鐵路隧道施工安全監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理
更新時間:2021-04-10 17:51
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1.1 引言
鐵路隧道的開采、施工和使用過程中,隧道圍巖變形是圍巖應力分布、整體力學形態(tài)變化和穩(wěn)定狀態(tài)最直接和可靠的反映,圍巖凈空位移的測量是隧道施工過程中一個重要環(huán)節(jié),是判斷圍巖穩(wěn)定性和指導施工的重要依據(jù)。對隧道圍巖變形進行及時的監(jiān)測和分析預報成為鐵路隧道施工中保證施工安全、防止事故發(fā)生、合理確定隧道支護的十分重要的工作。
1.2 項目背景/選題動機
傳統(tǒng)的隧道圍巖位移測量方法主要有兩種:一種是在施工過程中布置測量斷面,間隔一定的時間由人工使用各種機械式或機械-電子式收斂計測量;另一種是借助隧道斷面儀定時定點測量待測斷面。兩者的不足之處在于:
(1)不能實時監(jiān)測:即不能隨時監(jiān)測待測斷面的變形情況,因而不能及時反映施工過程中隧道圍巖的異常變化。
(2)對施工干擾大:由于變形測量中或者需要拉尺,或者需要架設(shè)斷面儀,所以對施工作業(yè),尤其是運輸作業(yè)干擾很大。
(3)測量工作危險:在人員不易接近的地方,為了獲取測量數(shù)據(jù),人員不得不頻繁接近危險空間,因而對人員與儀器的安全威脅較大。
(4)測量費用高:因同一斷面要多次反復測量,加之測量過程繁瑣,用人多,耗時長,導致測量費用較高。
(5)測量數(shù)據(jù)不可靠:造成測量數(shù)據(jù)不可靠的原因主要是電子和機械儀表的測量精度不夠和處理測量數(shù)據(jù)時造成的誤差。
我們采用處理器構(gòu)建新型的鐵路施工隧道安全監(jiān)測系統(tǒng),具有無接觸、自動化、高精度和高可靠性等優(yōu)勢,該系統(tǒng)能用于隧道施工安全、防止事故發(fā)生。
二、需求分析
2.1 功能要求
系統(tǒng)需要實施監(jiān)控鐵路隧道施工安全情況,如圖1系統(tǒng)架構(gòu),我們將半導體激光器架設(shè)在穩(wěn)定地圍巖上,作為參考基準點。需要觀察的不穩(wěn)定圍巖出架設(shè)我們設(shè)計的系統(tǒng),通過CCD感應光斑的位置,從而反映圍巖下沉的情況。
2.2 性能要求
系統(tǒng)需要高精度地反映鐵路圍巖下沉的狀況,需要排除外界干擾因素等影響,比如外界溫度,濕度都會影響光線傳播的路徑;外界光線過強,會造成CCD飽和失真等等。我們需要消除這些因素,從而達到高精度、高可靠性等特點
三、方案設(shè)計
3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示:采用AVR EVK1105評估套件為基礎(chǔ),它是采用32位的AT32UC3A0512為核心處理器,外擴256M SDRAM,64M FLASH的評估套件。數(shù)據(jù)采集部分采用東芝線陣光電耦合器件(CCD)采集隧道下沉位置信息,溫濕度傳感器采集隧道環(huán)境信息,光線傳感器采集外界光強度信息。顯示部分采用板上的QVGA(320×240)彩色LCD液晶顯示,顯示數(shù)據(jù)采集部分采集的信息。由于系統(tǒng)需要進行長時間地工作,對采集的信息需要做相應的處理,需要顯示每分鐘/每小時/每天/每月這四個界面,從而直觀地反映鐵路隧道短期和長期的安全情況,評估和預測未來的走勢??刂撇糠植捎冒迳系挠|摸選擇按鍵,達到顯示不同界面的效果。數(shù)據(jù)可以通過板上的SD/MMC接口進行數(shù)據(jù)儲存,也可以通過以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。當超過設(shè)定的閾值,可以通過板上的高保真音頻接口發(fā)出語音提示,設(shè)定的報警提示內(nèi)容可以存儲在板上的FLASH當中。
以上敘述為站點1的接口,其他站點與站點1類似,用于監(jiān)測鐵路隧道的各個節(jié)點,都可以通過以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺,從而反映整條鐵路隧道的整體情況。
3.2 硬件平臺選用及資源配置
硬件平臺選用:32位的AVR EVK1105是基于AT32UC3A0512的評估套件。
使用到板上資源:320×240 QVGA 彩色液晶LCD顯示器,外展256M SDRAM,64M FLASH,SD/MMC接口,以太網(wǎng)接口,光線傳感器,觸摸按鍵,高保真音頻解碼等。
3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)
如圖3所示,系統(tǒng)首先采集三個重要信息:光斑位置、溫濕度和外界光強度。根據(jù)相應的數(shù)據(jù)算發(fā),消除溫濕度和外界光強都光斑位置的影響。如果超過設(shè)定的閾值,采用板上的高保真語音進行語音提示。處理后的數(shù)據(jù)由SD卡數(shù)據(jù)存儲、LCD液晶顯示和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。
3.4 系統(tǒng)軟件流程
3.4 系統(tǒng)預計實現(xiàn)結(jié)果
圖4是我們前期采用筆記本顯示和處理數(shù)據(jù),整個系統(tǒng)龐大。預先采用AVR開發(fā)套件,完成相應模塊的驅(qū)動和設(shè)計,小型化、實用化,應用到實際的工程項目當中。
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橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理及功能