基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監(jiān)測預警系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種監(jiān)測預警系統(tǒng)，特別涉及一種基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監(jiān)測預警系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國公路網(wǎng)的不斷完善及中西部大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷實施，高速公路逐步向崇山峻嶺地區(qū)邁進，公路隧道的數(shù)量和通車里程迅速增加，其面臨的氣象、水文地質(zhì)、圍巖類型、地形地貌等情況越來越復雜，導致隧道襯砌剝落、掉塊、塌方、滲漏、涌水等病害越來越多，已嚴重影響到行車安全，降低了隧道的服務(wù)水平。同時，隨著特長、長隧道數(shù)量的不斷增多，隧道內(nèi)火災發(fā)生的可能性不斷增大，一旦發(fā)生火災，若不及時發(fā)出預警信息，不能及時撲滅，將導致嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，針對運營隧道健康監(jiān)測預警中一系列問題進行深入系統(tǒng)的研究，是我國公路隧道工程界新一輪的重大課題。
[0003]目前，隧道健康監(jiān)測預警常用的措施主要有傳感器監(jiān)測法(土壓力盒、鋼筋應(yīng)力計以及表面應(yīng)變計等)、人工定期巡檢、地質(zhì)雷達探測等，其中最常用的為傳感器監(jiān)測法，其通過埋設(shè)傳感器以監(jiān)測支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變及其與圍巖的接觸壓力等，從而定性了解隧道結(jié)構(gòu)健康狀況。然而，由于傳統(tǒng)的傳感器為點式監(jiān)測，若需對隧道進行全面的健康監(jiān)測，所需布設(shè)的傳感器數(shù)量較大，布設(shè)作業(yè)費時費力，且成本較高。在運營隧道火災監(jiān)測方面，常用的措施主要是視頻監(jiān)測法，即通過安裝攝像頭及視頻管理單元，通過視頻監(jiān)控進行火災預警，但由于隧道為封閉空間，內(nèi)部空氣污濁，能見度減低，加之攝像頭存在盲區(qū)，導致視頻監(jiān)測法空間適用性差、火災預警準確度低。總之，上述監(jiān)測預警措施由于其自身的技術(shù)缺陷，導致其難以推廣普及，從而嚴重制約了運營隧道健康監(jiān)測預警技術(shù)的實際應(yīng)用。因此，隨著現(xiàn)代隧道技術(shù)的不斷發(fā)展，急需研發(fā)一種精度高、全方位、適應(yīng)性強、自動化程度高的隧道健康監(jiān)測預警方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有運營隧道健康監(jiān)測預警技術(shù)中存在的問題，提供一種預警準確度高以及抗干擾能力強的基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監(jiān)測預警系統(tǒng)及方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)的:
[0006]一種基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監(jiān)測預警系統(tǒng)，其特征在于:所述基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監(jiān)測預警系統(tǒng)包括預警子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、無線傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)以及設(shè)置在隧道襯砌混凝土表面的光纖傳感子系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通過光纖傳感子系統(tǒng)對隧道現(xiàn)場進行實時在線監(jiān)測，獲取隧道實時監(jiān)測信號，同時將隧道實時監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為電信號；所述無線傳輸子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號進行遠距離傳輸至數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)接收到無線傳輸子系統(tǒng)發(fā)送來的電信號后，將該電信號與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的預定閾值進行比較，并將比較結(jié)果通過預警子系統(tǒng)進行預警任務(wù)。
[0007]作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的光纖傳感子系統(tǒng)包括沿隧道拱圈環(huán)向布設(shè)的一條或多條環(huán)向傳感光纖、布設(shè)在隧道任意一側(cè)電纜溝內(nèi)的溫度補償光纖以及布設(shè)在隧道拱頂、兩側(cè)拱肩以及兩側(cè)拱腰位置的縱向傳感光纖；所述環(huán)向傳感光纖是多條時，相鄰環(huán)向傳感光纖間距不大于1m ;所述多條環(huán)向傳感光纖通過設(shè)置在隧道拱腳部位的過渡段傳感光纖連接；所述環(huán)向傳感光纖、溫度補償光纖以及縱向傳感光纖分別與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)相連。
[0008]作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括光纖分析儀以及光電轉(zhuǎn)換器；所述環(huán)向傳感光纖、溫度補償光纖以及縱向傳感光纖分別通過光纖分析儀接入光電轉(zhuǎn)換器；所述光電轉(zhuǎn)換器接入無線傳輸子系統(tǒng)。
[0009]作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的光纖分析儀的工作波長的范圍是1550±5nm，所述光纖分析儀的最大動態(tài)范圍宜為15dB，所述光纖分析儀的應(yīng)變測試精度宜為±10μ ε，所述光纖分析儀的頻率掃描間隔為50MHz ;所述光電轉(zhuǎn)換器的通信速率不小于115Kbps，所述光電轉(zhuǎn)換器的誤碼率應(yīng)小于10%。
[0010]作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的無線傳輸子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸接口以及與數(shù)據(jù)傳輸接口相連的無線數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)；所述光電轉(zhuǎn)換器將采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號傳輸至數(shù)據(jù)傳輸接口 ；所述無線數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)通過無線的方式將數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號進行遠距離傳輸至數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。
[0011 ] 作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的數(shù)據(jù)傳輸接口是USB接口 ；所述無線數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)是GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)。
[0012]作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)包括無線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、用于設(shè)置預警信息的設(shè)置單元以及用于判斷接收到的電信號是否達到預警信息并將預警信息進行預警發(fā)送的判據(jù)單元；所述無線數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)通過無線的方式將數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號進行遠距離傳輸至無線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)；所述無線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)通過設(shè)置單元接入判據(jù)單元；所述預警信息包括但不限于隧道掉塊參數(shù)、隧道塌方參數(shù)、隧道滲漏參數(shù)、隧道火災參數(shù)以及隧道襯砌剝落參數(shù)；所述無線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)是GPRS數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。
[0013]作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的預警子系統(tǒng)包括安全預警平臺以及與安全預警平臺相連的短信發(fā)送服務(wù)器；所述設(shè)置單元將預警信息依次通過安全預警平臺以及短信發(fā)送服務(wù)器發(fā)送進行預警任務(wù)；所述安全預警平臺包括Web平臺以及與Web平臺相連的數(shù)據(jù)服務(wù)器。
[0014]一種基于如前所述的基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監(jiān)測預警系統(tǒng)運營隧道健康監(jiān)測預警方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟:
[0015]I)在隧道襯砌混凝土表面設(shè)置光纖傳感子系統(tǒng)，所述沿隧道拱圈環(huán)向布設(shè)一條或多條環(huán)向傳感光纖，在隧道任意一側(cè)電纜溝內(nèi)布設(shè)溫度補償光纖以及在隧道拱頂、兩側(cè)拱肩以及兩側(cè)拱腰位置布設(shè)縱向傳感光纖；
[0016]2)利用數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)對光纖傳感子系統(tǒng)的應(yīng)變以及溫度數(shù)據(jù)進行實時在線監(jiān)測，并通過數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換器將所監(jiān)測到的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號；
[0017]3)通過無線傳輸子系統(tǒng)將步驟2)采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)中；
[0018]4)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)接收到步驟3)所發(fā)來的電信號后，對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時標準超限對比分析，若無超限數(shù)據(jù)，直接返回步驟2);若存在超限數(shù)據(jù)，則進行步驟5);
[0019]5)將步驟4)中的超限數(shù)據(jù)與設(shè)定的預警參數(shù)進行對比分析，進行分級預警，產(chǎn)生分級預警結(jié)果；
[0020]6)通過預警子系統(tǒng)將分級預警結(jié)果進行預警發(fā)送。
[0021]本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0022]本發(fā)明針對現(xiàn)有運營隧道健康監(jiān)測預警系統(tǒng)中存在的問題，公開了一種基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監(jiān)測預警系統(tǒng)及其控制方法，該監(jiān)測預警系統(tǒng)包括光纖傳感子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、無線傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)以及預警子系統(tǒng)；光纖傳感子系統(tǒng)主要由環(huán)向傳感光纖和縱向傳感光纖組成，其分布在隧道襯砌混凝土上；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要包括分布式光纖應(yīng)變、溫度測量儀及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元，可對隧道現(xiàn)場進行實時在線監(jiān)測，并將監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為電信號；無線傳輸子系統(tǒng)將電信號遠距離傳輸至隧道監(jiān)控室內(nèi)的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)可將監(jiān)測數(shù)據(jù)與預定閾值進行比較，對隧道健康狀況進行分級預警；預警子系統(tǒng)通過安全預警平臺、短信單元將預警信息以手機短信形式發(fā)送至隧道管理人員的手機上。本發(fā)明可實現(xiàn)對運營隧道襯砌剝落、掉塊、塌方、滲漏、涌水、火災等災害的實時在線監(jiān)測，其具有成本低、施工方便、抗干擾能力強、空間適用性強、自動化程度高、預警準確度高等優(yōu)點。具體而言，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0023]I)本發(fā)明所采用的傳感光纖具有施工方便、體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、靈敏度高、易于實現(xiàn)自動化監(jiān)測等優(yōu)點；
[0024]2)本發(fā)明利用環(huán)向傳感光纖、縱向傳感光纖鋪設(shè)成網(wǎng)狀，形成了覆蓋面較廣的光纖監(jiān)測網(wǎng)，避免了傳統(tǒng)點式監(jiān)測法的缺陷，實現(xiàn)對隧道的全方位監(jiān)測，且提高了監(jiān)測預警的準確性。
[0025]3)本發(fā)明利用溫度補償光纖對環(huán)向傳感光纖、縱向傳感光纖的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行修正，進一步提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確度。
[0026]4)本發(fā)明利用傳感子系統(tǒng)可對隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)變、溫度進行多維度監(jiān)測，從而提供較為全面的隧道健康信息，主要包括隧道襯砌剝落、掉塊、塌方、滲漏、涌水、火災等災害信息。
[0027]5)本發(fā)明利用光電轉(zhuǎn)換器將所監(jiān)測的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，最大程度的減小了數(shù)據(jù)傳輸過程中的誤碼率，保證監(jiān)測信息的準確度。
[0028]6)本發(fā)明根據(jù)隧道現(xiàn)場反饋信息，通過設(shè)置單元和判據(jù)單元可人為設(shè)定災害等級參數(shù)，從而提供更加精準的隧道健康分級預警信息。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明所提供的基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監(jiān)測預警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明所采用傳感光纖布設(shè)位置的橫斷面圖；
[0031]圖3為本發(fā)明所采用的系統(tǒng)方框示意圖；
[0032]圖4為本發(fā)明所采用的總程序流程圖；
[0033]附圖標記說明如下:
[0034]1-光纖傳感子系統(tǒng)；2_數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；3_無線傳輸子系統(tǒng)；4_數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)；5_預警子系統(tǒng)；6_手機客戶端；11_環(huán)向傳感光纖；12_縱向傳感光纖；13_溫度補償光纖；21_光纖分析儀；22_光電轉(zhuǎn)換器；31_數(shù)據(jù)傳輸接口 ；32_無線數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)；41_無線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)；42_設(shè)置單元；43_判據(jù)單元；51_安全預警平臺；52_短信發(fā)送服務(wù)器；511-Web平臺；512-數(shù)據(jù)服務(wù)器；521_SMS應(yīng)用軟件；522_SMS短信網(wǎng)關(guān)。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明的系統(tǒng)及其控制方法做進一步的詳細說明:
[0036]參見圖1、圖2、圖3，本發(fā)明提供了一種基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監(jiān)測預警系統(tǒng)包括光纖傳感子系統(tǒng)1、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)2、無線傳輸子系統(tǒng)3、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)4以及預警子系統(tǒng)5 ;光纖傳感子系統(tǒng)I布設(shè)在隧道襯砌混凝土表面；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)2對隧道現(xiàn)場進行實時在線監(jiān)測，并將監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為電信號