一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，包括分布式多类传感器同步采集设备，上位机连接分布式多类传感器同步采集设备；在综合管廊内分别设置用于混凝土管廊拼接缝部位裂缝监测的传感器、用于混凝土管廊沉降监测的传感器、用于混凝土管廊水平位移监测的传感器、用于自来水管道法兰裂缝监测的传感器，所述传感器均为光纤光栅传感器；分布式多类传感器同步采集设备实时采集各传感器的数据，并发送至上位机，同时接收上位机的命令进行相应的数据采集，实现综合管廊的健康监测。本发明专利技术集传感器、计算机、通信、网络等高新技术于一体，功能强大，能真正长期用于地下综合管廊结构损伤和状态评估，满足地下综合管廊运维管理的需要。

An Integrated Pipe Gallery Health Monitoring System Based on Fiber Bragg Grating

The invention provides a comprehensive pipeline Gallery health monitoring system based on fiber Bragg grating, which includes distributed multi-sensor synchronous acquisition equipment, upper computer connected with distributed multi-sensor synchronous acquisition equipment, sensors for crack monitoring at joints of concrete pipeline gallery, sensors for settlement monitoring of concrete pipeline, and sensors for concrete pipeline. The sensor for gallery horizontal displacement monitoring and the sensor for flange crack monitoring of water pipeline are all fiber Bragg grating sensors. The distributed multi-sensor synchronous acquisition equipment collects the data of each sensor in real time and transmits them to the host computer. At the same time, it receives the command of the host computer to collect the corresponding data, so as to realize the health monitoring of the comprehensive gallery. The invention integrates sensors, computers, communications, networks and other high and new technologies, has powerful functions, can be really used for long-term damage and condition assessment of underground comprehensive pipeline Gallery structure, and meets the needs of operation and maintenance management of underground comprehensive pipeline gallery.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统
本专利技术涉及一种基于光纤光栅的智能地下综合管廊健康监测系统，属于城市地下管道综合走廊的监控管理

技术介绍
城市地下管道综合走廊，简称为“综合管廊”或“共同沟”，是指将设置在地面、地下或架空的各类公用类管线集中容纳于一体，并留有供检修人员行走通道的隧道结构。即在城市地下建造一个隧道空间，将市政、电力、通讯、燃气、给排水等各种管线集于一体，设有专门的检修口、吊装口和监测系统，实施统一规划、设计、建设和管理，彻底改变以往各个管道各自建设、各自管理的零乱局面。各管线需要开通时，只需通知有关负责部门，接通接口即可，既便于修理，又节省了国家的资源。由于共同沟将各类管线均集中设置在一条隧道内，消除了通讯、电力等系统在城市上空布下的道道蛛网及地面上竖立的电线杆、高压塔等，避免了路面的反复开挖、降低了路面的维护保养费用、确保了道路交通功能的充分发挥。同时道路的附属设施集中设置于共同沟内，使得道路的地下空间得到综合利用，腾出了大量宝贵的城市地面空间，增强道路空间的有效利用，并且可以美化城市环境，创造良好的市民生活环境。综合管廊的标准断面如图1所示。由于综合管廊通常长度较长，在具体建设过程中往往需要设置伸缩缝、沉降缝，甚至采用预制拼接方法进行施工。管廊拼接处通常为薄弱位置，在环境荷载作用下可能会出现混凝土开裂、不均匀沉降、水平错动等诸多问题。这些问题不仅会严重削弱混凝土管廊的适用性和耐久性，还会对管廊内附属的各类管道造成不良影响。因此，有必要对混凝土管廊及附属管道进行结构健康监测，确保其安全稳定运行。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是如何对综合管廊进行结构健康监测，确保其安全稳定运行。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是提供一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，其特征在于：包括分布式多类传感器同步采集设备，上位机连接分布式多类传感器同步采集设备；在综合管廊内相应位置分别设置用于混凝土管廊拼接缝部位裂缝监测的传感器、用于混凝土管廊沉降监测的传感器、用于混凝土管廊水平位移监测的传感器、用于自来水管道法兰裂缝监测的传感器，所述传感器均为光纤光栅传感器；分布式多类传感器同步采集设备实时采集各传感器的数据，并发送至上位机，同时接收上位机的命令进行相应的数据采集，实现综合管廊的混凝土管廊拼接缝部位裂缝监测、混凝土管廊沉降监测、混凝土管廊水平位移监测、自来水管道法兰裂缝监测。优选地，所述分布式多类传感器同步采集设备包括可编程逻辑门阵列FPGA，FPGA连接加速度模块、电压模块、电流模块、数字I/O模块、RS485通信模块，实时控制器连接FPGA和上位机；FPGA分别采集各传感器输出的加速度、电压、电流和数字I/O信号，进行分析处理，将采集或分析处理后的数据经写入FIFO数据缓冲器中；实时控制器通过FIFO读取FPGA传输来的数据，读取并实时处理时钟同步信号和绝对时间戳以实现设备间同步采集，按照数据类型在内存中建立缓存池，实时的以“先入先出”机制将采集或分析处理后的数据通过TCP/IP协议发送至上位机，接收上位机命令并通过FPGA控制数据采集参数；上位机实现人机界面的交互，显示并存储实时采样数据，通过逻辑命令控制设备的数据采集参数。更优选地，系统采用24小时不间断连续自动存储方式，当日期变化时，便建立新的数据文件，所有存储触发都由系统自动识别完成；系统为数据存储路径做了特别设计，除用户指定的基本存储路径外，系统还按年-月-日-系统时间的顺序逐级建立子目录，保证文件不会被覆盖和重名，同时也方便用户在海量数据文件中调用需要的文件；针对电流、电压及位移传感器，采集频率为1赫兹，采用24小时不间断数据存储；针对加速度传感器，采用触发式数据存储方式：即预先设定一个对结构有意义的预值，如果超过预值，立即存储，如果低于预值，便挂起存储进程。更优选地，上位机对所采集的数据进行分析处理，形成可视化的图表，在人机界面上形象地反应综合管廊的结构安全状态；同时系统每天以E-mail电子邮件的方式自动发送生成的报表文件，实现高度自动化的实时监测；上位机的人机界面通过三维模型动态显示目前结构的健康安全状态，通过颜色的深浅变化来反映关键部位的运行状态；上位机的人机界面上还配置多个结构安全指示灯，当综合管廊结构某一部位发生危险时，该指示灯显示为红色，表示结构处于危险状态，需要启动相应的应急预案；同时通过手机短信和E-mail电子邮件的方式发送报警信息，保证重要报警信息的及时性。优选地，混凝土管廊拼接缝部位裂缝监测时，采用低温敏型光纤光栅应变传感器，跨接布置在拼接缝处两侧的混凝土管廊上，通过采集拼接缝处的应变，判断拼接缝处是否出现纵向裂缝。更优选地，所述混凝土管廊的每一断面布置8个低温敏型光纤光栅应变传感器，分别位于矩形断面的四个顶角及四条边的中点处。优选地，混凝土管廊沉降监测时，采用多台光纤光栅静力水准仪，包括：作为基准设备的基准光纤光栅静力水准仪，以及作为监测设备的监测光纤光栅静力水准仪；多台光纤光栅静力水准仪沿综合管廊走向布置，通过光纤光栅静力水准传感器实时监测管廊沉降的变化量。优选地，混凝土管廊水平位移监测时，在相邻的两段混凝土管廊的拼接缝处布置光纤光栅位移传感器，监测相邻的两段混凝土管廊是否在水平向出现相对位移。更优选地，混凝土管廊水平位移监测的具体方法如下：将位移转接板一端固定在左侧的混凝土管廊的管壁上，位移转接板另一端跨过相邻两段混凝土管廊的拼接缝，延伸至右侧的混凝土管廊内；在右侧混凝土管廊的相应位置安装位移传感器，通过测量位移转接板与右侧混凝土管廊的相对距离，得到混凝土管廊的水平位移。优选地，自来水管道法兰裂缝监测时，采用光纤光栅应变传感器；两侧的自来水管道的法兰处通过螺栓连接，光纤光栅应变传感器固定在所述螺栓上。本专利技术将光纤光栅技术、结构健康监测与物联网结构体系、云计算、局域网、通讯网等多网无缝连接技术结合，建立了一套智能地下综合管廊健康监测系统，为地下综合管廊日常养护、管理和突发事件应急处置发挥了重大作用。基于云计算服务中心的监测系统可容纳上万公里地下综合管廊的监测数据，形成区域性地下综合管廊健康监测平台，实现区域内的所有地下综合管廊的统一监控管理。本专利技术提供的综合管廊健康监测系统集传感器技术、结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术等高新技术于一体，功能强大，能真正长期用于地下综合管廊结构损伤和状态评估，满足地下综合管廊运维管理的需要。附图说明图1为综合管廊的标准断面示意图；图2为光纤光栅的结构示意图；图3为光纤光栅传感器的原理示意图；图4为分布式多类传感器同步采集设备硬件系统原理图；图5为光纤光栅应变传感器原理图；图6为光纤光栅应变传感器封装形式示意图；图7为传感器安装支座示意图；图8光纤光栅应变传感器布设平面图；图9光纤光栅应变传感器布设断面图；图10为水平位移监测示意图；图11为自来水管法兰处裂缝监测光纤光栅传感器布设示意图；图12为平面用加持底座示意图；图13为圆弧表面加持底座示意图；图14为系统布线示意图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。一、光纤光栅技术光纤光栅就是一段光纤，其结构如图2所示。光纤的纤芯中具有折射率周期性变化的结构。根据模耦合理论：λ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，其特征在于：包括分布式多类传感器同步采集设备，上位机连接分布式多类传感器同步采集设备；在综合管廊内相应位置分别设置用于混凝土管廊拼接缝部位裂缝监测的传感器、用于混凝土管廊沉降监测的传感器、用于混凝土管廊水平位移监测的传感器、用于自来水管道法兰裂缝监测的传感器，所述传感器均为光纤光栅传感器；分布式多类传感器同步采集设备实时采集各传感器的数据，并发送至上位机，同时接收上位机的命令进行相应的数据采集，实现综合管廊的混凝土管廊拼接缝部位裂缝监测、混凝土管廊沉降监测、混凝土管廊水平位移监测、自来水管道法兰裂缝监测。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，其特征在于：包括分布式多类传感器同步采集设备，上位机连接分布式多类传感器同步采集设备；在综合管廊内相应位置分别设置用于混凝土管廊拼接缝部位裂缝监测的传感器、用于混凝土管廊沉降监测的传感器、用于混凝土管廊水平位移监测的传感器、用于自来水管道法兰裂缝监测的传感器，所述传感器均为光纤光栅传感器；分布式多类传感器同步采集设备实时采集各传感器的数据，并发送至上位机，同时接收上位机的命令进行相应的数据采集，实现综合管廊的混凝土管廊拼接缝部位裂缝监测、混凝土管廊沉降监测、混凝土管廊水平位移监测、自来水管道法兰裂缝监测。2.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，其特征在于：所述分布式多类传感器同步采集设备包括可编程逻辑门阵列FPGA，FPGA连接加速度模块、电压模块、电流模块、数字I/O模块、RS485通信模块，实时控制器连接FPGA和上位机；FPGA分别采集各传感器输出的加速度、电压、电流和数字I/O信号，进行分析处理，将采集或分析处理后的数据经写入FIFO数据缓冲器中；实时控制器通过FIFO读取FPGA传输来的数据，读取并实时处理时钟同步信号和绝对时间戳以实现设备间同步采集，按照数据类型在内存中建立缓存池，实时的以“先入先出”机制将采集或分析处理后的数据通过TCP/IP协议发送至上位机，接收上位机命令并通过FPGA控制数据采集参数；上位机实现人机界面的交互，显示并存储实时采样数据，通过逻辑命令控制设备的数据采集参数。3.如权利要求2所述的一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，其特征在于：系统采用24小时不间断连续自动存储方式，当日期变化时，便建立新的数据文件，所有存储触发都由系统自动识别完成；系统为数据存储路径做了特别设计，除用户指定的基本存储路径外，系统还按年-月-日-系统时间的顺序逐级建立子目录，保证文件不会被覆盖和重名，同时也方便用户在海量数据文件中调用需要的文件；针对电流、电压及位移传感器，采集频率为1赫兹，采用24小时不间断数据存储；针对加速度传感器，采用触发式数据存储方式：即预先设定一个对结构有意义的预值，如果超过预值，立即存储，如果低于预值，便挂起存储进程。4.如权利要求2所述的一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，其特征在于：上位机对所采集的数据进行分析...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚炜，戚琛琛，唐晓俊，孙迎卿，朱禛，
申请(专利权)人：上海电器科学研究所集团有限公司，上海电器科学研究院，
类型：发明
国别省市：上海,31