CN106603666A - 一种隧道远程在线遥测系统构架方式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道远程在线遥测系统构架方式，主要包括数据自动采集子系统、数据管理与分析子系统、数据远程传输子系统和动力供给子系统，通过数据自动采集子系统获取围岩信息数据，通过数据管理与分析子系统对现场采集数据进行接收、处理和分析，通过数据远程传输子系统实现数据远程发送、传输和接收，通过动力供给子系统负责监测系统的动力供给，保证系统稳定运转。本发明构架方式结构合理、理论技术完备，同时安装简便、现场操作快速灵活、环境适应性强，可有效规避隧道作业环境复杂等不利因素对监测工作的限制，保证传输数据稳定高速传输，同时实现任意终端远程实时通信。

Description

一种隧道远程在线遥测系统构架方式

技术领域

本发明涉及一种远程在线遥测系统，更具体的是一种应用于地下工程、隧道工程的远程在线遥测系统构架方式。

背景技术

近年我国山岭隧道围岩失稳事故频发(如塌方、大变形、突泥/水)，导致了大量人员伤亡和设备损失，如何通过现场监测实时掌控围岩稳定性并进行安全预警已成为当前山岭隧道修建的关键难题之一。目前，山岭隧道安全监测(如围岩收敛变形监测、锚杆应力监测等)通常采用人工现场读取数据，其自动化程度不高、采集频率较低，难以获得现场围岩变形与稳定性演变全过程的监测数据。而且人工读取现场原始测量数据后通常还需进行二次处理，工作量大且时间滞后严重，不利于现场一线人员和后方管理人员及时掌控工程围岩稳定性，从而无法进行实时安全预警，规避和减小围岩失稳灾害导致的损失。与此同时，当隧道出现塌方或岩爆事故等危险征兆时，出于人员人身安全考虑，无法再继续实行人工测量，这会造成破坏前相关重要数据丢失，导致工程的动态反馈分析与设计优化无法继续开展。近年来，随着光学、电学、传感器技术、分布式信息处理技术和无线网络技术的迅猛发展，适时采用一种新型隧道远程在线遥测系统构架方式，对工程开展远程监测已是大势所趋。

然而，当前可知的适用于地下工程中远程在线遥测系统构架方式和技术方法储备却严重不足，仅有的远程监测系统或方法，也还有待改进：

(1)基于新型光纤传感材料的远程监测系统或技术，如FBG、BOTDR等：采用光纤作为采集元件和传输介质，具有可获得较高测量精度数据的优点，得到了工程监测人员的青睐，但也存在一定缺陷，即光纤材质本身纤细、质柔的特点，使其抗干扰能力较差，极易发生折断或拉断现象，同时，光纤传感器管片封装困难、操作步骤繁琐复杂，对现场操作人员技术水平有较高依赖，且基于采集原理的本质属性(谐振波长、布里渊散射光频率)，光纤监测系统不能直接给出全数字化采集结果，需要后期人工对现场采集数据进行换算，影响工程及时预警，从而极大限制了其在工程监测领域的广泛应用。(中国专利公开号：CN201410074059.5，专利名称为“基于光纤传感网的智能隧道监测和报警系统”，该申请案在布置基于光纤传感网的智能隧道监测和报警系统时，需将光纤传感网整体嵌入隧道中，这不仅对施工作业产生干扰，同时在较大程度上也增大了装置破坏风险；中国专利公开号：CN201110406026.4，专利名称为“隧道收敛变形分布式光纤监测方法及系统”，该申请案基于BOTDR方法，需事先对传感器标距长度收敛值与传感光纤应变变化量之间的相关性进行标定，操作程序较为复杂，且需对测量结果进行人工转换，不能直接输出数字化结果；中国专利公开号：CN201510545819.0，专利名称为“一种基于光纤传感的地铁隧道安全监控系统及监控方法”，该申请案将传输介质光纤布设于隧道洞壁，易受人工开挖作业影响而导致光纤折断，造成监测中断；《岩石力学与工程学报》，2005年第15期，题名“隧道健康诊断BOTDR分布式光纤应变监测技术研究”，作者施斌等，该研究采用BOTDR分布式光纤应变监测技术成功对南京鼓楼隧道进行健康监测，但在布设现场需使用BOTDR分布式光纤应变仪逐根对光纤进行光损耗量测和断点检测，操作步骤繁琐、工作量大；《岩石力学与工程学报》，2008年第增2期，题名“FBG传感器在量测围岩内部位移中的应用”，作者孙新民等，该研究采用FBG传感器对西华岭隧道围岩位移进行了全天候监测，获得了大量的位移-时辰曲线，但其需事先对管片进行特殊封装)。

(2)无线传感器网络技术：利用无线通信网络，完成智能传感器信息发送、传输和接收，从而规避系统电能供给和传输路径问题，但隧道内部几何特征和构造特征的固有属性，使得以下四点问题:信号传播强度弱，时间难同步、仪器鲁棒性差同时仪器能耗高电源难以保持较长时间供给,迄今依然缺乏有效的解决办法，目前，不可否认的是基于wsn构架的远程监测系统距实践应用仍然还有很长的路要走。(中国专利公开号：CN201410190351.3，专利名称为“一种盾构隧道变形无线监测系统及方法”。《传感器与微系统》，2011年第四期，题名“ZigBee技术在隧道施工监测中的应用”，作者陈新等。《岩石力学与工程学报》，2008年第增2期，题名“无线传感器网络技术的研究进展及其在地铁隧道中的应用挑战”，作者谢雄耀等)。

发明内容

针对上述存在问题，如何真正实现采集对象全数字化输出，同时有效规避隧道施工作业环境复杂等不利因素对监测系统的干扰，保证传输数据稳定高速传输，并通过持续供电确保数据连续不间断采集，获取完整的全过程监测曲线，为后期分析岩体时空演变效应、围岩力学参数反演和稳定性数值计算提供了直观依据，并最终实现任意终端远程实时通信，成为监测工作成功高效进行的关键，为此，本发明的目的在于提供一种隧道远程在线遥测系统构架方式。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种隧道远程在线遥测系统构架方式，包括数据自动采集子系统、数据管理与分析子系统、数据远程传输子系统、动力供给子系统，所述数据数据自动采集子系统包括喷层压力盒、位移计、锚杆应力计、数据处理器、数据处理器、通道处理器，数据自动采集子系统中喷层压力盒、位移计、锚杆应力计分别用于采集隧道喷层压应力、围岩变形和应力变化信息，喷层压力盒和锚杆应力计端部分别与数据处理器、数据处理器相连，最后喷层压力盒、位移计、锚杆应力计分别经信号线接入通道处理器；

所述数据远程传输子系统包括远程服务器、远程客户端、远程监测软件管理平台、动态域名解析和端口映射软件、无线发送模块、天线，数据远程传输子系统中，天线与无线发送模块相连，远程服务器、远程客户端均装有远程监测软件管理平台，其中远程服务器还同时装有动态域名解析和端口映射软件；

所述数据管理与分析子系统包括监控中心主机、远程监测软件管理平台，数据管理与分析子系统中，监控中心主机装有远程监测软件管理平台；

所述动力供给系统包括USP延时电源、稳压器、蓄电池、太阳能控制器、电源线、220V电源适配器。

数据数据自动采集子系统中通道处理器通过总线电缆与数据远程传输子系统中无线发送模块相连，数据管理与分析子系统中监控中心主机通过usb转RS485/RS422串口线与无线发送模块相连，动力供给系统中太阳能控制器通过电源线与无线发送模块相连。

通道处理器为六孔规格，中间四孔用于仪器接入，两端两孔用于总线接入。

动力供给系统的电流传播顺序由USP延时电源—稳压器—220V电源适配器—太阳能控制器，其中220V电源适配器自身带有五个接线柱，分别采用电源线与稳压器和太阳能控制器相连，太阳能控制器自身带有六个接线柱，分别采用电源线与220V电源适配器、蓄电池、无线发送模块对应连接。

无线发送模块内置具有通信服务功能的SIM卡，通过GPRS网络实现现场与远程服务器之间远程通信。

远程服务器通过安装在其上的动态域名解析和端口映射软件，建立两个端口映射，端口号分别对应无线发送模块和远程客户端。

由于采用了上述技术方案，本发明的一种新型隧道远程在线遥测系统构架方式，主要具有以下优点：

(1)采用通道处理器实现隧道内仪器线路集中，便于保护，进而降低了机械开挖、施工爆破、人工作业对线路的破坏几率，同时通道处理器在具备普通数据处理器一切功能的基础上，还能增加通信强度，并对异常传感器进行隔离，从而有效保障正常仪器不受干扰，独立完成数据传输。

(2)通过稳压器给系统提供标准电压，并由太阳能控制器替代外部电源将电能输送至蓄电池和数据采集模块，太阳能控制器具有调节功率和保护电压的特性，从而能有效保护相连设备，免受仪器安装和修复过程中，由于线路破坏和人为操作失当，而导致的电路反接、短路、过流影响，USP延时电源和蓄电池的双重组合使用，则充分保证了监测系统的动力供给，规避了工地节假日临时断电和工地供电系统出现故障对遥测工作造成的不利影响，减轻了遥测系统对于工地现场电力条件的依赖，为远程遥测系统的24h全天候监测提供了有力保障，从而利于获得监测量的全时程曲线,为分析岩体时空演变效应、后期力学参数反演和稳定性数值计算提供现实依据。

(3)通过域名解析和端口映射软件，固定服务器IP地址，并建立服务器与客户端的端口映射，突破了现有网络规约下非公网IP不能相互通讯的限制，进而实现了任意终端之间远程数据发送、传输、接收，极大提高了联网通信的便利性。

(4)高精度全数字化输出。通过加入数据处理器，使喷层压力盒、锚杆应力计与位移计一样，实现采集数据全数字化输出，便于人工读取及时掌握监测动态，同时，规避仪器误差、人工读取误差及后期换算误差带来的不利影响，并且其输出信号精度较目前4-20mA的直流模拟信号提高了近10倍。此外，RS485总线的加入，则保障了数字化信号传输1.5km不失真，有效解决信号在长距离传输过程出现信息丢失或信号强度衰减的难题，从而让系统获得完备、保真的监测数据，进而为后期的支护开挖、反演分析提供依据。

(5)本发明构架方式结构合理、理论技术完备，同时安装简便、现场操作快速灵活、环境适应性强，可有效规避隧道作业环境复杂等不利因素对监测工作的限制，同时有效结合隧道施工开挖工序，最大程度减轻了监测工作对施工作业的干扰，具有较强的推广应用价值。

附图说明

附图1为本发明的构架框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

见附图。

一种隧道远程在线遥测系统构架方式，所述远程在线遥测系统由数据自动采集子系统1、数据管理分析与分析子系统2、数据远程传输子系统3、动力供给子系统4构成，数据自动采集子系统1包括喷层压力盒101、位移计102、锚杆应力计103、数据处理器104、数据处理器105、通道处理器106，通道处理器106为六孔规格，两端两孔用于总线接入，中间四孔用于仪器接入，喷层压力盒101、锚杆应力计103分别与数据处理器104、数据处理器105相连，后同位移计102一起接入通道处理器106，通道处理器106通过总线电缆501、无线发送模块304、usb转RS485/RS422串口线502连接到数据管理与分析子系统2，数据处理器104、数据处理器105可分别对喷层压力盒101、锚杆应力计103采集的数据进行转化，并导出数字化信号，通道处理器106则可实现隧道内仪器线路集中，便于保护，同时在具有普通数据器的一切功能的基础上，还能增加通信强度，并对异常传感器进行隔离，无线发送模块304接收现场所有采集数据，并具有一定的数据存储能力，数据管理分析与分析子系统2包括监控中心主机201、远程监测软件管理平台202，通过远程监测软件管理平台202发布指令，管理所有现场设备，主要承担数据信息的采集、汇总和转发职能，数据远程传输子系统3包括远程服务器301、远程客户端302、远程监测软件管理平台202、动态域名解析和端口映射软件303、无线发送模块304、天线305，无线发送模块304内置具有通信服务功能的SIM卡，通过GPRS网络实现现场与远程服务器之间远程通信，远程服务器301通过安装在其上的动态域名解析和端口映射软件303，建立两个端口映射，端口号分别对应无线发送模块304和远程客户端302，从而最终实现无线发送模块304至远程服务器301，远程服务器301至远程客户端302之间的数据信息远程发送、传输和接收，并对数据自动采集子系统1进行控制，动力供给系统4包括USP延时电源401、稳压器402、蓄电池403、太阳能控制器404、电源线405、220V电源适配器407，负责整个远程在线遥测系统的电力供给，动力供给系统的电流传播顺序由USP延时电源401—稳压器402—220V电源适配器407—太阳能控制器404，其中220V电源适配器407自身带有五个接线柱，分别采用电源线405与稳压器402和太阳能控制器404相连，太阳能控制器404自身带有六个接线柱，分别采用电源线405与220V电源适配器407、蓄电池403、无线发送模块304对应连接。其中USP延时电源401可为整个系统提供持续、稳定、不间断的电源供应，并同作蓄电池403一起作为后备电能储备，稳压器402负责保证接入系统电压的稳定性，避免设备由于电压过高发生损坏，太阳能控制器404作为电流中转中心，可有效保护相连设备蓄电池403，免受仪器安装和修复过程中，由于线路破坏和人为操作失当，而导致的电路反接、短路、过流影响。

本发明一种隧道远程在线遥测系统的运用：

1)将远程监测软件管理平台202安装至监控中心主机201，同时安装USP延时电源401、稳压器402、蓄电池403、太阳能控制器404等动力供给装备，采用电源线405完成动力供给装备互联，并联通外接电源，实现隧道外监控中心系统启动运转。

2)将喷层压力盒101和锚杆应力计103分别对应接入数据处理器104和数据处理器105，并同位移计102一起埋入隧道预定位置，露在外部的仪器线全部接入通道处理器106，通道处理器106通过总线电缆501接入无线发送模块304，完成线路连接。

3)监控中心主机201通过usb转RS485/RS422串口线502与无线发送模块304相连，接收现场采集数据，远程服务器301、远程客户端302上同步安装有远程监测软件管理平台202，三者通过远程监测软件管理平台202对采集数据进行管理、分析和输出，并进行通信参数及相关采集设置。

4)将有通信服务的SIM卡503装入无线发送模块304，通过对监控中心主机201、无线发送模块304、远程服务器301、远程客户端302同步完成通信参数设置，基于分组无线服务技术(GPRS)、域名解析和端口映射技术，最终实现现场采集数据至远程服务器301，远程服务器301至远程客户端302的远程高速稳定传输、接收。

Claims (5)

1.一种隧道远程在线遥测系统构架方式，包括数据自动采集子系统(1)、数据管理与分析子系统(2)、数据远程传输子系统(3)、动力供给子系统(4)，其特征在于：

所述数据数据自动采集子系统(1)包括喷层压力盒(101)、位移计(102)、锚杆应力计(103)、数据处理器(104)、数据处理器(105)、通道处理器(106)，数据自动采集子系统(1)中喷层压力盒(101)、位移计(102)、锚杆应力计(103)分别用于采集隧道喷层压应力、围岩变形和应力变化信息，喷层压力盒(101)和锚杆应力计(103)端部分别与数据处理器(104)、数据处理器(105)相连，最后喷层压力盒(101)、位移计(102)、锚杆应力计(103)分别经信号线接入通道处理器(106)；

所述数据远程传输子系统(3)包括远程服务器(301)、远程客户端(302)、远程监测软件管理平台(202)、动态域名解析和端口映射软件(303)、无线发送模块(304)、天线(305)，数据远程传输子系统(3)中，天线(305)与无线发送模块(304)相连，远程服务器(301)、远程客户端(303)均装有远程监测软件管理平台(202)，其中远程服务器(301)还同时装有动态域名解析和端口映射软件(303)；

所述数据管理与分析子系统(2)包括监控中心主机(201)、远程监测软件管理平台(202)，数据管理与分析子系统(2)中，监控中心主机(201)装有远程监测软件管理平台(202)；

所述动力供给系统(4)包括USP延时电源(401)、稳压器(402)、蓄电池(403)、太阳能控制器(404)、电源线(405)、220V电源适配器(406)，数据数据自动采集子系统(1)中通道处理器(106)通过总线电缆(501)与数据远程传输子系统(3)中无线发送模块(304)相连，数据管理与分析子系统(2)中监控中心主机(201)通过usb转RS485/RS422串口线(502)与无线发送模块(304)相连，动力供给系统(4)中太阳能控制器(404)通过电源线(405)与无线发送模块(304)相连。

2.根据权利要求1所述的一种隧道远程在线遥测系统构架方式，其特征在于：通道处理器(106)为六孔规格，中间四孔用于仪器接入，两端两孔用于总线接入。

3.根据权利要求1所述的一种隧道远程在线遥测系统构架方式，其特征在于：动力供给系统(4)的电流传播顺序由USP延时电源(401)—稳压器(402)—220V电源适配器(406)—太阳能控制器(404)，其中220V电源适配器(406)自身带有五个接线柱，分别采用电源线(405)与稳压器(402)和太阳能控制器(404)相连，太阳能控制器(404)自身带有六个接线柱，分别采用电源线(405)与220V电源适配器(406)、蓄电池(403)、无线发送模块(304)对应连接。

4.根据权利要求1所述的一种隧道远程在线遥测系统构架方式，其特征在于：无线发送模块(304)内置具有通信服务功能的SIM卡(503)，通过GPRS网络实现现场与远程服务器(301)之间远程通信。

5.根据权利要求1所述的一种隧道远程在线遥测系统构架方式，其特征在于：远程服务器(301)通过安装在其上的动态域名解析和端口映射软件(303)，建立两个端口映射，端口号分别对应无线发送模块(304)和远程客户端(302)。