CN117232422B - 考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置，涉及隧道检测技术领域，其技术方案要点是：多个反射板布置在隧道内侧；每个反射板均安装有光发射件，不同反射板上的光发射件沿隧道长度方向错位布置，且在隧道无变形时保持反射板的反射光线方向与同一反射板所安装的光发射件的出射光线方向相同；光接收件接收各个光发射件的出射光线经一个或多个反射板反射后的最终光线，并识别出各个最终光线的分布位置和光线偏角；处理器，用于依据各个最终光线的分布位置和光线偏角分析出隧道变形位置以及变形类型。本发明中的隧道变形实时检测结果几乎不受行驶车辆的随机激励影响，有效保证了隧道变形实时检测的准确性与可靠性。

Description

考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置

技术领域

本发明涉及隧道检测技术领域，更具体地说，它涉及考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置。

背景技术

随着道路交通不断发展，各种道路隧道的数量不断增加，由于地理环境、气候条件和施工质量等因素的影响，隧道在运营过程中可能会出现不同程度的病害，如隧道内壁下沉、倾斜等变形情况，为保障道路隧道安全运行，对隧道变形进行实时监测非常有必要。

现检索到公告号为CN112556600B、专利名称为一种隧道形变实时监测方法及装置的中国专利，其在需要监测的隧道结构不稳定区域架设多个结构光光源，并且在隧道结构相对稳定区域架设监测终端，监测终端可与多个结构光光源通信；监测终端观测隧道结构不稳定区域内的所有结构光，并实时获取结构光曲线；数据处理单元分析结构光成像变化，实时检测隧道形变程度及偏移距离，监测隧道单截面沉降、收敛以及多截面整体沉降等病害。

然而，上述的隧道形变实时监测方法仅适用于尚未运营的隧道，对于已通车的隧道而言，各种行驶中的车辆会对隧道产生随机激励，而隧道结构在随机激励作用下会形成一定的响应振动，不仅布置结构光光源处的隧道振动会对隧道变形检测的准确度产生影响，且在布置监测终端处的隧道振动也会对隧道变形检测的准确度产生影响；此外，多个结构光光源以及监测终端沿隧道长度方向间隔布置，行驶中的车辆会干扰对结构光光源的图像采集，导致采集的图像信息存在缺少；另外，大量的结构光光源布置所需的电量较高，增大了隧道变形监测的运营成本。因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置是我们目前急需解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置，当隧道存在变形时改变反射光线的反射路径，从而使得光接收件中的最终光线与无变形时所对应的光线存在差异，因光接收件、光发射件和反射板所产生的振动响应基本一致，所以隧道变形实时检测结果几乎不受行驶车辆的随机激励影响，有效保证了隧道变形实时检测的准确性与可靠性。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供了考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置，包括处理器、光接收件、光发射件和至少三个反射板；

多个反射板布置在隧道内侧，且多个反射板沿隧道弧顶的弧形轨迹方向依次排列；

每个反射板均安装有光发射件，不同反射板上的光发射件沿隧道长度方向错位布置，且在隧道无变形时保持反射板的反射光线方向与同一反射板所安装的光发射件的出射光线方向相同；

光接收件，用于接收各个光发射件的出射光线经一个或多个反射板反射后的最终光线，并识别出各个最终光线的分布位置和光线偏角；

处理器，用于依据各个最终光线的分布位置和光线偏角分析出隧道变形位置以及变形类型。

进一步的，所述处理器包括：

位置识别单元，用于提取各个最终光线的分布位置中超出光线校准边界的光线入射点所对应反射板的安装序号，并结合安装序号和对应反射板的安装位置确定隧道变形位置；

变形识别单元，用于判断安装序号所对应的最终光线相比于标准光线是否存在光线偏角；若存在光线偏角，则判定相应反射板的安装位置存在倾斜变形；若不存在光线偏角，则判定相应反射板的安装位置存在平移下沉变形；

其中，光线校准边界由隧道无变形时各个光发射件的出射光线在光接收件中所形成的光线入射点位置确定；

以及，标准光线由隧道无变形时各个光发射件的出射光线在光接收件中所形成的最终光线确定。

进一步的，所述反射板为沿隧道弧顶的弧形轨迹中弦长方向布置的直板。

进一步的，所述反射板的布置数量以及相邻反射板之间的安装内夹角由所有光发射件中出射光线的最大反射角度确定，具体表达式为：

；

其中，表示反射板的布置数量；/>表示所有光发射件中出射光线的最大反射角度；/>表示第i个反射板与第i+1个反射板之间的安装内夹角。

进一步的，所述反射板之间的安装内夹角依据隧道弧顶中各个位置的变形概率进行确定，变形概率越高的位置所对应的反射板之间的安装内夹角越小。

进一步的，所述光发射件的出射光线与下一个反射板之间的预设入射角度由反射板的布置数量以及所有光发射件中出射光线的最大反射角度决定，具体表达式为：

；

其中，表示光发射件的出射光线与下一个反射板之间的预设入射角度；/>表示反射板的布置数量；/>表示所有光发射件中出射光线的最大反射角度。

进一步的，所述所有光发射件中出射光线的最大反射角度为180°-270°。

进一步的，所述光接收件包括间隔设置的第一板层和第二板层；

所述第一板层以阵列方式布置有多个识别单元，每个识别单元均包括第一光识别点位于第一光识别点中的透射区；

所述第二板层以阵列方式布置有多个第二光识别点；

其中，光接收件接收的光线经透射区可射入至第二板层中的第二光识别点。

进一步的，所述第一光识别点和第二光识别点为不透光区，采用图像识别方法对具有光线入射点的第一光识别点和第二光识别点进行位置识别，得到各个最终光线的分布位置和光线偏角。

进一步的，所述第一光识别点和第二光识别点采用光敏电阻，通过分析经光线入射点触发的光敏电阻位置，得到各个最终光线的分布位置和光线偏角。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置，将多个反射板沿隧道弧顶的弧形轨迹方向依次排列，当隧道存在变形时改变反射光线的反射路径，从而使得光接收件中的最终光线与无变形时所对应的光线存在差异，因光接收件、光发射件和反射板所产生的振动响应基本一致，所以隧道变形实时检测结果几乎不受行驶车辆的随机激励影响，有效保证了隧道变形实时检测的准确性与可靠性；此外，由于光接收件、光发射件和反射板布置在同一隧道截面处，可以对同一隧道截面的各处进行同步检测；

2、本发明中的光接收件、光发射件和反射板布置在同一隧道截面处，且贴近或嵌入隧道内壁设置，整个隧道变形实时检测过程不受车辆影响，同时耗电量较低；

3、本发明在每个反射板均安装有光发射件，且在隧道无变形时保持反射板的反射光线方向与同一反射板所安装的光发射件的出射光线方向相同，可有效避免因两处及以上的隧道变形位置所形成的反射路径差异互补而导致隧道变形实时检测结果不准确的情况发生；

4、本发明仅需要对最终光线的光线入射点和光线偏角进行对比判断，既可以快速识别出同一隧道截面各处是否存在隧道变形，所需的网络资源较小，能够满足隧道变形实时检测的时效性；

5、本发明通过对反射板的布置数量、相邻反射板之间的安装内夹角以及所有光发射件中出射光线的最大反射角度进行综合设计，能够依据所需要检测的点位进行灵活设计；此外，变形概率越高的位置所对应的反射板之间的安装内夹角越小，可以提供变形概率越高的位置的检测灵敏度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例中的整体安装结构示意图；

图2是本发明实施例中光发射件的安装结构示意图；

图3是本发明实施例中光接收件的内部结构示意图；

图4是本发明实施例中第一板层的结构示意图；

图5是本发明实施例中第二板层的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1、光发射件；2、光接收件；3、反射板；4、第一板层；5、第二板层；6、第一光识别点；7、透射区；8、第二光识别点。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例：考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置，如图1与图2所示，包括处理器、光接收件2、光发射件1和多个反射板3。

其中，多个反射板3可以贴设在隧道内侧，也可以在隧道内侧设置凹槽，再将多个反射板3嵌入在凹槽中，在此不受限制。此外，多个反射板3沿隧道弧顶的弧形轨迹方向依次排列，相邻的反射板3之间可以接触安装，也可以间隔安装。

在本实施例中，每个反射板3均安装有光发射件1，不同反射板3上的光发射件1沿隧道长度方向错位布置，且在隧道无变形时保持反射板3的反射光线方向与同一反射板3所安装的光发射件1的出射光线方向相同。需要说明的是，隧道变形实时检测过程中，可以仅启动部分光发射件1，也可以全部启动，在此不受限制。

光接收件2，用于接收各个光发射件1的出射光线经一个或多个反射板3反射后的最终光线，并识别出各个最终光线的分布位置和光线偏角。

处理器，用于依据各个最终光线的分布位置和光线偏角分析出隧道变形位置以及变形类型。

在本实施例中，处理器包括位置识别单元和变形识别单元。位置识别单元，用于提取各个最终光线的分布位置中超出光线校准边界的光线入射点所对应反射板3的安装序号，并结合安装序号和对应反射板3的安装位置确定隧道变形位置； 变形识别单元，用于判断安装序号所对应的最终光线相比于标准光线是否存在光线偏角；若存在光线偏角，则判定相应反射板3的安装位置存在倾斜变形；若不存在光线偏角，则判定相应反射板3的安装位置存在平移下沉变形。

其中，光线校准边界由隧道无变形时各个光发射件1的出射光线在光接收件2中所形成的光线入射点位置确定；以及，标准光线由隧道无变形时各个光发射件1的出射光线在光接收件2中所形成的最终光线确定。

在本实施例中，反射板3为沿隧道弧顶的弧形轨迹中弦长方向布置的直板。

为了在隧道变形的情况下保障反射板3的反射光线能够尽可能的反射至光接收件2中，本发明对整个装置的安装参数进行优化设计。

具体的，反射板3的布置数量以及相邻反射板3之间的安装内夹角由所有光发射件1中出射光线的最大反射角度确定，具体表达式为：

；

其中，表示反射板3的布置数量；/>表示所有光发射件1中出射光线的最大反射角度；/>表示第i个反射板3与第i+1个反射板3之间的安装内夹角。

此外，反射板3之间的安装内夹角依据隧道弧顶中各个位置的变形概率进行确定，变形概率越高的位置所对应的反射板3之间的安装内夹角越小。

本发明通过对反射板3的布置数量、相邻反射板3之间的安装内夹角以及所有光发射件1中出射光线的最大反射角度进行综合设计，能够依据所需要检测的点位进行灵活设计；此外，变形概率越高的位置所对应的反射板3之间的安装内夹角越小，可以提供变形概率越高的位置的检测灵敏度。

另外，为了使得隧道变形后光线仍能够反射至光接收件2，各个光发射件1的出射光线与下一个反射板3之间的预设入射角度由反射板3的布置数量以及所有光发射件1中出射光线的最大反射角度决定，具体表达式为：

；

其中，表示光发射件1的出射光线与下一个反射板3之间的预设入射角度；/>表示反射板3的布置数量；/>表示所有光发射件1中出射光线的最大反射角度。

一般情况下，所有光发射件1中出射光线的最大反射角度为180°-270°。

如图3-图5所示，为了实现光线入射点和光线偏角的识别，光接收件2的壳体内具有间隔设置的第一板层4和第二板层5。第一板层4以阵列方式布置有多个识别单元，每个识别单元均包括第一光识别点6位于第一光识别点6中的透射区7；第二板层5以阵列方式布置有多个第二光识别点8。其中，光接收件2接收的光线经透射区7可射入至第二板层5中的第二光识别点8。

其中，透射区7可以采用透明玻璃，也可以采用凹面积，可以使得光线在第一板层4和第二板层5中的投影面积相同。

作为一种可选的实施方式，第一光识别点6和第二光识别点8为不透光区，采用图像识别方法对具有光线入射点的第一光识别点6和第二光识别点8进行位置识别，得到各个最终光线的分布位置和光线偏角。

作为另一种可选的实施方式，第一光识别点6和第二光识别点8采用光敏电阻，通过分析经光线入射点触发的光敏电阻位置，得到各个最终光线的分布位置和光线偏角。

有必要说明的是，光线偏角可以依据最终光线在第一板层4和第二板层5中的光线入射点位置以及第一板层4和第二板层5的高度差计算得到。

工作原理：本发明将多个反射板3沿隧道弧顶的弧形轨迹方向依次排列，当隧道存在变形时改变反射光线的反射路径，从而使得光接收件2中的最终光线与无变形时所对应的光线存在差异，因光接收件2、光发射件1和反射板3所产生的振动响应基本一致，所以隧道变形实时检测结果几乎不受行驶车辆的随机激励影响，有效保证了隧道变形实时检测的准确性与可靠性；此外，由于光接收件2、光发射件1和反射板3布置在同一隧道截面处，可以对同一隧道截面的各处进行同步检测。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置，其特征是，包括处理器、光接收件(2)、光发射件(1)和至少三个反射板(3)；

多个反射板(3)布置在隧道内侧，且多个反射板(3)沿隧道弧顶的弧形轨迹方向依次排列；

每个反射板(3)均安装有光发射件(1)，不同反射板(3)上的光发射件(1)沿隧道长度方向错位布置，且在隧道无变形时保持反射板(3)的反射光线方向与同一反射板(3)所安装的光发射件(1)的出射光线方向相同；

光接收件(2)，用于接收各个光发射件(1)的出射光线经一个或多个反射板(3)反射后的最终光线，并识别出各个最终光线的分布位置和光线偏角；

处理器，用于依据各个最终光线的分布位置和光线偏角分析出隧道变形位置以及变形类型；

所述处理器包括：

位置识别单元，用于提取各个最终光线的分布位置中超出光线校准边界的光线入射点所对应反射板(3)的安装序号，并结合安装序号和对应反射板(3)的安装位置确定隧道变形位置；

变形识别单元，用于判断安装序号所对应的最终光线相比于标准光线是否存在光线偏角；若存在光线偏角，则判定相应反射板(3)的安装位置存在倾斜变形；若不存在光线偏角，则判定相应反射板(3)的安装位置存在平移下沉变形；

其中，光线校准边界由隧道无变形时各个光发射件(1)的出射光线在光接收件(2)中所形成的光线入射点位置确定；

以及，标准光线由隧道无变形时各个光发射件(1)的出射光线在光接收件(2)中所形成的最终光线确定。

2.根据权利要求1所述的考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置，其特征是，所述反射板(3)为沿隧道弧顶的弧形轨迹中弦长方向布置的直板。

3.根据权利要求1所述的考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置，其特征是，所述反射板(3)的布置数量以及相邻反射板(3)之间的安装内夹角由所有光发射件(1)中出射光线的最大反射角度确定，具体表达式为：

；

其中，表示反射板(3)的布置数量；/>表示所有光发射件(1)中出射光线的最大反射角度；/>表示第i个反射板(3)与第i+1个反射板(3)之间的安装内夹角。

4.根据权利要求3所述的考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置，其特征是，所述反射板(3)之间的安装内夹角依据隧道弧顶中各个位置的变形概率进行确定，变形概率越高的位置所对应的反射板(3)之间的安装内夹角越小。

5.根据权利要求1所述的考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置，其特征是，所述光发射件(1)的出射光线与下一个反射板(3)之间的预设入射角度由反射板(3)的布置数量以及所有光发射件(1)中出射光线的最大反射角度决定，具体表达式为：

；

其中，表示光发射件(1)的出射光线与下一个反射板(3)之间的预设入射角度；/>表示反射板(3)的布置数量；/>表示所有光发射件(1)中出射光线的最大反射角度。

6.根据权利要求1所述的考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置，其特征是，所述所有光发射件(1)中出射光线的最大反射角度为180°-270°。

7.根据权利要求1所述的考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置，其特征是，所述光接收件(2)包括间隔设置的第一板层(4)和第二板层(5)；

所述第一板层(4)以阵列方式布置有多个识别单元，每个识别单元均包括第一光识别点(6)位于第一光识别点(6)中的透射区(7)；

所述第二板层(5)以阵列方式布置有多个第二光识别点(8)；

其中，光接收件(2)接收的光线经透射区(7)可射入至第二板层(5)中的第二光识别点(8)。

8.根据权利要求7所述的考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置，其特征是，所述第一光识别点(6)和第二光识别点(8)为不透光区，采用图像识别方法对具有光线入射点的第一光识别点(6)和第二光识别点(8)进行位置识别，得到各个最终光线的分布位置和光线偏角。

9.根据权利要求7所述的考虑车辆随机激励作用的隧道变形实时检测装置，其特征是，所述第一光识别点(6)和第二光识别点(8)采用光敏电阻，通过分析经光线入射点触发的光敏电阻位置，得到各个最终光线的分布位置和光线偏角。