一种适用于隧道与地下工程监控量测信息的智慧感知系统及方法与流程

本发明涉及一种适用于隧道与地下工程监控量测信息的智慧感知系统及方法。

背景技术：

随着中国西部大开发战略与“一带一路”发展战略的推进，中国西部地区将建设大量的深埋特长隧道。大量隧道与地下工程的修建，使得新奥法施工在我国隧道与地下工程建设中得到了很大的应用和推广。因此，在隧道与地下工程施工中需要使用各种类型的仪表和工具，对围岩和支护、衬砌的力学行为以及它们之间的力学关系进行量测和观察，并对其稳定性进行评价。

施工现场监控量测是新奥法施工的一项重要内容，它既是优化结构、降低材料消耗的重要手段，又是施工安全的保证措施，同时也是实现隧道与地下工程信息化施工不可缺少的环节。现代隧道与地下工程工程的规划、设计和施工等技术都充分体现了高度应用信息技术的特色。为了保证隧道与地下工程的安全施工，在隧道与地下工程修建过程中必须广泛采用现场监控量测反馈工程控制各个阶段的信息化施工技术，然后通过反馈来控制和调整开挖或支护衬砌速率以及支护的强度，并对支护参数进行有效的优化，实现隧道与地下工程的安全优质施工。

传统隧道与地下工程监控量测项目采用钢挂尺、收敛计、水准仪和全站仪等进行数据采集，根据量测数据确认围岩的稳定性，判断支护效果，指导施工工序。传统方法存在一些共同的弊端，即受隧道与地下工程施工影响较大，测量精度不高，很容易造成施工阻碍，还无法实现全自动实时快速监测，而且对做完二衬的变形情况无法监测，对塌方的预测还远远不够，同时由于数据存储、传输、分析、处理等工作量很大，时效性较差，灾害风险评估预警不系统，不利于指导施工。如何在隧道与地下工程内实现全自动实时高精度监测，是目前亟待解决的一个技术难题。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种适用于隧道与地下工程监控量测信息的智慧感知系统及方法，本发明能够实现隧道与地下工程内的全自动实时高精度监测,解决了隧道与地下工程监控量测人工测量时效性差，安全评价系统不规范的困难。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于隧道与地下工程监控量测信息的智慧感知系统，包括数据采集单元、数据传输单元、数据分析单元和预警单元，其中：

所述数据采集单元被配置为采集隧道与地下工程拱顶处垂直方向的围岩变形情况，以及围岩的图像信息，并上传至数据传输单元；

所述数据传输单元被配置为接收采集信息，将采集信息进行通过无线传输技术传输至数据分析单元；

所述数据分析单元被配置为将测得的数据转化，形成时态曲线和空间效应曲线图，并结合曲线图进行回归分析，得到支护结构受力和围岩变形随开挖面推进和时间变化的情况，对变形趋势进行初步预测；

所述预警单元被配置为接收预测结果，根据预测结果设置预警等级，进行预警。

进一步的，所述数据采集单元，包括预制监测套管、爬壁机器人和校准模块，所述预制监测套管与工程围岩紧密锚固，监测隧道与地下工程开挖过程中围岩的变形情况，所述爬壁机器人在工程围岩上自由移动，采集围岩各个位置的图像；所述校准模块埋设在二次衬砌拱腰处，获得围岩稳定时的基准数据。

进一步的，所述预制监测套管，为一圆柱套管，内部设置有位移传感器和定位芯片，分别将围岩位移转换成电信号和确定套管所在位置，以得到围岩变形情况和围岩位移变化情况。

进一步的，所述预制监测套管作为收敛监测点时倾斜一定角度埋入隧道与地下工程开挖边墙内，便于监测隧道与地下工程开挖过程中围岩的变形情况。

优选的，所述倾斜角度为20-40度。

进一步的，所述预制监测套管作为拱顶监测点时垂直埋入隧道与地下工程拱顶处，以监测隧道与地下工程拱顶处垂直方向的围岩变形情况。

进一步的，围岩上设置有钻孔，所述预制监测套管通过锚固在钻孔内与围岩紧密接触。

进一步的，所述爬壁机器人包括机器人本体和设置于机器人本体上的图像采集模块、芯片感应器和远程控制模块，所述芯片感应器与预制监测套管的位移传感器和定位芯片通信，接收其采集的信息，所述远程控制模块远程控制定位芯片的开关，同时接收控制指令，控制机器人本体进行运动。

所述校准模块，包括至少两个后视基准点，所述后视基准点埋设在围岩稳定的二次衬砌拱腰处，以进行数据采集之前的定位工作。

所述后视基准点内置芯片储存后视点坐标信息，并与芯片感应器通信，以获取坐标信息进行定位。

所述数据分析单元，被配置为具有隧道与地下工程风险评价体系，测得的数据转化为位移值，绘制并查看根据监测数据得到的各种时态曲线、空间效应曲线图，对监测数据的分析，对不同种类的灾害进行预警、预报。

所述隧道与地下工程风险评价体系是将隧道与地下工程监控量测信息的智慧感知系统采集的数据处理后通过非线性方法分析该断面的围岩稳定情况，并结合断面围岩监测获取的位移值以及现场开挖时获取的围岩影像资料综合评判围岩的风险等级，指导现场施工。

基于上述系统的工作方法，具体包括以下步骤：

(1)隧道与地下工程开挖时，在测点埋设位置打孔后将预制监测套管埋入，其中拱顶测点垂直于拱顶，周边收敛点斜一定角度埋入边墙；

(2)已知两个基准控制点坐标信息，爬壁机器人移至预制感应套管最佳通信的位置，获取两个基准控制点的坐标信息并通过后方交会的方法进行坐标定向，定向后爬壁机器人感应预制套管内的芯片获取监测点位置信息，得到隧道与地下工程拱顶处垂直方向的围岩变形情况；

(3)将采集的信息进行分析，得到支护结构受力和围岩变形随开挖面推进和时间变化的情况，对变形趋势进行初步预测；

(4)根据预测结果划分预警等级，将相应的预警信息反馈至施工现场，指导施工；

(5)重复步骤(1)至步骤(4)，监测下一断面。

最佳感应位置是指爬壁机器人采集芯片信息信号最佳的位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明采用全自动实时高精度监测系统，具有专业自动预警、预报功能。施工过程中数据采集系统可实现实时高精度自动监测、数据实时传输、服务器后台综合分析、快速自动预警，以爬壁机器人采集的监控量测数据为基础，对不同种类的地质灾害，建立与之相应的指标评价系统，建立一套科学有效的风险等级综合评，指导安全施工。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的总体示意图；

图2是本发明的数据采集系统示意图；

图3是本发明的监测模块示意图；

图4是本发明的数据分析系统示意图；

图5是本发明的风险评估工作室示意图；

其中，1.隧道与地下工程塌方落石高精度智慧感知监测-预警系统，2.数据采集系统，3.数据传输系统，4.数据分析系统，5.预警系统，6.监测断面(a1，a2，b1为测点埋设位置)，7.爬壁机器人，8.校核模块，9.一体化摄像头，10.芯片感应器，11.数据传输模块，12.现场监测数据，13.风险评估工作室，14.数据整理，15.数据处理，16.隧道与地下工程风险评价，17.数据分析室，18.远程控制室，19.服务器。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在受隧道与地下工程施工影响较大，测量精度不高，很容易造成施工阻碍，还无法实现全自动实时快速监测，而且对做完二衬的变形情况无法监测，对塌方的预测还远远不够，同时由于数据存储、传输、分析、处理等工作量很大，时效性较差，灾害风险评估预警不系统，不利于指导施工的多项不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种适用于隧道与地下工程监控量测信息的智慧感知系统及方法。

该系统是根据隧道与地下工程监测信息化开发的一个全自动施工监测与信息管理系统，基于数据库管理系统运行，运用定位芯片感应自动测量技术为一体，具有专业自动预警功能。施工过程中该系统按相关频率要求自动进行数据采集、数据及时传输、服务器后台综合分析、自动进行预警，指导安全施工。本发明解决了隧道与地下工程监控量测人工测量时效性差，安全评价系统不规范的困难。

系统主要由数据采集系统、数据传输系统、数据分析系统、预警系统四部分构成。所述数据采集系统包括预制监测套管、爬壁机器人、校准模块三部分；所述爬壁机器人包括一体化摄像头、芯片感应器、远程控制模块；所述数据传输系统由无线传输的方式将现场采集的数据传输至风险评估工作室，传输系统内嵌至数据采集系统；风险评估工作室的所述数据分析系统将现场采集的数据整理和处理，评价隧道与地下工程施工安全等级；所述预警系统将分析的数据进行预警分级；所述一体化摄像头可进行现场拍照和现场摄像；所述爬壁机器人内嵌无线控制模块，可远程控制爬壁机器人移动进行监测；所述芯片感应器可感应监测点芯片发出的信号，定位芯片位置信息；所述校准模块包括两个后视基准点，可自动校核后视点坐标。

作为本发明的一种优选方案，所述数据采集系统包括预制监测套管、爬壁机器人、校准模块三部分，三部分相互作用，实现隧道与地下工程内全自动化数据采集工作。

作为本发明的一种优选方案，所述爬壁机器人包括一体化摄像头、芯片感应器、远程控制模块。

作为本发明的一种优选方案，所述测点预制套管含有位移传感器，可以把围岩位移转换成电信号，芯片感应器可接收到这种电信号。

作为本发明的一种优选方案，所述测点预制套管需与隧道与地下工程围岩紧密锚固，套管与围岩紧密锚固在一起可提高变形监测的准确度。

作为本发明的一种优选方案，所述测点预制套管直径为38cm，便于锚固在直径为40cm的钻孔内与围岩紧密接触。

作为本发明的一种优选方案，所述测点预制套管作为收敛监测点时倾斜30度埋入隧道与地下工程开挖边墙内，便于监测隧道与地下工程开挖过程中围岩的变形情况。

作为本发明的一种优选方案，所述测点预制套管作为拱顶监测点时垂直埋入隧道与地下工程拱顶处，便于监测隧道与地下工程拱顶处垂直方向的围岩变形情况。

作为本发明的一种优选方案，所述测点预制套管含有定位芯片，芯片感应器通过感应芯片位置确定预制套管的位置，监测围岩位移变化情况。

作为本发明的一种优选方案，所述定位芯片里边有可被远程控制的开关，当装置被远程打开后，将会发出一种信号，而这种信号可以被具有无线传输功能的传感设备接收到，从而被系统执行并将发出信号的位置信息传输给芯片感应接收器。

作为本发明的一种优选方案，所述爬壁机器人中包含一体化摄像头、芯片感应器、远程控制模块，可在隧道与地下工程围岩上通过远程控制自由移动，受施工干扰影响较小。

作为本发明的一种优选方案，所述爬壁机器人含有芯片感应器，可以接收到测点芯片发出的信号，定位芯片的坐标。

作为本发明的一种优选方案，所述一体化摄像头可同时进行测量拍照摄像，实现监测过程的可视化。

作为本发明的一种优选方案，所述校准模块含有两个后视基准点，埋设在二次衬砌拱腰处，围岩稳定，便于数据采集之前的定位工作。

作为本发明的一种优选方案，所述两个后视基准点内置芯片储存后视点坐标信息，芯片感应器可获取坐标信息进行定位。

作为本发明的一种优选方案，所述数据传输模块内嵌至数据采集系统内，采用无线传输的方式，可以实时将采集数据传输至监测-预警工作室。

作为本发明的一种优选方案，所述风险评估工作室包括数据分析室、远程控制室、服务器，可进行数据储存、整理、处理、分析，实时将分析结果进行反馈施工。

作为本发明的一种优选方案，所述数据分析系统内含隧道与地下工程风险评价体系，通过对监测数据的分析，对不同种类的塌方进行预警、预报，反馈至报警系统，指导现场施工。

作为本发明的一种优选方案，所述数据分析系统将现场监测数据录入后处理软件后,可通过公式自动计算把测得的数据转化为位移值等，系统可以方便的绘制并查看根据监测数据得到的各种时态曲线、空间效应曲线图。

作为本发明的一种优选方案，所述数据分析系统可对监测曲线进行回归分析,系统根据回归曲线的发展趋势,分析支护结构受力和围岩变形随开挖面推进和时间变化的情况,对变形趋势进行初步预测。

作为本发明的一种优选方案，所述预警系统将分析的数据进行预警分级。利用不同等级的预警规范施工，将施工风险降低，保障施工安全。

工作方法，包括以下步骤：

步骤1：隧道与地下工程开挖时，使用φ40钻头在测点埋设位置打孔后将预制监测套管埋入，其中拱顶测点垂直于拱顶，周边收敛点斜30度埋入边墙；

步骤2：数据采集系统通过基准控制点定向后，爬壁机器人移至断面最佳感应位置，芯片感应器感应位移传感器芯片的位置，获取其位置信息；

步骤3：将数据采集系统获取的数据利用无线传输模块实时传至风险评估工作室；

步骤4：风险评估工作室将获取的数据整理处理储存后通过隧道与地下工程安全评价系统将分析结果传输至预警系统；

步骤5：预警系统根据分析结果将预警等级通过数据传输系统反馈至数据采集系统，其中预警系统可将分析的数据进行预警分级，将预警信息反馈至施工现场，指导施工；

步骤6：重复步骤1至步骤5，监测下一断面。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，包括由数据采集系统(2)、数据传输系统(3)、数据分析系统(4)、预警系统(5)四部分构成。

其中，如图2所示，数据采集系统(2)包括预制监测套管、爬壁机器人(7)、校准模块(8)三部分，如图3所示，爬壁机器人(7)包括一体化摄像头(9)、芯片感应器(10)，数据传输模块(11)内嵌至数据采集系统(2)中。

预制监测套管，为一圆柱套管，内部设置有位移传感器和定位芯片，分别将围岩位移转换成电信号和确定套管所在位置，以得到围岩变形情况和围岩位移变化情况。

进一步的，所述预制监测套管作为收敛监测点时倾斜一定角度埋入隧道与地下工程开挖边墙内，便于监测隧道与地下工程开挖过程中围岩的变形情况。

优选的，倾斜角度为20-40度。

预制监测套管作为拱顶监测点时垂直埋入隧道与地下工程拱顶处，以监测隧道与地下工程拱顶处垂直方向的围岩变形情况。

围岩上设置有钻孔，所述预制监测套管通过锚固在钻孔内与围岩紧密接触。

爬壁机器人(7)可在隧道与地下工程围岩上移动进行断面监测。爬壁机器人(7)包括机器人本体和设置于机器人本体上的图像采集模块、芯片感应器和远程控制模块，芯片感应器与预制监测套管的位移传感器和定位芯片通信，接收其采集的信息，所述远程控制模块远程控制定位芯片的开关，同时接收控制指令，控制机器人本体进行运动。

如图4所示，数据分析系统(4)包括数据整理(14)，数据处理(15)，将现场监测数据(12)传输至风险评估工作室(13)进行数据整理(14)和数据处理(15)，通过数据评价体系将分析结果进行隧道与地下工程风险评价(20)。

如图5所示，风险评估工作室(13)包括数据分析室(17)，远程控制室(18)，服务器(19)三部分组成，服务器(19)可以储存采集的数据，远程控制室(18)进行远程控制，预制监测套管的定位芯片里边有可被远程控制的开关，当装置被远程打开后，将会发出一种信号，而这种信号可以被具有无线传输功能的传感设备接收到，从而被系统执行并将发出信号的位置信息传输给芯片感应接收器，爬壁机器人(7)的远程控制模块等都与远程控制室(18)通信。

风险评估工作室(13)将测得的数据转化为位移值，绘制并查看根据监测数据得到的各种时态曲线、空间效应曲线图，对监测数据的分析，对不同种类的塌方进行预警、预报

一种适用于隧道与地下工程监控量测信息的智慧感知系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：隧道与地下工程开挖时，使用φ40钻头在测点埋设位置打孔后将预制监测套管埋入，其中拱顶测点垂直于拱顶，周边收敛点斜30度埋入边墙；

步骤2：数据采集系统(2)通过基准控制点定向后，爬壁机器人(7)移至断面最佳感应位置，芯片感应器(10)感应位移传感器芯片的位置，获取其位置信息；

步骤3：将数据采集系统(2)获取的数据利用无线传输模块(11)实时传至风险评估工作室(13)；

步骤4：风险评估工作室(13)将获取的数据整理处理储存后通过隧道与地下工程安全评价系统将分析结果传输至预警系统(5)；

步骤5：预警系统(5)根据分析结果将预警等级通过数据传输系统反馈至数据采集系统(2)，其中预警系统可将分析的数据进行预警分级，将预警信息反馈至施工现场，指导施工；

步骤6：重复步骤1至步骤5，监测下一断面。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。