地铁隧道收敛变形监测系统及方法与流程

本发明涉及超声波探测技术领域，具体地指一种地铁隧道收敛变形监测系统及方法。

背景技术：

目前，国内外基于隧道变形监测的方法大致可分为三类。一种是人工测量，大多使用地面测量方法和水准仪、全站仪等传统仪器，水准测量自动化较差，需要工人操作，但出于安全问题考虑，测量人员不能在地铁运营期间进入地铁隧道进行测量，只有当地铁停运时，才能进入隧道进行监测，且地铁隧道内环境复杂，如光线较暗、可视度差、空间狭窄、温度变化大，对工人的安全监测的造成很大干扰，也会造成较大的测量误差。另一种是利用测量机器人，虽然测量机器人的测量精度很高，但是它也只能像传统监测仪器一样，只能单个点逐一进行定期监测，这增加了监测的成本，而且使得监测周期变长，监测效率变低，且监测时无法精确反应隧道相邻结构变形。最后一种是激光测距，即使有测量准确、自动程度高等优点，但激光传感器成本过高，测量有色、有光泽或透明的表面时，或是在有灰尘，污垢或雾等不利的环境条件下，激光传感器测量时会出现较大的误差，无法准确反映隧道变形。

技术实现要素：

本发明的目的就是要提出一种地铁隧道收敛变形监测系统及方法，本发明可保证各类恶劣环境中的地铁隧道收敛变形监测结果准确。

为实现此目的，本发明所设计的一种地铁隧道收敛变形监测系统，其特征在于：它包括通信适配器、pc机和至少两个超声波传感器，每个超声波传感器包括超声波收发探头、旋转舵机和控制器，所述超声波收发探头安装在旋转舵机上，pc机用于通过通信适配器向控制器发送旋转舵机控制信号和超声波控制信号，控制器用于根据超声波控制信号控制超声波收发探头发送对应的超声波，控制器还用于将超声波收发探头接收的超声波回波通过通信适配器传输给pc机，旋转舵机在控制器的控制下使超声波收发探头在0°～180°间摆动，至少两个超声波传感器设置在隧道的同一横截面的隧道壁上。

上述技术方案中，在pc机中输入第一个超声波传感器在隧道中的坐标，此时的第一个超声波传感器坐标作为第一个超声波传感器对应的隧道被测位置坐标的坐标原点，pc机通过通信适配器向该超声波传感器发生超声波控制指令，该超声波传感器中的控制器根据该超声波控制指令控制对应的超声波收发探头发射对应的超声波信号，控制器记录此时的超声波发射时间，同时，控制器通过通信适配器将该超声波发射时间反馈给pc机，超声波信号传递至隧道表面后会沿原发射路径反射回波，回波被超声波收发探头收到，控制器记录接收时间，并通过通信适配器向pc机反馈回波接收时间，pc机通过超声波发射时间和回波接收时间结合超声波传播速度和当前超声波收发探头的相对于水平面的角度进行计算，得到该超声波收发探头当前角度对应的隧道被测位置的坐标，该角度为超声波收发探头相对于水平面的角度；

调整超声波收发探头的相对于水平面的角度，从而使pc机得到该超声波收发探头在预设的各个角度下对应的隧道被测位置的坐标，该角度为超声波收发探头相对于水平面的角度。

在pc机中输入其它超声波传感器在隧道中的坐标，该坐标作为对应隧道被测位置坐标的坐标原点，并获得各个超声波收发探头在预设的各个角度下对应的隧道被测位置的坐标，再连接所测得的各个被测位置坐标，并拟合形成隧道形状，从而获得隧道整个横截面的收敛变形参数，所述角度为超声波收发探头相对于水平面的角度。

超声波测距原理为：超声波由pc端指令发出，控制模块将指令转化为电信号，电信号发出的瞬间控制模块的时钟记下时间值，电信号传播到发射探头后转化为超声波发出，一段时间后超声波传感器接收探头接收到超声波信号，并将其转化为电信号传播到控制模块，这时时钟记录下接收到信号的瞬时时间，即两个时间的差值得到超声波的传播时间，

本发明针对上述背景技术的方案开发了一套隧道收敛变形的监测系统。该超声波监测系统利用了超声波信号的如下优势：超声波对亮度、光强不敏感，透明、有色、光泽表面也能够准确测量，超声波对电磁场不敏感,非常适用于隧道这种黑暗、灰尘多、强电磁干扰的环境。本发明可在极短时间内获得所有轨道断面所有被测位置的坐标信息，最后，利用数据收集处理软件，可实时拟合形成隧道收敛变形图，为使用者提供精确直观的隧道变形情况。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工作过程示意图。

其中、1—超声波传感器、1.1—超声波收发探头、1.2—旋转舵机、1.3—控制器、1.4—第一超声波传感器、1.5—第二超声波传感器、2—通信适配器、3—pc机

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1和图2所示的地铁隧道收敛变形监测系统，它包括通信适配器2、pc机3和至少两个超声波传感器1，每个超声波传感器1包括超声波收发探头1.1、旋转舵机1.2和控制器1.3，所述超声波收发探头1.1安装在旋转舵机1.2上，pc机3用于通过通信适配器2向控制器1.3发送旋转舵机控制信号和超声波控制信号，控制器1.3用于根据超声波控制信号控制超声波收发探头1.1发送对应的超声波，控制器1.3还用于将超声波收发探头1.1接收的超声波回波通过通信适配器2传输给pc机3，旋转舵机1.2在控制器1.3的控制下使超声波收发探头1.1在0°～180°间摆动，至少两个超声波传感器1设置在隧道的同一横截面的隧道壁上(超声波传感器1在进行安装时，先将超声波传感器用螺栓固定在泡沫板上，再在泡沫板背面贴上泡沫双面胶，均匀施压，最后将超声波传感器1固定在隧道表面的指定位置)。

上述技术方案中，旋转舵机1.2是一种位置伺服驱动器，可以控制角度的不断变化，使用舵机来控制超声波传感器探头的旋转角度，使传感器探头可以在0°～180°间旋转，然后进行测距。

上述技术方案中，通信适配器2为无线适配器，无线适配器可以实现远程的命令发射和数据接收。无线适配器插在pc端的usb插口，pc端可通过无线适配器，发出命令通过超声波控制模块让超声波传感器产生超声波信号。

pc机通过无线适配器，可对所有超声波传感器进行控制，并对接受到的信号，进行数据处理及隧道收敛变形的实时显示。

上述技术方案中，在pc机3中输入第一个超声波传感器1在隧道中的坐标，此时的第一个超声波传感器1坐标作为第一个超声波传感器1对应的隧道被测位置坐标的坐标原点，pc机3通过通信适配器2向该超声波传感器1发生超声波控制指令，该超声波传感器1中的控制器1.3根据该超声波控制指令控制对应的超声波收发探头1.1发射对应的超声波信号，控制器1.3记录此时的超声波发射时间，同时，控制器1.3通过通信适配器2将该超声波发射时间反馈给pc机3，超声波信号传递至隧道表面后会沿原发射路径反射回波，回波被超声波收发探头1.1收到，控制器1.3记录接收时间，并通过通信适配器2向pc机3反馈回波接收时间，pc机3通过超声波发射时间和回波接收时间结合超声波传播速度和当前超声波收发探头1.1(信号收发轴向)的相对于水平面的角度进行计算，得到该超声波收发探头1.1当前角度对应的隧道被测位置的坐标，该角度为超声波收发探头1.1相对于水平面的角度；

调整超声波收发探头1.1的相对于水平面的角度，从而使pc机3得到该超声波收发探头1.1在预设的各个角度下对应的隧道被测位置的坐标，该角度为超声波收发探头1.1相对于水平面的角度。

上述技术方案中，在pc机3中输入其它超声波传感器1在隧道中的坐标，该坐标作为对应隧道被测位置坐标的坐标原点，并获得各个超声波收发探头1.1在预设的各个角度下对应的隧道被测位置的坐标，再连接所测得的各个被测位置坐标，并拟合形成隧道形状，从而获得隧道整个横截面的收敛变形参数，所述角度为超声波收发探头1.1相对于水平面的角度。

上述技术方案中，pc机3通过超声波发射时间和回波接收时间结合超声波传播速度和当前超声波收发探头1.1的相对于水平面的角度，并依据如下公式进行计算，得到该超声波收发探头1.1当前角度对应的隧道被测位置的坐标；

ln＝v·tp/2

x＝ln·cosα

y＝ln·sinα

其中，ln为当前超声波传感器的测距结果，v表示超声波速度，tp为超声波从发射到接收的传输时间，x为所测点的横坐标，y为所测点的纵坐标，α是当前超声波收发探头1.1的相对于水平面的角度，x和y的坐标原点为超声波传感器1在隧道中的坐标。

上述技术方案中，超声波传感器1有两个，分别为第一超声波传感器1.4和第二超声波传感器1.5，第一超声波传感器1.4和第二超声波传感器1.5对称设置在隧道的同一截面的隧道壁上。为使超声波信号尽可能扫描到整个隧道表面，采用对称放置的方式，这种方式使超声波探头旋转时不存在盲区。

一种利用上述系统的地铁隧道收敛变形监测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：在pc机3中输入第一超声波传感器1.4在隧道中的坐标，此时的第一超声波传感器1.4坐标作为第一超声波传感器1.4对应的隧道被测位置坐标的坐标原点，pc机3通过通信适配器2向第一超声波传感器1.4发生超声波控制指令，该第一超声波传感器1.4中的控制器1.3根据该超声波控制指令控制对应的超声波收发探头1.1发射对应的超声波信号，控制器1.3记录此时的超声波发射时间，同时，控制器1.3通过通信适配器2将该超声波发射时间反馈给pc机3，超声波信号传递至隧道表面后会沿原发射路径反射回波，回波被超声波收发探头1.1收到，控制器1.3记录接收时间，并通过通信适配器2向pc机3反馈回波接收时间，pc机3通过超声波发射时间和回波接收时间结合超声波传播速度和当前超声波收发探头1.1的相对于水平面的角度进行计算，得到该超声波收发探头1.1当前角度对应的隧道被测位置的坐标；

按以上操作通过旋转舵机1.2使得该超声波收发探头1.1从隧道顶点k1至隧道最低点k2每隔a度角(0.9°)发射一次超声波并接收回波，从而使pc机3得到该超声波收发探头1.1在预设的各个角度下对应的隧道被测位置的坐标，所述角度为超声波收发探头1.1相对于水平面的角度；

步骤2：在pc机3中输入第二超声波传感器1.5在隧道中的坐标，该坐标作为对应隧道被测位置坐标的坐标原点，通过旋转舵机1.2使得第二超声波传感器1.5的超声波收发探头1.1从隧道顶点k1至隧道最低点k2每隔a度角(0.9°)发射一次超声波并接收回波，从而使pc机3获得该超声波收发探头1.1在预设的各个角度下对应的隧道被测位置的坐标，再连接第一超声波传感器1.4和第二超声波传感器1.5所测得的各个被测位置坐标，并拟合形成隧道形状，从而获得隧道整个横截面的收敛变形参数。

上述方案为使测量更精确，可按照实际需求增加测量的点，即控制探头旋转更小的角度进行测量或者加快超声波发射频率，这样相邻两测量点的坐标便极为接近，因此也更接近实际隧道形状。

由于地铁隧道环境恶劣，而超声波在传播过程中容易受到环境影响使其高指向性下降，出现测量误差。第一超声波传感器1.4发射超声波至a时，因为环境的影响，超声波信号可能出现偏差，假设信号落在(a1，a2)区间内，而并不是探头正对的方向，这时超声波回射的信号，可能是来自该范围内的任一位置。同理当第二超声波传感器1.5发射超声波测量时，也会存在类似的误差。

为了减少这种误差，实现精确测量，本发明采用至少两个超声波传感器进行监测，同时对采集到的数据按照特定方法进行处理，减少误差，实施例测量步骤和方法如下所示：

步骤1中，通过旋转舵机1.2使得该超声波收发探头1.1从隧道最低点k2至隧道顶点k1每隔a度角发射一次超声波并接收回波，实现逆向监测，从而使pc机3得到逆向监测时该超声波收发探头1.1在预设的各个角度下对应的隧道被测位置的坐标；

所述步骤2中，通过旋转舵机1.2使得第二超声波传感器1.5的超声波收发探头1.1从隧道最低点k2至隧道顶点k1每隔a度角发射一次超声波并接收回波，实现逆向监测，从而使pc机3获得逆向监测时该超声波收发探头1.1在预设的各个角度下对应的隧道被测位置的坐标。

上述技术方案的步骤1中，在同样的探头角度，第一超声波传感器1.4顺向所测得的隧道被测点和第一超声波传感器1.4的距离l1与第一超声波传感器1.4逆向测得的隧道被测点和第一超声波传感器1.4的距离l1＇存在误差，需对这两种所测的距离进行如下处理，产生如下样本ρ1；

ρ1＝(l1-l1＇)

同理，对第一超声波传感器1.4的超声波收发探头1.1的每个预设角度的顺向测距数据和逆向测距数据按上述方式处理，得到n组样本，即ρ1、ρ2、ρ3…ρn；

ρ1＝(l1-l1＇)

ρ2＝(l2-l2＇)

ρ3＝(l3-l3＇)

ρn＝(ln-ln＇)

步骤2中，在同样的探头角度，第二超声波传感器1.5顺向所测得的隧道被测点和第二超声波传感器1.5的距离s1与第一超声波传感器1.4逆向测得的隧道被测点和第二超声波传感器1.5的距离s1＇存在误差，需对这两种所测的距离进行如下处理，产生如下样本θ1；

θ1＝(s1-s1＇)

同理，对第二超声波传感器1.5的超声波收发探头1.1的每个预设角度的顺向测距数据和逆向测距数据按上述方式处理，得到n组样本，即θ1、θ2、θ3…θn；

θ1＝(s1-s1＇)

θ2＝(s2-s2＇)

θ3＝(s3-s3＇)

θn＝(sn-sn＇)

所述步骤2后还包括步骤3，整合上述2n组样本为样本集ε，并将上述样本ρi和θi，i＝1、2、3…n，随机进行编号，形成一个(ε1，ε2，ε3…ε2n)的样本集ε；

步骤2后还包括步骤3：根据样本集ε的均值和方差，其形成的测量误差正态分布的计算公式如下：

其中，μ1表示测量误差的均值，σ1表示测量误差的标准差，εi为样本集ε中的第i个样本，f(ε|μ1,σ1)为测量误差的概率密度函数，即测量误差的正态分布关系式，exp为正态分布的表示方式；

步骤4：利用马尔科夫链蒙特卡洛方法(mcmc方法)最重要的性质，假设误差d1,d2,d3,….,dn是一个马尔科夫链，对于其中任何一个状态值di只与前一个转移的状态值有关，通过不断转移之后，马尔科夫链将会达到平稳状态，即通过这种方法，将2n组样本转换为2n*m(n为100,m也为100)个等效样本；

步骤5：根据上述2n*m个等效样本的样本集δ的方差和均值形成一个更新测量误差的正态分布y；

其中,δi表示更新后的2n*m个等效样本中的一个误差样本，μ2表示更新后的2n*m个等效样本的均值，σ2表示更新后的2n*m个等效样本的标准差，f(δ∣μ2,σ2)表示更新后的2n*m个等效样本的样本集δ的方差和均值所形成一个更新测量误差的正态分布y。

步骤6：再次通过旋转舵机1.2使得第一超声波传感器1.4的超声波收发探头1.1从隧道顶点k1至隧道最低点k2每隔a度角发射一次超声波并接收回波，对每个隧道被测点超声波收发探头1.1得出的隧道被测点和第一超声波传感器1.4的距离s加上从上述正态分布y中随机选取的误差δ则为精确距离l，计算公式如下：

ln＝sn+δn

其中，ln代表第一超声波传感器1.4相对的第n个隧道被测点的精确距离，sn代表第一超声波传感器1.4相对的第n个隧道被测点的实测距离，δn代表在正态分布y中随机抽取的误差值；

步骤7：再次通过旋转舵机1.2使得第二超声波传感器1.5的超声波收发探头1.1从隧道顶点k1至隧道最低点k2每隔a度角发射一次超声波并接收回波，对每个隧道被测点超声波收发探头1.1得出的隧道被测点和第二超声波传感器1.5的距离k加上从上述正态分布y中随机选取的误差δ则为精确距离q，计算公式如下：

qn＝kn+δn

其中，qn代表第二超声波传感器1.5相对的第n个隧道被测点的精确距离，kn代表第二超声波传感器1.5相对的第n个隧道被测点的实测距离，δn代表在正态分布y中随机抽取的误差值；

步骤8：通过第一超声波传感器1.4相对的第n个隧道被测点的精确距离ln、第二超声波传感器1.5相对的第n个隧道被测点的精确距离qn、超声波发射时间和回波接收时间、超声波传播速度和当前超声波收发探头1.1的相对于水平面的角度使pc机3获得第一超声波传感器1.4和第二超声波传感器1.5所测得的各个被测位置的修正后坐标，并通过各个被测位置的修正后坐标拟合形成隧道形状，从而获得隧道整个横截面的修正后收敛变形参数。

通过上述步骤可以求得所有测点坐标的精确值，同理，控制超声波传感器2结合上述方法也能求得所有测点坐标的精确值，再连接所测得的坐标便能拟合形成隧道形状。

此方法的优势还在于，若想得到更为精确的数据，可以继续重复上述八个步骤，以最后一步得出的精确距离作为原始样本，不断形成等效样本，由于同一环境下，误差虽然是随机的，但误差分布又具有规律性，意味着其误差分布的范围是在某一小区间内，即上述方法的本质是通过缩小误差范围来不断更正样本，可以做到不断接近真实值。

同时，由于超声波传播速度在空气中为340m/s，超声波发射与接收的时间极短，且超声波传感器中控制模块中时钟记下的时间值，能够通过无线适配器反馈到pc机中，其信号传播速度更快。因此，基于以上测量方法和计算原理，可在极短时间内获得所有传感器坐标信息，最后，利用数据收集处理软件，可实时拟合形成隧道收敛变形图，为使用者提供精确直观的隧道变形情况。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。