一种隧道多断面测量监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及隧道多断面测量监测技术领域，具体涉及一种隧道多断面测量监测系统及监测方法。

背景技术

在隧道施工和运营管理过程中，由于不良地质条件等原因导致隧道受压变形，为了能保证安全施工及运营并给相关部门提供决策信息，应及时准确地对其进行变形监测。

目前隧道变形监测常用的传统方法主要集中在接触式和非接触式，接触式变形监测方法的基本思想是在隧道周围布设多个倾角传感器，通过传感器获得角度数据，利用角度计算隧道在横向和纵向变化的数据并分析变形情况；常使用的工具有巴塞特收敛系统和收敛尺，该类方法直接作用于隧道，简单直观地获取隧道的空间位置和变形数据，但由于需要大量的人力参与，所以周期长，成本高。全站仪测量隧道变形是实际工程中较为常用的非接触式方法，主要是利用全站仪对选定的断面按一定的步长进行自动化动态监测，全站仪属于传统的单点采集方式，所选监测点具有主观性，会导致监测精度和监测周期达不到要求。激光式断面扫描仪采用激光测距技术和精密测角技术，通过极坐标测量法帮助施工人员快速得出封闭空间内部轮廓曲线，①但是缺少一定的倾角灵活调整结构，在使用过程中，激光断面的测量结果容易受外部的倾斜角度影响造成误差，②且仪器对中精度要求高，只能在隧道非运营时间段内进行监测工作，对于地铁隧道来讲，由于列车停止运营时间短，每次可作业时间不超过3个小时，而测点数量多，对中精度难以保证，效率低下。

因此，有必要提供一种隧道多断面测量监测系统及监测方法，以克服上述缺陷。

发明内容

为了改善现有技术，本发明提出了一种隧道多断面测量监测系统及监测方法，该隧道多断面测量监测系统能够有效的对隧道变形情况进行监测，且安装与实施便捷，效率高。

为实现上述目的，本发明提供一种隧道多断面测量监测系统，用于对隧道各断面变形情况进行监测，

所述隧道多断面测量监测系统包括一系列标志物、机器视觉测量仪、云平台及客户端，所述机器视觉测量仪内嵌入自动识别程序及解算程序，所述云平台(3)内嵌入多项式拟合程序；

各待监测隧道断面上均安装有所述一系列标志物，所述机器视觉测量仪安装于隧道外或隧道内的在视野范围内能观测到安装于隧道各断面上的一系列标志物的稳定位置处；

初始状态下，通过客户端将已测定的各断面之间的间隔距离L

监测状态下，所述机器视觉测量仪识别安装于隧道各断面上的一系列标志物中的各标志物并解算出各标志物的实时坐标A

所述客户端可查看云平台内的各标志物的初始状态及监测状态下的坐标、初始状态下的隧道断面图像及监测状态下的隧道断面图像以判断隧道是否出现变形。

进一步地，所述标志物为直径为d的标准圆，所述标志物成像规律为：在模拟状态下，当直径为d的标志物在机器视觉测量仪内的成像大小为直径D的状态下，测得标志物与机器视觉测量仪之间的距离为I，则根据公式

进一步地，当云平台分析出某一标志物在监测状态下的坐标与初始状态下的坐标相比发生横向超出a距离或竖向超出b距离的位移时，所述云平台向客户端发出报警提醒，所述a距离及b距离根据设计文件通过客户端预输入所述云平台。

进一步地，初始状态下，云平台计算同一隧道断面任意两个标志物之间的初始距离记为

监测状态下，该两个标志物之间的监测距离记为

当云平台分析出任意两个标志物之间的监测距离I

进一步地，初始状态下，云平台依据各标志物的初始坐标通过多项式拟合程序得出初始状态下的隧道各断面图像的线性方程式；

监测状态下，云平台依据各标志物的实时坐标通过多项式拟合程序得出监测状态下的隧道各断面图像的线性方程式；

当云平台分析出初始状态下的隧道断面图像的线性方程式与相对应的监测状态下的该隧道断面图像的线性方程式不一致时，所述云平台向客户端发出报警提醒。

进一步地，所述客户端接收到报警提醒后，监测人员可通过客户端读取云平台内的各标志物的初始状态及监测状态下的坐标、初始状态下的隧道断面图像及监测状态下的隧道断面图像，以判定隧道断面出现变形的具体位置。

进一步地，所述标志物为红外靶标，可在夜间及雨雾天被机器视觉测量仪识别。

进一步地，所述机器视觉测量仪可设置为多个，在监测状态下，每个机器视觉测量仪监测隧道某一区域的一系列标志物，所述云平台根据每个机器视觉测量仪监测区域的标志物的坐标数据拟合出该区域的隧道断面图像，再通过合并处理的方式拟合出整个隧道断面图像。

本发明还提供一种隧道多断面测量监测系统的监测方法，通过使用上述隧道多断面测量监测系统进行，所述监测方法按如下步骤实施：

1)在待监测的隧道断面上安装一系列标志物，在隧道外或隧道内选定一在视野范围内能观测到所述一系列标志物的稳定位置处安装机器视觉测量仪；

2)通过客户端在云平台内预输入横向位移报警值a、竖向位移报警值b及距离差报警值I

3)初始状态下隧道各断面图像拟合：

通过客户端将已测定的各断面之间的间隔距离L

4)监测状态下隧道各断面图像拟合：

启动机器视觉测量仪，机器视觉测量仪识别安装于隧道各断面上的一系列标志物中的各标志物并解算出各标志物的实时坐标A

5)报警提醒：当出现下列任意一种情形时，所述云平台向客户端发出报警提醒；

①当云平台分析出某一标志物在监测状态下的坐标与初始状态下的坐标相比发生横向超出a距离或竖向超出b距离的位移时，所述云平台向客户端发出报警提醒；

②初始状态下，云平台计算同一隧道断面任意两个标志物之间的初始距离记为

监测状态下，该两个标志物之间的监测距离记为

当云平台分析出任意两个标志物之间的监测距离I

③初始状态下，云平台依据各标志物的初始坐标通过多项式拟合程序得出初始状态下的隧道各断面图像的线性方程式；

监测状态下，云平台依据各标志物的实时坐标通过多项式拟合程序得出监测状态下的隧道各断面图像的线性方程式；

当云平台分析出初始状态下的隧道断面图像的线性方程式与相对应的监测状态下的该隧道断面图像的线性方程式不一致时，所述云平台向客户端发出报警提醒。

6)所述客户端接收到报警提醒后，监测人员可通过客户端读取云平台内的各标志物的初始状态及监测状态下的坐标、初始状态下的隧道断面图像及监测状态下的隧道断面图像，以判定隧道断面出现变形的具体位置。

本发明具有如下有益效果：

1)实时监测状态下，使用机器视觉测量仪进行监测，可保证监测的实时性、准确性和自动性，节省人力；

2)实时监测状态下，云平台接收到实时坐标后，拟合出监测状态下的隧道断面图像可供监测人员通过客户端远程查看，而无需进入现场查看；

3)增设报警提醒，当云平台分析出隧道断面上单个标志物坐标变更、隧道某一断面上任意两个标志物之间的间隔距离变更或者隧道断面图像的线性方程式改变中的任意一种情形时，云平台即向客户端发出报警提醒，以让监测人员及时知晓现场断面情况以及时排除风险，防止事故的发生。

附图说明

图1是本发明隧道多断面测量监测系统的工作示意图；

图2是本发明隧道某一断面发生整体向内侧位移的示意图；

图3是本发明隧道某一断面发生整体向某一侧位移的示意图；

图4是本发明隧道某一断面发生两侧向外挤出、中间向下沉降的变形示意图；

图5是本发明隧道某一断面发生两侧向内压缩、中间向上拱起的变形示意图；

图中：1、标志物；2、机器视觉测量仪；3、云平台；4、客户端。

具体实施方式

以下结合附图1至附图5，通过具体实施例进一步说明本发明。

请参照图1所示，本发明提供一种隧道多断面测量监测系统，用于对隧道各断面变形情况进行监测。

隧道多断面测量监测系统包括一系列标志物1、机器视觉测量仪2、云平台3及客户端4。

各待监测隧道断面上均安装有一系列标志物1。一系列标志物1由多个靶标组成，各靶标为直径为d的标准圆。一般的，隧道各断面上的多个标志物1等间隔布设。所述靶标可以选用红外靶标，其可在夜间及雨雾天被机器视觉测量仪2识别。

机器视觉测量仪2内嵌入自动识别程序及解算程序。机器视觉测量仪2安装于隧道外或隧道内的在视野范围内能观测到安装于隧道各断面上的一系列标志物1的稳定位置处。在机器视觉测量仪2进行监测前，对标志物1在机器视觉测量仪2内的成像规律进行模拟获得：当直径为d的标志物1在机器视觉测量仪2内的成像大小为直径D的状态下，人工测得标志物1与机器视觉测量仪2之间的距离为I，则根据公式

云平台3内嵌入多项式拟合程序。云平台3用于接收机器视觉测量仪2上传的各数据并根据各数据做出计算分析后拟合出隧道各断面图像及隧道各断面图像的线性方程式。

客户端4用于接收报警提醒及查看云平台3内的各数据及隧道各断面图像。

初始状态下，通过客户端4将已测定的各断面之间的间隔距离L

监测状态下，机器视觉测量仪2识别安装于隧道各断面上的一系列标志物中的各标志物1并解算出各标志物1的实时坐标A

本申请隧道断面监测系统还具有报警提醒功能，以在隧道断面出现变形的情况下做出报警提醒，以提醒监测人员关注风险，防止危险事故的发生。

报警情况包括：

①当云平台3分析出某一标志物1在监测状态下的坐标与初始状态下的坐标相比发生横向超出a距离或竖向超出b距离的位移时，云平台3向客户端4发出报警提醒，a距离及b距离可以相等也可以不相等且a距离及b距离根据设计文件通过客户端4预输入云平台3；

②当云平台3计算同一隧道断面任意两个标志物1之间的初始距离

③当云平台3依据各标志物1的初始坐标通过多项式拟合程序得出初始状态下的隧道各断面图像的线性方程式与相对应的云平台3依据各标志物1的实时坐标通过多项式拟合程序得出监测状态下的隧道各断面图像的线性方程式不一致时，云平台3向客户端4发出报警提醒。

请参照图2所示，该图示出了隧道某一断面发生整体向内位移，此时该隧道断面上的所有标志物1的横向及竖向均发生了位移，且隧道断面图像发生了改变，此时可能触发上述①或②或③情况下的报警提醒。

请参照图3所示，该图示出了隧道某一断面发生整体向某一侧位移但隧道断面图像并未发生改变且各标志物1之间的间隔距离也未发生改变，此时将触发上述①情况下的报警提醒。

请参照图4所示，该图示出了盾构隧道某一断面发生两侧向外挤出、中间向内挤压变形，且隧道断面图像发生了改变，此时该隧道断面上的标志物1发生位移的情形，可能触发上述①或②或③情况下的报警提醒。

请参照图5所示，该图示出了盾构隧道某一断面发生两侧向内压缩、中间向外扩张变形，且隧道断面图像发生了改变，此时该隧道断面上的标志物1发生位移的情形，可能触发上述①或②或③情况下的报警提醒。

所述客户端4接收到报警提醒后，监测人员可通过客户端4读取云平台3内的各标志物1的初始状态及监测状态下的坐标、初始状态下的隧道断面图像及监测状态下的隧道断面图像，以判定隧道断面出现变形的具体位置。

本申请图示1中示出了仅使用一个机器视觉测量仪2监测隧道多个断面的情形，但在实际监测过程中，也可设置多个机器视觉测量仪2进行监测，在监测状态下，每个机器视觉测量仪2监测隧道某一区域的一系列标志物1，云平台3根据每个机器视觉测量仪2监测区域的标志物1的坐标数据拟合出该区域的隧道断面图像，再通过合并处理的方式拟合出整个隧道断面图像。

本申请一种隧道多断面测量监测系统实际监测时，按照如下步骤实施：

1)在待监测的隧道断面上安装一系列标志物1，在隧道外或隧道内选定一在视野范围内能观测到所述一系列标志物1的稳定位置处安装机器视觉测量仪2；

2)通过客户端4在云平台3内预输入横向位移报警值a、竖向位移报警值b及距离差报警值I

3)初始状态下隧道各断面图像拟合：

通过客户端4将已测定的各断面之间的间隔距离L

4)监测状态下隧道各断面图像拟合：

启动机器视觉测量仪2，机器视觉测量仪2识别安装于隧道各断面上的一系列标志物中的各标志物1并解算出各标志物1的实时坐标A

5)报警提醒：当出现下列任意一种情形时，云平台3向客户端4发出报警提醒；

①当云平台3分析出某一标志物1在监测状态下的坐标与初始状态下的坐标相比发生横向超出a距离或竖向超出b距离的位移时，云平台3向客户端4发出报警提醒；

②初始状态下，云平台3计算同一隧道断面任意两个标志物1之间的初始距离记为

监测状态下，该两个标志物1之间的监测距离记为

当云平台3分析出任意两个标志物1之间的监测距离I

③初始状态下，云平台3依据各标志物1的初始坐标通过多项式拟合程序得出初始状态下的隧道各断面图像的线性方程式；

监测状态下，云平台3依据各标志物1的实时坐标通过多项式拟合程序得出监测状态下的隧道各断面图像的线性方程式；

当云平台3分析出初始状态下的隧道断面图像的线性方程式与相对应的监测状态下的该隧道断面图像的线性方程式不一致时，所述云平台3向客户端4发出报警提醒。

6)所述客户端4接收到报警提醒后，监测人员可通过客户端4读取云平台3内的各标志物1的初始状态及监测状态下的坐标、初始状态下的隧道断面图像及监测状态下的隧道断面图像，以判定隧道断面出现变形的具体位置。

本发明具有如下有益效果：

1)实时监测状态下，使用机器视觉测量仪2进行监测，可保证监测的实时性、准确性和自动性，节省人力；

2)实时监测状态下，云平台3接收到实时坐标后，拟合出监测状态下的隧道断面图像可供监测人员通过客户端4远程查看，而无需进入现场查看；

3)增设报警提醒，当云平台3分析出隧道断面上单个标志物1坐标变更、隧道某一断面上任意两个标志物1之间的间隔距离变更或者隧道断面图像的线性方程式改变中的任意一种情形时，云平台3即向客户端4发出报警提醒，以让监测人员及时知晓现场断面情况以及时排除风险，防止事故的发生。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。