基于A(yíng)VR32鐵路隧道施工安全監測系統

1.1 引言

鐵路隧道的開(kāi)采、施工和使用過(guò)程中，隧道圍巖變形是圍巖應力分布、整體力學(xué)形態(tài)變化和穩定狀態(tài)最直接和可靠的反映，圍巖凈空位移的測量是隧道施工過(guò)程中一個(gè)重要環(huán)節，是判斷圍巖穩定性和指導施工的重要依據。對隧道圍巖變形進(jìn)行及時(shí)的監測和分析預報成為鐵路隧道施工中保證施工安全、防止事故發(fā)生、合理確定隧道支護的十分重要的工作。

1.2 項目背景/選題動(dòng)機

傳統的隧道圍巖位移測量方法主要有兩種：一種是在施工過(guò)程中布置測量斷面，間隔一定的時(shí)間由人工使用各種機械式或機械-電子式收斂計測量;另一種是借助隧道斷面儀定時(shí)定點(diǎn)測量待測斷面。兩者的不足之處在于：

(1)不能實(shí)時(shí)監測：即不能隨時(shí)監測待測斷面的變形情況，因而不能及時(shí)反映施工過(guò)程中隧道圍巖的異常變化。

(2)對施工干擾大：由于變形測量中或者需要拉尺，或者需要架設斷面儀，所以對施工作業(yè)，尤其是運輸作業(yè)干擾很大。

(3)測量工作危險：在人員不易接近的地方，為了獲取測量數據，人員不得不頻繁接近危險空間，因而對人員與儀器的安全威脅較大。

(4)測量費用高：因同一斷面要多次反復測量，加之測量過(guò)程繁瑣，用人多，耗時(shí)長(cháng)，導致測量費用較高。

(5)測量數據不可靠：造成測量數據不可靠的原因主要是電子和機械儀表的測量精度不夠和處理測量數據時(shí)造成的誤差。

我們采用AVR32處理器構建新型的鐵路施工隧道安全監測系統，具有無(wú)接觸、自動(dòng)化、高精度和高可靠性等優(yōu)勢，該系統能用于隧道施工安全、防止事故發(fā)生。

二、需求分析

2.1 功能要求

系統需要實(shí)施監控鐵路隧道施工安全情況，如圖1系統架構，我們將半導體激光器架設在穩定地圍巖上，作為參考基準點(diǎn)。需要觀(guān)察的不穩定圍巖出架設我們設計的系統，通過(guò)CCD感應光斑的位置，從而反映圍巖下沉的情況。

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2.2 性能要求

系統需要高精度地反映鐵路圍巖下沉的狀況，需要排除外界干擾因素等影響，比如外界溫度，濕度都會(huì )影響光線(xiàn)傳播的路徑;外界光線(xiàn)過(guò)強，會(huì )造成CCD飽和失真等等。我們需要消除這些因素，從而達到高精度、高可靠性等特點(diǎn)

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

系統硬件結構如圖2所示：采用AVR EVK1105評估套件為基礎，它是采用32位的AT32UC3A0512為核心處理器，外擴256M SDRAM，64M FLASH的評估套件。數據采集部分采用東芝線(xiàn)陣光電耦合器件(CCD)采集隧道下沉位置信息，溫濕度傳感器采集隧道環(huán)境信息，光線(xiàn)傳感器采集外界光強度信息。顯示部分采用板上的QVGA(320×240)彩色LCD液晶顯示，顯示數據采集部分采集的信息。由于系統需要進(jìn)行長(cháng)時(shí)間地工作，對采集的信息需要做相應的處理，需要顯示每分鐘/每小時(shí)/每天/每月這四個(gè)界面，從而直觀(guān)地反映鐵路隧道短期和長(cháng)期的安全情況，評估和預測未來(lái)的走勢?？刂撇糠植捎冒迳系挠|摸選擇按鍵，達到顯示不同界面的效果。數據可以通過(guò)板上的SD/MMC接口進(jìn)行數據儲存，也可以通過(guò)以太網(wǎng)接口將數據傳輸到監控中心。當超過(guò)設定的閾值，可以通過(guò)板上的高保真音頻接口發(fā)出語(yǔ)音提示，設定的報警提示內容可以存儲在板上的FLASH當中。

以上敘述為站點(diǎn)1的接口，其他站點(diǎn)與站點(diǎn)1類(lèi)似，用于監測鐵路隧道的各個(gè)節點(diǎn)，都可以通過(guò)以太網(wǎng)接口將數據傳輸到監控平臺，從而反映整條鐵路隧道的整體情況。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

硬件平臺選用：32位的AVR EVK1105是基于A(yíng)T32UC3A0512的評估套件。

使用到板上資源：320×240 QVGA 彩色液晶LCD顯示器，外展256M SDRAM，64M FLASH，SD/MMC接口，以太網(wǎng)接口，光線(xiàn)傳感器，觸摸按鍵，高保真音頻解碼等。

3.3系統軟件架構

如圖3所示，系統首先采集三個(gè)重要信息：光斑位置、溫濕度和外界光強度。根據相應的數據算發(fā)，消除溫濕度和外界光強都光斑位置的影響。如果超過(guò)設定的閾值，采用板上的高保真語(yǔ)音進(jìn)行語(yǔ)音提示。處理后的數據由SD卡數據存儲、LCD液晶顯示和以太網(wǎng)數據傳輸。

3.4 系統軟件流程

3.4 系統預計實(shí)現結果

圖4是我們前期采用筆記本顯示和處理數據，整個(gè)系統龐大。預先采用AVR開(kāi)發(fā)套件，完成相應模塊的驅動(dòng)和設計，小型化、實(shí)用化，應用到實(shí)際的工程項目當中。