本發(fā)明涉及明涉及地鐵隧道監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于激光測距原理的隧道結(jié)構(gòu)變形、定位實時監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,越來越多的城市開始興建地鐵工程。地鐵隧道建造在地質(zhì)復(fù)雜、道路狹窄、地下管線密集、交通繁忙的鬧市中心,其安全問題不容忽視。無論在施工期還是在運營期都要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測,以確保主體結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境安全。地鐵路基的穩(wěn)定性對城市交通的安全有著重要影響，地鐵路基監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)影響鐵路正常運營的安全隱患。

目前，現(xiàn)有的地鐵軌道機(jī)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)有三類，人工靜態(tài)檢查、傳感器檢查、軌檢車檢查。傳統(tǒng)的地鐵軌道監(jiān)測以人工靜態(tài)檢查為主，采用幾何水準(zhǔn)測量法，幾何水準(zhǔn)測量法只能在地鐵停運的開窗期間進(jìn)入隧道作業(yè)，且不能實現(xiàn)自動化測量。這種監(jiān)測方式的缺點是無法及時、連續(xù)地進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。地鐵的軌道檢測現(xiàn)場條件惡劣，人工靜態(tài)檢測遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了地鐵軌道監(jiān)測的要求。

隨著實時性要求高的運營地鐵隧道監(jiān)測項目的增多，能夠進(jìn)行連續(xù)自動化監(jiān)測的靜態(tài)水準(zhǔn)系統(tǒng)傳感器測量方式得到了越來越多的廣泛的應(yīng)用，然而現(xiàn)有的傳感器監(jiān)測系統(tǒng)主要是“有線”的傳感網(wǎng)絡(luò)，存在安裝困難、成本高、維護(hù)困難等缺陷。而大型軌道監(jiān)測車，雖然能夠高效快速的完成對整個地鐵網(wǎng)軌道的監(jiān)測工作，而檢測參數(shù)也是非常豐富，幾乎包括了與軌道、道床安全狀態(tài)有關(guān)的所有參數(shù)，但是檢測車造價昂貴，不可能滿足靈活的調(diào)度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)解決的技術(shù)問題

為了克服現(xiàn)有系統(tǒng)的無法實現(xiàn)、連續(xù)地跟蹤監(jiān)測，解決有線監(jiān)測的布線困難，系統(tǒng)昂貴，維修不便的困難，本發(fā)明從隧道的形變特點出發(fā)，利用干涉法激光測距原理提供了一種新型的隧道定位監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)不僅能夠可以測量軌道路基的沉降，還能測量隧道圍巖的形變。本系統(tǒng)能夠達(dá)到實時監(jiān)測、定位追溯、警報聯(lián)動、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計報表的目的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對地鐵軌道的精確監(jiān)測，為地鐵安全運行提供技術(shù)保障。

(二)為了解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種基于6lowpan的激光測距系統(tǒng)，主要由穩(wěn)壓電源電路系統(tǒng)、恒溫箱控制單元、電路解析模塊、控制鍵盤組成；

一種基于激光測距傳感器的地鐵隧道變形連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示與處理系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括若干設(shè)置在巷道圍巖和軌道路基的數(shù)據(jù)采集模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括位于地鐵隧道橫截面頂端的激光發(fā)射器裝置，位于隧道圍巖的雙棱鏡裝置、激光接受器裝置、反射鏡裝置，位于軌道路基和圍巖的反光靶裝置，供電裝置，單片機(jī)。所述數(shù)據(jù)顯示與處理系統(tǒng)包括上位機(jī)；所述上位機(jī)通過6lowpan網(wǎng)絡(luò)與所述單片機(jī)互聯(lián)，所述6lowpan網(wǎng)絡(luò)包括由上位機(jī)控制的6lowpan單元及與單片機(jī)相連的6lowpan節(jié)點單元；所述激光發(fā)射器和激光接收器均連接供電裝置，激光接收器裝置內(nèi)設(shè)有激光測距傳感器，所述單片機(jī)分別連接激光測距傳感器、驅(qū)動裝置及供電裝置。

進(jìn)一步的，所述6lowpan單元與所述上位機(jī)的usb接口相連。

進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)采集模塊三個構(gòu)成一單元采集模塊組，三個采集模塊組中第一個采集模塊的反光靶裝置、反射鏡裝置同雙棱鏡水平放置，第二、三分別位于雙棱鏡水平線的上下側(cè)。安裝時，微調(diào)隧道圍巖與地面上的激光反射靶、反射鏡時，至激光接收器接收到的光強(qiáng)達(dá)到最大時固定反射靶、反射鏡的角度和位置，并以此為初始值。

進(jìn)一步的，所述各數(shù)據(jù)采集模塊沿隧道進(jìn)深方向不間斷設(shè)置。

進(jìn)一步的，所述各隧道橫截面頂端的激光測距發(fā)射器裝置設(shè)有1個，所述雙棱鏡裝置與所述安裝在軌道路基上的激光接收器裝置在同一水平線上，所述的雙棱鏡裝置到圍巖上的激光接收器或軌道路基上激光接收器的光程相等。

進(jìn)一步的，所述由上位機(jī)控制的6lowpan單元設(shè)置為網(wǎng)關(guān)模式，所述6lowpan網(wǎng)關(guān)與6lowpan節(jié)點參數(shù)一致。

進(jìn)一步的，所述供電裝置為移動電源。

本發(fā)明涉及的所采集到的數(shù)據(jù)的分析如下：

由光學(xué)強(qiáng)度計算公式：由i0、i1、i2、i均可由儀器測得，故可計算出值；又光強(qiáng)變化的次數(shù)為：故可得一個采集模塊中固定在路基和隧道圍巖上的激光反射靶的變形情況：

若所述每一個數(shù)據(jù)采集模塊中安置在路基上的激光接收器采集到的數(shù)據(jù)為xa(n)，由于圍巖上同一單元采集模塊組中三個位于圍巖上的激光反射靶裝置擺放的位置不同，則所得到的數(shù)據(jù)并不能列為一組數(shù)據(jù)，由于每個單元采集模塊組中第一個激光接收器擺放的位置均相同，則擺放位置相同的激光接收器采集到的數(shù)據(jù)為xb(n)，同理得到xc(n)、xd(n)。若x(n)是一個有限長的離散序列，它有n個樣本值，則x(n)的離散傅里葉變化為：

其中k＝0,1,2,3,4,……n-1

n＝0,1,2,3,4,……n-1

根據(jù)歐拉公式：

所以式1-1可以寫成為：

其中k＝0,1,2,3,4,……n-1

n＝0,1,2,3,4,……n-1

如用實部和虛部表示，式1-2為: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

可得所述安裝在軌道路基上和隧道圍巖上的激光接收器接收到的光強(qiáng)的相位差為：

如若求參考信號和測量信號的相位差，則分別求出它們的相位角，再做差即可。

由以上分析可知，若x(n)(0≤n≤n-1)是一個有限長的離散序列且它有n個樣本，則x(n)的離散序列，且它有n個樣本，則x(n)的離散序列且它有n個樣本值。則x(n)的離散傅里葉變換為：

其中為其相乘系數(shù)，由(1-5)可以得知，相乘系數(shù)的性質(zhì)是影響運算量的，具有以下性質(zhì)：

①周期性：r為整數(shù)；

②共軛對稱性：

③可約性：其中m為整數(shù)，為整數(shù)

所以對x(n)(0≤n≤n-1)的傅里葉變換可化為：

可得：

此公式所表示的函數(shù)即可表現(xiàn)出測量區(qū)域內(nèi)各個點的位移信息，則由初始數(shù)據(jù)得到的連續(xù)函數(shù)作為模板來整體把控區(qū)域變形，有明顯的不符合原有數(shù)據(jù)的區(qū)域或點則會被顯示。當(dāng)此變形幅度超過上位機(jī)所設(shè)定的允許范圍即會向控制中心報警。

(三)本發(fā)明具有以下特點和有益效果

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

1、與超聲波測距相比，本發(fā)明不同于超聲波有以下諸多誤差：①穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測量精度的前提，而超聲波速易受傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度影響。②為了防止其他信號的干擾,提高可靠性,單片機(jī)開始計數(shù)時,超聲傳感器發(fā)射脈沖串作為測量載體，而粉塵及其它物質(zhì)影響實際測量,使得不一定是第一個回波的過零觸發(fā)。③超聲波入射角不足90b時,系統(tǒng)測量到的距離是被測點與換能器的距離，而非真實距離。④上位機(jī)指令占用了一部分時間，從而造成了數(shù)據(jù)偏大。

2、本裝置區(qū)別于傳統(tǒng)的激光干涉測距裝置在軌道路基和隧道圍巖上的反光靶均可因路基的沉降、隧道結(jié)構(gòu)的變形而產(chǎn)生位移變化，本發(fā)明將各個數(shù)據(jù)采集模塊的位移由傅里葉所建立連續(xù)函數(shù)來整體把控，通過兩函數(shù)的相關(guān)變化來計算相應(yīng)的反光靶的位移，進(jìn)而判斷隧道是否變形。

3、在完成一次測量任務(wù)后，激光測距裝置進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省功耗，直至上位機(jī)再次發(fā)送指令，開始進(jìn)行下一次測量任務(wù)，可實現(xiàn)對巷道變形的24小時不間斷監(jiān)測；

4、本發(fā)明利用6lowpan網(wǎng)絡(luò)將測量數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，其低成本、低功耗、較低復(fù)雜程度、采集節(jié)點小巧靈活且易于組網(wǎng)，避免了傳統(tǒng)有線電纜傳輸?shù)母黜棻锥?，能夠?qū)Φ罔F隧道變形進(jìn)行實時、可靠的監(jiān)測。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明測量節(jié)點示意圖；

圖2為本發(fā)明數(shù)據(jù)采集單元的第一個采集模塊示意圖；

圖3為本發(fā)明數(shù)據(jù)采集單元的第三個采集模塊示意圖；

圖4為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1、包括位于地鐵隧道橫截面頂端的激光發(fā)射器裝置；2、激光接收器裝置；3、雙棱鏡裝置；4、位于路基上的激光反射靶裝置；5、反射鏡裝置；6、位于圍巖上的激光反射靶；7、反射鏡的支撐桿；8、反射鏡的固定支座；9、射向圍巖上激光反射靶的光線；10、射向路基激光反射靶的光線；11、路基水平線；12、路基混凝土；13、發(fā)生沉降后的激光反射靶；14、隧道頂部的水平線。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明提供了一種基于激光測距傳感器的地鐵隧道變形連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示與處理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括若干設(shè)置在巷道圍巖和軌道路基的數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊包括位于地鐵隧道橫截面頂端的激光發(fā)射器裝置1，位于隧道圍巖的雙棱鏡裝置3、激光接受器裝置2、反射鏡裝置5，位于軌道路基反光靶裝置4，圍巖的反光靶裝置6，供電裝置，單片機(jī)；數(shù)據(jù)顯示與處理系統(tǒng)包括上位機(jī)；上位機(jī)通過6lowpan網(wǎng)絡(luò)與所述單片機(jī)互聯(lián)，

6lowpan網(wǎng)絡(luò)包括由上位機(jī)控制的6lowpan單元及與單片機(jī)相連的6lowpan節(jié)點單元，其中，6lowpan單元與上位機(jī)的usb接口相連，由上位機(jī)控制的6lowpan單元設(shè)置為網(wǎng)關(guān)模式，6lowpan網(wǎng)關(guān)與6lowpan節(jié)點參數(shù)一致；

激光發(fā)射器裝置1和激光接收器裝置2連接供電裝置，激光接收器裝置內(nèi)設(shè)有激光測距傳感器，單片機(jī)分別連接激光測距傳感器、供電裝置；

本實施例中，激光測距傳感器選用llmg8015p型傳感器，相對于超聲波測距傳感器和紅外線測距傳感器，具備成本低、測量精度高、使用壽命長，不易受傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度影響等優(yōu)點，其工作過程如下：激光發(fā)射器對準(zhǔn)棱鏡發(fā)射激光脈沖，光線9(10)透過棱鏡射向反光靶帶，經(jīng)反光靶反射后激光射向雙棱鏡，進(jìn)而透過雙棱鏡射向傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上，記錄并處理光強(qiáng)的大小，所得信息通過激光傳感器與6lowpan單元傳送至上位機(jī)，若檢測到處理后的數(shù)據(jù)超過上位機(jī)所設(shè)定的允許范圍，則發(fā)出警報。

本實施例中，供電裝置采用移動電源，當(dāng)移動電源電量耗盡時更換電池即可，此外，單片機(jī)設(shè)有限流保護(hù)程序?qū)σ苿与娫催M(jìn)行限流保護(hù)。

各數(shù)據(jù)采集模塊沿地鐵隧道進(jìn)深方向不間斷設(shè)置，各巷道橫截面頂端的激光測距裝置1設(shè)有2個，且對稱安裝在隧道的頂端。

本發(fā)明的基于激光測距傳感器的地鐵隧道變形連續(xù)監(jiān)測方法，包括以下步驟：

安裝時，各隧道橫截面頂端的激光測距發(fā)射器裝置1對稱設(shè)有2個，雙棱鏡裝置3與安裝在軌道路基上的激光接收器裝置在同一水平線上，雙棱鏡裝置到圍巖上的激光反射靶6或軌道路基上激光反射靶4的光程相等。最后將移動電源和單片機(jī)對應(yīng)連接。此外，同一單元采集模塊組中三個位于圍巖上的激光反射靶6裝置擺放的位置不同，在第二個或第三個激光反射靶6安裝時，在與雙棱鏡3同一水平線上安裝一反光鏡5，將光線向上或向下反射到安裝在圍巖上的激光反射靶裝置6上，以保證一個單元數(shù)據(jù)采集模塊組能夠測量出整個圍巖的變形情況；

1)上位機(jī)控制的6lowpan單元設(shè)置為網(wǎng)關(guān)模式，6lowpan網(wǎng)關(guān)與6lowpan節(jié)點參數(shù)一致；

2)單片機(jī)接收激光測距傳感器的測量數(shù)據(jù)，通過6lowpan無線傳輸系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并利用本發(fā)明所提供的數(shù)據(jù)分析方法來處理所測得的數(shù)據(jù)，并與初始數(shù)據(jù)得到的連續(xù)函數(shù)作為模板來對比分析，有明顯的不符合原有數(shù)據(jù)的區(qū)域或點則會被顯示。當(dāng)此變形幅度超過上位機(jī)所設(shè)定的允許范圍即會向控制中心報警。此外，數(shù)據(jù)也會得到保存，同時具備報警和歷史數(shù)據(jù)查看等功能；

3)在完成一次測量任務(wù)后，激光測距裝置進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省功耗，直至上位機(jī)再次發(fā)送指令，開始進(jìn)行下一次測量任務(wù)，可實現(xiàn)對巷道變形的24小時不間斷監(jiān)測。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。