一种隧道围岩收敛量测在线监测系统的制作方法

本实用新型涉及岩土监测技术领域，特别是涉及一种隧道围岩收敛量测在线监测系统。

背景技术：

隧道围岩量测监控指的是在隧道施工时，实时监测支护系统及围岩的稳定性能和变化情况，并对支护参数进行合理的调整， 隧道围岩量测监控是隧道施工管理的重要组成部分，它不仅能指导施工，预报险情，确保安全，而且通过现场监测获得围岩动态的信息（数据），为修正和确定初期支护参数，混凝土衬砌支护时间提供信息依据，为完善隧道工程设计与指导施工提供可靠的足够的数据。

而目前围岩量测基本是以人工为主，即人工通过精密水准仪在隧道的基点上测量每个上断面测点，一般每个断面有拱顶，拱腰均布置若干测点，人工一个个点轮回测量记录数据，量测数据一般采用微机管理，还得需要Excel软件或者专门量测软件对量测数据进行管理和回归分析，该传统量测方案耗费人力，且人工采集任务量大，记录数据易出错并且不能实时在线监控围岩收敛情况，后期整理分析数据具有一定的滞后性，不能保障穿过隧道时的安全。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种隧道围岩收敛量测在线监测系统，能实时监测隧道围岩量测的变化量，节省人力、物力，提高监测的准确性，实时性，为穿过隧道提供安全保障。

本实用新型所采取的技术方案是：一种隧道围岩收敛量测在线监测系统，包括：监测模块、无线采集模块、中转模块、控制模块和监控终端，监测模块有多个，每个监测模块包括监测子单元和无线单元，监测模块为激光采集仪，无线单元设置在激光采集仪上，监测模块对应着设有一个基准板，监测子单元为激光测距传感器，所述激光测距传感器包括MCU单片机、复位电路、485控制电路、TTL通信端、激光测距模块、温度传感器和存储芯片，复位电路连接到MCU单片机，485控制电路连接到MCU单片机，TTL通信端连接到MCU单片机，激光测距模块连接到TTL通信端，温度传感器连接到MCU单片机，存储芯片连接到MCU单片机，监测模块连接着无线采集模块，无线采集模块连接到中转模块，中转模块连接到控制模块，控制模块连接着多个监控终端。

作为进一步的技术方案，所述监测模块包括多个激光测距传感器，且每个监测模块的排在隧道最外侧的激光测距传感器对应着设有一个基准板。

作为进一步的技术方案，所述基准板上包括激光反光贴。

作为进一步的技术方案，所述无线采集模块与每个监测模块并联设置，无线采集模块包括无线单元的汇聚点，且该汇聚点与GPRS-DTU通信，其中无线单元为无线433组件。

作为进一步的技术方案，所述中转模块包括集线器。

作为进一步的技术方案，所述控制模块包括模型数据处理服务器、模型数据控制服务器和模型数据存储服务器，模型数据处理服务器连接着模型数据控制服务器，模型数据控制服务器连接着模型数据存储服务器。

作为进一步的技术方案，所述监控终端为PC端。

作为进一步的技术方案，所述监测模块设置在云台上，所述云台能水平旋转角度为0°～350°或垂直旋转角度为+90°。

作为进一步的技术方案，所述系统还包括报警模块，报警模块与控制模块连接，且报警模块包括短信报警、弹窗报警和声光报警三种模式。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型通过提供一种隧道围岩收敛量测在线监测系统，能实时监测隧道围岩量测的变化量，节省人力、物力，提高监测的准确性，实时性，为穿过隧道提供安全保障。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的结构模块图；

图2是本实用新型一个实施例的监测子单元的结构模块图；

图3是本实用新型一个实施例的隧道应用场景图；

图4是本实用新型一个实施例的应用调试示意图；

图5是本实用新型一个实施例的另一个应用调试示意图；

图6是本实用新型一个实施例的MCU单片机的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，为本实用新型一种隧道围岩收敛量测在线监测系统的一个实施例，包括监测模块、无线采集模块、中转模块、控制模块和监控终端，监测模块有多个，每个监测模块包括监测子单元和无线单元，监测模块为激光采集仪，无线单元设置在激光采集仪上，监测模块对应着设有一个基准板，监测子单元为激光测距传感器，监测模块连接着无线采集模块，无线采集模块连接到中转模块，中转模块连接到控制模块，控制模块连接着多个监控终端。

监测模块为激光采集仪，每个激光采集仪包括多个激光测距传感器，每个激光采集仪对应着设置有一个无线单元，即每个激光采集仪包括多个激光测距传感器，激光测距传感器相互合作，共同完成隧道围岩收敛量测的测量，多个根据实际场景中通常为1-3个，本实施例中使用的为3个。

如图2所示，为本实用新型一个实施例的监测子单元的结构模块图，即激光测距传感器的结构模块图，所述激光测距传感器包括MCU单片机、复位电路、485控制电路、TTL通信端、激光测距模块、温度传感器和存储芯片，复位电路连接到MCU单片机，485控制电路连接到MCU单片机，TTL通信端连接到MCU单片机，激光测距模块连接到TTL通信端，温度传感器连接到MCU单片机，存储芯片连接到MCU单片机，激光测距传感器采用激光测距原理的激光发生器，0.1--200m量程可保证精度为±1mm；且环境相对复杂同样可以取得很好的效果，例如混泥土表面以及户外等场景。

根据激光测距原理的激光测距传感器，该传感器激光探头均采用进口探头，其测距方式为相位式测距，相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。

每个激光测距传感器具有一16位位移地址位，如侦听到采集端采集命令地址位与其相对应则响应并回传数据，激光测距传感器的激光发送器平常是关闭状态，只在测量时候以及通电时打开即发送激光，上电后常亮30秒，然后关闭，如响应测量命令则亮2秒。

相位式激光测距传感器输出为TTL电平，通过TTL串口与自定的MCU单片机串口通信，自定的MCU单片机再将采集距离数据返回，自定的MCU单片机再将采集的数据按自定义通信协议发送到RS485总线，一个采集仪有1-3个激光测距传感器，每个有唯一地址编号。每个采集仪有一集线板，每个激光传感器、电池供电以及无线电台无线模块均用航空插头与航空插座连接。

综上可知，基于激光测距传感器的围岩收敛量测在线监测系统可实现全天候无人值守,连续监测隧道收敛变形，并可将数据上传至控制模块，进而传递到位于不同监控室的监控终端上供监控人员查看，且数据实时同步，不会滞留，每个监控室中查看到的数据都是最新的，确保监控情况统一，节省人力、物力，提高监测的准确性，实时性，为穿过隧道提供安全保障。

所述基准板上包括激光反光贴，用于增大激光的反射，使得测量更加准确。

如图3所示，为本实用新型一个实施例在隧道的应用场景图，在隧道口一稳定基点安装一基准板，该基准板按一定角度安装并贴装激光反光贴；每个断面安装一采集仪，每个采集仪内有三个激光传感器，可测量该点到反光点的距离；隧道口第一个断面一个1号激光传感器打到基准板，一个2号是水平打到对面拱腰，一个3号是打到该断面拱顶位置；第二断面起：一个1号激光传感器打到前一个拱顶，第二个断面打到第一个断面拱顶，第三个打到第二个，依次类推，尽量靠近一点，一个3号打到该断面拱顶，一个2号水平打到对面拱腰，依次排列分布，直到隧道尽头。

如图4，图5所示，为本实用新型一个实施例的应用调试示意图，初始安装取样初始数据：

1断面1号激光传感器与水平面夹角为α1，到基准板的距离为A1；2号激光传感器水平测距距离为L1；3号激光传感器与水平面夹角为β1，测距为B1；

测距算法：

基准板与水平面夹角为45°+α1；

假如1断面采集仪相对基准板沉降h，根据三角函数关系可以得出：

A1的变化值即为1断面采集仪相对基准板的沉降值；

1断面拱顶与采集仪水平面高度由三角函数关系得出：

h1=B1*sinβ1；

拱顶相对于采集仪的沉降值为：

△h1=(B1′-B1)sinβ1；

而拱顶相对于基准板的沉降为：

▲h1=△h1+h。

2断面采集仪水平高度与1断面拱顶高度由三角函数关系得出：

H2=A2*sin（α2）；

△H2=（A2′- A2）*sin（α2）；

2断面拱顶相对与该断面采集仪的沉降值为：

△h2=(B2′-B2)sin（β2）；

可推算出2断面拱顶相对于基准板的沉降值为：

▲h2=△h2+△H2+▲h1。

3断面采集仪水平高度与2断面拱顶高度由三角函数关系得出：

H3=A3*sin（α3）；

△H3=(A3′-A3)*sin（α3）；

3断面拱顶相对于该断面采集仪的沉降值为：

△h3=(B3′-B3)sin（β3）；

可推算出3断面拱顶相对于基准板的沉降值为：

▲h3=△h3+△H3+▲h2；

由此可以推算各拱顶相对于基准板算法为：

▲hn=△hn+△Hn+▲h（n-1）；

▲h1=△h1+h；

其中：

△hn=(Bn′-Bn)sin（βn）；

△Hn=(An′-An)*sin（αn）；

其中拱腰收敛为直接各采集仪2号激光传感器测距距离差，根据需求可增加拱腰水平收敛测点，所有拱顶沉降测量值均为绝对沉降，因为基准板的沉降量可以校对为绝对值。

所述无线采集模块与每个监测模块并联设置，位于隧道口的无线采集模块收集汇聚每个采集仪上设置的无线单元发送过来的数据，即无线采集模块包括无线单元的汇聚点，且该汇聚点与GPRS-DTU通信，其中无线单元为无线433组件，无线433组件数据发射模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在-25~+85度之间变化时，频飘仅为3ppm/度；无线采集模块与GPRS-DTU通信响应服务器采集端的采集命令，将通过集线器连接一起的激光测距传感器测距数据传回控制模块，采集供电为60Ah大容量锂电池，且无线采集模块在平时无数据传输状态为静默状态，当采集端发送命令，空中有相应频率再启动，实现节能使围岩量测采集仪能更长时间工作。

所述中转模块包括集线器，集线器的英文称为“Hub”，“Hub”是“中心”的意思，集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上，本实施例中集线器将无线采集模块汇聚到一起，统一传输连接到控制模块。

所述控制模块包括模型数据处理服务器、模型数据控制服务器和模型数据存储服务器，模型数据处理服务器连接着模型数据控制服务器，模型数据控制服务器连接着模型数据存储服务器。

所述模型数据处理器包括本实施例中建立的模型，所有拱顶沉降测量值均为绝对沉降，因为基准板的沉降量可以校对为绝对值；模型数据控制服务器和模型数据存储服务器用于运算存储涉及到的相应数据，集成了沉降观测算法。

上述所述服务器均在市场上有现有成品。

所述监控终端为PC端，用于调控监测系统的情况，监控终端有多个，位于不同的监控室，使得不同位置的监控人员都能查看到监测情况，并且分监测站点管理数据，用户根据其登陆权限查阅不同信息，或不同站点信息具有自带报表及数据曲线功能，用户可以直接查看当前报告数据。

所述监测模块设置在云台上，所述云台根据其回转的特点可分为只能左右旋转的水平旋转云台62和既能左右旋转又能上下旋转的全方位云台,本实施例采用的是既能左右旋转又能上下旋转的全方位云台，水平旋转角度为0°～350°，垂直旋转角度为+90°，恒速云台的水平旋转速度一般在3°～10°/s，垂直速度为4°/s左右，变速云台的水平旋转速度一般在0°～32°/s，垂直旋转速度在0°～16°/s左右。

所述系统还包括报警模块，报警模块与控制模块连接，且报警模块包括短信报警、弹窗报警和声光报警三种模式，预警多样性，能够及时提醒监控人员出现问题并及时处理问题。

如图6所示，为本实用新型一个实施例的MCU单片机的工作流程图， 一直监测总线上数据，但总线上有命令字节数据的时候并且地址位与自身传感器的16位地址位一致的时候，则单片机做出采集数据的动作往进口激光发送器上发送测量命令并将返回数据通过自定义协议发送到控制模块，首先给设备上电，初始化系统后，指示灯强制亮30秒，侦听485总线通信，判断是否与自身地址位一致，若一致，往监测模块发送采集命令，并接收数据，再以约定协议发送相应数据，传输到控制模块；若不一致，则返回继续侦听，直到与自身地址位一致为止。

本系统功耗低，省电量，激光测距传感器只在测量时打开激光传感器，测量完毕关掉节省电量；控制模块在平时待测状态不给激光测距传感器供电，控制模块是先接收打开电源再响应采集命令；无线模块省电设置，在控制模块没有发送与传感器通信命令状态时，无线模块处于休眠状态，耗电电流小于1mA，只有空中有相一致的频率的无线电波时才启动接收发送电波状态，当空中没有相一致的电波时，电台又处于休眠状态，节省电池电量。

采集仪供电采用60Ah锂电池，安装完成可以保证测量45天的工作电量，随隧道掘进采集仪往复利用。

采用上述技术方案后，能实时监测隧道围岩量测的变化量，节省人力、物力，提高监测的准确性，实时性，为穿过隧道提供安全保障。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。