基于激光位移传感器的地铁隧道结构变形监测系统设计
基于激光位移传感器的地铁隧道结构变形监测系统设计
作者:熊志金;
在隧道工程施工、竣工运营维护中,隧道工程测量属于非常重要的工作,在测量隧道工程的过程中,断面仪断面测量等方法在超欠挖检测、施工测量、隧道变形监测、传统水准仪高程测量、竣工测量工程中应用广泛。但在当前高密度隧道运营维护和高效率隧道工程施工工作中,传统人工测量工作繁杂效率低、手段功能单一、观测时段受限,已很难再适应。在隧道工程测量工作中,在采集隧道空间信息时使用三维激光扫描技术,能够实现数字可视化、高效高精度,分析处理数据后可以提取隧道当中的任意里程横断面变形,从而根据实际情况展开测量,得到不同的数据。本文针对辽宁某铁轨交通实际工程区域展开全面的分析研究,并使用激光测距传感器等手段在设计地铁隧道结构变形检测系统当中充分发挥三维激光扫描技术功能,实现其在隧道变形监测中的应用。
1 三维激光扫描系统基本原理
计算机处理器、扫描棱镜、控制器是构成三维激光扫描仪的重要组件,通过马达驱动激光测距仪,实现均匀的角速度扫描。
三维激光扫描仪主要构造由配上一套可以发射及接受激光均匀角速度扫描的扫描棱镜和一台高速马达驱动的精确激光测距仪组成。激光测距仪的工作原理为:通过激光的发射和自然物表面所反射的信号最终得出与之相对应的距离,测站的空间和每一扫描点的相对坐标都可以通过不同角度、方向相配合的方式得以实现,最终确定测站的空间和扫描点的相对坐标。其工作原理是三维激光扫描仪发射出激光脉冲信号,物体表面将其反射出来,接收器将其接收回馈后按照相同路径返回,能够有效计算扫描仪斜距 S、目标点,在控制程序同步测量每个激光脉冲竖向扫描角度观测值θ和横向扫描角度观测值α。
2.系统组成及各组件功能
2.1系统组成
系统装置及控制逻辑组成,在隧道特征测点位置展开激光组件 A 的布置,并通过控制器 B的激励的手段依次处理激光组件,同时确保激光发射能够直接与目标靶 C直接接触;计算机和应用软件是构成主控制器的两个主要部分,同时在目标靶箱体内进行放置。基于目标靶的角度依次采集目标靶各激光组件入射角度、成像位置发出的激光,在主控制器的基础上对激光组件的参数进行有效计算;对上次和本次计算得出的水平位置数值后发现,主控制器可以计算出垂直位置位移与水平位置偏移的数值。
2.2 系统激光组件
激光组件当包括控制模块、电源模块、通信模块以及光发射器模块四个部分,现场安装测点位置并将其与特定的支架进行固定。通信模块接口信息的解码分析过程需要由激光组件展开,若激光组件设定的地址码和通信模块接口上的地址码相一致,则对于主控制器的控制指令,激光控制器接受,同时对激光组件发出驱动指令,进行关闭或开启。各激光发射器控制单元总线网由主控制器、通信线组成。如果干激光组件网络集中控制由一根通信总线实现,可对现场布线进行简化;多点位置检测功能、分时触发激光组件功能通过主控制器实现。
2.3系统激光目标靶
一对工业电子照相机 A、一对成像幕布B、支架以及防护机箱是构成激光目标靶组的主要内容。激光经过防护玻璃会先投射在前幕布上成像,后幕布会投射部分激光并成像。后幕布、前幕布上的成像被两台电子照相机分别采集,这样计算机对图像进行分析,从而可获得激光入射角度和成像位置。
2.4 系统主控制器
主控制器实质上是单板工业计算机,100 MHz的 CPU 主 频,256 MB 的 nand flash,64 MB 的sdram,两个 RS485接口、一个ethnet、两个 USB接口,AC220V/DC24V 为交流/直流电源;对被测数据进行分析,主控制器功能随后需将其对比于测点标定值,从而确定相应的参数信息,从而实现处理隧道结构沉降变形数据的目的,在实际运行的过程中,可以将目标靶设置在隧道断面当中,在目标靶百米范围的可见范围当中设置射向目标靶激光信号,避免测量过程中出现机械动作;在建立目标靶和激光源之间的关系时,需要遵“分时激励”的方式进行,主控制器在不同采样周期当中将开启信号发送到所选测点当中,在获取角度信息和对应测点的位置后则发送关闭信号。
2.5 系统控制软件的设计及功能
语 言 编 程使 用 的是 Microsoft Visual Studio2016的 VB语言编程,部分功能模块的编写使用 C#。表格和曲线控件使用 Dev Express表达,通过多线程的方式展开 TCP通讯过程。局域网会自动更新相应的程序。相同的程序作用与地下系统和地表系统。
2.5.1系统初始化设置
定义测点号和测点地址号,并对周期和测点采样周期进行群测,此时需要涉及到读取管理文件的方式。测点初始绝对值的确定方式为读取数据的模式,对其相对位置进行定义。全部复位内部测点和变量的控制状态。
2.5.2 系统触发激光源
检测过程需要使用群测周期信号激励的方式开展。首先确定采样周期,并结合期实际顺序对当前测点的通讯地址以及控制信息进行发送。
2.5.3 系统激光图像处理
电子照相机需要涉及到触发的过程,并在采样周期当中通过 USB接口获取前后靶电子图像。红色激光图像通过处理阈值、滤波形成。在图像坐标上,激光位置数值通过重心算法求得;经处理图像畸形且矫正后,在幕布坐标可获得激光位置数值;进一步获得得参考点的虚拟像位置数值。
2.5.4 系统水平位置偏差和垂直位置偏差计算
在多元化参数的基础上对玻璃折射后的垂直以及水平误差展开这算,在这个过程中需要使用相应的折算公式,将其外表面的垂直位置和水平位置进行确认,并确定其相应的变化情况和具体数值。
2.5.5 系统数据处理
当在数据文件的那个中存入计算值以后,如果设定值与误差之间相差较多,此时需要报警。当检测周期完成后,需要对上位机进行数据的发送。
2.6 系统专用网络通信
需要将远程监控系统安装在地面上,从而远程监控整个网络流程。图像采集和单片机控制的过程需要由地下部分展开,地面部分则需要承担起数据查询分析和收集保存的工作。TCP编程是地面监控与地下主控制器进行通讯的重要内容,规范过程需要涉及到 Windows Sockets。地面通讯 Ethernet TCP/IP 协议、Modbus通讯、USB 相机通讯三层结构构成了网络架构。在Modbus通 讯 中,主 控 制 器 作 为 主 站,从 站 为 单片机。
3 工程应用
3.1 隧道变形监测
在隧道运营维护及工程施工过程中,由于建筑荷载和隧道 结构 周 围构 筑物并不是 一 成 不 变的,因此周围土应力条件势必会显示出差异,对隧道结构产生显著影响。本文将三维激光扫描技术在隧道变形监测中进行应用,可实现对隧道西起地铁一号线 K33+086里程处,向东至 K33+136里程控制基点处任意区间的变形监测。将矿山法用作研究区间的施工当中,当恢复隧道施工测量控制网竣工以后测量控制网内轨道中心的基准点。
3.2 隧道沉降监测
采用三维激光扫描仪,进行隧道结构高密度空间的信息采集,在海量点云数据的基础上拟合隧道中心线,隧道当中的断面中心点信息的提取过程需要结合隧道中心线中心空间位置信息展开。及时监测并分析隧道沉降情况。在研究区间内,对 K33+086 里程处向东到K33+136里程点云数据实施坐标系规划,通过设置隧道坐标系的方式对比各期纵坐标值的高程变化信息,例如 K33+086、K33+096、K33+106、K33+116、K33+126、K33+136里程处的断面,中轴线拟合完10期监测数据后,对中心点坐标进行提取。
以第一期检测的数据为初始值,变化量记为 Δ1=0,分别对各期高程变化量进行计算,并分别对得到各期累计变化量进行累加,记为 ΚΔi(,,…,10),在监测周期的前三期所用时间为2天,后7期监测时间为7天,监测持续55天。在检测期间,隧道变形情况主要受研究区内超高层建筑主体施工影响和1号线既有线路运营车站变化荷载的影响。在第三期到第六期当中发现隧道的荷载和沉降值将会随着超高层的连续施工作业而产生巨大的变化,其中逐渐处于平稳状态的为后者。对于观测周期来说,3.35mm 是其最大沉降值。基于实际工程资料对比传统水准仪沉降监测结果和三维激光扫描仪监测结果,最终发现二者并无显著差异。
3.3 隧道断面变形监测
对于全站仪拱顶位移监测、收敛计位移监测、断面仪断面测量等传统的隧道结构变形监测手段来说,不 仅需 要 花费 大量 的 时 间,而 且 非 常 的 复杂,影响因素较多,无法对隧道变形展开全局的分析监测。基于三维激光扫描点运输局对隧道连续断面进行提取,实现全局可视化隧道结构可视化直观复刻的目的,对任意里程隧道断面曲线采取拟合操作,并对相同里程的断面进行对比,可对隧道变形情况进行定量分析。隧道断面变形分析方法包括变形椭圆拟合长短轴形变分析法、圆形断面半径收敛分析法等,但这些方法仅适用于规则圆形横断面隧道变形分析过程,与本研究并不匹配,所以本研究在分析过程中使用的方法为 MDP最小距离投影算法,基于叠加Yp 断面点云数据的方式,将某一期断面任意点作为参考点P(Xp,Yp,Zp),对 其 与 另 一 期 隧 道 断 面 上 最 小 距 离 点 P1(Xp1,Yp1,Zp1),同时还有邻域内次小距离点P2(Xp2,Yp2,Zp2)进行检索,则P1P2为P(Xp,Yp,Zp)在对应断面上的向量投影。
4 结论
本文针对辽宁某铁轨交通实际工程区域展开全面的分析研究,并使用激光位移传感器等手段在设计地铁隧道结构变形检测系统当中充分发挥三维激光扫描技术功能。得出如下结论:
(1)设计并实现了基于图像处理技术、激光技术、计算机技术的地铁隧道结构变形连续群测系统基本原理、系统组成、系统功能,提供了一种便捷的运营期隧道结构变形监测技术和装置。
(2)在隧道变形监测工程当中使用三维激光扫描点云数据隧道断面提取技术。采集周期为10期,时间跨度为55天,分析监测辽宁某地铁隧道的特征断面,在第三期到第六期当中发现隧道的荷载和沉降值将会随着超高层的连续施工作业而产生巨大的变化,其中逐渐处于平稳状态的为后者。
(3)结合实际工程资料展开分析能够确定,观测周期当中的沉降值数值在3.35mm时最大,分析三维激光扫描仪和传统水准沉降检测得出的结果,最终发现可以得到大致相同的隧道沉降变化趋势和变化量,这表明本文提出的方法能够更全面、更直观分析隧道横断面变形。
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