落石冲击明洞振动监测系统的制作方法

本实用新型涉及安全监测技术。

背景技术：

随着高速铁路在我国西部山区的迅速发展，线路中隧道的比例越来越大。为降低危岩落石灾害对线路安全运营造成的影响，通常在隧道出口处设置拱形明洞或棚式明洞。

近年来以成都～兰州、成都～昆明、成都～贵阳、成都～拉萨铁路为代表的中西及西南部铁路，其共同的特点为地质条件复杂、崩塌落石、泥石流灾害频发、环境恶劣，明洞结构作为重要的防灾减灾设施其需求量将越来越大。由于落石撞击的发生时间及冲击动能具有随机且难以预测的特征，坚固的明洞结构依然有可能被高能落石砸毁。为避免由于不了解现场具体情况而造成的行车线路被堵等突发险情，或盲目人为中断交通造成的不必要的损失，需要对明洞结构在落石冲击荷载下的损伤情况进行实时监测。

我国尚无铁路建成针对明洞结构的落石监测预警系统，关于明洞结构的落石监测预警理论的研究也没有系统性展开。因此建立一套落石冲击明洞振动监测预报系统，对落石冲击明洞事件的发生时间、位置、冲击能量及明洞损伤做出准确的预报，第一时间指导人员赶到现场进行维护，保障铁路运输安全，是亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种落石冲击明洞振动监测预报系统和方法，可实时获取落石冲击明洞冲击时间、位置、落石数量、落石能级、明洞衬砌结构损伤等参数，并进行实时预报。

本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是，落石冲击明洞振动监测系统，其特征在于，包括传感器部分、采集仪部分和监控中心，

传感器部分包括加速度传感器和视频监测装置，加速度传感器布设于明洞顶板；

视频监控装置的视觉范围涵盖明洞洞顶和明洞顶板，视频监测装置通过有线传输方式与监控中心相连；

采集仪部分与加速度传感器连接，并通过通信网络与监控中心连接，

监控中心系统包括智能监测应用服务器和数据服务器，负责监测数据和预警信息的存储和客户端数据的推送。

所述采集仪部分包括采集仪从站和采集主站，两者之间无线自组网，

采集仪从站为无线组网的子节点，直接与加速度传感器连接，布设于明洞顶板，负责采集不同观测点的微震信号及数据综合计算分析，并通过无线传输方式发送给采集仪主站；

采集仪主站为无线组网的中心主节点，其通过GPRS或北斗模块与监控中心形成通信连接。

本实用新型基于落石冲击明洞事件特殊性，建立了落石冲击明洞振动监测预报系统对落石冲击明洞结构开展直接性的监测和评估，解决了明洞结构和明洞顶部垫层结构多样，难以对明洞损伤进行评价的问题。

现场无线组网方式及监测数据无线传输模式，解决了复杂环境条件下布线灵活、维护方便、高效传输等问题，大大提高了监测系统的工作效率，节约了系统成本，具有广阔的应用前景。

视频监测装置联动实现了落石冲击事件的再次确认，保障了落石冲击明洞事件发生和评估的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型落石冲击明洞振动监测预报系统的结构示意图；

图中示出构件和对应的标记：明洞顶部视频监测装置10，加速度传感器11，明洞边墙视频监测装置12，无线数据采集仪从站13，供电系统14，无线数据采集仪主站15，明洞顶部垫层20，明洞上拱21，混凝土填充层22，明洞边墙23。

具体实施方式

本实用新型提供一种落石冲击明洞振动监测预报系统。该系统采用先进的分布式系统架构，具有定制化程度高、布点灵活、实时性强、功能全面及全生命周期覆盖等特点，可实时获取落石冲击明洞冲击时间、位置、落石数量、落石能级、明洞衬砌结构损伤等参数，并进行实时预报。

本实用新型是由传感器、采集仪单元和中心系统组成的三级架构体系。传感器主要为加速度传感器和视频，加速度传感器数量不少于5个，布设于明洞顶板。视频数量不少于2个，其中1个布设明洞洞顶，使其视觉范围涵盖整个洞顶，存在不足的情况可增设视频设备，另一个布设于明洞边墙，使其视觉范围涵盖整个明洞顶板，存在不足的情况可增设视频设备；采集单元为数据采集成套设备，包括采集仪从站和采集主站，两者之间无线自组网；采集仪从站为无线组网的子节点，直接与加速度传感器连接，布设于明洞顶板，负责采集不同观测点的微震信号及数据综合计算分析，并通过无线传输方式发送给采集仪主站；采集仪主站为无线组网的中心主节点，其与GPRS或北斗模块连接，可形成完整的数据采集传输通道；视频监测装置通过有线传输方式与中心系统相连；中心系统包括智能监测的应用服务器和数据服务器，负责监测数据和预警信息的存储和客户端数据的推送。

所述的传感器包括加速度传感器和视频，所述的加速度传感器采集落石冲击明洞的加速度信号，所述的视频通过加速度传感器确定落石冲击明洞事件后，采用联动的方式激活视频，并对事件再次确定。

所述加速度传感器和采集单元均采用太阳能供电。

所述视频采用有线供电。

所述的无线组网采用433Mhz无线通讯模块，具有LORA扩频技术，能够在极低的功耗条件下，实现长达1.5Km的无线通信。

所述采集单元具有数据的双向交互、数据降噪、变频控制和固件远程升级。

所述客户端及预警装置为电脑和手机。

以待测隧道明洞顶板为基点，结合明洞结构情况，布设至少5个加速度传感器，为实现精确的收集振动信号，加速度传感器应与明洞顶板紧密固定。

以待测隧道明洞顶部和边墙为基点，对明洞顶部通视情况和视频视觉范围开展调查，确定视频装置的数量并选择合适位置架设；对明洞边墙视频视觉范围开展调查，确定视频装置的数量并选择合适位置架设。

根据收集的加速度数据对落石冲击的位置、落石数量和落石能级进行计算分析，并对明洞衬砌结构损伤开展实时评估，步骤包括：

通过结合线性定位和Geiger定位法确定落石冲击时间、位置和落石数量，落石事件确立后实现视频监测装置联动，对事件进行再次确认。

通过对振动加速度的计算分析确定落石对明洞结构的冲击能量，结合明洞结构对明洞结构损伤进行评价。

参照图1，本实用新型落石冲击明洞振动监测预报系统，沿明洞延伸方向等间隔设置监测断面，监测断面的数量不少于2个，在各监测断面上布设加速度传感器 11、无线数据采集仪从站13、供电系统13及视频监测装置12，加速度传感器 10设置于明洞上拱21的两端和中部，视频监测装置10分别布设于明洞洞顶和明洞边墙23，使其视觉范围涵盖整个洞顶和整个明洞顶板，存在不足的情况可增设视频监测设备。加速度传感器11监测落石冲击明洞结构的振动加速度值采用有线传送至无线数据采集仪从站13，采用无线传输方式传送数据至无线数据采集仪主站15，再经DTU传送至中心系统。

在落石发育的明洞等间距布设监测断面，可实时获得落石冲击明洞导致的明洞结构损伤，为高速铁路的运营安全提供安全保障。

本实用新型落石冲击明洞振动监测预报评估系统首先导入明洞计算的模型参数，其中明洞垫层、明洞上拱和明洞填充层的参数可采用室内试验获得；采集落石冲击明洞的加速度信号确立落石冲击事件，采用卡尔曼滤波对初始信号进行降噪，提高监测精度和数据的准确性，进而计算处落石的冲击能量、冲击位置、发生时刻等参数，同时明洞顶部视频监测装置再次对落石冲击事件进行现场确认；基于明洞结构损伤与落石冲击能量的关系模型，对落石冲击明洞的损伤进行评价，进而采用明洞边墙视频监测装置对明洞顶板进行现场确认，最终对明洞产生损伤的事件进行报警。