一种隧道位移检测系统及检测计算方法技术方案

本发明专利技术涉及一种隧道位移检测系统及检测计算方法，属于隧道监测技术领域，该系统包含多个综合测距单元，多个MCU控制单元，多个PLC收发模块以及上位机单元。每个综合测距单元与一MCU控制单元以及一PLC收发模块依次连接组成一测量单元，MCU控制单元用于处理所述综合测距单元所采集的数据并将数据传输至所述PLC收发模块，PLC收发模块将信息发送至所述上位机单元，上位机单元将多个测量单元传来的数据汇总处理并显示。本发明专利技术引入PLC通信，结合无线模块，克服在隧道特别是长距离隧道中，无线信号衰减影响通信质量的缺陷。本发明专利技术对不同检测数据采用两种不同分析方法，每种方法下，每次新的测量数值都加入数据库，不断学习新的数据，优化数据分析能力。

A Tunnel Displacement Detection System and Its Calculating Method

The invention relates to a tunnel displacement detection system and a detection calculation method, belonging to the technical field of tunnel monitoring. The system comprises a plurality of comprehensive ranging units, multiple MCU control units, multiple PLC transceiver modules and upper computer units. Each integrated ranging unit is connected with a MCU control unit and a PLC transceiver module in turn to form a measurement unit. The MCU control unit is used to process the data collected by the integrated ranging unit and transmit the data to the PLC transceiver module. The PLC transceiver module transmits the information to the upper computer unit, and the upper computer unit processes and displays the data transmitted by the multiple measurement units. \u3002 The invention introduces PLC communication and combines wireless module to overcome the defect of wireless signal attenuation affecting communication quality in tunnels, especially in long-distance tunnels. The invention adopts two different analysis methods for different detection data. In each method, each new measurement value is added to the database, and new data is continuously learned to optimize the data analysis ability.

【技术实现步骤摘要】
一种隧道位移检测系统及检测计算方法
本专利技术属于隧道监测
，涉及一种隧道位移检测系统及检测计算方法。
技术介绍
在隧道施工中进行监控量测是普遍采用的塌方预测方法。在隧道监控量测项目中，隧道拱顶沉降量是判断围岩稳定性和指导施工的重要依据，是隧道与地下工程施工规范要求的必测项目。目前国外对隧道安全监测研究较多，但受到多种因素影响，隧道自动化监测系统还有待进一步成熟，拱顶沉降还是采取人工检测为主、在线实时监测为辅的方法。隧道自动化实时监测还有很大的研究空间。国内在这方面则相对滞后，不少还采取人工检测的方法对隧道进行安全监测。存在数据实时性差、检测过程对施工干扰大、量测工作危险、量测费用高以及测量数据不可靠性差等不足。因此开展相关方面的研究具有重要的实际意义。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种隧道位移检测系统及检测计算方法，可以对隧道拱顶沉降量实施远程、实时、动态监测，有助于克服现有技术的不足。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种隧道位移检测系统，该系统包含多个综合测距单元，多个MCU控制单元，多个电力线通信(PLC,PowerLineCommunication)收发模块以及上位机单元，每个综合测距单元与一MCU控制单元以及一PLC收发模块依次连接组成一测量单元，所述MCU控制单元用于处理所述综合测距单元所采集的数据并将数据传输至所述PLC收发模块，所述PLC收发模块将信息发送至所述上位机单元，所述上位机单元将多个测量单元传来的数据汇总处理并显示。进一步，所述上位机单元包含依次连接的PLC通信单元，MCU主控单元和显示控制单元，所述PLC通信单元与所述测量单元之间进行通信，所述MCU控制单元还连接至一时钟芯片，所述时钟芯片用于产生系统时间。进一步，所述PLC通信单元与所述测量单元之间采用低压电力线为信号传输介质进行通信，且所述测量单元还设置有可扩展的无线通信模块接口。进一步，所述综合测距单元包含激光测距仪，震动检测模块，垂直偏转控制步进电机，垂直仰角测量模块，水平偏转控制步进电机和水平偏转夹角测量模块；所述激光测距仪与所述垂直仰角测量模块均安装在所述垂直偏转控制步进电机上，所述垂直偏转控制步进电机与水平偏转夹角测量模块均设置在所述水平偏转控制步进电机上；所述震动检测模块用于检测系统周围环境中对激光测距可能产生影响的震动；综合测距单元的各个模块均连接至所述MCU控制单元。进一步，所述MCU控制单元根据周围环境中，启停所述激光测距仪，满足：当SBGMin≤SReal＜0.9×SNMin时，其中SBGMin表示背景震动水平下限，SReal表示实际震动值，SNMin表示干扰震动水平下限，符合系统测量条件，可以启动测量；当SReal≥0.9×SNMin时，系统处于测量等待状态，先进行下一个测量点的测量，完成本轮测量后，再对本测量点进行测量；当SReal＜0.9×SBGMin或者SReal测量无示数时，系统发出故障提示。一种隧道位移检测计算方法，该方法包含如下步骤：S1：通过MCU控制单元调整设置测量步长，获取测量值与测量状态构成的测量矩阵M；S2：对于单个测量点，采用线性回归方法进行数据分析，判断单个测量点是否存在位置偏移；S3：根据测量矩阵M，对整个测量段，采用数据聚类方法进行分析，对隧道位移状态进行判断。进一步，步骤S1中，所述测量值与测量状态包含，测量时间ti，按设定步长的每一组仰角α、夹角β，测得一个对应的距离值d。进一步，步骤S2具体包含如下步骤：S21：对于单个测量点，固定一组仰角和夹角，在不同的测量时间ti，依次获得距离数据d，取测量点的距离数据，构成的距离序列D；S22：取距离序列D中的前i个距离数据，拟合一个线性函数：f(di)＝widi+bi式中，wi表示加权系数，bi表示拟合截距，di表示距离序列D中的第i个距离数据；S23：根据均方误差最小确定wi和bi的估计值wi*和bi*，使得所有di到拟合函数f(di)的欧氏距离之和最小：其中，n表示所有测量次数；S24：根据所获得的wi*和bi*替代线性函数中的wi和bi值，计算出ti时刻对应的函数拟合距离值；S25：假设隧道存在正常的微量位移，则在ti+1时刻获得的测量值di+1到原有函数拟合函数的欧式距离满足：Δ＝[di+1-f(di)]2＝[di+1-widi-bi]2S26：对所获得的ti+1时刻的测量值di+1到原有函数拟合函数的欧式距离进行判定：若Δ>门限值，系统报警；若即大于历史数据中最大偏移，系统给出预警提示。进一步，步骤S3具体包含如下步骤：S31：根据测量矩阵M，对于整个测量段，根据步骤S2计算出每个测量点的线性函数加权系数，测量值di+1到原有函数拟合函数的欧式距离并记录下系统最大震动值SNMax；S32：将步骤S22、S25以及S31中的特征参量w、Δ与SNMax作为样本特征，构成样本集S，采用k均值算法进行聚类：设定聚类簇数k＝2，对应正常C1和异常C2两种状态，聚类目标是使得簇划分C＝{C1,C2}，对于簇均值向量的平方误差最小，满足：式中，μqi是簇Cq在时刻ti的均值向量，q＝{1,…,k}，进一步，至少获取5个正常初始值构建初始正常状态C1集合，检测系统提供“异常”状态的初始数据，构建初始异常状态C2集合，且随着测量值的增多，每一次新的测量，将新的数据加入正常状态C1集合或者异常状态C2集合这两个簇的数据中，当新的测量数据，聚类分析落入簇C2，则系统给出报警信息。本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术引入PLC通信，结合无线模块，形成两种通信方式协同工作。克服在隧道特别是长距离隧道中，无线信号衰减影响通信质量的缺陷。2、本专利技术电机平台，在水平平面上进行旋转扫描，扩展一个检测单元的控制区域。简化系统结构，降低系统造价。3、本专利技术方法单个测量点，采用线性回归方法进行数据分析利用最新获得的测量值与原有数据拟合的函数的欧氏距离，对隧道位移变化状态进行预测，每次新的测量数值(正常值)都加入数据库，系统不断学习新的数据，优化数据分析能力。4、本专利技术方法整个测量段，采用数据聚类方法进行分析，测量点和测量段，每次新的测量数值(正常值)都加入数据库，系统不断学习新的数据，优化数据分析能力。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为本专利技术基于低压电力线通信的系统结构示意图；图2为本专利技术无线通信模式的系统结构示意图；图3为本专利技术综合测距单元功能结构示意图；图4为本专利技术MCU控制单元结构示意图；图5为本专利技术扫描结构示意图；图6为本专利技术扫描参数示意图；图7为本专利技术在隧道内的扫描示意图。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。本专利技术为一种隧道位移检测系统，首先，系统总体结构：隧道施工中，隧道拱顶沉降量是判断围岩稳定性和指导施工的重要依据。针对隧道现场的情况，以及现有相关监测系统的不足。(1)系统结构方面：本专利技术在基本激光测距的基础上，引入震动检测，实现对测量条件的判断，保证测量有效性；引入垂直/水平偏转控制单元，扩展单个测量单元监控范围，简化系统结构、成本。如图1所示，本专利技术的隧道位移检测系统包含，多个综合测距单元1，多个MCU控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隧道位移检测系统，其特征在于：该系统包含多个综合测距单元，多个MCU控制单元，多个电力线通信(PLC,Power Line Communication)收发模块以及上位机单元，每个综合测距单元与一MCU控制单元以及一PLC收发模块依次连接组成一测量单元，所述MCU控制单元用于处理所述综合测距单元所采集的数据并将数据传输至所述PLC收发模块，所述PLC收发模块将信息发送至所述上位机单元，所述上位机单元将多个测量单元传来的数据汇总处理并显示。

【技术特征摘要】
1.一种隧道位移检测系统，其特征在于：该系统包含多个综合测距单元，多个MCU控制单元，多个电力线通信(PLC,PowerLineCommunication)收发模块以及上位机单元，每个综合测距单元与一MCU控制单元以及一PLC收发模块依次连接组成一测量单元，所述MCU控制单元用于处理所述综合测距单元所采集的数据并将数据传输至所述PLC收发模块，所述PLC收发模块将信息发送至所述上位机单元，所述上位机单元将多个测量单元传来的数据汇总处理并显示。2.根据权利要求1所述的一种隧道位移检测系统，其特征在于：所述上位机单元包含依次连接的PLC通信单元，MCU主控单元和显示控制单元，所述PLC通信单元与所述测量单元之间进行通信，所述MCU控制单元还连接至一时钟芯片，所述时钟芯片用于产生系统时间。3.根据权利要求2所述的一种隧道位移检测系统，其特征在于：所述PLC通信单元与所述测量单元之间采用低压电力线为信号传输介质进行通信，且所述测量单元还设置有可扩展的无线通信模块接口。4.根据权利要求1所述的一种隧道位移检测系统，其特征在于：所述综合测距单元包含激光测距仪，震动检测模块，垂直偏转控制步进电机，垂直仰角测量模块，水平偏转控制步进电机和水平偏转夹角测量模块；所述激光测距仪与所述垂直仰角测量模块均安装在所述垂直偏转控制步进电机上，所述垂直偏转控制步进电机与水平偏转夹角测量模块均设置在所述水平偏转控制步进电机上；所述震动检测模块用于检测系统周围环境中对激光测距可能产生影响的震动；综合测距单元的各个模块均连接至所述MCU控制单元。5.根据权利要求4所述的一种隧道位移检测系统，其特征在于：所述MCU控制单元根据周围环境中，启停所述激光测距仪，满足：当SBGMin≤SReal＜0.9×SNMin时，其中SBGMin表示背景震动水平下限，SReal表示实际震动值，SNMin表示干扰震动水平下限，符合系统测量条件，可以启动测量；当SReal≥0.9×SNMin时，系统处于测量等待状态，先进行下一个测量点的测量，完成本轮测量后，再对本测量点进行测量；当SReal＜0.9×SBGMin或者SReal测量无示数时，系统发出故障提示。6.一种隧道位移检测计算方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：S1：通过MCU控制单元调整设置测量步长，获取测量值与测量状态构成的测量矩阵M；S2：对于单个测量点，采用线性回归方法进行数据分析，判断单个测量点是否存在位置偏移；S3：根据测量矩阵M，对...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓，徐国庆，杨生富，郭志瑞，崔光照，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50