CN114593708A - 基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统，包括电源、数据采集系统、数据传输系统、数据储存系统、数据运算和访问系统，数据采集系统包括多个倾角测量装置、标靶和图像采集设备，将多个倾角测量装置首尾相连串联安装于隧道衬砌上，并在装置一端固定一个标靶，洞口外固定图像采集设备，图像采集装置通过对标靶的识别输出标靶的位移数据，倾角测量装置将倾角和装置长度数据输出，数据传输系统将图像采集装置和倾角测量装置监测到的数据传输入数据储存系统存储，数据运算和访问系统通过倾角测量装置监测到的数据计算出隧道衬砌各点的位移，利用标靶的位移数据进行误差补偿，并通过远程客户端反映隧道断面的变形情况。

Description

基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统
技术领域
本发明涉及隧道施工工程领域，尤其涉及一种基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统。
背景技术
目前山岭隧道变形监测方法主要是通过人工进行监测，即利用收敛尺、全站仪等设备对隧道断面的“监测点”进行测量，这种传统的监测方法设备操作不便，监测数据间断，依赖人工，具有众多的局限性，无法进行长期自动化的监测。除了传统人工监测手段外，目前也存在有自动化全站仪、激光测距法、摄影测量监测法等自动化监测方法，这些方法虽然可以实现自动化连续测量，但监测中布置监测点的数量较少，数据量不足；此外，我国本世纪初引进了巴塞特收敛系统，其利用倾角传感器进行隧道收敛变形的监测，可以实现对隧道全断面的监测，但其数据采集装置结构复杂，占用工作面积大，同时，其在进行变形计算时需要假定一个固定不变的参考点，参考点的移动会严重影响拱顶沉降的计算结果，不适合大面积推广使用。因此，现阶段各种监测手段都很难满足日渐提高的隧道监测需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明设计了一种基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统。
本发明采用如下技术方案：
一种基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统，包括电源、数据采集系统、数据传输系统、数据储存系统、数据运算和访问系统，数据采集系统包括多个倾角测量装置、标靶和图像采集设备，将多个倾角测量装置首尾相连串联安装于隧道衬砌上，并在装置一端固定一个标靶，洞口外固定图像采集设备，图像采集装置通过对标靶的识别输出标靶的位移数据，倾角测量装置将倾角和装置长度数据输出，通过数据传输系统将图像采集装置和倾角测量装置监测到的数据传输入数据储存系统存储，数据运算和访问系统通过倾角测量装置监测到的数据计算出隧道衬砌各点的位移，利用标靶的位移数据进行误差补偿，并通过远程客户端反映隧道断面的变形情况。
作为优选，所述倾角测量装置包括外壳、外壳两端铰接设置的万向节、外壳内部设置的倾角传感器、激光位移计，倾角测量装置一端设置有伸缩结构，激光位移计对应伸缩结构设置，用于测量倾角测量装置的长度变化。
作为优选，所述数据传输系统采用CAN总线通讯和GPRS通讯技术进行数据传输，由CAN收发器、串口/网络数据转换器、DTU、工控机、交换机组成。
作为优选，所述数据储存系统通过在云端服务器中安装MySQL数据库对数据进行储存。
作为优选，所述数据运算和访问系统内安装有远程客户端，可以实现对数据的远程访问、系统设置、数据校正、输出报表、设置预警值。
作为优选，所述万向节和外壳均采用铝合金材质。
作为优选，所述倾角传感器采用三轴倾角传感器，由基于MEMS的磁场感应模和加速度模块制成，可以输出倾角测量装置在三维空间内的角度变化。
作为优选，所述标靶采用方形或圆形结构，在倾角测量装置安装好后安装于装置一端或预设好的参考点位置；标靶上印有易于识别的特定图案，安装时带有图案的一面面向隧道洞口。
作为优选，所述标靶上带有荧光涂料，可以在夜间发光，以保证夜间的识别。
作为优选，所述图像采集设备与标靶配合使用，采用工业相机或单反相机，图像采集设备固定安装在隧道洞口外，镜头正对标靶，对标靶进行图像采集，利用图像识别技术确定标靶的位置移动情况，得到参考点的位移数据，并根据参考点位移数据对所监测的隧道各点位移进行误差补偿。
为了适应日渐提高的隧道变形监测需求，同时充分考虑传统监测手段的局限性，本发明提出了一种新颖的隧道变形远程自动化监测系统，解决了传统隧道监测手段难以实现自动化连续监测的问题，也解决了倾角传感器在隧道监测中参考点移动对计算结果造成影响的问题。
本系统采用高精度的数据采集设备对隧道变形进行监测，其受隧道施工环境的影响较小，数据稳定性和灵敏度高；监测数据由系统直接输出，无需人工操作、读数，对隧道变形进行自动化监控，不需要人员频繁进出隧道，摆脱了人工测量数据间断的局限，具有监测数据连续性、实时性的优势。同时，监测系统直接采用220v标准电压供电，不需要额外的供电设备，仅需保证供电即可全天候工作，不同于传统人工监测方法只能进行定期的、短期的监测，可以对隧道变形进行长期全天候监控。
由于监测手段的限制，传统监测方法往往仅在隧道断面的部分关键点布置监测点，监测断面上存在监测盲区；而本系统的数据采集装置连续布置在隧道整个断面上(安装过程不需要隧道施工停工)，可以得到监测断面的整体变形情况，减少监测盲区；同时，数据采集设备中的图像采集设备可以对倾角测量装置的参考点进行实时定位，补偿因参考点的移动造成的计算误差。
本系统的数据传输设备可以将监测数据利用GPRS网络实时同步到云端，由云服务器进行数据的储存，并利用Java语言编写相应的客户端，从而实现对隧道变形数据的远程访问查看。同时，采用云端储存数据的方式，即使现场监测设备遭到破坏，过往的监测数据仍可以得到保存，最大限度的对监测数据进行保护。
根据以上优势和特点，本系统可以应用于隧道开挖过程中初支的变形监测，确定二次衬砌的施工时间；也可以应用于隧道的服役运营阶段，对隧道衬砌变形进行长期监测，保证铁路或公路的安全运营。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是本发明中倾角测量装置的一种结构示意图；
图中：1、隧道，2、倾角测量装置，3、万向节，4、标靶，5、图像采集设备，6、控制箱，7、云端服务器，8、移动终端，2-1、铝合金外壳，2-2、激光位移计，2-3、三轴倾角传感器，2-4、伸缩结构。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例：如附图1所示，一种基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统，本系统由电源、数据采集系统、数据传输系统、数据储存系统、数据运算和访问系统几个子系统组成。硬件组成包括倾角测量装置2、标靶4、图像采集设备5、控制箱6、云端服务器7和电脑手机等移动终端8。
数据采集系统由倾角测量装置、标靶、图像采集设备组成；数据传输系统采用CAN总线通讯和GPRS通讯技术进行数据传输，由CAN收发器、串口/网络数据转换器、DTU、工控机、交换机组成，部分设备集成于控制箱中；远程云端服务器内可以安装MySQL数据库对数据进行储存；访问终端内安装有监测客户端，可以实现对数据的远程访问、系统设置、数据校正、输出报表、设置预警值等功能。
其中，倾角测量装置如图2所示，主要由铝合金外壳2-1、万向节3、内部的三轴倾角传感器2-3和激光位移计2-2组成。其中万向节和铝合金外壳均采用铝合金材质，可以防止锈蚀，避免铁锈影响万向节的转动。内部三轴倾角传感器是传感装置的基本测量元件，由基于MEMS的磁场感应模和加速度模块制成，可以输出倾角测量装置在三维空间内的角度变化。倾角测量装置一端设计有伸缩结构2-4，主要考虑到倾角测量装置整体为刚性结构，当隧道发生较大变形时，仅靠万向节的转动无法满足变形需求，倾角测量装置可能被压坏或拉坏；设计伸缩结构可以使刚性的倾角测量装置具有一定的伸缩性，提高其可变形性。伸缩结构附近设计有激光位移计，采用激光测距原理，当伸缩结构发挥作用时，用于测量倾角测量装置的长度变化。
标靶采用方形或圆形结构，在倾角测量装置安装好后安装于装置一端或预设好的参考点位置；标靶上印有易于识别的特定图案，安装时带有图案的一面面向隧道洞口；标靶上带有荧光涂料或其它自发光装置，可以在夜间发光，以保证夜间的识别。图像采集设备与标靶配合使用，可以使用工业相机、单反相机或其它高精度的图像采集设备，图像采集设备固定安装在隧道洞口外，镜头正对标靶，对标靶进行图像采集，利用图像识别技术确定标靶的位置移动情况，得到参考点的位移数据，并根据参考点位移数据对所监测的隧道各点位移进行误差补偿。
该基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统使用时的典型监测过程为：
1、确定要监测的隧道1断面，将多个倾角测量装置首尾相连安装于隧道衬砌表面。
2、预定计算的参考点，将带有特定图案及自发光装置的标靶固定于参考点位置，图案面朝向洞口。
3、架设图像采集设备，在洞口外选择一个固定点，将图像采集设备架设在固定点处。
4、安装控制箱，并搭建远程服务器。
5、隧道变形带动倾角测量装置发生转动以及长度的伸长或缩短，传感器监测到装置变化并将倾角和长度数据采用有线或无线方式输出至控制箱，并传输至远程服务器。
6、按照预先选定的参考点，利用倾角测量装置的数据计算隧道各点在X和Y方向上的位移：
ΔXi＝ΔXi-1+(li+Δli)sin(θi+Δθi)-lisinθi
ΔYi＝ΔYi-1+(li+Δli)cos(θi+Δθi)-licosθi
其中：ΔXi、ΔYi分别表示节点i在X和Y方向的位移；li为测量装置的初始长度；Δli为测量装置长度的变化量；θi为测试装置初始倾角；Δθi为测量装置倾角的变化量。
7、图像采集设备在倾角测量装置工作时，同时对参考点处的标靶进行图像采集，数据一并传输至服务器，利用服务器或终端内预先编好的程序进行图像识别，得到标靶(参考点)的位移数据。
8、参考点位置补偿。利用通过图像识别得到的参考点位移数据Δx和Δy，对隧道各点位移进行误差补偿得到补偿后的节点位移ΔX′i和ΔY′i：
ΔX′i＝ΔXi+Δx
ΔY′i＝ΔYi+Δy
9、根据各点位移数据即可计算其它隧道监测指标，如隧道水平收敛位移计算方法为：
Sij＝ΔXj-ΔXi
其中：Sij为节点i和j的水平收敛位移(i和j关于隧道竖直中线对称)；ΔXj和ΔXi为i和j节点在X方向上的位移。
同样的，隧道拱顶沉降的计算方法为：
Zi＝ΔYi
其中：zi为拱顶节点i的竖直沉降值；ΔYi为节点i在Y方向上的位移。
10、用户登录远程客户端变可以实现对数据的远程访问、系统设置、数据校正、输出报表、设置预警值等功能。准确反映隧道断面的变形情况，解决了传统隧道监测手段难以实现自动化连续监测的问题，也解决了倾角传感器在隧道监测中参考点移动对计算结果造成影响的问题。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统，包括电源、数据采集系统、数据传输系统、数据储存系统、数据运算和访问系统，其特征是，所述数据采集系统包括多个倾角测量装置、标靶和图像采集设备，将多个倾角测量装置首尾相连串联安装于隧道衬砌上，并在装置一端固定一个标靶，洞口外固定图像采集设备，图像采集装置通过对标靶的识别输出标靶的位移数据，倾角测量装置将倾角和装置长度数据输出，通过数据传输系统将图像采集装置和倾角测量装置监测到的数据传输入数据储存系统存储，数据运算和访问系统通过倾角测量装置监测到的数据计算出隧道衬砌各点的位移，利用标靶的位移数据进行误差补偿，并通过远程客户端反映隧道断面的变形情况。
2.根据权利要求1所述的基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统，其特征是，所述倾角测量装置包括外壳、外壳两端铰接设置的万向节、外壳内部设置的倾角传感器、激光位移计，倾角测量装置一端设置有伸缩结构，激光位移计对应伸缩结构设置，用于测量倾角测量装置的长度变化。
3.根据权利要求1所述的基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统，其特征是，所述数据传输系统采用CAN总线通讯和GPRS通讯技术进行数据传输，由CAN收发器、串口/网络数据转换器、DTU、工控机、交换机组成。
4.根据权利要求1所述的基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统，其特征是，所述数据储存系统通过在云端服务器中安装MySQL数据库对数据进行储存。
5.根据权利要求1所述的基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统，其特征是，所述数据运算和访问系统内安装有远程客户端，可以实现对数据的远程访问、系统设置、数据校正、输出报表、设置预警值。
6.根据权利要求2所述的基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统，其特征是，所述万向节和外壳均采用铝合金材质。
7.根据权利要求2所述的基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统，其特征是，所述倾角传感器采用三轴倾角传感器，由基于MEMS的磁场感应模和加速度模块制成，可以输出倾角测量装置在三维空间内的角度变化。
8.根据权利要求1所述的基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统，其特征是，所述标靶采用方形或圆形结构，在倾角测量装置安装好后安装于装置一端或预设好的参考点位置；标靶上印有易于识别的特定图案，安装时带有图案的一面面向隧道洞口。
9.根据权利要求1所述的基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统，其特征是，所述标靶上带有荧光涂料，可以在夜间发光，以保证夜间的识别。
10.根据权利要求1所述的基于倾角和参考点位置补偿的隧道变形自动化监测系统，其特征是，所述图像采集设备与标靶配合使用，采用工业相机或单反相机，图像采集设备固定安装在隧道洞口外，镜头正对标靶，对标靶进行图像采集，利用图像识别技术确定标靶的位置移动情况，得到参考点的位移数据，并根据参考点位移数据对所监测的隧道各点位移进行误差补偿。
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