CN106593534B - 一种智能隧道施工安全监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能隧道施工安全监控系统，包括变形监测传感器组、视频数据采集模块、环境监测传感器组、监测点内应力采集模块、数据处理模块、中央处理器、预测分析模块、专家评估模块、危险动作判定模块、数学模型建立模块、虚拟作动器、虚拟传感器、人机操作模块。本发明能全方位的对隧道施工情况进行实时的检测，从而得出隧道施工情况的多种评估结果，检测结果精确度高，且可以通过隧道施工数学模型的构建，对隧道施工的后续情况进行了预测和仿真分析，可以及时发现隧道施工过程中产生的问题，实现了隧道施工方案的合理选择；具有危险动作、危险环境的自动评估功能，进一步保证了施工人员的施工安全。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工监测系统，具体涉及一种智能隧道施工安全监控系统。
背景技术
隧道施工是工程建设领域很常见的情况，国民经济的重要命脉-公路，由于其特有的灵活和优越性，发挥着其他运输方式不可替代的作用，而公路工程结构的重要组成部分之一也是隧道。随着技术的不断发展，隧道建筑规模越来越大，长度越来越长。然而隧道规模越大，技术难度也相应加大，由于其施工环境复杂，风险相对较高，管理难度较大，因此施工人员的安全问题永远是隧道施工的重中之重。
目前，以往的监测均是人为的进行测量观察，然后进行评估计算，无法真正对隧道施工的安全情况进行评估，同时其检测到的数据都是静态的，隧道的变形情况的发展情况会怎么样，以及这些变形数据会带来的安全隐患都无法进行预测分析，一旦问题发现较晚，便会带来巨大的损失。
同时，现有的隧道施工监测数据均通过有线网或者GPRS、3G等无线方式传输，大大提高了整个系统架设所需要的成本和时间，同时一旦信号较差便会造成数据传输的失败，使得监控缺乏连续性，从而使得整个监测过程的精确度大大降低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种智能隧道施工安全监控系统，在线路中断时，可以通过北斗短报文通讯技术进行数据的应急传输，使用方便；能全方位的对隧道施工情况进行实时的检测，从而得出隧道施工情况的多种评估结果，检测结果精确度高，且可以通过隧道施工数学模型的构建，对隧道施工的后续情况进行了预测和仿真分析，可以及时发现隧道施工过程中产生的问题，也可以将各种隧道施工方案转换成参数后作用于所建立的隧道施工数学模型，实现了隧道施工方案的合理选择；具有危险动作、危险环境的自动评估功能，进一步保证了施工人员的施工安全。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种智能隧道施工安全监控系统，包括
变形监测传感器组，内设北斗模块，安装于建筑实时变形监测点，用于变形监测点的变形数据的采集，并将采集到的数据通过数据传输模块发送到中央处理器；
视频数据采集模块，内设北斗模块，用于通过架设在建筑实时变形监测点周围的数字摄影机进行高分辨率现场变形图像数据以及隧道施工环境图像数据的采集，将采集到的图像数据通过数据传输模块发送到数据处理模块和中央处理器；
环境监测传感器组，由若干自带北斗定位模块的传感器构成，安装在施工隧道内，用于隧道内温度、湿度、有害气体以及压力数据的采集，并将采集到的数据发送到中央处理器；
监测点内应力采集模块，内设北斗模块，用于进行建筑实时变形监测点内内应力数据值的采集，并将采集到的数据通过数据传输模块发送到中央处理器；
数据处理模块，用于通过均值法进行背景建模，在视频图像中取连续N帧，计算这N帧图像像素灰度值的平均值作为背景图像的像素灰度值，建立不同情况下施工阶段和安全参数模型；并将摄像头所采集到的视频图像中的各帧图像转化为灰度，将所得灰度图像与对应的建模背景进行差分操作，并对差分后的图像进行滤波处理，去除噪声，利用预设阈值，对差分后的图像进行对比检测，从而输出施工安全评估结果至显示屏进行显示；还用于通过kinect深度传感器数据进行人体深度信息以及骨骼信息获取，并将获取的数据发送到人脸识别模块；还用于消除所得骨骼信息的抖动和噪声干扰，并获取所有骨骼对的角度旋转移动SO3矩阵信息；
中央处理器，用于接收变形监测传感器组、视频数据采集模块、环境监测传感器组以及监测点内应力采集模块发送的数据，并将这些数据用其对应的北斗信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的数据发送到预测分析模块和专家评估模块；还用于将完成标记的数据转换成数学模型建立模块所能识别的数据格式发送到数学模型建立模块；用于根据人机操作模块输入的数据在数据库内调用相应的数据发送到显示屏进行显示；用于接收人机操作模块输入的控制命令，并按照预设的算法将其发送到指定的模块；
预测分析模块，用于根据接收到的中央处理器所发送的变形监测数据、变形监测图像、隧道内温度、湿度、有害气体、压力数据以及内应力数据值进行建筑变形情况的评估预测分析，并将得到的结果预测发送到显示屏以及指定的移动终端，发送到指定的数据库进行储存；
专家评估模块，用于储存各类典型的建筑变形、隧道内温度、湿度、有害气体、内应力数据及其所可能带来的建筑安全隐患模型，用于将接收到的中央处理器所发送的数据与所存储的数据进行类似度对比，并将比对结果按照相似度进行升序或降序排序后，发送给显示屏；
危险动作判定模块，用于将计算所得的骨骼对的角度旋转移动SO3矩阵信息与危险动作姿态数据库内录制的危险动作标准姿态信息进行对比，如果差距小于某个门限，则认为是，否则认为不是；
数学模型建立模块，通过Flac3D根据接收到的监测数据进行施工环境数学模型的建立；
虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与数学模型建立模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；并用于改变转移节点的位置、方向设置，使施工环境数学模型运动；还用于根据接收的控制命令进行施工环境数学模型的分解、切割、放大和缩小；
虚拟传感器，为在施工环境数学模型中插入的能直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元；
在仿真模拟的过程中，虚拟作动器通过循环执行仿真分析算法或仿真分析方法，将结果反馈给给虚拟传感器，所述虚拟传感器接收结果并自动显示数据；
人机操作模块，用于用户登录，还用于输入各种控制命令和待储存数据；
优选地，所述预测分析模块包括
图形绘制模块，用于绘制并监测根据所述监测数据得出的各种曲线图
对比分析模块，将绘制曲线与原实测曲线进行对比分析和预测，输出分析预测结果。
优选地，所述图形绘制模块根据输入的监测数据，生成随时间、空间变化的时空效应曲线即时态曲线和空间效应曲线，所述时态曲线显示了各监测点的原始数据或变形数据随时间的变化情况，所述空间效应曲线突出了同一时间不同测点的监测结果随变形监测点推进的变化规律。
优选地，还包括两显示屏，其中一个显示屏用于进行监测视频、监测图片以及监测数据的播放，内设转换模块，可以根据需要将监测视频或监测数据转换成文字播放；还用于显示人机操作模块输入的各种数据以及整个监测过程中需要显示的数据，并基于检测到的数据输出表征建筑变形情况的二维结果图、三维结果图；另一个显示屏用于数学模型的建立及其仿真分析。
优选地，所述环境监测传感器组人工布置在需要监测的隧道环境内，其布置方式分为埋地式、地面分布式和半空分布式，每个监测节点内部采用至少一种传感器模块，所述传感器模块为温度/湿度传感器、压力传感器、有害气体/粉尘传感器中的一种或多种组合。
优选地，还包括一供电装置，供电装置为太阳能发电机、风力发电机中的一种或两种。
优选地，所述数据传输模块采用GSM传输模块。
本发明具有以下有益效果：
在线路中断时，可以通过北斗短报文通讯技术进行数据的应急传输，使用方便；能全方位的对隧道施工情况进行实时的检测，从而得出隧道施工情况的多种评估结果，检测结果精确度高，且可以通过隧道施工数学模型的构建，对隧道施工的后续情况进行了预测和仿真分析，可以及时发现隧道施工过程中产生的问题，也可以将各种隧道施工方案转换成参数后作用于所建立的隧道施工数学模型，实现了隧道施工方案的合理选择；具有危险动作、危险环境的自动评估功能，进一步保证了施工人员的施工安全。本系统安全实用，方法便捷，实时有效，避免了隧道施工监测中的安全问题，并且该系统可用于各种施工坏境现场，消除施工过程中的安全信息隐患，有效的检测和管理施工现场，维护施工现场的检测系统的正常运作。
附图说明
图1为本发明实施例一种智能隧道施工安全监控系统的系统框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种智能隧道施工安全监控系统，包括
变形监测传感器组，内设北斗模块，安装于建筑实时变形监测点，用于变形监测点的变形数据的采集，并将采集到的数据通过数据传输模块发送到中央处理器；
视频数据采集模块，内设北斗模块，用于通过架设在建筑实时变形监测点周围的数字摄影机进行高分辨率现场变形图像数据以及隧道施工环境图像数据的采集，将采集到的图像数据通过数据传输模块发送到数据处理模块和中央处理器；
环境监测传感器组，由若干自带北斗定位模块的传感器构成，安装在施工隧道内，用于隧道内温度、湿度、有害气体以及压力数据的采集，并将采集到的数据发送到中央处理器；
监测点内应力采集模块，内设北斗模块，用于进行建筑实时变形监测点内内应力数据值的采集，并将采集到的数据通过数据传输模块发送到中央处理器；
数据处理模块，用于通过均值法进行背景建模，在视频图像中取连续N帧，计算这N帧图像像素灰度值的平均值作为背景图像的像素灰度值，建立不同情况下施工阶段和安全参数模型；并将摄像头所采集到的视频图像中的各帧图像转化为灰度，将所得灰度图像与对应的建模背景进行差分操作，并对差分后的图像进行滤波处理，去除噪声，利用预设阈值，对差分后的图像进行对比检测，从而输出施工安全评估结果至显示屏进行显示；还用于通过kinect深度传感器数据进行人体深度信息以及骨骼信息获取，并将获取的数据发送到人脸识别模块；还用于消除所得骨骼信息的抖动和噪声干扰，并获取所有骨骼对的角度旋转移动SO3矩阵信息；
中央处理器，用于接收变形监测传感器组、视频数据采集模块、环境监测传感器组以及监测点内应力采集模块发送的数据，并将这些数据用其对应的北斗信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的数据发送到预测分析模块和专家评估模块；还用于将完成标记的数据转换成数学模型建立模块所能识别的数据格式发送到数学模型建立模块；用于根据人机操作模块输入的数据在数据库内调用相应的数据发送到显示屏进行显示；用于接收人机操作模块输入的控制命令，并按照预设的算法将其发送到指定的模块；
预测分析模块，用于根据接收到的中央处理器所发送的变形监测数据、变形监测图像、隧道内温度、湿度、有害气体、压力数据以及内应力数据值进行建筑变形情况的评估预测分析，并将得到的结果预测发送到显示屏以及指定的移动终端，发送到指定的数据库进行储存；
专家评估模块，用于储存各类典型的建筑变形、隧道内温度、湿度、有害气体、内应力数据及其所可能带来的建筑安全隐患模型，用于将接收到的中央处理器所发送的数据与所存储的数据进行类似度对比，并将比对结果按照相似度进行升序或降序排序后，发送给显示屏；
危险动作判定模块，用于将计算所得的骨骼对的角度旋转移动SO3矩阵信息与危险动作姿态数据库内录制的危险动作标准姿态信息进行对比，如果差距小于某个门限，则认为是，否则认为不是；
数学模型建立模块，通过Flac3D根据接收到的监测数据进行施工环境数学模型的建立；
虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与数学模型建立模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；并用于改变转移节点的位置、方向设置，使施工环境数学模型运动；还用于根据接收的控制命令进行施工环境数学模型的分解、切割、放大和缩小；
虚拟传感器，为在施工环境数学模型中插入的能直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元；比如虚拟温度传感器，虚拟湿度传感器、虚拟压力传感器、虚拟有害气体传感器、虚拟粉尘传感器等。
在仿真模拟的过程中，虚拟作动器通过循环执行仿真分析算法或仿真分析方法，将结果反馈给给虚拟传感器，所述虚拟传感器接收结果并自动显示数据；
人机操作模块，用于用户登录，还用于输入各种控制命令和待储存数据；
所述预测分析模块包括
图形绘制模块，用于绘制并监测根据所述监测数据得出的各种曲线图
对比分析模块，将绘制曲线与原实测曲线进行对比分析和预测，输出分析预测结果。
所述图形绘制模块根据输入的监测数据，生成随时间、空间变化的时空效应曲线即时态曲线和空间效应曲线，所述时态曲线显示了各监测点的原始数据或变形数据随时间的变化情况，所述空间效应曲线突出了同一时间不同测点的监测结果随变形监测点推进的变化规律。
还包括两显示屏，其中一个显示屏用于进行监测视频、监测图片以及监测数据的播放，内设转换模块，可以根据需要将监测视频或监测数据转换成文字播放；还用于显示人机操作模块输入的各种数据以及整个监测过程中需要显示的数据，并基于检测到的数据输出表征建筑变形情况的二维结果图、三维结果图；另一个显示屏用于数学模型的建立及其仿真分析。
所述环境监测传感器组人工布置在需要监测的隧道环境内，其布置方式分为埋地式、地面分布式和半空分布式，每个监测节点内部采用至少一种传感器模块，所述传感器模块为温度/湿度传感器、压力传感器、有害气体/粉尘传感器中的一种或多种组合。
还包括一供电装置，供电装置为太阳能发电机、风力发电机中的一种或两种。
所述数据传输模块采用GSM传输模块。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种智能隧道施工安全监控系统，其特征在于，包括变形监测传感器组，内设北斗模块，安装于建筑实时变形监测点，用于变形监测点的变形数据的采集，并将采集到的数据通过数据传输模块发送到中央处理器；
视频数据采集模块，内设北斗模块，用于通过架设在建筑实时变形监测点周围的数字摄影机进行高分辨率现场变形图像数据以及隧道施工环境图像数据的采集，将采集到的图像数据通过数据传输模块发送到数据处理模块和中央处理器；
环境监测传感器组，由若干自带北斗定位模块的传感器构成，安装在施工隧道内，用于隧道内温度、湿度、有害气体以及压力数据的采集，并将采集到的数据发送到中央处理器；
监测点内应力采集模块，内设北斗模块，用于进行建筑实时变形监测点内内应力数据值的采集，并将采集到的数据通过数据传输模块发送到中央处理器；
数据处理模块，用于通过均值法进行背景建模，在视频图像中取连续N帧，计算这N帧图像像素灰度值的平均值作为背景图像的像素灰度值，建立不同情况下施工阶段和安全参数模型；并将摄像头所采集到的视频图像中的各帧图像转化为灰度，将所得灰度图像与对应的建模背景进行差分操作，并对差分后的图像进行滤波处理，去除噪声，利用预设阈值，对差分后的图像进行对比检测，从而输出施工安全评估结果至显示屏进行显示；还用于通过kinect深度传感器数据进行人体深度信息以及骨骼信息获取，并将获取的数据发送到人脸识别模块；还用于消除所得骨骼信息的抖动和噪声干扰，并获取所有骨骼对的角度旋转移动SO3矩阵信息；
中央处理器，用于接收变形监测传感器组、视频数据采集模块、环境监测传感器组以及监测点内应力采集模块发送的数据，并将这些数据用其对应的北斗信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的数据发送到预测分析模块和专家评估模块；还用于将完成标记的数据转换成数学模型建立模块所能识别的数据格式发送到数学模型建立模块；用于根据人机操作模块输入的数据在数据库内调用相应的数据发送到显示屏进行显示；用于接收人机操作模块输入的控制命令，并按照预设的算法将其发送到指定的模块；
预测分析模块，用于根据接收到的中央处理器所发送的变形监测数据、变形监测图像、隧道内温度、湿度、有害气体、压力数据以及内应力数据值进行建筑变形情况的评估预测分析，并将得到的结果预测发送到显示屏以及指定的移动终端，发送到指定的数据库进行储存；
专家评估模块，用于储存各类典型的建筑变形、隧道内温度、湿度、有害气体、内应力数据及其所可能带来的建筑安全隐患模型，用于将接收到的中央处理器所发送的数据与所存储的数据进行类似度对比，并将比对结果按照相似度进行升序或降序排序后，发送给显示屏；
危险动作判定模块，用于将计算所得的骨骼对的角度旋转移动SO3矩阵信息与危险动作姿态数据库内录制的危险动作标准姿态信息进行对比，如果差距小于某个门限，则认为是，否则认为不是；
数学模型建立模块，通过Flac3D根据接收到的监测数据进行施工环境数学模型的建立；
虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与数学模型建立模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；并用于改变转移节点的位置、方向设置，使施工环境数学模型运动；还用于根据接收的控制命令进行施工环境数学模型的分解、切割、放大和缩小；
虚拟传感器，为在施工环境数学模型中插入的能直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元；
在仿真模拟的过程中，虚拟作动器通过循环执行仿真分析算法或仿真分析方法，将结果反馈给虚拟传感器，所述虚拟传感器接收结果并自动显示数据；
人机操作模块，用于用户登录，还用于输入各种控制命令和待储存数据；
所述预测分析模块包括图形绘制模块，用于绘制并监测根据所述监测数据得出的各种曲线图对比分析模块，将绘制曲线与原实测曲线进行对比分析和预测，输出分析预测结果；
所述图形绘制模块根据输入的监测数据，生成随时间、空间变化的时空效应曲线即时态曲线和空间效应曲线，所述时态曲线显示了各监测点的原始数据或变形数据随时间的变化情况，所述空间效应曲线突出了同一时间不同测点的监测结果随变形监测点推进的变化规律；
还包括两显示屏，其中一个显示屏用于进行监测视频、监测图片以及监测数据的播放，内设转换模块，可以根据需要将监测视频或监测数据转换成文字播放；还用于显示人机操作模块输入的各种数据以及整个监测过程中需要显示的数据，并基于检测到的数据输出表征建筑变形情况的二维结果图、三维结果图；另一个显示屏用于数学模型的建立及其仿真分析；
所述环境监测传感器组人工布置在需要监测的隧道环境内，其布置方式分为埋地式、地面分布式和半空分布式，每个监测节点内部采用至少一种传感器模块，所述传感器模块为温度/湿度传感器、压力传感器、有害气体/粉尘传感器中的一种或多种组合；
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