位移、收敛实时、快速、长期的监测。

Description

一种高速铁路隧道收敛自动检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及隧道工程测量技术领域，特别涉及一种高速铁路隧道收敛自动检测装置及检测方法。

背景技术

隧道施工及运营维护过程中，通过对隧道周边净空尺寸变化的测量，即对隧道周边收敛位移的测量，可以直观明确地判断隧道围岩或结构的稳定性，因此，收敛位移是隧道监测中的常规监测项目。

高速铁路隧道收敛检测，目前主要采用人工的方式或者车载的方式，利用全站仪、激光传感器、CCD摄像头等工具，对隧道断面收敛情况进行监测，但其效率低，周期长，延迟大，已经不能满足对隧道结构状态实时监测的要求。车载方式时，主要在轨检车上车体断面焊接槽型框架结构，采用CCD摄像机、激光发射装置，在检测车行进过程中检测隧道断面情况，由于轨检车有限，每条线的监测周期一个月为一到两次，同样存在检测周期长，延迟大的问题，而且由于运动多普勒效应及车体本身的振动，降低了测量精度。随着高精度的传感器技术、通信技术的发展，构建自动、实时、长期的隧道收敛检测系统成为急需解决的问题。

发明内容

本发明提供一种高速铁路隧道收敛自动检测装置及检测方法，该自动监测装置解决了隧道收敛实时测量困难的问题。

本发明提供了一种高速铁路隧道收敛自动检测装置，包括：激光靶、电源模块、机柜、激光传感器、倾角传感器、通信模块和服务器；机柜固定在隧道的内壁上，激光靶固定在隧道的内壁上，激光传感器固定在机柜内，激光传感器与倾角传感器固定连接，激光传感器、倾角传感器和通信模块分别与电源模块连接，激光传感器和倾角传感器分别与通信模块连接，通信模块与服务器通讯，激光传感器发射激光给激光靶，并接收激光靶反射回来的激光，测量激光传感器到激光靶之间的距离，倾角传感器测量激光传感器相对激光靶的偏转角度，通信模块将激光传感器测量的距离和倾角传感器测量的偏转角度传送到服务器，服务器根据距离和偏转角度获得隧道收敛值。

进一步地，所述机柜包括第一机柜和第二机柜，第一机柜和第二机柜内均固定有至少一个激光头连接支架，第一机柜设置在隧道一侧的内壁上，第二机柜对称设置在隧道另一侧的内壁上，所述激光传感器包括：第一激光头、第二激光头和第三激光头，第一激光头和第二激光头分别通过激光头连接支架设置在第一机柜内，第三激光头通过激光头连接支架设置在第二机柜内，所述倾角传感器包括：第一倾角传感器、第二倾角传感器和第三倾角传感器，第一激光头和第一倾角传感器固定连接，第二激光头和第二倾角传感器固定连接，第三激光头和第三倾角传感器固定连接，所述激光靶包括：第一激光靶、第二激光靶和第三激光靶，第一激光靶和第三激光靶均固定在隧道的拱顶上，第二激光靶固定在隧道另一侧的内壁上。

进一步地，所述第一激光靶和第三激光靶背靠背形成倒置的三角柱体，第二激光靶为平面激光靶，第一激光头正对第一激光靶设置，第二激光头正对第二激光靶设置，第三激光头正对第三激光靶设置。

进一步地，其特征在于，所述电源模块包括：开关电源、蓄电池、蓄电池充电控制器和时间继电器，交流220V电通过开关电源转换为直流电给蓄电池充电控制器供电，蓄电池充电控制器给蓄电池充电或接收蓄电池的放电，蓄电池充电控制器通过时间继电器分别给激光传感器、倾角传感器和通信模块供电。

进一步地，所述通信模块将激光传感器和倾角传感器测量的数据通过无线方式或有线方式传送到服务器。

进一步地，所述有线方式为光缆或超五类双绞线，所述无线方式为无线2G网络、无线3G网络无线4G网络。

一种高速铁路隧道收敛自动检测装置的检测方法，包括以下步骤：

(1)定义特征点

在安装调试过程中，调整激光传感器，分别使激光对准激光靶的靶心，激光靶的靶心坐标设为(0，0)、以及激光靶边缘的四个特征点，四个特征点的坐标设为(-x，0)、(x，0)、(0，-y)和(0，y)，利用激光传感器测量激光传感器距离激光靶靶心的距离及激光传感器距离激光靶边缘四个特征点的距离依次为r₀₀、r_-x0、r_x0、r_0-y和r_0y、同时利用倾角传感器测量激光传感器相对激光靶的靶心及激光靶边缘四个特征点在X轴和Y轴上的偏转角度依次为(θ_x0,θ_y0)、(θ_x-x,θ_y0)、(θ_xx,θ_y0)、(θ_x0,θ_y-y)和(θ_x0,θ_yy)，激光靶的靶心及激光靶边缘的四个特征点用向量表示为R₀(r₀₀,θ_x0,θ_y0)、R_-x(r_-x0,θ_x-x,θ_y0)、R_x(r_x0,θ_xx,θ_y0)、R_-y(r_0-y,θ_x0,θ_y-y)和R_-y(r_0y,θ_x0,θ_yy)；

(2)定义初始收敛值Δr₀

安装调试完成后，利用激光传感器和倾角传感器测量安装调试完成后开始使用时激光传感器到激光靶的距离r₀'及激光传感器相对激光靶在X轴和Y轴上的偏转角度(θ_x',θ_y')，用向量表示为R₀'(r₀',θ_x',θ_y')，定义其为初始值，并利用向量R₀'在R₀上的投影对距离r₀'进行修正，修正后的值为r'＝R₀'·R₀/|R₀|，r'与|R₀|的差值Δr₀为隧道初始收敛值，即Δr₀＝R₀'·R₀/|R₀|-|R₀|；

(3)隧道收敛值的实时检测

激光传感器实时测量激光传感器到激光靶之间的距离r₀，同时倾角传感器测量激光传感器相对激光靶在X轴和Y轴上的偏转角度(θ_x,θ_y)，用向量表示为R(r₀,θ_x,θ_y)，且θ_x与θ_y满足条件θ_x-x＜θ_x＜θ_xx，θ_y-y＜θ_y＜θ_yy，通信模块将激光传感器测量的距离r₀和倾角传感器测量的偏转角度(θ_x,θ_y)发送到服务器，服务器根据距离r₀和偏转角度(θ_x,θ_y)，利用向量R在R₀上的投影对距离r₀进行修正，修正后的值为r＝R·R₀/|R₀|，那么，修正后隧道收敛变化量Δr为Δr＝(r-|R₀|)-Δr₀。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明在利用激光的单色相和相干性好、方向性强的特点实现高精度测量，同时加固装置和倾角传感器角度矫正保证了振动条件下的测量精度，有线/无线的数据通信方式，保证了数据能够及时传输到监控中心，实现了高速铁路隧道位移、收敛实时、快速、长期的监测，该自动监测装置解决了隧道收敛实时测量困难的问题，满足了高速铁路隧道位移、收敛实时、快速、长期、自动监测的需求。

附图说明

图1为本发明提供的一种高速铁路隧道收敛自动检测装置连接示意图。

图2为本发明提供的一种高速铁路隧道收敛自动检测装置安装结构示意图。

图3为本发明提供的一种高速铁路隧道收敛自动检测装置电源模块的结构示意图。

图4为本发明提供的一种高速铁路隧道收敛自动检测装置的检测方法中的修正示意图。

附图标记说明：

1-激光靶，1-1-第一激光靶，1-2-第二激光靶，1-3-第三激光靶，2-电源模块，3-激光传感器，3-1-第一激光头，3-2-第二激光头，3-3-第三激光头，4-倾角传感器，4-1-第一倾角传感器，4-2-第二倾角传感器，4-3-第三倾角传感器，5-通信模块，6-服务器，7-1-第一机柜，7-2-第二机柜，8-蓄电池，9-蓄电池充电控制器，10-开关电源，11-时间继电器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1所示，本发明实施例提供的一种高速铁路隧道收敛自动检测装置，包括：激光靶1、电源模块2、机柜、激光传感器3、倾角传感器4、通信模块5和服务器6；

机柜固定在隧道的内壁上，激光靶1固定在隧道的内壁上，激光传感器3固定在机柜内，激光传感器3与倾角传感器4固定连接，激光传感器3、倾角传感器4和通信模块5分别与电源模块2连接，激光传感器3和倾角传感器4分别与通信模块5连接，通信模块5与服务器6通讯，激光传感器3发射激光给激光靶1，并接收激光靶1反射回来的激光，测量激光传感器3到激光靶1之间的距离，倾角传感器4测量激光传感器3相对激光靶1的偏转角度，通信模块5将激光传感器3测量的距离和倾角传感器4测量的偏转角度传送到服务器6，服务器6根据距离和偏转角度获得隧道收敛值。

进一步地，如图2所示，所述机柜包括第一机柜7-1和第二机柜7-2，第一机柜7-1和第二机柜7-2内均固定有至少一个激光头连接支架，第一机柜7-1设置在隧道一侧的内壁上，第二机柜7-2对称设置在隧道另一侧的内壁上，所述激光传感器3包括：第一激光头3-1、第二激光头3-2和第三激光头3-3，第一激光头3-1和第二激光头3-2分别通过激光头连接支架设置在第一机柜7-1内，第三激光头3-3通过激光头连接支架设置在第二机柜7-2内，所述倾角传感器4包括：第一倾角传感器4-1、第二倾角传感器4-2和第三倾角传感器4-3，第一激光头3-1和第一倾角传感器4-1固定连接，第二激光头3-2和第二倾角传感器4-2固定连接，第三激光头3-3和第三倾角传感器4-3固定连接，所述激光靶1包括：第一激光靶1-1、第二激光靶1-2和第三激光靶1-3，第一激光靶1-1和第三激光1-3靶均固定在隧道的拱顶上，第二激光1-2靶固定在隧道另一侧的内壁上。

进一步地，所述第一激光靶1-1和第三激光靶1-3背靠背形成倒置的三角柱体，第二激光靶1-2为平面激光靶，第一激光头3-1正对第一激光靶1-1设置，第二激光头3-2正对第二激光靶1-2设置，第三激光头3-3正对第三激光靶1-3设置。

进一步地，如图3所示，所述电源模块2包括：开关电源10、蓄电池8、蓄电池充电控制器9和时间继电器11，交流220V电通过开关电源10转换为直流电给蓄电池充电控制器9供电，蓄电池充电控制器9给蓄电池8充电或接收蓄电池8的放电，蓄电池充电控制器9通过时间继电器11分别给激光传感器3、倾角传感器4和通信模块5供电。

在检测装置中安装了蓄电池8及蓄电池充电设备，在天窗点停电时为激光传感器、倾角传感器、通信装置供电。

进一步地，所述通信模块5将激光传感器3和倾角传感器4测量的数据通过无线方式或有线方式传送到服务器6。

进一步地，所述有线方式为光缆或超五类双绞线，所述无线方式为无线2G网络、无线3G网络无线4G网络。

如图4所示，一种高速铁路隧道收敛自动检测装置的检测方法，包括以下步骤：

(1)定义特征点

激光传感器3发射激光给激光靶1，并接收激光靶1反射回来的激光，测量激光传感器3到激光靶1之间的距离r，倾角传感器4测量激光传感器3相对激光靶1在X轴和Y轴上的偏转角度(θ_x,θ_y)，通信模块5将激光传感器3测量的距离r和倾角传感器4测量的偏转角度(θ_x,θ_y)发送到服务器6，在安装调试过程中，调整激光传感器3，分别使激光对准激光靶1的靶心，激光靶1的靶心坐标设为(0，0)、以及激光靶1边缘的四个特征点，四个特征点的坐标设为(-x，0)、(x，0)、(0，-y)和(0，y)，利用激光传感器3测量激光传感器3距离激光靶1靶心的距离及激光传感器3距离激光靶1边缘四个特征点的距离依次为r₀₀、r_-x0、r_x0、r_0-y和r_0y、同时利用倾角传感器4测量激光传感器3相对激光靶1的靶心及激光靶1边缘四个特征点在X轴和Y轴上的偏转角度依次为(θ_x0,θ_y0)、(θ_x-x,θ_y0)、(θ_xx,θ_y0)、(θ_x0,θ_y-y)和(θ_x0,θ_yy)，激光靶1的靶心及激光靶1边缘的四个特征点用向量表示为R₀(r₀₀,θ_x0,θ_y0)、R_-x(r_-x0,θ_x-x,θ_y0)、R_x(r_x0,θ_xx,θ_y0)、R_-y(r_0-y,θ_x0,θ_y-y)和R_-y(r_0y,θ_x0,θ_yy)；

(2)定义初始收敛值Δr₀

安装调试完成后，利用激光传感器3和倾角传感器4测量安装调试完成后开始使用时激光传感器3到激光靶1的距离r₀'及激光传感器3相对激光靶1在X轴和Y轴上的偏转角度(θ_x',θ_y')，用向量表示为R₀'(r₀',θ_x',θ_y')，定义其为初始值，并利用向量R₀'在R₀上的投影对距离r₀'进行修正，修正后的值为r'＝R₀'·R₀/|R₀|，r'与|R₀|的差值Δr₀为隧道初始收敛值，即Δr₀＝R₀'·R₀/|R₀|-|R₀|；

(3)隧道收敛值的实时检测

激光传感器3实时测量激光传感器3到激光靶1之间的距离r₀，同时倾角传感器4测量激光传感器3相对激光靶1在X轴和Y轴上的偏转角度(θ_x,θ_y)，用向量表示为R(r₀,θ_x,θ_y)，且θ_x与θ_y满足条件θ_x-x＜θ_x＜θ_xx，θ_y-y＜θ_y＜θ_yy，通信模块5将激光传感器3测量的距离r₀和倾角传感器4测量的偏转角度(θ_x,θ_y)发送到服务器6，服务器6根据距离r₀和偏转角度(θ_x,θ_y)，利用向量R在R₀上的投影对距离r₀进行修正，修正后的值为r＝R·R₀/|R₀|，那么，修正后隧道收敛变化量Δr为Δr＝(r-|R₀|)-Δr₀。

在高速铁路隧道拱顶、隧道一次设置激光靶，预埋/安装不锈钢机柜，固定激光传感器及其他附件，利用激光传感器测量精度高的特点，实现激光传感器与激光靶之间的距离测量。

设计激光传感器的固定装置，使激光传感器的偏移尽可能小，控制在一定范围之内，同时将高精度倾角传感器与激光传感器连接固定，形成一个整体，测量激光传感器在X、Y两个方向上的偏转角度，进而根据隧道的空间尺寸、激光传感器的安装位置对测量距离进行修正。

修正方法：

修正方法：

假设隧道内激光靶靶心向量为R₀(10m,0,0)，调试完成后投入使用前的初始向量为R₀'(10.005m,0,0.01rad)。投入使用后如环境振动造成激光传感器偏转，此时激光传感器测量值为10.008m和倾角传感器测量值为(0.01,0.05rad)，构成向量R(10.075m,0.01rad,0.02rad)，修正前隧道收敛值为Δr＝|R|-|R₀'|＝2.5mm，此时隧道并没有发生变形，而环境振动造成了测量误差，所以必须对测量值R进行修正。通过所提修正方法修正初始收敛值为Δr₀＝R₀'·R₀/|R₀|-|R0|＝0.44998mm，隧道值Δr＝(R·R₀/|R₀|-|R₀|)-Δr₀＝0.0998mm。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高速铁路隧道收敛自动检测装置，其特征在于，包括：激光靶、电源模块、机柜、激光传感器、倾角传感器、通信模块和服务器；

机柜固定在隧道的内壁上，激光靶固定在隧道的内壁上，激光传感器固定在机柜内，激光传感器与倾角传感器固定连接，激光传感器、倾角传感器和通信模块分别与电源模块连接，激光传感器和倾角传感器分别与通信模块连接，通信模块与服务器通讯，激光传感器发射激光给激光靶，并接收激光靶反射回来的激光，测量激光传感器到激光靶之间的距离，倾角传感器测量激光传感器相对激光靶的偏转角度，通信模块将激光传感器测量的距离和倾角传感器测量的偏转角度传送到服务器，服务器根据距离和偏转角度获得隧道收敛值；

所述高速铁路隧道收敛自动检测装置的检测方法，包括以下步骤：

(1)定义特征点

在安装调试过程中，调整激光传感器，分别使激光对准激光靶的靶心，激光靶的靶心坐标设为(0，0)、以及激光靶边缘的四个特征点，四个特征点的坐标设为(-x，0)、(x，0)、(0，-y)和(0，y)，利用激光传感器测量激光传感器距离激光靶靶心的距离及激光传感器距离激光靶边缘四个特征点的距离依次为r₀₀、r_-x0、r_x0、r_0-y和r_0y、同时利用倾角传感器测量激光传感器相对激光靶的靶心及激光靶边缘四个特征点在X轴和Y轴上的偏转角度依次为(θ_x0,θ_y0)、(θ_x-x,θ_y0)、(θ_xx,θ_y0)、(θ_x0,θ_y-y)和(θ_x0,θ_yy)，激光靶的靶心及激光靶边缘的四个特征点用向量表示为R₀(r₀₀,θ_x0,θ_y0)、R_-x(r_-x0,θ_x-x,θ_y0)、R_x(r_x0,θ_xx,θ_y0)、R_-y(r_0-y,θ_x0,θ_y-y)和R_-y(r_0y,θ_x0,θ_yy)；

(2)定义初始收敛值Δr₀

安装调试完成后，利用激光传感器和倾角传感器测量安装调试完成后开始使用时激光传感器到激光靶的距离r₀'及激光传感器相对激光靶在X轴和Y轴上的偏转角度(θ_x',θ_y')，用向量表示为R₀'(r₀',θ_x',θ_y')，定义其为初始值，并利用向量R₀'在R₀上的投影对距离r₀'进行修正，修正后的值为r'＝R₀'·R₀/|R₀|，r'与|R₀|的差值Δr₀为隧道初始收敛值，即Δr₀＝R₀'·R₀/|R₀|-|R₀|；

(3)隧道收敛值的实时检测

激光传感器实时测量激光传感器到激光靶之间的距离r₀，同时倾角传感器测量激光传感器相对激光靶在X轴和Y轴上的偏转角度(θ_x,θ_y)，用向量表示为R(r₀,θ_x,θ_y)，且θ_x与θ_y满足条件θ_x-x＜θ_x＜θ_xx，θ_y-y＜θ_y＜θ_yy，通信模块将激光传感器测量的距离r₀和倾角传感器测量的偏转角度(θ_x,θ_y)发送到服务器，服务器根据距离r₀和偏转角度(θ_x,θ_y)，利用向量R在R₀上的投影对距离r₀进行修正，修正后的值为r＝R·R₀/|R₀|，那么，修正后隧道收敛变化量Δr为Δr＝(r-|R₀|)-Δr₀。

2.如权利要求1所述的高速铁路隧道收敛自动检测装置，其特征在于，所述机柜包括第一机柜和第二机柜，第一机柜和第二机柜内均固定有至少一个激光头连接支架，第一机柜设置在隧道一侧的内壁上，第二机柜对称设置在隧道另一侧的内壁上，所述激光传感器包括：第一激光头、第二激光头和第三激光头，第一激光头和第二激光头分别通过激光头连接支架设置在第一机柜内，第三激光头通过激光头连接支架设置在第二机柜内，所述倾角传感器包括：第一倾角传感器、第二倾角传感器和第三倾角传感器，第一激光头和第一倾角传感器固定连接，第二激光头和第二倾角传感器固定连接，第三激光头和第三倾角传感器固定连接，所述激光靶包括：第一激光靶、第二激光靶和第三激光靶，第一激光靶和第三激光靶均固定在隧道的拱顶上，第二激光靶固定在隧道另一侧的内壁上。

3.如权利要求2所述的高速铁路隧道收敛自动检测装置，其特征在于，所述第一激光靶和第三激光靶背靠背形成倒置的三角柱体，第二激光靶为平面激光靶，第一激光头正对第一激光靶设置，第二激光头正对第二激光靶设置，第三激光头正对第三激光靶设置。

4.如权利要求1所述的高速铁路隧道收敛自动检测装置，其特征在于，所述电源模块包括：开关电源、蓄电池、蓄电池充电控制器和时间继电器，交流220V电通过开关电源转换为直流电给蓄电池充电控制器供电，蓄电池充电控制器给蓄电池充电或接收蓄电池的放电，蓄电池充电控制器通过时间继电器分别给激光传感器、倾角传感器和通信模块供电。

5.如权利要求1所述的高速铁路隧道收敛自动检测装置，其特征在于，所述通信模块将激光传感器和倾角传感器测量的数据通过无线方式或有线方式传送到服务器。

6.如权利要求5所述的高速铁路隧道收敛自动检测装置，其特征在于，所述有线方式为光缆或超五类双绞线，所述无线方式为无线2G网络、无线3G网络无线4G网络。

7.如权利要求1所述的高速铁路隧道收敛自动检测装置的检测方法，包括以下步骤：

(1)定义特征点

在安装调试过程中，调整激光传感器，分别使激光对准激光靶的靶心，激光靶的靶心坐标设为(0，0)、以及激光靶边缘的四个特征点，四个特征点的坐标设为(-x，0)、(x，0)、(0，-y)和(0，y)，利用激光传感器测量激光传感器距离激光靶靶心的距离及激光传感器距离激光靶边缘四个特征点的距离依次为r₀₀、r_-x0、r_x0、r_0-y和r_0y、同时利用倾角传感器测量激光传感器相对激光靶的靶心及激光靶边缘四个特征点在X轴和Y轴上的偏转角度依次为(θ_x0,θ_y0)、(θ_x-x,θ_y0)、(θ_xx,θ_y0)、(θ_x0,θ_y-y)和(θ_x0,θ_yy)，激光靶的靶心及激光靶边缘的四个特征点用向量表示为R₀(r₀₀,θ_x0,θ_y0)、R_-x(r_-x0,θ_x-x,θ_y0)、R_x(r_x0,θ_xx,θ_y0)、R_-y(r_0-y,θ_x0,θ_y-y)和R_-y(r_0y,θ_x0,θ_yy)；

(2)定义初始收敛值Δr₀

安装调试完成后，利用激光传感器和倾角传感器测量安装调试完成后开始使用时激光传感器到激光靶的距离r₀'及激光传感器相对激光靶在X轴和Y轴上的偏转角度(θ_x',θ_y')，用向量表示为R₀'(r₀',θ_x',θ_y')，定义其为初始值，并利用向量R₀'在R₀上的投影对距离r₀'进行修正，修正后的值为r'＝R₀'·R₀/|R₀|，r'与|R₀|的差值Δr₀为隧道初始收敛值，即Δr₀＝R₀'·R₀/|R₀|-|R₀|；

(3)隧道收敛值的实时检测

激光传感器实时测量激光传感器到激光靶之间的距离r₀，同时倾角传感器测量激光传感器相对激光靶在X轴和Y轴上的偏转角度(θ_x,θ_y)，用向量表示为R(r₀,θ_x,θ_y)，且θ_x与θ_y满足条件θ_x-x＜θ_x＜θ_xx，θ_y-y＜θ_y＜θ_yy，通信模块将激光传感器测量的距离r₀和倾角传感器测量的偏转角度(θ_x,θ_y)发送到服务器，服务器根据距离r₀和偏转角度(θ_x,θ_y)，利用向量R在R₀上的投影对距离r₀进行修正，修正后的值为r＝R·R₀/|R₀|，那么，修正后隧道收敛变化量Δr为Δr＝(r-|R₀|)-Δr₀。