隧道安全監測系統的技術(shù)實(shí)現方案，軟硬件架構

一、項目概述

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

傳統的鐵路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。它們共同的特點(diǎn)是不能實(shí)時(shí)監控、成本高等。我們基于FPGA構造了隧道安全監控系統具有高精度、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò )化等優(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，從而反映鐵路隧道圍巖下沉的情況。

圖1 系統架構

2.2 性能要求

系統需要高精度地反映鐵路隧道圍巖下沉的狀況，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，從而達到高精度的特點(diǎn)。從圖2中可以看到兩者CCD采集到的數據，它們都有不同程度的干擾，基于FPGA的IP核設計思想，采用濾波算法將外界干擾信號消除，提取出有用信號，真實(shí)地反應鐵路圍巖隧道下沉的狀況。

圖2 CCD采集到的兩組數據

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

系統硬件結構如圖3所示：采用XILINX Spartan-6評估套件為基礎，它是采用XC6LX16-CS324為核心處理器，外擴16M RAM，16M PCM和16M PCM的評估套件。CCD采用天津耀輝光電有限公司生產(chǎn)的USB CCD采集卡，所以采用開(kāi)發(fā)板上的USB Host模塊，將CCD采集到的數據傳輸到RAM中?；贔PGA的IP核設計思想，采用濾波算法將外界干擾信號消除，提取出有用信號。經(jīng)過(guò)處理后數據由板上的四位數碼管顯示，并通過(guò)以太網(wǎng)傳輸到監控中心。

圖3 系統硬件結構框圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

硬件平臺選用：XILINX Spartan-6 Nexys™3 Spartan-6 FPGA Board。

使用到板上資源：USB Host，數碼管，以太網(wǎng)，按鍵，LED等。