一种地下工程网格结构光纤光栅一体化监测预警系统

本发明属于地下空间安全，涉及一种光纤光栅监测预警系统，具体涉及一种适用于地下工程的网格结构光纤光栅监测预警系统。

背景技术：

1、近年来城市地下工程迅猛发展，如地下隧道、地铁等。作为重大结构工程和城市交通命脉重要组成，其健康服役对于城市正常运转至关重要。然而，地下工程结构会随着运营逐渐伤损，在温度、基础变形、外部侵扰等复杂载荷条件影响下，随时可能出现病害，发生安全隐患。地下工程结构病害表现出频发、突发性，因此，亟待构建面向地下工程结构全时全域安全监测系统，全面及时地掌握其服役期间健康状况，对潜在的病害及时地预警，为其安全运营保驾护航。

2、现阶段，结构监测主要针对地下工程施工期采取施工监测或第三方监测的形式，反馈建设过程的结构及周边建构筑物的安全。但是，针对已建成的地下工程尚无成熟的健康监测系统，无法对建成后服役期间尤其是在偶然状态(如地震、偶然超载、打桩、隧道穿越、岩溶等)作用下疲劳损伤诱发的结构病害等地下结构安全状态进行合理准确的监测反馈，无法保证监测的实时性，无法给运营期的地下结构维保工作提供一手支撑资料，从而难以从根本上解决部分运营期暴露的问题。

3、因此，迫切需要利用新技术、新方法，提升地下工程的安全监测技术水平。对于传统电类检测系统，在电气化铁路段受到电磁干扰严重，信号无法远距离传输。而光纤传感器由于具有长期稳定性佳、信号可远程传输、抗电磁干扰等优势，已逐步取代长期稳定性难以得到保证的电类传感器，并在桥梁、隧道、机场、铁路等领域的长期健康监测中被广泛采用。

技术实现思路

1、为了解决技术背景中存在的问题，本发明提供了一种地下工程网格结构光纤光栅一体化监测预警系统。该预警系统可用于长期实时监测服役期间的地下工程可能存在的安全隐患，并通过可视化监测终端对隐患进行及时预警并准确定位隐患位置，解决了地下结构监测及预警方法技术上不完善的问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种地下工程网格结构光纤光栅一体化监测预警系统，包括网格结构光纤光栅、光纤光栅解调器、监测终端以及报警系统，其中：

4、所述网格结构光纤光栅以土工格栅为柔性基体，两根传输光缆布置编排为网格状结构后黏附在土工格栅之上；

5、所述传输光缆为单模光纤，传输光缆上刻制的布拉格光栅作为光纤光栅传感器，光纤光栅传感器等间距串接形成长段监测区域，多个光纤光栅传感器通过两根传输光缆同时采集周围环境温度与应变信息，对监测发现的安全隐患处进行准确定位；

6、所述光纤光栅解调器通过传输光缆与光纤光栅传感器连接，光源发射近红外激光脉冲进入传输光缆，当激光脉冲沿着传输光缆正向传播时，被传输光缆上串联的光栅传感器阵列部分地反射，这些反射沿着同一传输光缆背向返回并被实时检测和分析，从而获取并解调光纤光栅传感器采集到的温度、应力、应变信息，光纤光栅调解器通过网络与监测终端连接，上传得到的温度、应力、应变信息，从而实现长期实时监测服役期间的地下工程可能存在的安全隐患；

7、所述监测终端对光纤光栅调解器的信号数据进行异常数据识别、数据平滑处理、可靠性分析及趋势预测的处理，根据处理后的数据，智能分析地下结构的健康状况，预测可能的结构健康状态变化趋势，预测隐患因素，同时根据网格结构光纤光栅的编排准确定位隐患位置，并在可视化监测终端显示，给服役期间的地下结构维保工作提供一手支撑资料；

8、所述报警系统根据状态评估结果判断是否发出预警，若发现监测终端中存在温度、温差、应力或者应变超过预设的阈值则及时产生报警信息，从而实现长期实时监测服役期间的地下工程任何位置可能存在的安全隐患。

9、一种利用上述系统进行网格结构光纤光栅监测预警的方法，包括如下步骤：

10、步骤一、基于数值分析计算得到内力、位移控制值和控制点，在二次衬砌过程中在对应点位布设网格结构光纤光栅实时监测地下结构安全状态信息；

11、步骤二、光纤光栅传感器通过单模光纤将采集到的监测数据传输至光纤光栅解调器；

12、步骤三、光纤光栅调解器通过网络上传监测数据至监测终端，监测终端根据监测数据，智能分析站点结构健康状况，预测可能的结构健康状态变化趋势；

13、步骤四、报警系统根据状态评估结果判断是否发出预警，从而实现长期实时监测服役期间的地下工程任何位置可能存在的安全隐患。

14、相比于现有技术，本发明具有如下优点：

15、本发明基于光纤光栅传感的智能化监测系统，针对地下工程的应用环境，将光纤传感技术引入地下工程结构监测领域，目前采用分布式光纤监测技术就可以准确地测定光纤沿线任一点位上的温度、应力和应变，信息量大，成果直观，而将光纤光栅按一定的网络结构铺设，就可以实现对结构安全状态的全方位监测，克服原有监测技术漏测以及难以定位的困难。本发明将工程中常用的土工格栅作为网格结构光纤光栅的载体，目的在于方便光纤光栅网格的编排和施工安装。光纤光栅网格上的光纤光栅传感器等间距串接形成长段监测区域，同时采集周围环境温度与应变信息，实现长期实时监测服役期间的地下工程任何位置可能存在的安全隐患。

技术特征：

1.一种地下工程网格结构光纤光栅一体化监测预警系统，其特征在于所述一体化监测预警系统包括网格结构光纤光栅、光纤光栅解调器、监测终端以及报警系统，其中：

2.根据权利要求1所述的地下工程网格结构光纤光栅一体化监测预警系统，其特征在于所述传输光缆为单模光纤。

3.根据权利要求2所述的地下工程网格结构光纤光栅一体化监测预警系统，其特征在于所述单模光纤为单模二氧化硅光纤。

4.根据权利要求1所述的地下工程网格结构光纤光栅一体化监测预警系统，其特征在于所述光纤光栅传感器具有树脂材料包层及聚酰亚胺涂层。

5.一种利用权利要求1-4任一项所述的一体化监测预警系统进行地下工程网格结构光纤光栅监测预警的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种地下工程网格结构光纤光栅一体化监测预警系统，所述一体化监测预警系统包括网格结构光纤光栅、光纤光栅解调器、监测终端以及报警系统，其中：网格结构光纤光栅以土工格栅为柔性基体，两根传输光缆布置编排为网格状结构后黏附在土工格栅之上；传输光缆上刻制的布拉格光栅作为光纤光栅传感器，光纤光栅解调器通过传输光缆与光纤光栅传感器连接；光纤光栅调解器通过网络上传监测数据至监测终端，监测终端根据监测数据预测可能的结构健康状态变化趋势；报警系统根据状态评估结果判断是否发出预警。该预警系统可用于长期实时监测服役期间的地下工程可能存在的安全隐患，解决了地下结构监测及预警方法技术上不完善的问题。

技术研发人员：张鏖,梅勇,李锋,李晓鹏,吕玉正,朱政华,唐文冲,唐亮
受保护的技术使用者：中国人民解放军军事科学院国防工程研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14