一种地铁安全远端自动化监测及分析系统和方法技术方案

技术编号:21886656 阅读:23 留言:0更新日期:2019-08-17 12:38
本发明专利技术属于隧道施工安全监控、预警领域,公开了一种地铁安全远端自动化监测及分析系统和方法。该系统包括:全站仪、棱镜、现场服务器、倾角传感器、自动采集箱、中心数据库、三维激光扫描仪、处理器以及隧道结构提取程序模块;所述全站仪用于监测地铁隧道的沉降数据;所述三维激光扫描仪用于扫描获取地铁隧道及轨道的三维点云数据,所述隧道结构提取程序模块用于在被所述处理器调用时,基于最小二乘的断面拟合法从三维点云数据中获取地铁隧道结构的断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况。本发明专利技术针对全站仪及倾角传感器无法获取隧道三维整体变形信息的缺陷,将三维激光扫描分析技术运用于地铁运营监测,实现全面自动化监测。

A remote automatic monitoring and analysis system for metro safety

【技术实现步骤摘要】
一种地铁安全远端自动化监测及分析系统和方法
本专利技术属于隧道施工安全监控、预警领域,更具体地,涉及一种地铁安全远端自动化监测及分析系统和方法。
技术介绍
随着城镇化率以及机动车保有量迅猛增加,为了缓解由此带来的地上交通拥堵问题,轨道交通地下结构作为一种速度快、运量大的公共交通系统,为缓解大城市地上交通拥堵、运载能力不足等问题提供了有效的解决手段。但是,城市轨道交通的高速发展也伴随着安全隐患。由于地质条件、列车运营、地面建筑物施工、地铁隧道结构自身负荷、施工水平等因素,轨道交通地下结构在全寿命运营周期内将会发生沉降、变形、裂缝、渗漏水等病害。这些病害不仅会影响城市轨道地下交通作为快速安全通道的使用功能,而且如果这些病害不能及时被发现、并采取相应的维修措施,将有可能出现隧道主体结构失稳、严重开裂甚至严重坍塌等重大事故,最终威胁公众的生命财产安全。为了确保轨道交通地下结构在运营期的安全与稳定,及时掌握地下隧道结构状况,必须对其进行安全监测,但是传统的人工监测手段不仅效率低、人工费高、工序复杂,而且监测只能在列车停运之后进行,不能对其运营状态进行实时的监测。因此,亟需一种可以实现地铁隧道结构状况安全远端自动化监测功能及三维激光扫描监测数据分析功能的方法及系统。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本专利技术提供了一种地铁安全远端自动化监测及分析系统和方法,其目的在于,将三维激光扫描方法与传统的布点式监测方法相结合,由此解决地铁隧道结构运营阶段监测的传统人工监测手段效率低、人工费高、工序复杂,不能对其运营状态进行实时的监测的技术问题。为了实现上述目的,按照本专利技术的一个方面,提供了一种地铁安全远端自动化监测及分析系统,包括:全站仪、棱镜、现场服务器、倾角传感器、自动采集箱、中心数据库、三维激光扫描仪、处理器以及隧道结构提取程序模块;所述全站仪用于监测地铁隧道的沉降数据;所述棱镜用于布设在地铁隧道的监测区间内,以将监测区间内的监测断面上布设的测点反射至全站仪;所述现场服务器用于对全站仪的检测数据进行格式转换及存储,以及将格式转换后的数据传输至远端的中心数据库;所述倾角传感器用于采集监测断面的倾角数据;所述自动采集箱用于接收采集到的倾角数据并传输至远端的中心数据库;所述三维激光扫描仪用于扫描获取地铁隧道及轨道的三维点云数据,所述隧道结构提取程序模块用于在被所述处理器调用时,基于最小二乘的断面拟合法从三维点云数据中获取地铁隧道结构的断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况。进一步地,所述三维激光扫描仪包括隧道扫描单元、平板控制单元、标靶球定位单元以及轨道断面扫描单元;所述隧道扫描单元与所述轨道断面扫描单元分别用于对隧道及轨道进行三维扫描;所述标靶球定位单元用于点云数据的检校与配准;平板控制单元为操作控制面板,用于控制所述三维激光扫描仪的工作。为了实现上述目的,按照本专利技术的另一个方面,提供了一种地铁安全远端自动化监测及分析方法,包括如下步骤:步骤1:架设如权利要求1所述的一种地铁安全远端自动化监测及分析系统;步骤2:通过本地数据库从倾角传感器的原始监测数据中提取监测时间、监测传感器编号以及倾角监测数据,并存储于本地数据库中,以备调用;通过三维激光扫描仪扫描获取隧道及轨道的三维点云数据,并传输至远端的中心数据库;步骤3:远端的处理器从中心数据库调取三维点云数据,建立地铁隧道与轨道的三维模型,基于最小二乘的断面拟合法从三维点云数据中获取地铁隧道结构的断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况,并输出至可视化平台进行显示。进一步地,所述步骤1中的具体布设方法如下:将全站仪紧固于隧道管片壁上并与现场服务器连接,将全站仪的监测基准点选择在监测区段两端沉降较为稳定的风井处;在整个监测区间设置多个沉降监测断面,分别在各个沉降监测断面的内拱顶、两拱腰、道床两侧布设测点,并在整个沉降监测区间布设多个棱镜,以将各测点反射至全站仪;将倾角传感器布置在监测断面处,并与自动采集箱连接;在地铁远端设置中心数据库,并与全站仪和自动采集箱建立无线连接。进一步地,所述步骤2中,现场服务器依据原始监测数据中每部分监测信息的字节顺序与字节大小进行索引,将监测时间、监测传感器编号以及倾角监测数据进行提取,然后传输至远端的中心数据库中,从而实现数据的解析。进一步地,步骤3包括如下子步骤:3.1:远端的处理器从中心数据库调取三维点云数据,根据待分析数据保留有效点、删除无效点,从而进行点云去噪,建立地铁隧道与轨道的三维模型,然后截取出断面切片点云;所述待分析数据包括断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况;3.2:导出去噪后的断面切片点云坐标信息,从而拟合管片的断面曲线:设管片断面曲线的一般方程为椭圆曲线的一般方程,即式(1):Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0(1)将式(1)的A、B、C、D、E、F分别初始化为A0、B0、C0、D0、E0、F0,得到初始化参数矩阵p0=[A0B0C0D0E0F0],从而将式(1)初始化;然后将各个断面切片的点云坐标分别代入初始化后的式(1)进行拟合,得到各个断面切片的断面曲线;3.4:基于各个断面切片的断面曲线计算地铁隧道结构的断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况,并输出至可视化平台进行显示。总体而言,本专利技术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、本专利技术利用三维激光扫描技术对地铁隧道进行三维全景监测弥补了基于全自动全站仪及倾角传感器“布点式”的传统监测方法无法全面获取结构整体的变形情况,得到了监测区段的三维点云数据,通过基于最小二乘的断面拟合等方法从海量的点云数据中获取了地铁隧道结构的断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况,很好地解决了传统的人工监测手段效率低、人工费高、工序复杂的问题。2、本专利技术通过在地铁隧道布设相应传感器,以网络传输技术、信息采集技术、数据处理技术以及计算机技术等为基础,实现对地铁隧道结构状况进行自动的、实时的、长期的安全监测,以此掌握其结构性能的变化,对提高轨道交通地下结构的运营效率,保障人民生命财产安全具有极其重要的意义。附图说明图1为本专利技术优选实施例的地铁安全远端自动化监测及分析系统的框架流程综合示意图。图2为本专利技术优选实施例的全站仪监测数据传输示意图。图3为本专利技术优选实施例的倾角监测数据传输示意图。图4为本专利技术优选实施例的三维激光扫描仪全景监测流程图。图5为本专利技术优选实施例的倾角传感器原始监测数据编码示意图。图6为本专利技术优选实施例的BIM可视化三维模型的集成实现流程图。图7为本专利技术优选实施例的点云数据的解析实现流程图。图8为本专利技术优选实施例的Java与Matlab间调用与数据交互实现流程图;图9为利用本专利技术优选实施例的系统监测得到的监测区间内各断面最大变形值;图10为利用本专利技术优选实施例的系统监测得到的净空收敛变化曲线;图11为利用本专利技术优选实施例的系统监测得到的监测区间内管片间错台值;图12为利用本专利技术优选实施例的系统监测得到的与标准轨距差值曲线图;图13本专利技术优选实施例的测点位置布设图,其中,1-轨面线,2-棱镜。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地铁安全远端自动化监测及分析系统,其特征在于,包括:全站仪、棱镜、现场服务器、倾角传感器、自动采集箱、中心数据库、三维激光扫描仪、处理器以及隧道结构提取程序模块;所述全站仪用于监测地铁隧道的沉降数据;所述棱镜用于布设在地铁隧道的监测区间内,以将监测区间内的监测断面上布设的测点反射至全站仪;所述现场服务器用于对全站仪的检测数据进行格式转换及存储,以及将格式转换后的数据传输至远端的中心数据库;所述倾角传感器用于采集监测断面的倾角数据;所述自动采集箱用于接收采集到的倾角数据并传输至远端的中心数据库;所述三维激光扫描仪用于扫描获取地铁隧道及轨道的三维点云数据,所述隧道结构提取程序模块用于在被所述处理器调用时,基于最小二乘的断面拟合法从三维点云数据中获取地铁隧道结构的断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况。

【技术特征摘要】
1.一种地铁安全远端自动化监测及分析系统,其特征在于,包括:全站仪、棱镜、现场服务器、倾角传感器、自动采集箱、中心数据库、三维激光扫描仪、处理器以及隧道结构提取程序模块;所述全站仪用于监测地铁隧道的沉降数据;所述棱镜用于布设在地铁隧道的监测区间内,以将监测区间内的监测断面上布设的测点反射至全站仪;所述现场服务器用于对全站仪的检测数据进行格式转换及存储,以及将格式转换后的数据传输至远端的中心数据库;所述倾角传感器用于采集监测断面的倾角数据;所述自动采集箱用于接收采集到的倾角数据并传输至远端的中心数据库;所述三维激光扫描仪用于扫描获取地铁隧道及轨道的三维点云数据,所述隧道结构提取程序模块用于在被所述处理器调用时,基于最小二乘的断面拟合法从三维点云数据中获取地铁隧道结构的断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况。2.如权利要求1所述的一种地铁安全远端自动化监测及分析系统,其特征在于,所述三维激光扫描仪包括隧道扫描单元、平板控制单元、标靶球定位单元以及轨道断面扫描单元;所述隧道扫描单元与所述轨道断面扫描单元分别用于对隧道及轨道进行三维扫描;所述标靶球定位单元用于点云数据的检校与配准;平板控制单元为操作控制面板,用于控制所述三维激光扫描仪的工作。3.一种地铁安全远端自动化监测及分析方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1:架设如权利要求1所述的一种地铁安全远端自动化监测及分析系统;步骤2:通过本地数据库从倾角传感器的原始监测数据中提取监测时间、监测传感器编号以及倾角监测数据,并存储于本地数据库中,以备调用;通过三维激光扫描仪扫描获取隧道及轨道的三维点云数据,并传输至远端的中心数据库;步骤3:远端的处理器从中心数据库调取三维点云数据,建立地铁隧道与轨道的三维模型,基于最小二乘的断面拟合法从三维点云数据中获取地铁隧道结构的断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况,并输出至可视化平台进行显示。...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈虹宇吴贤国张立茂朱宏平翁顺曾铁梅徐文胜冯宗宝
申请(专利权)人:华中科技大学武汉华中科大土木工程检测中心
类型:发明
国别省市:湖北,42

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