一种施工隧道内水平位移自动测量系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及监控测量技术领域，具体涉及一种施工隧道内水平位移自动测量系统及方法。
【背景技术】
[0002]隧道施工过程中，对于不同围岩级别的隧道，仰拱到掌子面的水平距离和二次砌衬到掌子面的水平距离均有一定的安全参数要求，这些水平距离常规测量主要依靠专业测量人员现场测量，以记录水平测量距离，出洞后将测量数据输入电脑，上报给相关监管人员；当进行现场数据测量时，为提高测量数据的准确性，避免施工对测量人员生命安全造成危害，施工车辆禁止通行。
[0003]在隧道施工过程中，专业测量人员进入隧道内待测区域，若发生坍塌、冒顶等情况，会对测量人员生命安全造成威胁；在测量过程中，人为参与过多，记录数据易受测量人员主观情感影响，可能存在较大误差；现场数据测量完毕，测量人员出洞后再将数据输入电脑，此过程花费时间较长，导致监管人员不能及时的掌握现场实际情况，使隧道施工监管存在安全隐患；现场数据测量时，对施工车辆有限制性要求，影响隧道施工进度；随着科学技术的进步和隧道施工技能的提高，人们对监控测量的准确度、安全性、稳定性、便利性要求越来越高。
【发明内容】
[0004](—)要解决的技术问题
为了解决上述问题，本发明提出了一种施工隧道内水平位移自动测量系统及方法。
[0005](二)技术方案
一种施工隧道内水平位移自动测量系统，其特征在于:该系统包括自动测距系统、无线通信系统、监测平台、数据处理中心；所述的自动测距系统由测距主站、测距分站组成，测距主站和测距分站分别位于隧道内的测距参照点和待测点，完成两点之间的距离测量；所述的无线通信系统主要由无线网桥组成，使隧道内的测距数据通过无线网桥传输到隧道外；所述的监测平台位于监控室的监控主机上，实时显示自动测距系统传输的测量数据，具有手动和自动测量功能，并可自定义自动测量时间间隔，可根据围岩等级设置报警阀值，具有电池电量监测功能，低于设定电量阀值时，监测平台上会有低电量报警；所述的数据处理中心将自动测距系统发送的数据通过数据处理中心分析处理后显示在监测平台上，并记录自动测量系统数据，已形成数据曲线。
[0006]所述的测距主站包括屏蔽外壳和主站机芯，屏蔽外壳采用金属材质，防护等级可达IP54，主要起固定、支撑和防护作用，并防止外部信号对主站机芯内的信号造成干扰，主站机芯包括WIFI模块、无线主串口模块、主测距模块、主数据管理模块；WIFI模块和无线主串口模块分别与主数据管理模块上的串口和3.3VDC电源连接，主测距模块与主数据管理模块的串口和2.5VDC电源连接，外部接入15VDC电源为测距主站供电，外部直流电压通过主数据管理模块为主站机芯内的各模块供电。
[0007]所述的WIFI模块与隧道洞口处的WIFI设备进行无线数据通讯，以便隧道内的系统数据无线传输到隧道洞口的监控室，或监管人员通过监测平台发测距指令到隧道内的测距主站。
[0008]所述的无线主串口模块由无线和主串口组成，无线主串口模块有三种工作模式，分别是省电模式、唤醒模式和正常模式，无线主串口模块的工作模式由主数据管理模块控制；当为省电模式时，主串口关闭，无线处于空中唤醒状态；当为唤醒模式时，主串口打开，无线打开，发送唤醒码给工作在省电模式的无线分串口模块；无线主串口模块发送唤醒码后工作模式转为正常模式，主数据管理模块使能主测距模块为正常状态。
[0009]所述的主测距模块由正常状态和断电状态组成，主测距模块的状态由主数据管理模块控制，当处于正常状态时，与分测距模块进行水平距离测量，当处于断电状态时，主测距模块断电，以节省用电，降低功耗。
[0010]所述的主数据管理模块主要由MCU和电源主管理部分组成，MCU以分析各个模块的数据，控制无线主串口模块、主测距模块工作模式，传输WIFI模块的数据，电源主管理部分将外接直流电压转换成各个模块所需的直流电压，以供电于各模块。
[0011]所述的测距分站包括屏蔽外壳和分站机芯，屏蔽外壳采用金属材质，外壳的防护等级可达IP54，主要起固定、支撑和防护作用，并防止外部信号对分站机芯内的信号造成干扰，分站机芯包括无线分串口模块、分测距模块、分数据管理模块、供电电池；无线分串口模块、分测距模块和供电电池均与分数据管理模块连接。
[0012]所述的无线分串口模块包括省电模式和正常模式，当接受到无线主串口模块发送的唤醒指令时，无线分串口模块由省电模式转换为正常模式，分数据管理模块使能分测距模块为正常状态，持续一个测距周期后，无线分串口模块由正常模式转换为省电模式，以降低功耗，延长供电电池的续航能力。
[0013]所述的分测距模块由正常状态和断电状态组成，分测距模块的状态由分数据管理模块控制，当分测距模块处于正常状态，由分数据管理模块提供2.5V电源，与主测距模块进行水平距离测量，测距周期过后，分数据管理模块停止2.5V输出，分测距模块进入断电状态。
[0014]所述的分数据管理模块主要由MCU和电源分管理部分组成，MCU用以分析无线分串口模块的数据，控制无线分串口模块和分测距模块工作模式，电源分管理部分与供电电池的输出连接，电源分管理部分上的电池电量检测信号线与MCU连接，以实时监测供电电池电量状态，电源分管理部分上的输出电源与各个功能模块连接，以供电于各个模块。
[0015]所述的供电电池为两节3.6V/3.5AH锂电池并联，为测距分站提供电源。
[0016]一种施工隧道内水平位移自动测量系统的测量方法，包括以下步骤:
(1)通过监测平台可以自动或者手动发送测量指令到数据处理中心，测量测距主站与测距分站间的距离；
(2)测量指令通过无线通信系统传输给自动测距系统中的测距主站；
(3)测距主站接收到监测平台的指令后，控制无线主串口模块由省电模式变为唤醒模式，并向无线分串口模块发送唤醒指令；
(4)无线分串口模块接收无线主串口模块发送的唤醒指令，无线主串口模块和无线分串口模块进入正常模式，无线主串口模块使能主测距模块由断电状态变为正常状态，无线分串口模块使能分测距模块由断电状态变为正常状态，测距主站与测距分站间开始基于时间差的水平距离高精度测量；
(5)测距主站将测量数据通过无线通信系统传输到数据处理中心，数据处理中心将数据处理完成后，通过监测平台实时显示，当水平测量距离超过对应围岩等级的安全距离时，监测平台实时发出超安全距离报警，当测距分站上的电池电量低时，监测平台实时弹出电量过低警告；
(6)测量周期完成后，主数据管理模块分别控制主测距模块转换为断电状态和无线主串口模块转换为省电模式，分数据管理模块分别控制分测距模块转换为断电状态和无线分串口模块转换为省电模式。
[0017](三)有益效果
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果:
1、本发明提出了一种施工隧道监控测量的新方法，采用该系统进行自动测量，不用人工现场测量操作，大大提高了测量效率。
[0018]2、本发明采用监测平台进行控制，可以实时监测隧道内二次砌衬、仰拱和掌子面间的水平距离，超出相应围岩等级的安全距离时，会实时安全报警，监管实时，操作简便，单人即可操作。
[0019]3、本发明中测距分站功耗低，采用电池供电，无走线布局，便于隧道施工，监测平台对电池电量实时监测，方便设备维护。
[0020]4、本发明中的测距设备体积小，抗干扰性强，不受施工机械设备遮挡的影响，不受粉尘浓度影响，测量精度高，切实可用。
【附图说明】
[0021]图1为本发明的系统组成图。
[0022]图2为本发明测距主站的开盖俯视图。
[0023]图3为本发明测距主站的A-A剖视图。
[0024]图4为本发明测距分站的开盖俯视图。
[0025]图5为本发明测距分站的A-A剖视图。
[0026]图6为本发明测量方法的具体流程图。
[0027]图中:1、监测平台，2、数据处理中心，3、无线通信系统，4、自动测距系统，5、测距主站，6、测距分站，7、主站外壳，8、WIFI模块，9、无线主串口模块，10、主测距模块，11、主数据管理模块，12、分站外壳，13、无线分串口模块，14、分测距模块，15、分数据管理模块，16、供电电池，17、a棒状天线，18、b棒状天线，19、a连接线，20、b连接线，21、防水接头，22、M3*5螺钉，23、M2*8螺钉，24、M2*4螺钉，25、M2螺母，26、M2*6+4滚花螺柱，27、M2*ll+4滚花螺柱，28、2*100_ 线扎。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0029]如图1所示，本发明包括监测平台1，数据处理中心2，无线通信系统3，自动测距系统4 ;监测平台I位于监控室的监控主机上，具有手动和自动测量功能，并可自定义自动测量时间间隔，可根据围岩等级设置报警阀值，对于历史测量数据可自动记录，以便于形成历史数据曲线，具有电池电量监测功能，低于设定电量阀值时，监测平台上会有低电量报警；数据处理中心2用于分析处理自动测距系统和监测平台间传输的数据；无线通信系统3主要由无线网桥组成，用于实现隧道内和隧道外间的无线数据通信；自动测距系统4包括测距主站5和测距分站6，测距主站5 —般设置在二次砌衬处的台车上，作为主测点，测距分站6 一般设置在仰拱处的断面上和掌子面处的台车上，作为被测点，以实现主站与分站间水平距离的无线自动测量。
[0030]如图2、3所示，测距主站5包括主站外壳7，WIFI模块8，无线主串口模块9，主测距模块10，主数据管理模块11 ;主站外壳7上具有一个电源输入口和三个棒状天线连接口，电源输入口处装有防水接头21，；WIF