基于分布式光纖傳感的運(yùn)營(yíng)隧道健康監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，特別涉及一種基于分布式光纖傳感的運(yùn)營(yíng)隧道健康監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)公路網(wǎng)的不斷完善及中西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的不斷實(shí)施，高速公路逐步向崇山峻嶺地區(qū)邁進(jìn)，公路隧道的數(shù)量和通車(chē)?yán)锍萄杆僭黾?，其面臨的氣象、水文地質(zhì)、圍巖類型、地形地貌等情況越來(lái)越復(fù)雜，導(dǎo)致隧道襯砌剝落、掉塊、塌方、滲漏、涌水等病害越來(lái)越多，已嚴(yán)重影響到行車(chē)安全，降低了隧道的服務(wù)水平。同時(shí)，隨著特長(zhǎng)、長(zhǎng)隧道數(shù)量的不斷增多，隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生的可能性不斷增大，一旦發(fā)生火災(zāi)，若不及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，不能及時(shí)撲滅，將導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，針對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道健康監(jiān)測(cè)預(yù)警中一系列問(wèn)題進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，是我國(guó)公路隧道工程界新一輪的重大課題。
[0003]目前，隧道健康監(jiān)測(cè)預(yù)警常用的措施主要有傳感器監(jiān)測(cè)法(土壓力盒、鋼筋應(yīng)力計(jì)以及表面應(yīng)變計(jì)等)、人工定期巡檢、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)等，其中最常用的為傳感器監(jiān)測(cè)法，其通過(guò)埋設(shè)傳感器以監(jiān)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變及其與圍巖的接觸壓力等，從而定性了解隧道結(jié)構(gòu)健康狀況。然而，由于傳統(tǒng)的傳感器為點(diǎn)式監(jiān)測(cè)，若需對(duì)隧道進(jìn)行全面的健康監(jiān)測(cè)，所需布設(shè)的傳感器數(shù)量較大，布設(shè)作業(yè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且成本較高。在運(yùn)營(yíng)隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)方面，常用的措施主要是視頻監(jiān)測(cè)法，即通過(guò)安裝攝像頭及視頻管理單元，通過(guò)視頻監(jiān)控進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警，但由于隧道為封閉空間，內(nèi)部空氣污濁，能見(jiàn)度減低，加之?dāng)z像頭存在盲區(qū)，導(dǎo)致視頻監(jiān)測(cè)法空間適用性差、火災(zāi)預(yù)警準(zhǔn)確度低?？傊?，上述監(jiān)測(cè)預(yù)警措施由于其自身的技術(shù)缺陷，導(dǎo)致其難以推廣普及，從而嚴(yán)重制約了運(yùn)營(yíng)隧道健康監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。因此，隨著現(xiàn)代隧道技術(shù)的不斷發(fā)展，急需研發(fā)一種精度高、全方位、適應(yīng)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高的隧道健康監(jiān)測(cè)預(yù)警方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)隧道健康監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種預(yù)警準(zhǔn)確度高以及抗干擾能力強(qiáng)的基于分布式光纖傳感的運(yùn)營(yíng)隧道健康監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)及方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種基于分布式光纖傳感的運(yùn)營(yíng)隧道健康監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于:所述基于分布式光纖傳感的運(yùn)營(yíng)隧道健康監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)包括預(yù)警子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、無(wú)線傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)以及設(shè)置在隧道襯砌混凝土表面的光纖傳感子系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通過(guò)光纖傳感子系統(tǒng)對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，獲取隧道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)，同時(shí)將隧道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；所述無(wú)線傳輸子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸至數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)接收到無(wú)線傳輸子系統(tǒng)發(fā)送來(lái)的電信號(hào)后，將該電信號(hào)與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的預(yù)定閾值進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果通過(guò)預(yù)警子系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警任務(wù)。
[0007]作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的光纖傳感子系統(tǒng)包括沿隧道拱圈環(huán)向布設(shè)的一條或多條環(huán)向傳感光纖、布設(shè)在隧道任意一側(cè)電纜溝內(nèi)的溫度補(bǔ)償光纖以及布設(shè)在隧道拱頂、兩側(cè)拱肩以及兩側(cè)拱腰位置的縱向傳感光纖；所述環(huán)向傳感光纖是多條時(shí)，相鄰環(huán)向傳感光纖間距不大于1m ;所述多條環(huán)向傳感光纖通過(guò)設(shè)置在隧道拱腳部位的過(guò)渡段傳感光纖連接；所述環(huán)向傳感光纖、溫度補(bǔ)償光纖以及縱向傳感光纖分別與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)相連。
[0008]作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括光纖分析儀以及光電轉(zhuǎn)換器；所述環(huán)向傳感光纖、溫度補(bǔ)償光纖以及縱向傳感光纖分別通過(guò)光纖分析儀接入光電轉(zhuǎn)換器；所述光電轉(zhuǎn)換器接入無(wú)線傳輸子系統(tǒng)。
[0009]作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的光纖分析儀的工作波長(zhǎng)的范圍是1550±5nm，所述光纖分析儀的最大動(dòng)態(tài)范圍宜為15dB，所述光纖分析儀的應(yīng)變測(cè)試精度宜為±10μ ε，所述光纖分析儀的頻率掃描間隔為50MHz ;所述光電轉(zhuǎn)換器的通信速率不小于115Kbps，所述光電轉(zhuǎn)換器的誤碼率應(yīng)小于10%。
[0010]作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的無(wú)線傳輸子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸接口以及與數(shù)據(jù)傳輸接口相連的無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)；所述光電轉(zhuǎn)換器將采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)傳輸接口 ；所述無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線的方式將數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸至數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。
[0011 ] 作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的數(shù)據(jù)傳輸接口是USB接口 ；所述無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)是GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)。
[0012]作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)包括無(wú)線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、用于設(shè)置預(yù)警信息的設(shè)置單元以及用于判斷接收到的電信號(hào)是否達(dá)到預(yù)警信息并將預(yù)警信息進(jìn)行預(yù)警發(fā)送的判據(jù)單元；所述無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線的方式將數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸至無(wú)線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)；所述無(wú)線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置單元接入判據(jù)單元；所述預(yù)警信息包括但不限于隧道掉塊參數(shù)、隧道塌方參數(shù)、隧道滲漏參數(shù)、隧道火災(zāi)參數(shù)以及隧道襯砌剝落參數(shù)；所述無(wú)線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)是GPRS數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。
[0013]作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的預(yù)警子系統(tǒng)包括安全預(yù)警平臺(tái)以及與安全預(yù)警平臺(tái)相連的短信發(fā)送服務(wù)器；所述設(shè)置單元將預(yù)警信息依次通過(guò)安全預(yù)警平臺(tái)以及短信發(fā)送服務(wù)器發(fā)送進(jìn)行預(yù)警任務(wù)；所述安全預(yù)警平臺(tái)包括Web平臺(tái)以及與Web平臺(tái)相連的數(shù)據(jù)服務(wù)器。
[0014]一種基于如前所述的基于分布式光纖傳感的運(yùn)營(yíng)隧道健康監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)隧道健康監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟:
[0015]I)在隧道襯砌混凝土表面設(shè)置光纖傳感子系統(tǒng)，所述沿隧道拱圈環(huán)向布設(shè)一條或多條環(huán)向傳感光纖，在隧道任意一側(cè)電纜溝內(nèi)布設(shè)溫度補(bǔ)償光纖以及在隧道拱頂、兩側(cè)拱肩以及兩側(cè)拱腰位置布設(shè)縱向傳感光纖；
[0016]2)利用數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)對(duì)光纖傳感子系統(tǒng)的應(yīng)變以及溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換器將所監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；
[0017]3)通過(guò)無(wú)線傳輸子系統(tǒng)將步驟2)采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)中；
[0018]4)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)接收到步驟3)所發(fā)來(lái)的電信號(hào)后，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)超限對(duì)比分析，若無(wú)超限數(shù)據(jù)，直接返回步驟2);若存在超限數(shù)據(jù)，則進(jìn)行步驟5);
[0019]5)將步驟4)中的超限數(shù)據(jù)與設(shè)定的預(yù)警參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行分級(jí)預(yù)警，產(chǎn)生分級(jí)預(yù)警結(jié)果；
[0020]6)通過(guò)預(yù)警子系統(tǒng)將分級(jí)預(yù)警結(jié)果進(jìn)行預(yù)警發(fā)送。
[0021]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0022]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)隧道健康監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，公開(kāi)了一種基于分布式光纖傳感的運(yùn)營(yíng)隧道健康監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)及其控制方法，該監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)包括光纖傳感子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、無(wú)線傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)以及預(yù)警子系統(tǒng)；光纖傳感子系統(tǒng)主要由環(huán)向傳感光纖和縱向傳感光纖組成，其分布在隧道襯砌混凝土上；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要包括分布式光纖應(yīng)變、溫度測(cè)量?jī)x及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元，可對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；無(wú)線傳輸子系統(tǒng)將電信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸至隧道監(jiān)控室內(nèi)的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)定閾值進(jìn)行比較，對(duì)隧道健康狀況進(jìn)行分級(jí)預(yù)警；預(yù)警子系統(tǒng)通過(guò)安全預(yù)警平臺(tái)、短信單元將預(yù)警信息以手機(jī)短信形式發(fā)送至隧道管理人員的手機(jī)上。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道襯砌剝落、掉塊、塌方、滲漏、涌水、火災(zāi)等災(zāi)害的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，其具有成本低、施工方便、抗干擾能力強(qiáng)、空間適用性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、預(yù)警準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。具體而言，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0023]I)本發(fā)明所采用的傳感光纖具有施工方便、體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、靈敏度高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)；
[0024]2)本發(fā)明利用環(huán)向傳感光纖、縱向傳感光纖鋪設(shè)成網(wǎng)狀，形成了覆蓋面較廣的光纖監(jiān)測(cè)網(wǎng)，避免了傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測(cè)法的缺陷，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道的全方位監(jiān)測(cè)，且提高了監(jiān)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性。
[0025]3)本發(fā)明利用溫度補(bǔ)償光纖對(duì)環(huán)向傳感光纖、縱向傳感光纖的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，進(jìn)一步提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確度。
[0026]4)本發(fā)明利用傳感子系統(tǒng)可對(duì)隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)變、溫度進(jìn)行多維度監(jiān)測(cè)，從而提供較為全面的隧道健康信息，主要包括隧道襯砌剝落、掉塊、塌方、滲漏、涌水、火災(zāi)等災(zāi)害信息。
[0027]5)本發(fā)明利用光電轉(zhuǎn)換器將所監(jiān)測(cè)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最大程度的減小了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的誤碼率，保證監(jiān)測(cè)信息的準(zhǔn)確度。
[0028]6)本發(fā)明根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)反饋信息，通過(guò)設(shè)置單元和判據(jù)單元可人為設(shè)定災(zāi)害等級(jí)參數(shù)，從而提供更加精準(zhǔn)的隧道健康分級(jí)預(yù)警信息。
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1為本發(fā)明所提供的基于分布式光纖傳感的運(yùn)營(yíng)隧道健康監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明所采用傳感光纖布設(shè)位置的橫斷面圖；
[0031]圖3為本發(fā)明所采用的系統(tǒng)方框示意圖；
[0032]圖4為本發(fā)明所采用的總程序流程圖；
[0033]附圖標(biāo)記說(shuō)明如下:
[0034]1-光纖傳感子系統(tǒng)；2_數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；3_無(wú)線傳輸子系統(tǒng)；4_數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)；5_預(yù)警子系統(tǒng)；6_手機(jī)客戶端；11_環(huán)向傳感光纖；12_縱向傳感光纖；13_溫度補(bǔ)償光纖；21_光纖分析儀；22_光電轉(zhuǎn)換器；31_數(shù)據(jù)傳輸接口 ；32_無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)；41_無(wú)線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)；42_設(shè)置單元；43_判據(jù)單元；51_安全預(yù)警平臺(tái)；52_短信發(fā)送服務(wù)器；511-Web平臺(tái)；512-數(shù)據(jù)服務(wù)器；521_SMS應(yīng)用軟件；522_SMS短信網(wǎng)關(guān)。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的系統(tǒng)及其控制方法做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明:
[0036]參見(jiàn)圖1、圖2、圖3，本發(fā)明提供了一種基于分布式光纖傳感的運(yùn)營(yíng)隧道健康監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)包括光纖傳感子系統(tǒng)1、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)2、無(wú)線傳輸子系統(tǒng)3、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)4以及預(yù)警子系統(tǒng)5 ;光纖傳感子系統(tǒng)I布設(shè)在隧道襯砌混凝土表面；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)2對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)