CN112945096A - 一种用于高速列车上的隧道病害监测系统和方法 - Google Patents
一种用于高速列车上的隧道病害监测系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于高速列车的隧道病害监测系统和方法，包括：车载激光扫描装置，用于获取当前隧道三维图形数据；定位器，用于获取当前隧道位置信息；云端服务器，用于将当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息发送至隧道病害监控平台；隧道病害监控平台，用于将当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息，与BIM模型数据库预先存储的原始隧道三维图形数据和原始隧道位置信息进行数据对比，将得到的隧道病害信息通返回至云端服务器。采用本发明的技术方案，能够利用车载激光扫描装置全程实时监控隧道的整体情况，全面精确的检测出隧道病害数据以迅速完成隧道病害检测，从而快速准确得到隧道病害位置以对隧道进行病害处理。
Description
技术领域
本发明属于隧道监测设备技术领域，尤其涉及一种用于高速列车的隧道病害监测系统和方法。
背景技术
隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。隧道可分为交通隧道、水工隧道、市政隧道、矿山隧道；随着我国国民经济持续增长，隧道作为公路的咽喉，尤其是在偏远地山区公路建设中，由于客观地形条件，在保证汽车或高速列车行驶需要的根本上，修建隧道进而缩短交通里程的路线设计方案一直被广泛的应用。
但隧道运营过程中往往会出现很多的病害，隧道病害类型包括隧道内积水，隧道由于山体滑坡等情况被堵塞，隧道自身变形及开裂等，这种隧道病害会大大缩短隧道的使用寿命；因此如何在隧道运营期间，及时有效的检测和监控隧道的各种病害，受到越来越多道路工作者的关注。
现如今，隧道检测只考虑到各单项的如隧道内积水、开裂等评价指标，这些评价指标人为因素影响较大，所检测的数据不准确，不利于对隧道的病害进行处理，隧道的病害处理缺乏全程及实时的监控，一旦某段隧道出现病害问题，难以快速准确的对隧道进行病害处理，影响了隧道的安全使用，也影响了行驶在隧道内高速列车的安全行驶。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高速列车上的隧道病害监测系统和方法，以解决现有技术中检测数据不准确，不利于对隧道的病害进行处理，隧道的病害处理缺乏全程及实时的监控，难以快速准确的对隧道进行病害处理，影响隧道安全使用的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于高速列车的隧道病害监测系统，包括:
车载激光扫描装置，用于获取当前隧道三维图形数据；
定位器，用于获取当前隧道位置信息；
云端服务器，用于将所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息发送至隧道病害监控平台；
隧道病害监控平台，用于将所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息，与BIM模型数据库预先存储的原始隧道三维图形数据和原始隧道位置信息进行数据对比，得到隧道病害信息，同时将所述隧道病害信息通返回至云端服务器。
作为优选，所述隧道病害监控平台包括：：
去噪模块，用于对所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息进行去噪处理，得到去噪后的当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息；
处理模块，用于将原始隧道三维图形数据、原始隧道位置信息与去噪后的当前隧道三维图形数据、当前隧道位置信息进行三维BIM模型数据整合，得到隧道三维图形数据轮廓差图，所述轮廓差图为隧道三维图形数据坐标差形成的三维图；
输出模块，用于对所述轮廓差图中的轮廓差部分标注坐标，得到隧道的病害位置；同时根据所述轮廓差图，确定隧道病害类型和病害轮廓面积。
作为优选，所述车载激光扫描装置：包括：安装于高速列车车头顶端的支撑架、固定于所述支撑架背部并安装于所述高速列车车头顶端的横板、安装于所述横板上的接收装置、以及安装于所述支撑架顶端的激光扫描单元。
作为优选，所述支撑架呈“n”形结构，所述支撑架包括：安装于高速列车车头顶端的顶板、安装于高速列车车头左侧的左侧板、以及安装于高速列车车头右侧的右侧板。
作为优选，所述激光扫描单元包括：摄像设备和扫描设备；其中，
所述摄像设备包括：安装于所述顶板中部的第一摄像机、安装于所述左侧板上的第二摄像机、以及安装于所述右侧板上的第三摄像机，所述第一摄像机、第二摄像机、第三摄像机分别将获取的实时隧道三维图形数据发送至所述云端服务器；
所述扫描设备安装于所述顶板的两侧，所述扫描设备包括：安装于所述顶板上的固定基座、垂直固设于所述固定基座顶端中部的转轴、安装于转轴顶端的旋转盘、安装于旋转盘上的激光扫描仪主机和回转传感器以及激光发射器，所述激光发射器位于激光扫描仪主机的正面。
作为优选，所述接收装置包括：安装于所述横板上的接收器、以及垂直连接于所述接收器的接收天线，且所述接收器分别与所述激光扫描仪主机和云端服务器连接。
作为优选，所述固定基座的顶端中部开设一安装微型电机的凹腔，所述微型电机的电机输出轴通过联轴器与所述转轴的底端传动连接。
作为优选，所述云端服务器连接一移动终端，用于使工作人员查看所述隧道病害信息。
本发明还提供一种用于高速列车的隧道病害监测方法，包括以下步骤:
获取当前隧道三维图形数据；
获取当前隧道位置信息；
将所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息发送至隧道病害监控平台；
将所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息，与BIM模型数据库预先存储的原始隧道三维图形数据和原始隧道位置信息进行数据对比，得到隧道病害信息，同时将所述隧道病害信息通返回至云端服务器。
作为优选，所述得到隧道病害信息包括：
对所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息进行去噪处理，得到去噪后的当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息；
将原始隧道三维图形数据、原始隧道位置信息与去噪后的当前隧道三维图形数据、当前隧道位置信息进行三维BIM模型数据整合，得到隧道三维图形数据轮廓差图，所述轮廓差图为隧道三维图形数据坐标差形成的三维图；
对所述轮廓差图中的轮廓差部分标注坐标，得到隧道的病害位置；同时根据所述轮廓差图，确定隧道病害类型和病害轮廓面积。
本发明的有益效果是：
1、本发明自动化程度及精确度高，能够利用车载激光扫描装置全程实时监控隧道的整体情况，全面精确的检测出隧道病害数据以迅速完成隧道病害检测，从而快速准确得到隧道病害位置以对隧道进行病害处理，有利于隧道内高速列车的安全行驶。
2、本发明将激光扫描仪主机安装在高速列车的车头顶端，能够在高速列车的车头行驶进入到隧道时，就对隧道进行全面扫描，从而在高速列车高速运行的过程中，迅速采集到隧道的病害问题信号，对隧道内出现的掉块、渗水等病害问题实时的检测采集出来，并将采集到相关的隧道病害信息传输至隧道病害监控平台以告知技术人员，针对隧道病害信息进行隧道的病害处理，保证隧道长久安全的使用，有利于高速列车在隧道内安全的行驶。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中，
图1为本发明安装于高速列车上时的结构示意图；
图2为本发明隧道病害监测系统的原理框图；
图3为本发明车载激光扫描装置的结构立体图；
图4为本发明支撑架与横板相组合的整体结构立体图；
图5为本发明图4的A处结构放大示意图；
图6为本发明扫描设备的结构立体图；
图7为本发明固定基座的结构立体图；
图8为本发明隧道病害监测方法的流程示意图。
图中：1高速列车、2车载激光扫描装置、21支撑架、211顶板、212左侧板、213右侧板、22横板、23接收装置、231接收器、232供电电源、233接收天线、3激光扫描单元、31第一摄像机、32第二摄像机、33第三摄像机、34扫描设备、341固定基座、3411微型电机、342转轴、343旋转盘、344激光扫描仪主机、345激光发射器、346回转传感器、4云端服务器、5移动终端、6隧道病害监控平台、7定位器、8、BIM模型数据库。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-7所示，本发明提供一种用于高速列车的隧道病害监测系统，包括:
车载激光扫描装置，用于获取当前隧道三维图形数据；
定位器，用于获取当前隧道位置信息；
云端服务器，用于将所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息发送至隧道病害监控平台；
隧道病害监控平台，用于将所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息，与BIM模型数据库预先存储的原始隧道三维图形数据和原始隧道位置信息进行数据对比，得到隧道病害信息，同时将所述隧道病害信息通返回至云端服务器。
进一步，所述BIM模型数据库，利用BIM软件根据隧道工程的DWG设计和施工图纸建立原始隧道三维图形数据库，所述原始隧道三维图形数据库包括隧道原始三维图形数据及原始隧道位置信息。
进一步，所述隧道病害监控平台包括：
去噪模块，用于对所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息进行去噪处理，得到去噪后的当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息，其中，所述去噪后的当前隧道三维图形数据作为隧道病害检测的辅助图像；
处理模块，用于通过Navisworks将原始隧道三维图形数据、原始隧道位置信息与去噪后的当前隧道三维图形数据、当前隧道位置信息进行三维BIM模型数据整合，得到隧道三维图形数据轮廓差图，所述轮廓差图为隧道三维图形数据坐标差形成的三维图，其中，其坐标差为0时则代表隧道没有病害，其坐标差不为0时则代表隧道存在病害；
输出模块，用于对所述轮廓差图中的轮廓差部分标注坐标，得到隧道的病害位置；同时根据所述轮廓差图，确定隧道病害类型和病害轮廓面积。
隧道病害监控平台将扫描所得的隧道病害信息通过云端服务器传输至移动终端以便于工作人员查看并针对病害进行处理。所述隧道病害类型包括：隧道内积水，隧道由于山体滑坡情况被堵塞，隧道自身变形及开裂，隧道内空气流通不畅易有不良情况发生，隧道内由于狭窄并且双向行驶极易造成交通事故而长时间堵塞；隧道病害表现为：隧道渗漏水、二衬及隧道面局部断块、开裂变形、以及排水系统阻塞致使隧道面反浆。
进一步，所述车载激光扫描装置用于实时获取隧道三维图形数据，并将获取的隧道图形数据通过云端服务器传输至隧道病害监控平台；所述车载激光扫描装置：包括：安装于高速列车车头顶端的支撑架、固定于所述支撑架背部并安装于所述高速列车车头顶端的横板、安装于所述横板上的接收装置、以及安装于所述支撑架顶端的激光扫描单元。通过支撑架与横板的配合，能够为激光扫描单元与接收装置提供支撑机构，从而让激光扫描单元与接收装置稳固安装在高速列车的车头顶端。
进一步，所述支撑架呈“n”形结构，所述支撑架包括：安装于高速列车车头顶端的顶板、安装于高速列车车头左侧的左侧板、以及安装于高速列车车头右侧的右侧板。
进一步，所述激光扫描单元包括：摄像设备和扫描设备；其中，所述摄像设备包括：安装于所述顶板中部的第一摄像机、安装于所述左侧板上的第二摄像机、以及安装于所述右侧板上的第三摄像机，所述第一摄像机、第二摄像机、第三摄像机分别将获取的实时隧道三维图形数据发送至所述云端服务器；优选地，所述第一摄像机、第二摄像机和第三摄像机采用cansonic肯尼运动摄像机。所述扫描设备安装于所述顶板的两侧，所述扫描设备包括：安装于所述顶板上的固定基座、垂直固设于所述固定基座顶端中部的转轴、安装于转轴顶端的旋转盘、安装于旋转盘上的激光扫描仪主机和回转传感器以及激光发射器，所述激光发射器位于激光扫描仪主机的正面。优选地，所述激光扫描仪主机为三维激光扫描仪；所述激光扫描仪主机为BJSD-T2型、BJQN-5A型激光扫描仪的任意一种；所述激光发射器为Z15M18B-638-LG90型、FU650C5-BD9型、以及ST780D120-3M型发射器的任意一种；回转传感器为DS-III-NR型、xt22600型回转传感器的任意一种。
进一步，所述固定基座的顶端中部开设一安装微型电机的凹腔，所述微型电机的电机输出轴通过联轴器与所述转轴的底端传动连接。所述微型电机采用39BYG205-1-17型电机，通过所述微型电机，可驱使激光扫描仪主机圆周旋转以对隧道进行全面的扫描，便于获取隧道的全面三维图形数据。
进一步，所述接收装置包括：安装于所述横板上的接收器、以及垂直连接于所述接收器的接收天线，且所述接收器分别与所述激光扫描仪主机和云端服务器连接。所述接收器将所述激光扫描仪主机获取的实时隧道三维图形数据传输至所述云端服务器。优选地，接收器为北斗星TDX-328X型、KW13A-GSM型、GK5101型接收器的任意一种。
进一步，在所述横板上设有供电电源，所述供电电源分别连接所述第一摄像机、第二摄像机、第三摄像机、接收器、激光扫描仪主机、微型电机，为所述第一摄像机、第二摄像机、第三摄像机、接收器、激光扫描仪主机、微型电机提供稳定电源。供电电源232采用SYH4-HY3002F-2型直流稳压电源。
作为优选，所述定位器安装于安装于高速列车车头顶端，优选地，所述定位器为SMC-IP8000-001型定位器。
作为优选，所述云端服务器连接一移动终端，用于使工作人员查看所述隧道病害信息。移动终端为智能手机、移动电话、平板电脑任意一种。
如图8所示，本发明还提供一种用于高速列车的隧道病害监测方法，包括以下步骤:
步骤S1、获取当前隧道三维图形数据；
步骤S2、获取当前隧道位置信息；
步骤S3、将所述当前隧道三维图形数据和隧道位置信息发送至隧道病害监控平台；
步骤S4、将所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息，与BIM模型数据库预先存储的原始隧道三维图形数据和原始隧道位置信息进行数据对比，得到隧道病害信息，同时将所述隧道病害信息通返回至云端服务器。
进一步，所述得到隧道病害信息包括：
对所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息进行去噪处理，得到去噪后的当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息；
将原始隧道三维图形数据、原始隧道位置信息与去噪后的当前隧道三维图形数据、当前隧道位置信息进行三维BIM模型数据整合，得到隧道三维图形数据轮廓差图，所述轮廓差图为隧道三维图形数据坐标差形成的三维图；
对所述轮廓差图中的轮廓差部分标注坐标，得到隧道的病害位置；同时根据所述轮廓差图，确定隧道病害类型和病害轮廓面积
本发明的隧道病害监测系统和方法，能够将激光扫描仪主机安装在高速列车的车头顶端，能够在高速列车的车头行驶刚刚进入到隧道时，就对隧道进行从头到尾的全面扫描，从而在高速列车高速运行的过程中，利用扫描设备采集到隧道的病害问题信号，对隧道内出现的掉块、渗水等病害问题实时的检测采集出来，并将采集到相关的隧道病害信息通过云端服务器传输至隧道病害监控平台，并通过移动终端以告知技术人员，针对隧道病害信息进行隧道的病害处理，保证隧道长久安全的使用，有利于高速列车在隧道内安全的行驶。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解为在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种用于高速列车的隧道病害监测系统，其特征在于，包括:
车载激光扫描装置，用于获取当前隧道三维图形数据；
定位器，用于获取当前隧道位置信息；
云端服务器，用于将所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息发送至隧道病害监控平台；
隧道病害监控平台，用于将所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息，与BIM模型数据库预先存储的原始隧道三维图形数据和原始隧道位置信息进行数据对比，得到隧道病害信息，同时将所述隧道病害信息通返回至云端服务器。
2.根据权利要求1所述的用于高速列车的隧道病害监测系统，其特征在于，所述隧道病害监控平台包括：
去噪模块，用于对所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息进行去噪处理，得到去噪后的当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息；
处理模块，用于将原始隧道三维图形数据、原始隧道位置信息与去噪后的当前隧道三维图形数据、当前隧道位置信息进行三维BIM模型数据整合，得到隧道三维图形数据轮廓差图，所述轮廓差图为隧道三维图形数据坐标差形成的三维图；
输出模块，用于对所述轮廓差图中的轮廓差部分标注坐标，得到隧道的病害位置；同时根据所述轮廓差图，确定隧道病害类型和病害轮廓面积。
3.根据权利要求1或2所述的用于高速列车的隧道病害监测系统，其特征在于，所述车载激光扫描装置：包括：安装于高速列车车头顶端的支撑架、固定于所述支撑架背部并安装于所述高速列车车头顶端的横板、安装于所述横板上的接收装置、以及安装于所述支撑架顶端的激光扫描单元。
4.根据权利要求3所述的安置于高速列车上的隧道病害监测系统，其特征在于，所述支撑架呈“n”形结构，所述支撑架包括：安装于高速列车车头顶端的顶板、安装于高速列车车头左侧的左侧板、以及安装于高速列车车头右侧的右侧板。
5.根据权利要求4所述的用于高速列车的隧道病害监测系统，其特征在于，所述激光扫描单元包括：摄像设备和扫描设备；其中，
所述摄像设备包括：安装于所述顶板中部的第一摄像机、安装于所述左侧板上的第二摄像机、以及安装于所述右侧板上的第三摄像机，所述第一摄像机、第二摄像机、第三摄像机分别将获取的实时隧道三维图形数据发送至所述云端服务器；
所述扫描设备安装于所述顶板的两侧，所述扫描设备包括：安装于所述顶板上的固定基座、垂直固设于所述固定基座顶端中部的转轴、安装于转轴顶端的旋转盘、安装于旋转盘上的激光扫描仪主机和回转传感器以及激光发射器，所述激光发射器位于激光扫描仪主机的正面。
6.根据权利要求5所述的用于高速列车的隧道病害监测系统，其特征在于，所述接收装置包括：安装于所述横板上的接收器、以及垂直连接于所述接收器的接收天线，且所述接收器分别与所述激光扫描仪主机和云端服务器连接。
7.根据权利要求5所述的用于高速列车的隧道病害监测系统，其特征在于，所述固定基座的顶端中部开设一安装微型电机的凹腔，所述微型电机的电机输出轴通过联轴器与所述转轴的底端传动连接。
8.根据权利要求1所述的用于高速列车上的隧道病害监测系统，其特征在于，所述云端服务器连接一移动终端，用于使工作人员查看所述隧道病害信息。
9.一种用于高速列车的隧道病害监测方法，其特征在于，包括以下步骤:
获取当前隧道三维图形数据；
获取当前隧道位置信息；
将所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息发送至隧道病害监控平台；
将所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息，与BIM模型数据库预先存储的原始隧道三维图形数据和原始隧道位置信息进行数据对比，得到隧道病害信息，同时将所述隧道病害信息通返回至云端服务器。
10.如权利要求9所述用于高速列车的隧道病害监测方法，其特征在于，所述得到隧道病害信息包括：
对所述当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息进行去噪处理，得到去噪后的当前隧道三维图形数据和当前隧道位置信息；
将原始隧道三维图形数据、原始隧道位置信息与去噪后的当前隧道三维图形数据、当前隧道位置信息进行三维BIM模型数据整合，得到隧道三维图形数据轮廓差图，所述轮廓差图为隧道三维图形数据坐标差形成的三维图；
对所述轮廓差图中的轮廓差部分标注坐标，得到隧道的病害位置；同时根据所述轮廓差图，确定隧道病害类型和病害轮廓面积。
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