一种基于谐振式传感器的隧道本体结构监测系统

技术领域

本发明属于隧道监测技术领域，更具体地，涉及一种基于谐振式传感器的隧道本体结构监测系统。

背景技术

随着城市轨道交通、高速公路网等基础设施的快速发展，隧道结构的规模与日剧增。然而隧道在施工以及运营过程中，由于结构退化、地质条件变化、车辆振动、收敛挤压等因素的影响，存在一系列安全隐患，并发生结构裂缝及损坏、管片环向收敛变形以及沉降等问题，进而危害车辆运行以及人民生命安全。因此，实时监测隧道结构状态，及时发现隧道结构在全生命周期内的潜在危害并确保其安全可靠，同时合理降低运维成本，是新时期下隧道健康监测领域的迫切需求。

传统的地铁隧道运营维护技术主要以定期巡检隧洞的方式为主，这种方式效率低、精度差，无法对结构变化做出准确判别。目前隧道工程监测大多采用基于电阻式、钢弦式或电感式等传感器技术，以上技术存在监测结果受多因素干扰而精度低、耐久性差和传导线过多难以布设等缺点，难以满足现代隧道施工监测的要求。同时，无论是将被测非电量转换为电参量输出的无源型传感器，还是直接将被测非电量转换为电量输出的有源型传感器，被测物理量经传感器输出的信号都是微弱的模拟量，不易被接收和感觉到，给地铁隧道本体结构监测以及传感器信号与信息的处理提出了较高的要求。

发明内容

针对以上现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于谐振式传感器的隧道本体结构监测系统，其采用精度高、稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强的谐振式传感器，易于与数字系统相结合，且适合长距离传输，能适应隧道这种恶劣的环境，实现在线实时监测隧道状态。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于谐振式传感器的隧道本体结构监测系统，包括数据采集与传输单元、数据处理与分析单元以及数据存储与人机交互单元，其特征在于：

所述数据采集与传输单元包括依次连接的振动激励模块、谐振式传感器、振动检测模块、信号调理电路模块、通信传输模块和GPS定位模块，所述谐振式传感器安装在隧道本体结构上，所述振动激励模块用于产生激励信号从而使谐振式传感器的振子产生机械振动，所述振动检测模块用于获取所述谐振式传感器输出的频率信号，所述信号调理电路模块包括放大电路和滤波电路，所述放大电路与所述振动检测模块连接，以用于将振动检测模块获得的频率信号进行放大后传输给所述滤波电路，所述滤波电路用于去除频率信号中的噪声，所述GPS定位模块用于定位谐振式传感器所处的隧道本体结构监测点的地理位置并传送给通信传输模块，以实时确认隧道本体结构的灾害发生点，所述通信传输模块用于将去除噪声后的频率信号传送给所述数据处理与分析单元；

所述数据处理与分析单元与所述数据存储与人机交互单元连接。

优选地，所述通信传输模块包括无线通信模块、路由器和协调器，所述无线通信模块将频率信号以无线传输方式发送给最近的路由器，由路由器传递至协调器，再由协调器将数据传递给数据处理与分析单元。

优选地，所述通信传输模块采用ZigBee双向无线通信技术。

优选地，所述通信传输模块采用网状拓扑结构进行组网，使所有路由器都可转发命令和数据并和传输范围内的所有无线通信模块通信，避免当某一个路由器出现问题时导致该条路由断开而使得远离协调器的部分无线通信模块脱离网络。

优选地，所述数据处理与分析单元用于对获得的频率信号进行调用、数据显示与处理和/或安全评估分析。

优选地，所述数据存储与人机交互单元用于日常安全检查记录存储、构建大数据库和/或向用户展示状态监测结果以辅助管理人员做出安全决策。

优选地，所述数据存储与人机交互单元采用基于B/S架构的web应用，即将服务端应用程序部署到服务器中，以使用户通过访问服务器IP就可以进入系统查看实时监测结果。

优选地，根据待监测的隧道本体结构确定对应的监测横截面，然后在每个监测横截面布置多个谐振式传感器。

优选地，所述数据处理与分析单元依靠相应的算法和规则库，实现频率信号在后端处理器中的集中解算、过滤统计并生成预警信息，并且当数据处理与分析单元发现异常数据或数据超过预先设置的安全阀值时，会触发调用数据库历史数据进行健康对比与安全评估，实现智能研判，并将分析结果推送到数据存储与人机交互单元。

优选地，所述数据存储与人机交互单元包括数据存储单元和人机交互单元，所述人机交互单元为中央大屏网页端和/或智能移动端，与健康状态对应的解算数据以图形化的形式进行展示。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明通过采用精度高、稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强的谐振式传感器，易于与数字系统相结合，且适合长距离传输，能适应隧道这种恶劣的环境，可实现在线实时监测隧道状态。

2)谐振式传感器具有精度高、稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强等优点，是一种准数字式高精度传感器。同时，由于谐振式传感器其频率输出的固有特征，决定了它具有易于数字系统及计算机结合的优势，而且不会因传输而降低精度，适合长距离信号传输，实现隧道本体结构状态的在线实时监测。谐振式传感器相对其他类型传感器具有的优势符合目前隧道监测领域智能化、精准化、实时化的发展趋势。

3)本发明的通信传输模块采用无线通讯对其监测的频率信号进行传输，解决了传统监测元件采用有线网络会受到干扰或电路故障而导致预警不及时的问题。

4)本发明的数据存储与人机交互单元具备准确、信息丰富的强大存储和查询统计功能，可以为项目管理人员做出科学决策提供准确丰富的数据支撑。

5)本发明采用的ZigBee双向无线通信技术具备低功耗、抗干扰性强、传输速度快、协议简单等特点，可降低隧道安全监测成本，解决隧道监测点众多、传输效率低、信号易受干扰等难题，实现高效、直观、准确的监测数据处理以提高隧道结构监测的质量。

6)本发明的数据存储与人机交互单元具备大容量的数据库存储技术，提供数据准确、信息丰富的强大存储和查询统计功能，解决了传统监测方式的数字化灾害样本缺乏问题，可为项目管理人员做出科学决策提供准确丰富的数据支撑。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1，一种基于谐振式传感器的隧道本体结构监测系统，包括数据采集与传输单元、数据处理与分析单元以及数据存储与人机交互单元，并且：

所述数据采集与传输单元包括依次连接的振动激励模块、谐振式传感器、振动检测模块、信号调理电路模块、通信传输模块和GPS定位模块，所述谐振式传感器安装在隧道本体结构上，优选地，根据待监测的隧道本体结构确定对应的监测横截面，然后在每个监测横截面布置多个谐振式传感器，这些所述谐振式传感器沿隧道本体结构的环向间隔设置在隧道监测断面，且沿着隧道纵向延伸方向每隔设定间隔选取一个监测断面；

所述振动激励模块用于产生激励信号从而使谐振式传感器的振子产生机械振动，为使得传感器输出信号持续时间长，测量精度比较高，所述振动激励单元对谐振式传感器采用低压扫频脉冲激励信号进行激振，所述振动检测模块用于获取所述谐振式传感器输出的频率信号，所述信号调理电路模块包括放大电路和滤波电路，所述放大电路与所述振动检测模块连接，以用于将振动检测模块获得的频率信号进行放大后传输给所述滤波电路，所述滤波电路用于去除频率信号中的噪声，并将去除噪声后的频率信号传送给所述通信传输模块，所述GPS定位模块与所述通信传输模块，以用于定位谐振式传感器所处的隧道本体结构监测点的地理位置，从而实时确认隧道本体结构的灾害发生点，所述通信传输模块用于将去除噪声后的频率信号传送给所述数据处理与分析单元，当隧道本体结构发生变化时，振动检测模块检测到的频率信息会随隧道本体结构的变化而发生变化，通过将检测的频率信息与初始标定的频率信息进行对比以及对谐振频率变化趋势进行分析，实现对隧道结构健康状态的监测；

所述数据处理与分析单元与所述数据存储与人机交互单元连接。

进一步，所述通信传输模块包括无线通信模块、路由器和协调器，所述无线通信模块将频率信号以无线传输方式发送给最近的路由器，由路由器传递至协调器，再由协调器将数据传递给数据处理与分析单元。具体实施时，考虑到无线传感单元布置在隧道现场恶劣的环境中，且测点众多，要求谐波式传感器能够安全可靠的工作、并具有大规模组网的能力，同时成本不能太高，因此优选ZigBee协议作为无线网络的通信协议，相对于WIFI，不仅协议更加精简，稳定性和安全性高，而且功耗小，组网规模大，更适应隧道现场的数据测量。此外，通信传输模块采用灵活的网状无线网络拓扑结构，使所有路由器都可转发命令和数据并和传输范围内的所有无线通信模块通信，当某一个路由出现问题时，信息也可以沿着其他路径进行传输，大大增强网络的可靠性，从而避免了当某一个路由器出现问题时导致该条路由断开而使得远离协调器的部分无线通信模块脱离网络。

进一步，所述数据存储与人机交互单元用于日常安全检查记录存储、构建大数据库和/或向用户展示状态监测结果以辅助管理人员做出安全决策，所述数据存储与人机交互单元采用基于B/S架构的web应用，即将服务端应用程序部署到服务器中，以使用户通过访问服务器IP就可以进入系统查看实时监测结果。

进一步，所述数据处理与分析单元具有数据处理分析电路，用于对获得的频率信号进行调用、数据显示与处理和/或安全评估分析。所述数据处理与分析单元依靠相应的算法和规则库，实现频率信号在后端处理器中的集中解算、过滤统计并生成预警信息，并且当数据处理与分析单元发现异常数据或数据超过预先设置的安全阀值时，会触发调用数据库历史数据进行健康对比与安全评估，实现智能研判，并将分析结果推送到数据存储与人机交互单元。

进一步，所述数据存储与人机交互单元包括数据存储单元和人机交互单元，所述数据存储单元具有大数据库，所述人机交互单元为中央大屏网页端和/或智能移动端，与健康状态对应的解算数据以图形化的形式进行展示，辅助管理人员做出科学决策。

具体实施时，根据待监测的隧道本体结构确定对应的监测横截面，确定对应的监测横截面后在隧道内按照预设的方式在每个监测横截面布置谐振式传感器；所述谐振式传感器沿着隧道衬砌表面从拱底至拱顶每隔一定角度布设一个谐振式传感器，优选地，一个监测横截面的环向布置7个谐振式传感器。

谐振式传感器在安装时，首先按照设计好的监测位置进行定位并做好标记，并将隧道内衬砌表面打磨干净光洁，接着用布等沾取清洗液清理表面附着物，然后采用环氧树脂类凝胶将谐振式传感器进行粘贴固定，最后为防止意外造成谐振式传感器损坏，对谐振式传感器做保护标识。

本发明的谐振式传感器优选为机械式谐振式传感器，为了让谐振式传感器的振子产生振动，振动激励模块发出激励信号，谐振式传感器的激振元件激发振子振动，由谐振式传感器的拾振元件检测振子的振动频率，另外将此信号放大后输送到激励元件中形成闭环系统；具体实施时，振动激励模块的微处理器向激振元件发出激励信号，激振元件采用低压扫频脉冲信号加到振子上进行激振，其脉冲信号覆盖了振子所有振荡频率，同时在激励频率范围内按设定步长步进变化，当激励频率与振子的固有频率接近时，会发生共振，此时通过拾振元件就能得到测量的频率信号并传输回微处理器。优选地，所述微处理器采用STM32单片机，其内核具有高性能、低功耗低成本的特点。

具体实施时，考虑到隧道结构空间跨度大，监测系统需要连接隧道不同重要部位的多个传感器，因此在隧道监测范围内每隔设定距离设置一个路由器节点，通过路由器节点对所辖范围内的多个谐波式传感器进行联通，减少谐波式传感器的信号的传输距离，以便实时处理采集信息并得到反映隧道本体结构健康状态的特征参数，提高系统的抗干扰能力，协调器对频率信号进行汇集并通过5G模块将数据上传至数据处理与分析单元。

随着大数据库对隧道监测数据的不断积累，后期可以开展特征提取工程，利用机器学习的手段对隧道健康状态进行分析以及预测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。