隧道洞口状态监测系统、方法、电子设备及存储介质

技术领域

本发明属于状态监测技术领域，涉及一种监测系统，尤其涉及一种隧道洞口状态监测系统、方法、电子设备及存储介质。

背景技术

现阶段地铁隧道洞口受地质条件、水文条件及施工开挖等因素的影响，运营过程中存在滑坡、变形等事故风险。同时地铁过渡段与城市道路交错，存在过车、行人丢弃固定物，车辆事故导致防护网等异物掉入地铁线内等等诸多风险。

如今还没有对地铁隧道洞口进行状态监测的方案，当危害发生时只能被动解决出现的问题。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种隧道洞口状态监测方式，以便克服现有隧道洞口状态管理方式存在的上述至少部分缺陷。

发明内容

本发明提供一种隧道洞口状态监测系统、方法、电子设备及存储介质，可实时对隧道洞口进行连续观察分析，掌握洞口及附属结构的动态发展过程，可对该过程进行分析和预警，从而保障了地铁运营过程的安全。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：

一种隧道洞口状态监测系统，所述监测系统包括：

点云数据获取模块，用以获取隧道洞口及边坡的的三维激光扫描数据，所述三维激光扫描数据包括隧道口点云数据及边坡点云数据；

数据处理模块，连接所述点云数据获取模块，用以对所述点云数据获取模块获取的隧道洞口及边坡的三维激光扫描数据进行大数据处理；

状态分析模块，连接所述数据处理模块，用以根据所述数据处理模块形成的数据分析隧道洞口的状态。

作为本发明的一种实施方式，所述点云数据获取模块为三维激光扫描装置。

作为本发明的一种实施方式，所述监测系统进一步包括：三维模型构建模块，用以采用多站激光点云联合的隧道洞口及边坡数据进行三维模型构建，获取精确的隧道洞口及边坡相对几何结构参数。

作为本发明的一种实施方式，所述监测系统进一步包括：监测点信息获取模块，用以通过控制点约束的三维点云绝对基准转换，获取监测点平面绝对位置及高程，为隧道绝对基准下的变形观测提供数据基础，结合各项成果进行后续的相关变形检测应用。

作为本发明的一种实施方式，所述三维激光扫描装置具体包括：

激光器控制单元，用以触发激光及调整激光发射功率单元；

激光器，用以发射出用于扫描的激光；

发射光学系统，用以调整激光的输出波形及方向；

接收光学系统，用以接收激光回波，将接收到的激光能力聚集到光电探测器上；

光电探测器，用以对激光回波信号进行光电转换，输出微弱电信号；

模拟信号调试单元，用以对探测器输出的微弱信号进行处理，包括跨阻运放电路、自动增益运放电路；

高速模拟信号采集单元，用以对调理后的激光回波信号进行采集；

回波强度检测单元，用以对调理后的激光回波信号采样检测回波强度；

时间测量单元，用以测量激光发射脉冲与接收脉冲的精确时间差；

激光测距控制单元，用以触发激光器控制单元，控制激光器发射出激光脉冲；脉冲遇到目标反射到接收光学系统，由光电探测器将光信号转换为电信号，模拟信号调理单元对回波信号进行放大、波形整形后形成回波脉冲，分别输出到比较器、高速模拟信号采集单元、回波强度检测单元；其中进入时间测量单元的模块计算出脉冲发射与返回的精确时间间隔，测得激光脉冲经过的时间t，从而可以根据公式L＝v*t/2计算出探测器到被测目标之间的距离；而进入回波强度检测单元的信号经过峰值保持电路，低速ADC采样后获取到激光回波信号的强度信息；另外经过模拟采样单元的信号，经过采样速率约500M的高速ADC后，获取到回波的完整波形；通过与发射端的波形对比计算出信号的返回时间间隔；计算出被检测目标的距离。

根据本发明的另一个方面，采用如下技术方案：一种隧道洞口状态监测方法，所述状态监测方法包括：

点云数据获取步骤；获取隧道洞口及边坡的的三维激光扫描数据，所述三维激光扫描数据包括隧道口点云数据及边坡点云数据；

数据处理步骤；对所述点云数据获取步骤获取的隧道洞口及边坡的三维激光扫描数据进行大数据处理；

状态分析步骤；根据所述数据处理步骤形成的数据分析隧道洞口的状态。

作为本发明的一种实施方式，所述状态监测方法进一步包括：三维模型构建步骤；采用多站激光点云联合的隧道洞口及边坡数据进行三维模型构建，获取精确的隧道洞口及边坡相对几何结构参数。

作为本发明的一种实施方式，所述状态监测方法进一步包括：监测点信息获取步骤；通过控制点约束的三维点云绝对基准转换，获取监测点平面绝对位置及高程，为隧道绝对基准下的变形观测提供数据基础，结合各项成果进行后续的相关变形检测应用。

根据本发明的又一个方面，采用如下技术方案：一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

根据本发明的又一个方面，采用如下技术方案：一种存储介质，其上存储有计算机程序指令，该计算机程序指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本发明的有益效果在于：本发明提出的隧道洞口状态监测系统、方法、电子设备及存储介质，可实时对隧道洞口进行连续观察分析，掌握洞口及附属结构的动态发展过程，可对该过程进行分析和预警，从而保障了地铁运营过程的安全。

附图说明

图1为本发明一实施例中隧道洞口状态监测系统的组成示意图。

图2为本发明一实施例中隧道洞口状态监测方法的流程图。

图3为本发明一实施例中电子设备的组成示意图。

图4为本发明一实施例中不同期观测监测边坡形变的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

说明书中各个实施例中的步骤的表述只是为了方便说明，本申请的实现方式不受步骤实现的顺序限制。说明书中的“连接”既包含直接连接。

本发明揭示了一种隧道洞口状态监测系统，图1为本发明一实施例中隧道洞口状态监测系统的组成示意图；请参阅图1，所述状态监测系统包括：点云数据获取模块1、数据处理模块2及状态分析模块3；所述数据处理模块2分别连接点云数据获取模块1及状态分析模块3。

所述点云数据获取模块1用以获取隧道洞口及边坡的的三维激光扫描数据，所述三维激光扫描数据包括隧道口点云数据及边坡点云数据；所述点云数据获取模块可以为三维激光扫描装置。

所述数据处理模块2用以对所述点云数据获取模块获取的隧道洞口及边坡的三维激光扫描数据进行大数据处理；所述状态分析模块3用以根据所述数据处理模块形成的数据分析隧道洞口的状态。

所述监测系统还可以包括三维模型构建模块，所述三维模型构建模块用以采用多站激光点云联合的隧道洞口及边坡数据进行三维模型构建，获取精确的隧道洞口及边坡相对几何结构参数。

所述监测系统还可以进一步包括监测点信息获取模块，所述监测点信息获取模块用以通过控制点约束的三维点云绝对基准转换，获取监测点平面绝对位置及高程，为隧道绝对基准下的变形观测提供数据基础，结合各项成果进行后续的相关变形检测应用。

在本发明的一实施例中，所述三维激光扫描装置具体包括：激光器控制单元、激光器、发射光学系统、接收光学系统、光电探测器、模拟信号调试单元、高速模拟信号采集单元、回波强度检测单元、时间测量单元及激光测距控制单元。

所述激光器控制单元用以触发激光及调整激光发射功率单元；所述激光器用以发射出用于扫描的激光；所述发射光学系统用以调整激光的输出波形及方向；所述接收光学系统用以接收激光回波，将接收到的激光能力聚集到光电探测器上。

所述光电探测器用以对激光回波信号进行光电转换，输出微弱电信号；所述模拟信号调试单元用以对探测器输出的微弱信号进行处理，包括跨阻运放电路、自动增益运放电路。

所述高速模拟信号采集单元可以为高速ADC，用以对调理后的激光回波信号进行采集；所述回波强度检测单元用以对调理后的激光回波信号采样检测回波强度。

所述时间测量单元用以测量激光发射脉冲与接收脉冲的精确时间差；所述激光测距控制单元用以触发激光器控制单元，控制激光器发射出激光脉冲。

脉冲遇到目标反射到接收光学系统，由光电探测器将光信号转换为电信号，模拟信号调理单元对回波信号进行放大、波形整形后形成回波脉冲，分别输出到比较器、高速模拟信号采集单元、回波强度检测单元；其中进入时间测量单元的模块计算出脉冲发射与返回的精确时间间隔，测得激光脉冲经过的时间t，从而可以根据公式L＝v*t/2计算出探测器到被测目标之间的距离(v可以等于光速)；而进入回波强度检测单元的信号经过峰值保持电路，低速ADC采样后获取到激光回波信号的强度信息；另外经过模拟采样单元的信号，经过采样速率约500M的高速ADC后，获取到回波的完整波形；通过与发射端的波形对比计算出信号的返回时间间隔；计算出被检测目标的距离。

本发明引入控制点进行隧道三维点云模型联合平差，将点云坐标转换至绝对空间参考基准，获取隧道关键结构绝对平面位置及高程信息，在此基础上进行隧道口及附属结构、轨道异物入侵状态等参数提取。将激光扫描仪阵在隧道口及过渡段线路区域进行布设，上述过程能保障隧道口和边坡的数据采集和变形监测。

本发明还揭示一种隧道洞口状态监测方法，所述状态监测方法包括：

【步骤S1】点云数据获取步骤；获取隧道洞口及边坡的的三维激光扫描数据，所述三维激光扫描数据包括隧道口点云数据及边坡点云数据；

【步骤S2】数据处理步骤；对所述点云数据获取步骤获取的隧道洞口及边坡的三维激光扫描数据进行大数据处理；

【步骤S3】状态分析步骤；根据所述数据处理步骤形成的数据分析隧道洞口的状态。

所述状态监测方法还可以包括：

三维模型构建步骤；采用多站激光点云联合的隧道洞口及边坡数据进行三维模型构建，获取精确的隧道洞口及边坡相对几何结构参数；

测点信息获取步骤；通过控制点约束的三维点云绝对基准转换，获取监测点平面绝对位置及高程，为隧道绝对基准下的变形观测提供数据基础，结合各项成果进行后续的相关变形检测应用。

本发明系统具有如下功能：

(1)隧道断面分析

根据断面对应中线控制点的里程，利用里程设计对应文件选取对应的设计断面文件，若实际施工情况与设计文件相比发生变动，也可手动进行更改，按照设定的角度间隔进行分析(最高一个断面每隔1°进行一次分析，共180次)，生成超欠挖或净空侵限分析的结果，极大的提升了检测的准确性，可导出为DXF文件或JPG格式图片。

(2)隧道变形渲染分析

基于隧道口变形统计分析数据，对三维激光点云进行渲染分析。

(3)隧道周期断面变形监测

在上述计算结果的基础之上开展隧道相对形状变形监测，将不同时期获取的隧道断面信息进行对比，可展示某里程处不同时期观测的隧道断面形状，通过对比可以计算出各个方向上的变化量。

沿着隧道前进方向以固定间隔进行图中的断面变形参数计算，即可输出整条隧道的断面相对变形信息。

(4)边坡变形监测

图4为本发明一实施例中不同期观测监测边坡形变的示意图；请参阅图4，在上述计算结果的基础之上开展隧道边坡变形监测，利用采集的多周期边坡数据，进行叠加分析，在多周期统计分析的基础上，实现边坡变形量及参数输出。

本发明还揭示一种电子设备，图3为本发明一实施例中电子设备的组成示意图；请参阅图3，在硬件层面所述电子设备包括存储器、处理器及至少一网络接口；所述处理器可以为微处理器，所述存储器可以包括内存，如可以包括随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(non-volatilememory)等。当然，所述电子设备还可以根据需要设置其他硬件。

所述处理器、网络接口和存储器可以通过内部总线相互连接，该内部总线可以是ISA(工业标准体系结构)总线、PCI(外设部件互连标准)总线或EISA(扩展工业标准结构)总线等；所述总线可以包括地址总线、数据总线、控制总线等。所述存储器用于存放程序(可包括操作系统程序及应用程序)；程序可以包括程序代码，所述程序代码可以包括计算机操作指令。存储器可以包括内存和非易失性存储器，并向处理器提供指令和数据。

在一实施例中，所述处理器可以从非易失性存储器中读取对应的程序到内存中，而后运行；处理器能执行存储器所存放的程序，并具体用于执行以下操作(如图2所示)：

【步骤S1】点云数据获取步骤；获取隧道洞口及边坡的的三维激光扫描数据，所述三维激光扫描数据包括隧道口点云数据及边坡点云数据；

【步骤S2】数据处理步骤；对所述点云数据获取步骤获取的隧道洞口及边坡的三维激光扫描数据进行大数据处理；

【步骤S3】状态分析步骤；根据所述数据处理步骤形成的数据分析隧道洞口的状态。

本发明进一步揭示一种存储介质，其上存储有计算机程序指令，该计算机程序指令被处理器执行时实现本发明方法的如下步骤(如图2所示)：

【步骤S1】点云数据获取步骤；获取隧道洞口及边坡的的三维激光扫描数据，所述三维激光扫描数据包括隧道口点云数据及边坡点云数据；

【步骤S2】数据处理步骤；对所述点云数据获取步骤获取的隧道洞口及边坡的三维激光扫描数据进行大数据处理；

【步骤S3】状态分析步骤；根据所述数据处理步骤形成的数据分析隧道洞口的状态。

综上所述，本发明提出的隧道洞口状态监测、方法、电子设备及存储介质，可实时对隧道洞口进行连续观察分析，掌握洞口及附属结构的动态发展过程，可对该过程进行分析和预警，从而保障了地铁运营过程的安全。

本发明可实现以定制激光扫描隧道点云作为数据源的隧道口及变形监测分析全过程，主要优势与特点体现在如下几方面：

1.定制三维激光扫描采用非接触主动测量方式获取物体表面点云，具有高速度、高精度、高密度、全天时全天候等特点，而且扫描距离长，极大的提升了数据采集效率。

2.利用定制三维激光扫描仪获取隧道口及边坡点云数据，无需可见光照明，数据获取速度快。

3.结合配套点云处理软件、隧道口及附属结构、轨道异物入侵状态等监测分析软件进行大数据点云分析，提取出更为准确的断面结构数据及超欠挖成果。

4.根据隧道点云数据，一键智能输出符合工程标准的隧道口及边坡成果数据，大大提高了工作效率与质量标准。

5.采用了多站激光点云联合的隧道口及边坡三维模型构建，获取精确的隧道口及边坡相对几何结构参数。

6.采用控制点约束的三维点云绝对基准转换，获取监测点平面绝对位置及高程，为隧道绝对基准下的变形观测提供数据基础，结合各项成果还可以进行后续的相关变形检测应用。

需要注意的是，本申请可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施；例如，可采用专用集成电路(ASIC)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一些实施例中，本申请的软件程序可以通过处理器执行以实现上文步骤或功能。同样地，本申请的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中；例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本申请的一些步骤或功能可采用硬件来实现；例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。