CN115060230A - 城市隧道多线叠交施工沉降监测预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及隧道领域，特别涉及城市隧道多线叠交施工沉降监测预警系统。包括数据处理模块、振动检测模块和可视化模块；所述振动检测模块包括压电晶体片和壳体，所述壳体固定在多线施工隧道的上层上壁和下层上壁，所述压电晶体片活动设立于壳体内部，所述压电晶片体串联了一个定值电阻，所述压电晶体片、定值电阻和传输数据处理模块的两个引脚依次串联，所述振动检测模块通过电流表的数据信号变换规律，从而收集多线施工隧道上层的第一振动信号和下层的第二振动信号；所述可视化模块包括第一摄像头和第二摄像头，完成了对隧道施工过程中出现沉降精准预警。
Description
技术领域
本发明涉及隧道领域，特别涉及城市隧道多线叠交施工沉降监测预警系统。
背景技术
高铁、铁路、城市隧道、地铁属线性工程，穿越范围内各地区地层差异较大，区域沉降特性各异。隧道工程多为天然基础，结构依附于地层，在未受外界其他因素干扰情况下，其多年沉降与区域沉降趋势相近。近年来国内铁路及地铁运营里程激增，随着运营年限的增加，区域差异沉降诱发隧道结构变形，导致隧道侵限、开裂、破损、渗漏水等病害多发，不但大幅增加运营维保费用，部分线路已影响列车舒适度，严重时可能危及列车运营安全。
目前国内外对区域沉降已有一定的研究，但大多数集中于地面线或高架线路，对于地下线的研究成果较少，而隧道工程在设计使用年限内对区域差异沉降的适应性及应对方法尚无系统性的研究。
申请号为CN202110885580.7的专利公开了一种基于无线传感器技术的地下管网管线位移沉降监测方法及云监测平台。该基于无线传感器技术的地下管网管线位移沉降监测方法包括：将该地下管线进行检测区域划分；对该地下管线各检测段对应的沉降量进行检测；对该地下管线各检测段对应的沉降状态进行分析；根据各地下管线沉降状态，将该地下管线各检测段进行分类；对各沉降检测段沉降量对应的危险性进行分析；对各未沉降段对应的环境参数进行检测；对各未沉降段对应的环境参数进行分析。
上述发明通过无线传感器技术，对地下管线各段进行了检测，能完成对沉降状态的判断，但是其成本较为高昂，在城市隧道多线叠交施工的现场，通常是上下两层同时加工，在保证安全的同时，有效的推进了工期，由于两层同时施工，施工人员多，所以更加需要一个能及时响应，且相对简单的技术来预警隧道的沉降信息，以此来保护施工人员的生命安全。现急需一种能对隧道施工过程中出现沉降精准预警的技术。
发明内容
本发明提供了城市隧道多线叠交施工沉降监测预警系统，能对隧道施工过程中出现沉降及时预警。
为了解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：
城市隧道多线叠交施工沉降监测预警系统，包括数据处理模块、振动检测模块和可视化模块；
所述振动检测模块分别固定在多线施工隧道的上层上壁和下层上壁，所述振动检测模块用于测量隧道内部的振动大小，并传将振动信号传递给数据处理模块，振动检测模块分别收集多线施工隧道上层的第一振动信号和下层的第二振动信号；
所述可视化模块包括第一摄像头和第二摄像头，所述第一摄像头用于收集多线施工隧道上层的第一施工场景图像；所述第二摄像头用于收集多线施工隧道下层的第二施工场景图像；
所述数据处理模块用于收集第一振动信号、第二振动信号、第一施工场景图像和第二施工场景图像，并对以上信号和图像信息进行处理；在第一振动信号超过阈值时，数据处理模块在第一场景图像中建立竖直方向的参考线，若图像信息中存在沿参考线向下运动的对象，则提取该对象的轮廓信息；根据轮廓信息中边缘处是否存在超过阈值数量的尖锐点，若超过阈值，则判断为非人造物，若此时第一振动信号持续加强，则判断为疑似塌方，发出全体预警撤离信号；若判断为非人造物，第一振动信号在规定时间内未持续加强，则为该掉落信息计数；若掉落信息计数超过阈值时，便将掉落物区域标注为安全排查区域；在第二振动信号超过阈值时，数据处理模块在第二场景图像中建立竖直方向的参考线，若图像信息中存在沿参考线向下运动的对象，则提取该对象的轮廓信息；根据轮廓信息中边缘处是否存在超过阈值数量的尖锐点，若未过阈值，则判断为人造物，若此时第二振动信号持续增强，第一振动信号变化幅度不大，则发出下层撤离预警信号。
该发明的原理和效果：隧道多线叠交施工指的是隧道分几层同时加工，大多数是分为两层。振动检测模块安放在隧道上层上壁和下层上壁，上层上壁的振动检测模块检测隧道上层的振动信息，为第一振动信号，下层上壁的振动检测模块检测隧道下册的振动信号，为第二振动信号。当第一振动信号超过阈值时，数据处理模块开始分析处理第一摄像头传递来的第一场景图像，数据处理模块在第一场景图像中建立竖直方向的参考线，若图像信息中存在沿参考线向下运动的对象，则提取该对象的轮廓信息，根据轮廓信息的尖锐点数量，判断是否为人造物；人造物大多是尖锐点较少的，可能是安装在隧道顶部的灯或者螺栓等松动掉落，非人造物指石块，土壤等，当隧道内出现石块或土壤掉落时可能就会有塌方危险，所以当识别到为非人造物时，同步读取第一振动信号，检测第一振动信号的变化规律，如果信号超过阈值且持续增强，数据处理模块便发出全体预警撤离信号，通知全体人员撤离。若判断为非人造物，第一振动信号在规定时间内未持续加强，则为该掉落信息计数；若掉落信息计数超过阈值时，便将掉落物区域标注为安全排查区域，提醒施工安全人员来现场排查。
隧道下层四面基本为人造层，所以在第二振动信号超过阈值时，数据处理模块在第二场景图像中建立竖直方向的参考线，若图像信息中存在沿参考线向下运动的对象，则提取该对象的轮廓信息；根据轮廓信息中边缘处是否存在超过阈值数量的尖锐点，若未过阈值，则判断为人造物，若此时第二振动信号持续增强，第一振动信号变化幅度不大，此时有可能是上层和下层之间的隔层即将掉落，下层人员有被填埋的危险，数据处理模块发出下层撤离预警信号，提醒下层人员尽快撤离，上层人员也尽快撤离或远离大型机械，防止隔层塌陷下去后将人压倒。
进一步，所述第一摄像头和第二摄像头均至少有两个，每个区域至少在两个摄像头获取图像信息的范围里，每个摄像头都在其他摄像头的获取图像区域里。扩大监控范围，为数据处理模块提供更为精准的分析素材；同时可以避免盲点的产生，导致特殊情况下分析数据缺失。
进一步，还包括照明模块，当数据处理模块发出全体预警撤离信号和下层撤离预警信号时，同步给照明模块发出撤离照明信号。为撤离照明道路，方便人员撤离，同时也能为撤离人员照明方向。
进一步，所述振动检测模块呈多组设立；非正施工区域放置数量大于施工区域放置数量。减少机械加工带来的振动误差，同时多个振动检测模块的设立，有效规避了偶然性，如振动传感器损坏，无法实时检测隧道内的振动信号。
进一步，数据处理模块同时获取多个数据处理模块传输来的多个振动信号；若振动信号达到阈值的数量未超过限定值，数据处理模块便不分析图像信息。当有多个振动检测模块测量的振动信号超过阈值时，即大概率是整体隧道的振动值偏高，存在塌方危险；如果只有少数的振动检测模块的振动信号超过了阈值，则有可能是偶然发生了偏差，如受到了机械加工的影响和固定在上壁上的壳体松动掉落等。通过多个振动信号的综合判定，使得数据处理模块发出的各种信号更为精确。
进一步，所述照明模块还用于在有人员经过掉落物区域时，数据处理模块发出提示照明信号，照明模块接收信号照明。当有人经过掉落物区域时，照明模块给掉落物区域照明，提示路过人员，如果掉落的人造物，则可以提示路过人员捡走，如果是人造物，则提升路过人员不要绊腿，导致摔倒。
附图说明
图1为城市隧道多线叠交施工沉降监测预警系统实施例一的示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例一如附图1所示：
城市隧道多线叠交施工沉降监测预警系统，包括数据处理模块、振动检测模块和可视化模块；数据处理模块选用MYB00-3823371ECU硬件电脑版电子控制单元，可以对传输来的各种信号进行分析和处理。
所述可视化模块包括第一摄像头和第二摄像头，所述第一摄像头用于收集多线施工隧道上层的第一施工场景图像；所述第二摄像头用于收集多线施工隧道下层的第二施工场景图像；摄像头选用全睿QR-HND-11303R-I，摄像头整体外形呈半球形，对目标区域进行监控，实时获取目标区域的图像信息，并传输至数据处理模块。所述第一摄像头和第二摄像头均至少有两个，每个区域至少在两个摄像头获取图像信息的范围里，每个摄像头都在其他摄像头的获取图像区域里。每个区域都至少有两个摄像头获取图像，数据处理模块分析数据的素材更多，也能多方面进行佐证，保证发出的信号都是精准的，而且复杂的隧道施工环境，有很多的工程机械可能会挡住部分图像，摄像头多机位的设定，多角度获取目标区域的实时信息，有效防止画面丢失的情况产生。
所述振动检测模块包括压电晶体片和壳体，客体选用不锈钢材质，壳体内部进行绝缘处理，如喷涂绝缘涂料；所述壳体螺栓固定在多线施工隧道的上层上壁和下层上壁，所述压电晶体片活动设立于壳体内部，壳体保护压电晶体片免受非常规的碰撞，如落石直接掉落打击在压电晶体片上，壳体内的压电晶体片只有在隧道内振动发生时，跟随壳体一起摆动，压电晶体片受力变形，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，在有振动产生时，压电晶体片受力变形，表面产生电荷，所述压电晶片体串联了一个定值电阻，定值电阻起保护电路的作用，所述压电晶体片、定值电阻和传输数据处理模块的两个引脚依次串联，所述振动检测模块通过电流表的数据信号变换规律，从而收集多线施工隧道上层的第一振动信号和下层的第二振动信号；通过数据检测模块识别到电流的变化，从而来判断振动的大小，电流大小与振动大小成正比。
所述数据处理模块用于收集第一振动信号、第二振动信号、第一施工场景图像和第二施工场景图像，并对以上信号和图像信息进行处理；在第一振动信号超过阈值（本实施例中选择200Hz，在隧道施工过程中，隧道上壁的振动频率超过200Hz便会存在塌方的危险，本领域的技术人员也可根据实际施工情况选用其他合适的阈值数值）时，数据处理模块接收图像信息，并用帧间差分法分析目标区域的图像信息的变化情况，通过摄像头实时获取图像信息传输至数据处理模块；数据处理模块识别处理图像信息的像素点，通过对视频图像信息序列中相邻两帧作差分运算来获得运动目标轮廓的方法，当目标区域中出现异常物体运动时，帧与帧之间会出现较为明显的差别，两帧相减，得到两帧图像亮度差的绝对值，判断它是否大于阈值（本实施例的绝对值选用50%中性灰，即128，亮度高于128(50%的灰）的即会变黑.可以跟滤镜中的其它――高反差保留，本领域的技术人员可以根据实际加工环境选择适用的阈值数值。）来分析视频或图像序列的运动特性，确定图像序列中有无物体运动，从而判断目标区域有无物体掉落。数据处理模块在第一场景图像中建立竖直方向的参考线，若图像信息中存在沿参考线向下运动的对象，则提取该对象的轮廓信息；根据轮廓信息中边缘处是否存在超过阈值数量的尖锐点，若超过阈值（本实施例尖锐点阈值选择8；在隧道施工环境中，人造物大多为灯泡、灯罩、管道等，都具备规整的形状，图像信息的轮廓都很圆滑，基本只有边角的地方产生了尖锐点,本领域的技术人员也可以根据实际加工环境选择其他合适的阈值数值。），则判断为非人造物，人造物大多是尖锐点较少的，可能是安装在隧道顶部的灯或者螺栓等松动掉落，非人造物指石块，土壤等，当隧道内出现石块或土壤掉落时可能就会有塌方危险，若此时第一振动信号持续加强，则判断为疑似塌方，发出全体预警撤离信号；若判断为非人造物，第一振动信号在规定时间内未持续加强，则为该掉落信息计数；若掉落信息计数超过阈值时，便将掉落物区域标注为安全排查区域；在第二振动信号超过阈值时，数据处理模块在第二场景图像中建立竖直方向的参考线，若图像信息中存在沿参考线向下运动的对象，则提取该对象的轮廓信息；根据轮廓信息中边缘处是否存在超过阈值数量的尖锐点，若未过阈值，则判断为人造物，若此时第二振动信号持续增强，第一振动信号变化幅度不大，则发出下层撤离预警信号。
如果第一振动信号的测试数据达到了200Hz，则第一摄像头捕捉画面，数据处理模组分析画面，判断是否有物体掉落，如果有物体掉落，判断其尖锐点数量是否超过8，如果超过8则判断其为非人造物，如果此时，第一振动信号的测试数据还在持续增长，则可能要塌方了，数据处理模组发出全体撤离信号到终端（施工人员的手机，隧道内的广播），通知所有人员有序撤离。
还包括照明模块，照明模块选用YFW6211/HK智能遥控探照灯，当数据处理模块发出全体预警撤离信号和下层撤离预警信号时，同步给照明模块发出撤离照明信号。照明模块接收到撤离照明信号，便打开探照灯，照亮撤离路线，防止撤离人员因为黑暗环境慌不择路，摔倒后产生安全隐患并且影响到整体的撤离效率。所述照明模块还用于在有人员经过掉落物区域时，数据处理模块发出提示照明信号，照明模块接收信号照明。在数据处理模块没有发出撤离信号时，有人经过掉落物区域时，照明模块给掉落物区域照明，提示路过人员，如果掉落的人造物，则可以提示路过人员捡走，如果是人造物，则提升路过人员不要绊腿，导致摔倒。
所述振动检测模块呈多组设立；非正施工区域放置数量大于施工区域放置数量。在隧道工程施工过程中，会有很多的大型机械同时工作，多组设立的振动检测模块减少机械加工带来的振动误差，同时有效规避了偶然性，如振动传感器损坏，无法实时检测隧道内的振动信号。数据处理模块同时获取多个数据处理模块传输来的多个振动信号；若振动信号达到阈值的数量未超过限定值，数据处理模块便不分析图像信息。当有多个振动检测模块测量的振动信号超过阈值时，即大概率是整体隧道的振动值偏高，存在塌方危险；如果只有少数的振动检测模块的振动信号超过了阈值，则有可能是偶然发生了偏差，如受到了机械加工的影响和固定在上壁上的壳体松动掉落等。通过多个振动信号的综合判定，使得数据处理模块发出的各种信号更为精确。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (6)
1.城市隧道多线叠交施工沉降监测预警系统，其特征在于，包括数据处理模块、振动检测模块和可视化模块；
所述振动检测模块分别固定在多线施工隧道的上层上壁和下层上壁，所述振动检测模块用于测量隧道内部的振动大小，并传将振动信号传递给数据处理模块，振动检测模块分别收集多线施工隧道上层的第一振动信号和下层的第二振动信号；
所述可视化模块包括第一摄像头和第二摄像头，所述第一摄像头用于收集多线施工隧道上层的第一施工场景图像；所述第二摄像头用于收集多线施工隧道下层的第二施工场景图像；
所述数据处理模块用于收集第一振动信号、第二振动信号、第一施工场景图像和第二施工场景图像，并对以上信号和图像信息进行处理；在第一振动信号超过阈值时，数据处理模块在第一场景图像中建立竖直方向的参考线，若图像信息中存在沿参考线向下运动的对象，则提取该对象的轮廓信息；根据轮廓信息中边缘处是否存在超过阈值数量的尖锐点，若超过阈值，则判断为非人造物，若此时第一振动信号持续加强，则判断为疑似塌方，发出全体预警撤离信号；若判断为非人造物，第一振动信号在规定时间内未持续加强，则为该掉落信息计数；若掉落信息计数超过阈值时，便将掉落物区域标注为安全排查区域；在第二振动信号超过阈值时，数据处理模块在第二场景图像中建立竖直方向的参考线，若图像信息中存在沿参考线向下运动的对象，则提取该对象的轮廓信息；根据轮廓信息中边缘处是否存在超过阈值数量的尖锐点，若未过阈值，则判断为人造物，若此时第二振动信号持续增强，第一振动信号变化幅度不大，则发出下层撤离预警信号。
2.根据权利要求1所述的城市隧道多线叠交施工沉降监测预警系统，其特征在于：所述第一摄像头和第二摄像头均至少有两个，每个区域至少在两个摄像头获取图像信息的范围里，每个摄像头都在其他摄像头的获取图像区域里。
3.根据权利要求1所述的城市隧道多线叠交施工沉降监测预警系统，其特征在于：还包括照明模块，当数据处理模块发出全体预警撤离信号和下层撤离预警信号时，同步给照明模块发出撤离照明信号。
4.根据权利要求1所述的城市隧道多线叠交施工沉降监测预警系统，其特征在于：所述振动检测模块呈多组设立；非正施工区域放置数量大于施工区域放置数量。
5.根据权利要求4所述的城市隧道多线叠交施工沉降监测预警系统，其特征在于：数据处理模块同时获取多个数据处理模块传输来的多个振动信号；若振动信号达到阈值的数量未超过限定值，数据处理模块便不分析图像信息。
6.根据权利要求3所述的城市隧道多线叠交施工沉降监测预警系统，其特征在于：所述照明模块还用于在有人员经过掉落物区域时，数据处理模块发出提示照明信号，照明模块接收信号照明。
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| CN117405075B (zh) * | 2023-12-11 | 2024-02-27 | 北京智博联科技股份有限公司 | 一种智能沉降监测方法及系统 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20220916 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |