CN111397722A - 一种隧道设施全寿命安全运管平台及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种隧道设施全寿命安全运管平台及其实现方法，包括运营管理系统，运营管理系统包括至少一个数据监测装置和监测预警系统，数据监测装置包括的数据采集模块，数据采集模块包括壳体，壳体呈矩形，其一侧内壁设置有电池组件，其另一侧内壁中部设置有隔板，隔板上表面设置有主机，隔板下表面设置有相机，相机下方壳体底部内壁设置有采集板，相机上方壳体顶部内壁设置有激光灯；壳体内靠近电池组件一侧设置有发电组件，发电组件通过导线与电池组件连接，电池组件通过导线与数据采集模块连接；发电组件一侧设置有反光板，激光灯发出的激光经反光板反射后在采集板上形成光点，监测结果相对准确，很大程度上保障了隧道的安全运营。

Description

一种隧道设施全寿命安全运管平台及其实现方法

技术领域

本发明属于隧道安全技术领域，具体涉及一种隧道设施全寿命安全运管平台及其实现方法。

背景技术

隧道的建设维护涉及到多个方面，如隧道管片生产、隧道管片运输、隧道施工、隧道运营维护等多个方面，在隧道运营维护中，为保证隧道的运营安全，必须进行长期的安全监测，以此了解隧道结构在严酷环境中的受力及内环境状况，从而及时了解隧道结构损伤位置及损伤程度，进而对结构安全状况、内环境做出评估并加以有效处理，现有的技术手段如：

专利CN201811146290.5公开了一种隧道运营阶段的安全监测系统，包括有：数据监测子系统，用于实时在线采集获取隧道运营阶段隧道微小振动时的振动数据信号；数据汇集以及处理子系统，用来结合隧道的现状条件对采集到的隧道振动数据信号进行集中处理，得到处理后的振动特征量；监测预警子系统，用于接收所述振动特征量，依据所述振动特征量对隧道结构进行综合评估，并依评估结果进行监测预警。本发明的隧道安全监测系统可以实时的监测隧道内的振动信号，并实现了对振动数据信号的实时分析处理，依据分析处理结果对隧道结构进行健康状态评价，评价结果可以为隧道潜在的故障或结构缺陷提供支持或数据指导。

专利CN201310403838.0公开了一种隧道全生命周期管理系统及方法，所述系统包括：生产管理子系统，用于在隧道管片生产时，完成管片在生产流程各个阶段的质量检测；运输管理子系统，用于在管片运输过程中获取管片的位置信息；施工管理子系统，用于在隧道施工过程中，记录的各项数据源与BIM模型相关联，通过实时的数据同步操作，能够通过BIM模型系统实现对盾构法隧道施工进程进行仿真模拟；运营管理子系统，用于获取各管片生产、施工及历史健康监测信息，并结合BIM模型分析来确定运营隧道的健康情况。本发明提出的隧道全生命周期管理系统及方法，可在隧道管片生产、运输、隧道施工、隧道运营各个阶段对隧道全生命周期进行监控管理，提高监控效率。

但是以上技术手段仍存在一些缺陷，例如，用于隧道全寿命的运管必然涉及到长时间的监测，因此设备和装置的使用寿命必须很长，同时其能源供应必须稳定，传统采用电缆布线方式进行供电和信号传输，不仅在施工阶段浪费人力物力，同时在长时间的使用过程中，容易发生损坏等不稳定因素；采用传统的传感器检测隧道内的微小振动，其精度无法得到保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种隧道设施全寿命安全运管平台及其实现方法，以解决现有隧道设施全寿命安全运管技术手段中存在的不足，达到监测精度高、使用寿命长和安装使用方便的效果。

本发明提供了如下的技术方案：

一种隧道设施全寿命安全运管平台，包括运营管理系统，所述运营管理系统包括至少一个数据监测装置和监测预警系统，每个所述数据监测装置包括依次连接的数据采集模块、数据处理模块和数据通讯模块，每个所述数据监测装置通过所述数据通讯模块连接至所述监测预警系统；所述数据采集模块包括壳体，所述壳体呈矩形，其一侧内壁设置有电池组件，其另一侧内壁中部设置有隔板，所述隔板上表面设置有主机，所述主机用于配置所述数据处理模块和所述数据通讯模块，所述隔板下表面设置有相机，所述相机下方所述壳体底部内壁设置有采集板，所述相机上方所述壳体顶部内壁设置有激光灯；所述壳体内靠近所述电池组件一侧设置有发电组件，所述发电组件通过导线与所述电池组件连接，所述电池组件通过导线与所述数据采集模块连接；所述发电组件一侧设置有反光板，所述激光灯发出的激光经所述反光板反射后在所述采集板上形成光点。

优选的，所述发电组件包括悬挂组件、安装板、矩形套筒和振动板，所述悬挂组件与所述壳体顶部内壁连接，所述矩形套筒与所述壳体底部内壁连接，所述安装板悬挂于所述矩形套筒中部，且所述安装板两端分别与所述悬挂组件和所述振动板连接；所述安装板两侧分别阵列设有多个压块，所述矩形套筒内壁分别对应所述压块设置有压电组件，所述压电组件通过所述压块挤压发电。

优选的，所述压电组件包括绝缘槽、压电陶瓷、整流单元和稳压充电单元，所述压电陶瓷一端直接与所述绝缘槽内壁连接，所述压电陶瓷另一端通过弹簧与所述绝缘槽内壁连接；所有所述压电陶瓷并联以后与所述整流单元串联，然后通过稳压充电单元与所述电池组件连接。

优选的，所述悬挂组件包括内半球壳、外半球壳和连杆，所述外半球壳底部设置有开口，所述外半球壳顶部与所述壳体内壁固定连接，所述外半球壳内壁圆周均布多个纵向磁弹力电极，所述内半球壳外壁对应所述纵向磁弹力电极设置有多个横向磁力电极，所述内半球壳底部连接所述连杆，所述连杆穿过所述开口连接至所述安装板；所述外半球壳与所述内半球壳之间通过所述横向磁力电极和所述纵向磁弹力电极实现悬浮。

优选的，所述壳体顶部还设置有安装支架，所述安装支架包括第一直角板和第二直角板，所述第一直角板的一端通过紧固件与所述壳体顶部连接，所述第一直角板的另一端通过紧固件与所述第二直角板一端固定连接，所述第二直角板的另一端通过紧固件固定于安装位置。

优选的，所述激光灯上还设置有调节支架，所述调节支架包括柔性悬臂，通过所述柔性悬臂可任意调节所述激光灯的入射角度。

一种隧道设施全寿命安全运管的实现方法，包括以下步骤：

S1、将数据监测装置按照编号分布式的安装在隧道内的不同位置，对隧道内不同位置的振动数据信号进行采集；

S2、数据采集模块用于实时在线采集获取隧道运营阶段隧道微小振动时的振动数据信号并传输至数据处理模块；

S3、数据处理模块用于处理振动数据信号并获得振动特征量并传输至数据通讯模块；

S4、数据通讯模块获取振动特征量并发送至远程后台的监测预警模块；

S5、监测预警模块用于接收振动特征量，并对隧道结构进行综合评估，并进行监测预警。

优选的，所述S2中，所述数据采集模块用于实时在线采集获取隧道运营阶段隧道微小振动时的振动数据信号包括以下步骤：

S11、激光灯的出射光照射在反射板，然后经由反射板反射到达采集板，并在采集板上形成光点；

S12、在隧道发生振动时，带动激光灯振动，此时光点发生移动；

S13、相机记录光点移动的距离，并通过提取距离的大小从而活动振动数据信号。

本发明的有益效果是：

本发明一种隧道设施全寿命安全运管平台及其实现方法，通过安装支架将数据采集模块直接安装在隧道内部，通过发电组件进行自发电满足数据采集模块的使用，采用数据通讯模块进行无线连接；相比传统的技术手段，采用安装支架安装方便，同时自发电无需架设供电线路和通信线路，减少了物料成本和施工成本；通过相机、激光灯检测振动，可以通过光的折射将振动进行放大，以提高对微小振动的检测精度；监测结果相对准确，很大程度上保障了隧道的安全运营。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明结构主视图；

图2是本发明截面立体图；

图3是图2中A部分示意图；

图4是悬挂装置结构示意图；

图5是本发明发电连接示意图；

图6是本发明系统结构框图；

图7是本发明方法流程示意图；

图中标记为：1.数据采集模块，11.壳体，12.电池组件，13.隔板，14.主机，15.相机，16.采集板，17.激光灯，18.反光板，2.发电组件，21.安装板，22.矩形套筒，23.振动板，24.压块，3.压电组件，31.绝缘槽，32.压电陶瓷，33.整流单元，34.弹簧，4.悬挂组件，41.内半球壳，42.外半球壳，43.连杆，44.开口，45.纵向磁弹力电极，46.横向磁弹力电极，5.安装支架，51.第一直角板，52.第二直角板，53.紧固件，6.调节支架。

具体实施方式

如图6所示，隧道设施全寿命安全运管平台，包括运营管理系统，运营管理系统包括至少一个数据监测装置和监测预警系统，每个数据监测装置包括依次连接的数据采集模块1、数据处理模块和数据通讯模块，每个数据监测装置通过数据通讯模块连接至监测预警系统；

如图1-2所示，数据采集模块1包括壳体，壳体11呈矩形，其一侧内壁设置有电池组件12，其另一侧内壁中部设置有隔板13，隔板13上表面设置有主机14，主机14用于配置数据处理模块和数据通讯模块，隔板13下表面设置有相机15，相机15下方壳体11底部内壁设置有采集板16，相机15上方壳体11顶部内壁设置有激光灯17；壳体11内靠近电池组件12一侧设置有发电组件2，发电组件2通过导线与电池组件12连接，电池组件12通过导线与数据采集模块1连接；发电组件2一侧设置有反光板18，激光灯17发出的激光经反光板18反射后在采集板16上形成光点；激光灯17上还设置有调节支架6，调节支架6包括柔性悬臂，通过柔性悬臂可任意调节激光灯17的入射角度；壳体11顶部还设置有安装支架5，安装支架5包括第一直角板51和第二直角板52，第一直角板51的一端通过紧固件53与壳体11顶部连接，第一直角板51的另一端通过紧固件53与第二直角板52一端固定连接，第二直角板52的另一端通过紧固件53固定于安装位置；由于采用两个直角板进行旋转连接，以此保证无论安装位置如何均可以保证数据采集模块1状态水平，这样可以保证发电组件2的正常工作；

如图3-5所示，发电组件2包括悬挂组件4、安装板21、矩形套筒22和振动板23，悬挂组件4与壳体11顶部内壁连接，矩形套筒22与壳体11底部内壁连接，安装板21悬挂于矩形套筒22中部，且安装板21两端分别与悬挂组件4和振动板23连接；安装板21两侧分别阵列设有多个压块24，矩形套筒22内壁分别对应压块24设置有压电组件3，压电组件3通过压块24挤压发电。

压电组件3包括绝缘槽31、压电陶瓷32、整流单元33和稳压充电单元，压电陶瓷32一端直接与绝缘槽31内壁连接，压电陶瓷32另一端通过弹簧34与绝缘槽31内壁连接；所有压电陶瓷32并联以后与整流单元33串联，然后通过稳压充电单元与电池组件12连接。由于隧道内通过车辆多、或风产生的振动，会带动振动板23振动，振动板23振动的同时带动安装板21振动，安装板21带动压块24挤压压电陶瓷32变形发电，然后对电池组件12进行充电，使得数据采集装置1可以自给自足，无需外接供电。

为了控制电量的消耗，还可以在电池组件12上设置间歇式工作电路，使得数据采集模块1间歇性工作，以节约电能；同时，基于物联网技术，数据通讯模块可以采用NB-IOT通讯模块进行通信，其功耗极低。

悬挂组件4包括内半球壳41、外半球壳42和连杆43，外半球壳42底部设置有开口44，外半球壳42顶部与壳体11内壁固定连接，外半球壳42内壁圆周均布多个纵向磁弹力电极45，内半球壳41外壁对应纵向磁弹力电极45设置有多个横向磁力电极46，内半球壳41底部连接连杆43，连杆43穿过开口44连接至安装板21；外半球壳42与内半球壳41之间通过横向磁力电极45和纵向磁弹力电极46实现悬浮。由于悬浮，减少摩擦，使得振动板23上的振动可以完全传递至压块24上，使得发电组件2的发电效果更高；

如图7所示，隧道设施全寿命安全运管的实现方法，包括以下步骤：

S1、将数据监测装置按照编号分布式的安装在隧道内的不同位置，对隧道内不同位置的振动数据信号进行采集；

S2、数据采集模块用于实时在线采集获取隧道运营阶段隧道微小振动时的振动数据信号并传输至数据处理模块；

S3、数据处理模块用于处理振动数据信号并获得振动特征量并传输至数据通讯模块；

S4、数据通讯模块获取振动特征量并发送至远程后台的监测预警模块；

S5、监测预警模块用于接收振动特征量，并对隧道结构进行综合评估，并进行监测预警。

数据采集模块用于实时在线采集获取隧道运营阶段隧道微小振动时的振动数据信号包括以下步骤：

S11、激光灯的出射光照射在反射板，然后经由反射板反射到达采集板，并在采集板上形成光点；

S12、在隧道发生振动时，带动激光灯振动，此时光点发生移动；

S13、相机记录光点移动的距离，并通过提取距离的大小从而活动振动数据信号。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种隧道设施全寿命安全运管平台，包括运营管理系统，其特征在于，所述运营管理系统包括至少一个数据监测装置和监测预警系统，每个所述数据监测装置包括依次连接的数据采集模块、数据处理模块和数据通讯模块，每个所述数据监测装置通过所述数据通讯模块连接至所述监测预警系统；所述数据采集模块包括壳体，所述壳体呈矩形，其一侧内壁设置有电池组件，其另一侧内壁中部设置有隔板，所述隔板上表面设置有主机，所述主机用于配置所述数据处理模块和所述数据通讯模块，所述隔板下表面设置有相机，所述相机下方所述壳体底部内壁设置有采集板，所述相机上方所述壳体顶部内壁设置有激光灯；所述壳体内靠近所述电池组件一侧设置有发电组件，所述发电组件通过导线与所述电池组件连接，所述电池组件通过导线与所述数据采集模块连接；所述发电组件一侧设置有反光板，所述激光灯发出的激光经所述反光板反射后在所述采集板上形成光点。

2.根据权利要求1所述的一种隧道设施全寿命安全运管平台，其特征在于，所述发电组件包括悬挂组件、安装板、矩形套筒和振动板，所述悬挂组件与所述壳体顶部内壁连接，所述矩形套筒与所述壳体底部内壁连接，所述安装板悬挂于所述矩形套筒中部，且所述安装板两端分别与所述悬挂组件和所述振动板连接；所述安装板两侧分别阵列设有多个压块，所述矩形套筒内壁分别对应所述压块设置有压电组件，所述压电组件通过所述压块挤压发电。

3.根据权利要求2所述的一种隧道设施全寿命安全运管平台，其特征在于，所述压电组件包括绝缘槽、压电陶瓷、整流单元和稳压充电单元，所述压电陶瓷一端直接与所述绝缘槽内壁连接，所述压电陶瓷另一端通过弹簧与所述绝缘槽内壁连接；所有所述压电陶瓷并联以后与所述整流单元串联，然后通过稳压充电单元与所述电池组件连接。

4.根据权利要求2所述的一种隧道设施全寿命安全运管平台，其特征在于，所述悬挂组件包括内半球壳、外半球壳和连杆，所述外半球壳底部设置有开口，所述外半球壳顶部与所述壳体内壁固定连接，所述外半球壳内壁圆周均布多个纵向磁弹力电极，所述内半球壳外壁对应所述纵向磁弹力电极设置有多个横向磁力电极，所述内半球壳底部连接所述连杆，所述连杆穿过所述开口连接至所述安装板；所述外半球壳与所述内半球壳之间通过所述横向磁力电极和所述纵向磁弹力电极实现悬浮。

5.根据权利要求1所述的一种隧道设施全寿命安全运管平台，其特征在于，所述壳体顶部还设置有安装支架，所述安装支架包括第一直角板和第二直角板，所述第一直角板的一端通过紧固件与所述壳体顶部连接，所述第一直角板的另一端通过紧固件与所述第二直角板一端固定连接，所述第二直角板的另一端通过紧固件固定于安装位置。

6.根据权利要求1所述的一种隧道设施全寿命安全运管平台，其特征在于，所述激光灯上还设置有调节支架，所述调节支架包括柔性悬臂，通过所述柔性悬臂可任意调节所述激光灯的入射角度。

7.一种隧道设施全寿命安全运管的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将数据监测装置按照编号分布式的安装在隧道内的不同位置，对隧道内不同位置的振动数据信号进行采集；

S2、数据采集模块用于实时在线采集获取隧道运营阶段隧道微小振动时的振动数据信号并传输至数据处理模块；

S3、数据处理模块用于处理振动数据信号并获得振动特征量并传输至数据通讯模块；

S4、数据通讯模块获取振动特征量并发送至远程后台的监测预警模块；

S5、监测预警模块用于接收振动特征量，并对隧道结构进行综合评估，并进行监测预警。

8.根据权利要求7所述的一种隧道设施全寿命安全运管的实现方法，其特征在于，所述S2中，所述数据采集模块用于实时在线采集获取隧道运营阶段隧道微小振动时的振动数据信号包括以下步骤：

S11、激光灯的出射光照射在反射板，然后经由反射板反射到达采集板，并在采集板上形成光点；

S12、在隧道发生振动时，带动激光灯振动，此时光点发生移动；

S13、相机记录光点移动的距离，并通过提取距离的大小从而活动振动数据信号。

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