基于激光测距原理的地铁隧道变形实时监测与预警系统的制作方法

本发明涉及明涉及地铁隧道监测技术领域，具体涉及基于激光测距原理的隧道结构变形、定位实时监测与预警技术领域。

背景技术：

随着经济的发展,越来越多的城市开始兴建地铁工程。地铁隧道建造在地质复杂、道路狭窄、地下管线密集、交通繁忙的闹市中心,其安全问题不容忽视。无论在施工期还是在运营期都要对其结构进行变形监测,以确保主体结构和周边环境安全。地铁路基的稳定性对城市交通的安全有着重要影响，地铁路基监测可以及时发现影响铁路正常运营的安全隐患。

目前，现有的地铁轨道机构监测技术有三类，人工静态检查、传感器检查、轨检车检查。传统的地铁轨道监测以人工静态检查为主，采用几何水准测量法，几何水准测量法只能在地铁停运的开窗期间进入隧道作业，且不能实现自动化测量。这种监测方式的缺点是无法及时、连续地进行动态监测。地铁的轨道检测现场条件恶劣，人工静态检测远远满足不了地铁轨道监测的要求。

随着实时性要求高的运营地铁隧道监测项目的增多，能够进行连续自动化监测的静态水准系统传感器测量方式得到了越来越多的广泛的应用，然而现有的传感器监测系统主要是“有线”的传感网络，存在安装困难、成本高、维护困难等缺陷。而大型轨道监测车，虽然能够高效快速的完成对整个地铁网轨道的监测工作，而检测参数也是非常丰富，几乎包括了与轨道、道床安全状态有关的所有参数，但是检测车造价昂贵，不可能满足灵活的调度。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

为了克服现有系统的无法实现、连续地跟踪监测，解决有线监测的布线困难，系统昂贵，维修不便的困难，本发明从隧道的形变特点出发，利用干涉法激光测距原理提供了一种新型的隧道定位监测系统，本系统不仅能够可以测量轨道路基的沉降，还能测量隧道围岩的形变。本系统能够达到实时监测、定位追溯、警报联动、远程控制、数据分析、统计报表的目的，并且能够实现对地铁轨道的精确监测，为地铁安全运行提供技术保障。

(二)为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种基于6lowpan的激光测距系统，主要由稳压电源电路系统、恒温箱控制单元、电路解析模块、控制键盘组成；

一种基于激光测距传感器的地铁隧道变形连续监测系统，包括数据采集系统和数据显示与处理系统；所述数据采集系统包括若干设置在巷道围岩和轨道路基的数据采集模块，所述数据采集模块包括位于地铁隧道横截面顶端的激光发射器装置，位于隧道围岩的双棱镜装置、激光接受器装置、反射镜装置，位于轨道路基和围岩的反光靶装置，供电装置，单片机。所述数据显示与处理系统包括上位机；所述上位机通过6lowpan网络与所述单片机互联，所述6lowpan网络包括由上位机控制的6lowpan单元及与单片机相连的6lowpan节点单元；所述激光发射器和激光接收器均连接供电装置，激光接收器装置内设有激光测距传感器，所述单片机分别连接激光测距传感器、驱动装置及供电装置。

进一步的，所述6lowpan单元与所述上位机的usb接口相连。

进一步的，所述数据采集模块三个构成一单元采集模块组，三个采集模块组中第一个采集模块的反光靶装置、反射镜装置同双棱镜水平放置，第二、三分别位于双棱镜水平线的上下侧。安装时，微调隧道围岩与地面上的激光反射靶、反射镜时，至激光接收器接收到的光强达到最大时固定反射靶、反射镜的角度和位置，并以此为初始值。

进一步的，所述各数据采集模块沿隧道进深方向不间断设置。

进一步的，所述各隧道横截面顶端的激光测距发射器装置设有1个，所述双棱镜装置与所述安装在轨道路基上的激光接收器装置在同一水平线上，所述的双棱镜装置到围岩上的激光接收器或轨道路基上激光接收器的光程相等。

进一步的，所述由上位机控制的6lowpan单元设置为网关模式，所述6lowpan网关与6lowpan节点参数一致。

进一步的，所述供电装置为移动电源。

本发明涉及的所采集到的数据的分析如下：

由光学强度计算公式：由i0、i1、i2、i均可由仪器测得，故可计算出值；又光强变化的次数为：故可得一个采集模块中固定在路基和隧道围岩上的激光反射靶的变形情况：

若所述每一个数据采集模块中安置在路基上的激光接收器采集到的数据为xa(n)，由于围岩上同一单元采集模块组中三个位于围岩上的激光反射靶装置摆放的位置不同，则所得到的数据并不能列为一组数据，由于每个单元采集模块组中第一个激光接收器摆放的位置均相同，则摆放位置相同的激光接收器采集到的数据为xb(n)，同理得到xc(n)、xd(n)。若x(n)是一个有限长的离散序列，它有n个样本值，则x(n)的离散傅里叶变化为：

其中k＝0,1,2,3,4,……n-1

n＝0,1,2,3,4,……n-1

根据欧拉公式：

所以式1-1可以写成为：

其中k＝0,1,2,3,4,……n-1

n＝0,1,2,3,4,……n-1

如用实部和虚部表示，式1-2为:x(k)＝re[x(k)+jim[(k)]](1-3)

其中k＝0,1,2,3,4,……n-1

n＝0,1,2,3,4,……n-1

可得所述安装在轨道路基上和隧道围岩上的激光接收器接收到的光强的相位差为：

如若求参考信号和测量信号的相位差，则分别求出它们的相位角，再做差即可。

由以上分析可知，若x(n)(0≤n≤n-1)是一个有限长的离散序列且它有n个样本，则x(n)的离散序列，且它有n个样本，则x(n)的离散序列且它有n个样本值。则x(n)的离散傅里叶变换为：

其中为其相乘系数，由(1-5)可以得知，相乘系数的性质是影响运算量的，具有以下性质：

①周期性：r为整数；

②共轭对称性：

③可约性：其中m为整数，为整数

所以对x(n)(0≤n≤n-1)的傅里叶变换可化为：

可得：

此公式所表示的函数即可表现出测量区域内各个点的位移信息，则由初始数据得到的连续函数作为模板来整体把控区域变形，有明显的不符合原有数据的区域或点则会被显示。当此变形幅度超过上位机所设定的允许范围即会向控制中心报警。

(三)本发明具有以下特点和有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、与超声波测距相比，本发明不同于超声波有以下诸多误差：①稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的前提，而超声波速易受传播媒质的温度、压力、密度影响。②为了防止其他信号的干扰,提高可靠性,单片机开始计数时,超声传感器发射脉冲串作为测量载体，而粉尘及其它物质影响实际测量,使得不一定是第一个回波的过零触发。③超声波入射角不足90b时,系统测量到的距离是被测点与换能器的距离，而非真实距离。④上位机指令占用了一部分时间，从而造成了数据偏大。

2、本装置区别于传统的激光干涉测距装置在轨道路基和隧道围岩上的反光靶均可因路基的沉降、隧道结构的变形而产生位移变化，本发明将各个数据采集模块的位移由傅里叶所建立连续函数来整体把控，通过两函数的相关变化来计算相应的反光靶的位移，进而判断隧道是否变形。

3、在完成一次测量任务后，激光测距装置进入休眠状态以节省功耗，直至上位机再次发送指令，开始进行下一次测量任务，可实现对巷道变形的24小时不间断监测；

4、本发明利用6lowpan网络将测量数据传输至上位机，其低成本、低功耗、较低复杂程度、采集节点小巧灵活且易于组网，避免了传统有线电缆传输的各项弊端，能够对地铁隧道变形进行实时、可靠的监测。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明测量节点示意图；

图2为本发明数据采集单元的第一个采集模块示意图；

图3为本发明数据采集单元的第三个采集模块示意图；

图4为本发明结构示意图；

图中：1、包括位于地铁隧道横截面顶端的激光发射器装置；2、激光接收器装置；3、双棱镜装置；4、位于路基上的激光反射靶装置；5、反射镜装置；6、位于围岩上的激光反射靶；7、反射镜的支撑杆；8、反射镜的固定支座；9、射向围岩上激光反射靶的光线；10、射向路基激光反射靶的光线；11、路基水平线；12、路基混凝土；13、发生沉降后的激光反射靶；14、隧道顶部的水平线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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、图2、图3和图4所示，本发明提供了一种基于激光测距传感器的地铁隧道变形连续监测系统，包括数据采集系统和数据显示与处理系统；数据采集系统包括若干设置在巷道围岩和轨道路基的数据采集模块，数据采集模块包括位于地铁隧道横截面顶端的激光发射器装置1，位于隧道围岩的双棱镜装置3、激光接受器装置2、反射镜装置5，位于轨道路基反光靶装置4，围岩的反光靶装置6，供电装置，单片机；数据显示与处理系统包括上位机；上位机通过6lowpan网络与所述单片机互联，

6lowpan网络包括由上位机控制的6lowpan单元及与单片机相连的6lowpan节点单元，其中，6lowpan单元与上位机的usb接口相连，由上位机控制的6lowpan单元设置为网关模式，6lowpan网关与6lowpan节点参数一致；

激光发射器装置1和激光接收器装置2连接供电装置，激光接收器装置内设有激光测距传感器，单片机分别连接激光测距传感器、供电装置；

本实施例中，激光测距传感器选用llmg8015p型传感器，相对于超声波测距传感器和红外线测距传感器，具备成本低、测量精度高、使用寿命长，不易受传播媒质的温度、压力、密度影响等优点，其工作过程如下：激光发射器对准棱镜发射激光脉冲，光线9(10)透过棱镜射向反光靶带，经反光靶反射后激光射向双棱镜，进而透过双棱镜射向传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上，记录并处理光强的大小，所得信息通过激光传感器与6lowpan单元传送至上位机，若检测到处理后的数据超过上位机所设定的允许范围，则发出警报。

本实施例中，供电装置采用移动电源，当移动电源电量耗尽时更换电池即可，此外，单片机设有限流保护程序对移动电源进行限流保护。

各数据采集模块沿地铁隧道进深方向不间断设置，各巷道横截面顶端的激光测距装置1设有2个，且对称安装在隧道的顶端。

本发明的基于激光测距传感器的地铁隧道变形连续监测方法，包括以下步骤：

安装时，各隧道横截面顶端的激光测距发射器装置1对称设有2个，双棱镜装置3与安装在轨道路基上的激光接收器装置在同一水平线上，双棱镜装置到围岩上的激光反射靶6或轨道路基上激光反射靶4的光程相等。最后将移动电源和单片机对应连接。此外，同一单元采集模块组中三个位于围岩上的激光反射靶6装置摆放的位置不同，在第二个或第三个激光反射靶6安装时，在与双棱镜3同一水平线上安装一反光镜5，将光线向上或向下反射到安装在围岩上的激光反射靶装置6上，以保证一个单元数据采集模块组能够测量出整个围岩的变形情况；

1)上位机控制的6lowpan单元设置为网关模式，6lowpan网关与6lowpan节点参数一致；

2)单片机接收激光测距传感器的测量数据，通过6lowpan无线传输系统将测量数据传输至上位机，上位机对测量数据进行显示，并利用本发明所提供的数据分析方法来处理所测得的数据，并与初始数据得到的连续函数作为模板来对比分析，有明显的不符合原有数据的区域或点则会被显示。当此变形幅度超过上位机所设定的允许范围即会向控制中心报警。此外，数据也会得到保存，同时具备报警和历史数据查看等功能；

3)在完成一次测量任务后，激光测距装置进入休眠状态以节省功耗，直至上位机再次发送指令，开始进行下一次测量任务，可实现对巷道变形的24小时不间断监测。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。