CN113074694B - 用于隧道断面变形的自动监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于隧道监测技术领域,尤其涉及一种用于隧道断面变形的自动监测装置,包括路段滑轨、移动单元、采集单元和处理单元;路段滑轨有多组,路段滑轨固定在隧道内壁,路段滑轨上固设有位置标识;移动单元的数量与路段滑轨的数量相等,移动单元分别与路段滑轨滑动连接;采集单元固定在移动单元上;处理单元用于控制移动单元移动,还用于控制采集单元采集隧道断面的形状扫描点及对应位置区域的位置标示;处理单元还用于根据采集的隧道扫描点进行椭圆拟合,并根据位置标示得到扫描位置,得到对应位置的截面方程并进行存储,处理单元还用于进行截面变形分析。本装置能够在控制成本的基础上,及时准确的进行隧道断面监测。
Description
技术领域
本发明属于隧道监测技术领域,尤其涉及一种用于隧道断面变形的自动监测装置。
背景技术
由于极大的方便了人们的出行,隧道的数量正稳定增长中,与常规的马路相比,隧道由于直接在山体或地下开挖,其安全性也备受重视。
目前,国内对隧道施工阶段的监测技术已比较成熟,但对隧道运营期间的监测手段还比较匮乏,甚至很多地方仍在采用人力检测的方法。然而,运营阶段因时间跨度大、影响因素复杂、灾害社会影响大,隧道的健康监测尤其是结构变形更应受重视。结构变形的监测内容主要为隧道的垂直沉降、水平位移和断面变形,其中,对于隧道断面变形的监测,目前除了人工断面检测外,部分地方也有采用三维激光扫描仪进行测量,三维激光扫描仪虽然精度较高,但是隧道由于长度较长且断面监测需要长时间进行,使用三维激光扫描仪的成本过高,并且无法获取检测的结果。
因此,需要一种用于隧道断面变形的自动监测装置,能够在控制成本的基础上,及时准确的进行隧道断面监测。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种用于隧道断面变形的自动监测装置,能够在控制成本的基础上,及时准确的进行隧道断面监测。
为了解决上述技术问题,本申请提供如下技术方案:
用于隧道断面变形的自动监测装置,包括路段滑轨、移动单元、采集单元和处理单元;
路段滑轨有多组,路段滑轨固定在隧道内壁,路段滑轨上固设有位置标识;移动单元的数量与路段滑轨的数量相等,移动单元分别与路段滑轨滑动连接;采集单元固定在移动单元上;处理单元用于按照预存的移动路径和移动时间控制移动单元移动,还用于控制采集单元采集隧道断面的形状扫描点及对应位置区域的位置标示;
处理单元还用于根据采集的隧道扫描点进行椭圆拟合,并根据位置标示得到扫描位置,得到对应位置的截面方程并进行存储;处理单元还用于根据截面方程与对应位置的历史数据进行比对,进行截面变形分析,还用于在截面变形分析的结果为存在异常时,生成异常信息。
基础方案原理及有益效果如下:
使用本装置进行隧道断面变形监测时处理单元根据预存的移动路径和移动时间,控制移动单元移动,能够定时自动进行隧道断面数据采集。同时,移动单元上的采集单元采集隧道断面的形状扫描点以及对应位置区域的位置标示(如路段图标、路段数字标示等)。
通过采集单元与移动单元的配合,可采集路段滑轨所在区域内的隧道断面的所有形状扫描点数据。采集隧道断面的扫描点数据后,处理单元进行椭圆拟合;同时,处理单元还通过位置标示换算出采集点的当前位置(通过路段滑轨所在路段结合位置标示,即可计算出采集点在隧道内的具***置);这样,处理单元可以得到隧道具***置的截面方程并存储,进而生成该位置隧道截面的历史数据记录。与人工检测相比,这样的方式更加准确高效;与使用三维激光仪相比,可节约大量的成本。之后,处理单元根据得到的截面方程与对应位置的历史数据进行对比,进行截面变形分析,了解截面变形的具体情况,并在存在异常时生成异常信息,便于工作人员及时了解异常情况,对异常位置进行处理。
同时,由于路段滑轨有多组,通过合理设置路段滑轨的安装位置,可以在实现隧道断面检测全覆盖的同时,保证检测的整体效率。
综上,使用本装置,能够在控制成本的基础上,及时准确的进行隧道断面监测。
进一步,处理单元根据扫描点进行椭圆拟合时,先以隧道中线为原点,建立地铁隧道断面的直角坐标系,再根据倾角数据及扫描点数据,得到坐标偏移角及所有扫描点直角坐标系下的坐标,之后通过椭圆拟合算法进行曲线拟合,得到符合误差要求的隧道断面的形状参数。
进一步,处理单元通过椭圆拟合算法进行曲线拟合时,先根据所有扫描点在直角坐标系下的坐标,进行基本拟合得到隧道断面的初始椭圆方程,求取所有扫描点在初始椭圆方程上的正交相关点后,通过迭代求解优化后的椭圆方程,再求取优化后的椭圆方程的拟合参数,并将优化后的椭圆方程作为隧道断面的形状参数。
这样的方式,在初始椭圆拟合基础上,通过求取正交相关点对初始得到的拟合结果进行优化,可以得到最优的椭圆拟合结果,即最符合实际情况的隧道断面的形状参数。
进一步,处理单元通过迭代求解优化后的椭圆方程时,通过坐标变换得到正交相关点在自然坐标系下的坐标后,利用正交相关点,根据最小几何距离条件,通过迭代求取优化后的椭圆方程上的点坐标;根据该点坐标进行椭圆拟合得到优化后的椭圆方程。
进一步,采集单元包括激光扫描仪、激光测距仪、倾角传感器及摄像头;激光扫描仪和激光测距仪用于扫描隧道断面的形状并得到隧道形状扫描点;倾角传感器用于采集倾角角度;摄像头用于采集位置标示。
激光扫描仪可以得到低精确度的隧道形状扫描点,激光测距仪则是得到高精确度的隧道形状扫描点,倾角传感器可采集倾角角度,三者结合再通过信息处理模块的分析计算,即可得到精确度较高的隧道断面形状,提高了对于变形检测的精确程度。
进一步,每个采集单元中激光测距仪的数量为3—6个。
在保证测量精度的同时,兼顾了安装的便捷性以及成本的可控性。
进一步,还包括警报单元,用于处理单元生成异常信息时,发出警报。
可以让工作人员及时了解情况,结合异常信息对异常断面进行处理。
进一步,处理单元还用于在截面变形分析的结果为存在异常时,分析异常类型。
工作人员可提前了解异常类型,提升异常处理效率。
附图说明
图1为本发明实施例一的逻辑框图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明:
实施例一
如图1所示,用于隧道断面变形的自动监测装置,包括路段滑轨、移动单元、采集单元、处理单元和警报单元。其中,处理单元为服务器,警报单元为装载对应APP的智能手机。
路段滑轨有多组,路段滑轨固定在隧道内壁,路段滑轨上固设有位置标识。路段滑轨的组数,本领域技术人员可依据隧道的长度具体设置。移动单元的数量与路段滑轨的数量相等,移动单元分别与路段滑轨滑动连接。采集单元固定在移动单元上,处理单元用于按照预存的移动路径和移动时间控制移动单元移动,还用于控制采集单元采集隧道断面的形状扫描点及对应位置区域的位置标示。
具体的,采集单元包括激光扫描仪、激光测距仪、倾角传感器及摄像头;激光扫描仪和激光测距仪用于扫描隧道断面的形状并得到隧道形状扫描点;每个采集单元中激光测距仪的数量为3—6个,本实施例中为4个。倾角传感器用于采集倾角角度;摄像头用于采集位置标示。
处理单元还用于根据采集的隧道扫描点进行椭圆拟合,并根据位置标示得到扫描位置,得到对应位置的截面方程并进行存储;处理单元还用于根据截面方程与对应位置的历史数据进行比对,进行截面变形分析,还用于在截面变形分析的结果为存在异常时,生成异常信息。处理单元还用于在截面变形分析的结果为存在异常时,分析异常类型。
其中,处理单元根据扫描点进行椭圆拟合时,先以隧道中线为原点,建立地铁隧道断面的直角坐标系,再根据倾角数据及扫描点数据,得到坐标偏移角及所有扫描点直角坐标系下的坐标,之后通过椭圆拟合算法进行曲线拟合,得到符合误差要求的隧道断面的形状参数。
具体的,处理单元通过椭圆拟合算法进行曲线拟合时,先根据所有扫描点在直角坐标系下的坐标,进行基本拟合得到隧道断面的初始椭圆方程,求取所有扫描点在初始椭圆方程上的正交相关点后,通过迭代求解优化后的椭圆方程,再求取优化后的椭圆方程的拟合参数,并将优化后的椭圆方程作为隧道断面的形状参数。处理单元通过迭代求解优化后的椭圆方程时,通过坐标变换得到正交相关点在自然坐标系下的坐标后,利用正交相关点,根据最小几何距离条件,通过迭代求取优化后的椭圆方程上的点坐标;根据该点坐标进行椭圆拟合得到优化后的椭圆方程。
警报单元,用于处理单元生成异常信息时,发出警报。
具体实施过程如下:
使用本装置进行隧道断面变形监测时,处理单元根据预存的移动路径和移动时间,控制移动单元移动,同时,移动单元上的采集单元采集隧道断面的形状扫描点以及对应位置区域的位置标示(如路段图标、路段数字标示等)。
通过采集单元与移动单元的配合,可采集路段滑轨所在区域内的隧道断面的所有形状扫描点数据。采集隧道断面的扫描点数据后,处理单元进行椭圆拟合;同时,处理单元还通过位置标示换算出采集点的当前位置(通过路段滑轨所在路段结合位置标示,即可计算出采集点在隧道内的具***置);这样,处理单元可以得到隧道具***置的截面方程并存储,进而生成该位置隧道截面的历史数据记录。与人工检测相比,这样的方式更加准确高效;与使用三维激光仪相比,可节约大量的成本。之后,处理单元根据得到的截面方程与对应位置的历史数据进行对比,进行截面变形分析,了解截面变形的具体情况,并在存在异常时生成异常信息,便于工作人员及时了解异常情况,对异常位置进行处理。
同时,由于路段滑轨有多组,通过合理设置路段滑轨的安装位置,可以在实现隧道断面检测全覆盖的同时,保证检测的整体效率。
并且,本装置在初始椭圆拟合基础上,通过求取正交相关点对初始得到的拟合结果进行优化,可以得到最优的椭圆拟合结果,即最符合实际情况的隧道断面的形状参数。
综上,使用本装置,能够在控制成本的基础上,及时准确的进行隧道断面监测。
实施例二
由于本申请是采用激光扫描结合激光测距的方式来进行断面监测,激光测距的测距数据会受到环境的影响,有时会出现采集数据不准确的情况。例如,隧道的内壁上存在水滴面,水滴面会使激光测距的发射光路发生反射及折射,对于测距数据的影响很大,进而会导致变形分析存在问题,有时甚至会出现隧道断面未发生变形,分析结果却显示隧道断面发生形变需要处理的情况。
与实施例一不同的是,本实施例中,还包括环境采集单元,环境采集单元包括设置在隧道洞口外的第一温度传感器,均匀设置在隧道内壁上的第二温度传感器、湿度传感器和应力传感器。
采集单元还用于采集隧道的内壁图像数据;处理单元还用于根据隧道的内壁图像数据分析是否存在水滴面,并在分析结果为存在时,结合对应的位置标示,调取对应区域的第二温度传感器、湿度传感器的采集数据,以及第一温度传感器的采集数据,判断水滴面是否为冷凝水;当分析结果为是冷凝水时,处理单元发出冷凝水处理信号。
当分析结果为不是冷凝水时,处理单元还用于调取对应区域的应力传感器的采集数据,进行壁面开裂分析,若分析结果为存在开裂,则生成加固信号;若分析结果为不存在开裂,则处理单元生成探查信号。
本实施例中,处理单元按照第一频率控制移动单元及采集单元工作;环境监测单元还用于按照第二频率向处理单元发送应力数据,且第二频率小于第一频率;环境检测单元还用于发送应力数据后清除对应数据;处理单元还用于接收到应力数据后,进行隧道开裂分析,并在开裂分析结果为异常时生成疑似信号。
具体实施过程如下:
通过隧道避免的图像采集及分析,可以了解是否存在水滴面。当存在水滴面时,由于隧道内水滴面的成因有多种,而不同成因需要的应对措施也会不同,其中最为常见的成因便是冷凝水。因此,处理单元调取对应区域的第二温度传感器、湿度传感器的采集数据,以及第一温度传感器的采集数据,分析水滴面是否为冷凝水。若分析结果为冷凝水,则发出冷凝水处理信号。通过这样的方式,不仅能够让工作人员了解到存在水滴面,还能让工作人员了解形成原因,进行针对性应对(如加强通风)。
如果不是冷凝水,则水滴面的最大形成原因便是由于隧道壁面的开裂导致了渗漏。因此,处理单元调取对应区域的应力传感器的采集数据进行开裂分析,并在分析结果为存在开裂时生成加固信号。工作人员通过加固信号,可以及时了解情况,对开裂处进行相应的修补处理。如果分析结果为不存在开裂,则需要工作人员人工进行探查处理,因此生成探查信号,让工作人员了解情况。
由于隧道在开裂时多半会伴随着发生隧道断面的变形,因此,在日常已经按照第一频率进行隧道断面变形监测的基础上,即使处理单元单独进行开裂的频率小于第一频率,也已足以对隧道的开裂进行较好的监测。而环境检测单元在发送应力数据后清除对应数据,则可以减少对环境检测单元存储容量的需求,减少硬件支出。通过疑似信号,则可以让工作人员及时到对应位置处查看具体情况。
以上的仅是本发明的实施例,该发明不限于此实施案例涉及的领域,方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述,所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识,能够获知该领域中所有的现有技术,并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力,所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下,结合自身能力完善并实施本方案,一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明结构的前提下,还可以作出若干变形和改进,这些也应该视为本发明的保护范围,这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准,说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (7)
1.用于隧道断面变形的自动监测装置,其特征在于:包括路段滑轨、移动单元、采集单元和处理单元;
路段滑轨有多组,路段滑轨固定在隧道内壁,路段滑轨上固设有位置标识;移动单元的数量与路段滑轨的数量相等,移动单元分别与路段滑轨滑动连接;采集单元固定在移动单元上;处理单元用于按照预存的移动路径和移动时间控制移动单元移动,还用于控制采集单元采集隧道断面的形状扫描点及对应位置区域的位置标示;
处理单元还用于根据采集的隧道扫描点进行椭圆拟合,并根据位置标示得到扫描位置,得到对应位置的截面方程并进行存储;处理单元还用于根据截面方程与对应位置的历史数据进行比对,进行截面变形分析,还用于在截面变形分析的结果为存在异常时,生成异常信息;
还包括环境采集单元,环境采集单元包括设置在隧道洞口外的第一温度传感器,均匀设置在隧道内壁上的第二温度传感器、湿度传感器和应力传感器;
采集单元包括激光扫描仪、激光测距仪、倾角传感器及摄像头;激光扫描仪和激光测距仪用于扫描隧道断面的形状并得到隧道形状扫描点;倾角传感器用于采集倾角角度;摄像头用于采集位置标示;
采集单元还用于采集隧道的内壁图像数据;处理单元还用于根据隧道的内壁图像数据分析是否存在水滴面,隧道的内壁上存在水滴面,水滴面会使激光测距仪的发射光路发生反射及折射,对于测距数据的影响很大,导致变形分析存在问题;当分析结果为存在时,结合对应的位置标示,调取对应区域的第二温度传感器、湿度传感器的采集数据,以及第一温度传感器的采集数据,判断水滴面是否为冷凝水;当分析结果为是冷凝水时,处理单元发出冷凝水处理信号;
当分析结果为不是冷凝水时,处理单元还用于调取对应区域的应力传感器的采集数据,进行壁面开裂分析,若分析结果为存在开裂,则生成加固信号;若分析结果为不存在开裂,则处理单元生成探查信号。
2.根据权利要求1所述的用于隧道断面变形的自动监测装置,其特征在于:处理单元根据扫描点进行椭圆拟合时,先以隧道中线为原点,建立地铁隧道断面的直角坐标系,再根据倾角数据及扫描点数据,得到坐标偏移角及所有扫描点直角坐标系下的坐标,之后通过椭圆拟合算法进行曲线拟合,得到符合误差要求的隧道断面的形状参数。
3.根据权利要求2所述的用于隧道断面变形的自动监测装置,其特征在于:处理单元通过椭圆拟合算法进行曲线拟合时,先根据所有扫描点在直角坐标系下的坐标,进行基本拟合得到隧道断面的初始椭圆方程,求取所有扫描点在初始椭圆方程上的正交相关点后,通过迭代求解优化后的椭圆方程,再求取优化后的椭圆方程的拟合参数,并将优化后的椭圆方程作为隧道断面的形状参数。
4.根据权利要求3所述的用于隧道断面变形的自动监测装置,其特征在于:处理单元通过迭代求解优化后的椭圆方程时,通过坐标变换得到正交相关点在自然坐标系下的坐标后,利用正交相关点,根据最小几何距离条件,通过迭代求取优化后的椭圆方程上的点坐标;根据该点坐标进行椭圆拟合得到优化后的椭圆方程。
5.根据权利要求4所述的用于隧道断面变形的自动监测装置,其特征在于:每个采集单元中激光测距仪的数量为3—6个。
6.根据权利要求1所述的用于隧道断面变形的自动监测装置,其特征在于:还包括警报单元,用于处理单元生成异常信息时,发出警报。
7.根据权利要求1所述的用于隧道断面变形的自动监测装置,其特征在于:处理单元还用于在截面变形分析的结果为存在异常时,分析异常类型。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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