專利名稱：一種高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及路基與土石壩變形監測系統技術領域，具體地，涉及一種高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統。
背景技術：
路基與土石壩指的是按照路線位置和一定技術要求修筑的作為帶狀構造物，是鐵路、公路和水利工程的基礎，一般用土料、石料或混合料修筑而成。路基(subgrade, substructure),是由填筑或開挖而形成的直接支承軌道的結構，也叫做線路下部結構。路基與橋梁、隧道相連，共同構成一條線路。路基依其所處的地形條件不同，有兩種基本形式:路堤和路暫，俗稱填方和挖方。鐵路路基的作用是在路基面上直接鋪設軌道結構。因此，路基是軌道的基礎，它既承受軌道結構的重量，即靜荷載，又同時承受列車行駛時通過軌道傳播而來的動荷載(參見路基荷載)。路基同軌道一起共同構成的這種線路結構是一種相對松散連結的結構形式，抵抗動荷載的能力弱。建造路基的材料，不論填或挖，主要是土石類散體材料，所以路基是一種土工結構。因而路基經常受到地質、水、降雨、氣候、地震等自然條件變化的侵襲和破壞，抵抗能力差。因此，路基應具有足夠的堅固性、穩定性和耐久性。對于高速鐵路，路基還應有合理的剛度，以保障列車高速行駛中的平穩性和舒適性。路基本體包括用天然土、石所填筑的路堤和在天然地層中挖出的路塹，它直接支撐軌道，承受通過軌道的列車荷載，是路基的主體。路基本體根據地質條件和填筑材料的不同，又可分為路堤、路塹、半路堤、半路塹、半堤半塹、不填不挖路基六種基本形式。
但是，目前路基監測的手段，存在測量效率低、測量誤差大、測量成本高、測量參數不全面、不能實現自動監測等不足，不能滿足我國道路高速發展特別是客運專線運行的需要。土石壩泛指由當地土料、石料或混合料，經過拋填、輾壓等方法堆筑成的擋水壩。當壩體材料以土和砂礫為主時，稱土壩、以石渣、卵石、爆破石料為主時，稱堆石壩；當兩類當地材料均占相當比例時，稱土石混合壩。目前，土石壩是世界壩工建設中應用最為廣泛和發展最快的一種壩型。隨著科技的進步和國民經濟的發展，水利水電工程的建設規模和速度都在快速增長，隨之而來的各種工程事故也層出不窮，所以，大壩的變形監測工作就顯得尤為重要。我國相關規范規定，大壩變形是安全監測中重要的必測項目，已受到水利水電工程界的廣泛重視。土石壩的觀測工作是通過各種儀器設備和工具，對正在施工和投入運用的結構物的變形、應力和滲流以及結構內部和其他集中的孔隙水壓力，進行經常的、系統的觀察和測量是檢驗、預測、法律和研究所必需的。土石壩自動化監測系統的建設是一項復雜的系統工程，它不僅要實現對現場采集單元的控制和數據遠傳功能，而且涉及了大量基于水工專業知識和統計理論知識的數據監控和報警問題。在實現本實用新型的過程中，發明人發現現有技術中至少存在效率低、誤差大、成本高、精確度低和自動化程度低等缺陷。
實用新型內容本實用新型的目的在于，針對上述問題，提出一種高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，以實現效率高、誤差小、成本低、精確度高和自動化程度高的優點。為實現上述目的，本實用新型采用的技術方案是:一種高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，包括依次連接的監測單元、數據采集單元、數據庫管理單元、無線通信單元和遠程監管中心。進一步地，所述監測單元，包括依次連接至所述數據采集單元的位移傳感器和傳感器適配電路。進一步地，所述位移傳感器，包括差分GPS位移監測裝置。進一步地，所述數據庫管理單元，包括微控制單元，以及分別與所述微控制單元連接的存儲單元和外部輔助設備；所述數據采集單元與存儲單元連接，所述無線通信單元與微控制單元連接。
進一步地，所述外部輔助設備，包括分別與所述微控制單元連接的串行接口擴展和并行光電隔離接口。進一步地，所述無線通信單元，包括分別與所述微控制單元連接的GPRS傳輸模塊和GPS模塊。進一步地，所述遠程監管中心，包括設在室內、且具有數據接收軟件的計算機。本實用新型各實施例的高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，由于包括依次連接的監測單元、數據采集單元、數據庫管理單元、無線通信單元和遠程監管中心，可以實現對路基變形的全天候、實時監測；從而可以克服現有技術中效率低、誤差大、成本高、精確度低和自動化程度低的缺陷，以實現效率高、誤差小、成本低、精確度高和自動化程度高的優點。本實用新型的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本實用新型而了解。下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。
附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本實用新型的實施例一起用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的限制。在附圖中:圖1為本實用新型高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統的工作原理示意圖；圖2為本實用新型高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統中數據庫管理單元的工作原理示意圖；圖3為用于高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統和監測中心溝通的無線通信單元的工作原理示意圖；圖4為本實用新型高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統的工作流程示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用于說明和解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。根據本實用新型實施例，提供了一種高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，可以實現對路基與土石壩整體沉降變形、局部沉降與變形、截面內不同層的沉降與變形的長時間實時自動監測，主要技術性能指標達到國際先進水平。如圖1-圖4所示，本實施例的高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，主要包括監測單元、數據采集單元、無線通信單元和數據庫管理單元等。該高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統的設計和應用不僅具有重要的現實意義，而且具有重要的科學意義，將對推動和發展數字化、智能化道路工程發揮積極的作用。在圖1-圖4中，本實施例的高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，包括依次連接的監測單元、數據采集單元、數據庫管理單元、無線通信單元和遠程監管中心。其中，上述監測單元，可以包括依次連接至數據采集單元的位移傳感器和傳感器適配電路。數據庫管理單元，可以包括微控制單元，以及分別與微控制單元連接的存儲單元和外部輔助設備；數據采集單元與存儲單元連接，無線通信單元與微控制單元連接。無線通信單元，可以包括分別與微控制單元連接的GPRS傳輸模塊和GPS模塊。遠程監管中心，可以包括設在室內、且具有數據接收軟件的計算機。具體地，上述位移傳感器，可以包括差分GPS位移監測裝置。外部輔助設備，可以包括分別與微控制單元連接的串行接口擴展和并行光電隔離接口。上述實施例的實施例的高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，利用遠程監測的思想，旨在研制一種能對現場儀器進行無線遙測和數據自動回收的遠程監測系統，不但可將現場的監測數據傳回中心站，也可把中心站的指令傳到現場的監測儀器中，這樣可以大幅度提高工作效率和提高監測的實時性。上述實施例的實施例的高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，首先使用激光技術、無線網絡傳輸技術、各種先進傳感技術等現代高新成熟技術實現對一段范圍的路基沉降與變形的全面實時監測。在研究這四種自動測量與數據采集技術即①路基與土石壩分層沉降自動測量與數據采集技術、②路基與土石壩橫向剖面變形自動測量與數據采集技術、③地面激光自動掃描測量技術和④數據采集與遠程傳輸技術等的基礎上，獲得一套完整的高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，實現對路基與土石壩整體沉降和變形、局部沉降與變形、截面內不同層的沉降與變形的長時間實時自動監測，克服已有技術的缺點，滿足對路基與土石壩沉降與變形監測的要求，同時提供路基與土石壩沉降與變形的變化規律，為控制沉降與變形提供試驗依據，為我國山區高速公路與水利建設提供技術支持。該高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，主要包括用于監測系統現場的數據采集單元、計算機數據接收軟件(即數據庫管理單元)、GSM無線傳輸模塊和遠程數據接收單元(即無線通信單元，可以由GSM無線傳輸模塊和遠程數據接收單元共同構成)。具體如下:1、用于監測系統現場的數據采集單元，主要包括:(I)路基 與土石壩分層沉降自動測量與數據采集裝置:按基于分層沉降儀的構想，實現對路基與土石壩一個截面內不同層的垂直沉降與橫向位移的自動測量與數據采集，測量靈敏度小于0.2mm,且滿足不同現場需要的分層要求；系統采用多個霍爾器件對磁性定位環進行觸發，采用滾輪法測量得到磁性定位環垂直沉降，采用傾角傳感器得到兩個相鄰磁性環對應的測斜(即橫向位移)，實現對路基與土石壩分層沉降與橫向位移的同時測量。(2)路基與土石壩橫向剖面變形自動測量與數據采集裝置:按基于傾斜法的原理實現對路基與土石壩橫向剖面內不同點的沉降的自動測量與數據采集，測量靈敏度小于
0.1mm，采樣間隔小于500mm。按照基于傾斜法的原理，采用主動、被動步進電機協調實現對路基與土石壩橫向剖面內不同點的沉降的自動連續掃描測量的技術方案，巧妙地解決了長管道數據傳輸的技術難題，研制了測量系統，成功應用于現場，實現了對路基與土石壩橫向剖面變形的自動測量。利用基于傾斜法的原理來實現對路基與土石壩橫向剖面沉降變形的測量，采用自動控制和無線傳輸技術，實現橫向剖面內不同點的沉降變形的自動測量與數據米集。測量時，高精度傾角傳感器兩邊 用鋼絲繩，分別由電機帶動，可在測斜管內自由滑動。利用軸角編碼器確定測量步長，每500_為一測點，自動控制電機停止、轉動。一次自動測量結束，各測點的傾斜測量數據通過無線網絡傳輸到終端，進行處理和分析。(3)地面激光自動掃描測量裝置:安裝在地面基準點上的激光掃描，分別對設在路基與土石壩分層沉降自動測量裝置上的探測器(該探測器安裝在頂部且露出地面)和設在剖面變形自動測量裝置上的探測器進行掃描，自動得到這些監測點相對于基準點的沉降量，從而能得到與以上測量裝置一道得到不同層的絕對沉降量。沉降板與表面地基相連，隨表面沉降而沉降，與沉降板固定相連的桿上固定兩個已知距離的點光源(相當于星點)，在一基準點安裝自行設計的星點位置觀察裝置，由于基準點選擇在沒有沉降或者沉降量很小處(相比被監測路基)，并且此基準點可以與國家2、3級水準點建立聯系，形成監測網絡，保證監測的可靠性。當沉降板向下沉降時，其上安裝的點光源同樣沉降，使用觀察裝置可以得到點光源的沉降量，即為路基的表面沉降量。上述三種數據采集單元構成的高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統的總體設計方案參見圖1。在圖1中，該高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統主要包括以下幾個部分:監測單元、數據采集單元、無線發送單元(即無線通信單元)和數據庫管理單元。該高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統中的數據采集單元具有多種類型的接口，可以接收不同形式的測試數據，具有一定的可擴性。(4) GPS位移數據采集系統:數據采集器(即數據庫管理單元)由主控單片機(即微控制單元)、數據存儲器、串行接口擴展、并行光電隔離接口等，參見圖2。無線通信單元中的GPS模塊將接收到的觀測數據由串行擴展接口傳送至主控單片機(即微控制單元)，經單片機(即微控制單元)壓縮、編碼和TCP/IP數據封裝后，再通過串行接口送至GPRS傳輸模塊。數據存儲器(即存儲單元)用于暫存處理后的觀測數據，用于保存一些系統啟動時的設置參數。串行接口擴展電路將單片機并行總線擴展為4個可同時工作的串行接口，分別與GPS接收機(即GPS模塊)、GPRS傳輸模塊及其它測量儀器連接。并行光電隔離接口作用是將外部開關量傳感器與采集器內部電路從電氣上完全隔開，以防止雷擊和其它干擾信號串入內部系統。2、計算機數據接收軟件(即遠程監管中心)主要包括:[0044]該高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統的計算機數據接收軟件是用VB語言編寫的，VB語言是一種結構化的編程語言，采用了面向對象的結構方式和組件式的編程理念，整個程序結構緊湊，易于維護和升級。管理員首先把“監測地點”、“監測時間”、“監測頻率”、“監測生成的數據文件名稱”等信息寫入文件中，放在特定的路徑下。數據接收程序到固定的路徑下取出該文件，對其進行操作。數據擬合完畢后，把數據以數據文件的形式存到預先設定的目錄下。3、GSM通訊模塊(即無線通信單元)GSM通訊模塊是用于高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統和室內監測中心站(即遠程監管中心)的橋梁，前端監測系統(即高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統中的監測單元、數據采集單元和數據庫管理單元)中的監測數據傳回中心站和前端監測系統的參數設置由中心站傳回前監測系統均需通過通訊模塊進行數據交換，其基本工作流程參見圖3。該高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統的前端監測系統，能夠完成變形數據的自動采集和數據處理，并自動存儲在前端監測系統內部的數據存儲器中，當室內中心站發出查詢指令后，通過GSM通訊模塊便可查詢現場監測儀器中數據存儲器內的數據。為滿足用戶的不同要求，在不需要無線通訊時，只需將前端監測系統與計算機直連，無須購買通訊模塊；若需要無線數據通訊，前端監測系統可通過傳輸模塊與計算機實現無線通訊。為此，可以將GPRS傳輸模塊設計成具有獨立功能的模塊，沒有將其嵌入前端監測系統內部。上述實施例的高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，具有以下特點:(2) 將激光掃描測量技術應用各監測點位置的探測，能得到絕對沉降量；⑵研制分層沉降自動測量裝置和橫向剖面變形自動測量裝置，實現對路基與土石壩沉降及變形的全面監測 ，能得到路基與土石壩的全面信息；⑶采用無線網絡傳輸技術，實現遠程監測，既能減少后續測量成本，又能實現對路基與土石壩的長時間實時監測，得到路基與土石壩變化規律與趨勢，能起到預警作用。上述實施例的高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，差分GPS位移監測、GPRS網絡數據實時傳輸和TCP/IP協議組網等較先進技術，可以實現對路基變形的全天候、實時監測；該高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，本監測系統已在廈蓉高速公路高填方路基變形監測中應用，實施效果良好，具有以下優點:⑴功耗低:網絡觀測點的功耗必須較低，自帶電池能夠使用較長時間，至少能支持一個月以上時間，以免給人工換電池工作帶來不便；⑵可以自組網工作:在荒郊野外等偏僻地方缺少外界基站設備支持時，能夠自動組網即可正常工作，減少對外界的依賴性；⑶可擴展性好:由于邊坡處于不同狀態時，可以人為動態調整觀測點個數，如邊坡穩定性程度差的地方可以加入新的觀測點、對于邊坡穩定性程度好的地方可以減少觀測點、某些階段性任務完成的觀測點可以移除等。⑷可修復性好:由于邊坡大都處在人跡稀少的地方，人工維護不便，成本較高，需要網絡自身在節點出現故障失效時，能夠進行自我修復，保證整個網絡數據傳輸和可靠運行；(5)網絡容量大:由于監測面積較大，需要觀測的節點較多，需要網絡容量足夠大，能夠支持大規模觀測點的數據監測；(6)節點成本低:由于監測的觀測點數目較多，需要網絡節點的成本低，減少網絡的布設成本；(7)運營成本低:由于需要長期監測，布設完成后，最好不會再產生額外費用，降低整個監測系統的運營成本。最后應說明的是:以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，并不用于限制本實用新型，盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型 的保護范圍之內。
權利要求1.一種高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，其特征在于，包括依次連接的監測單元、數據采集單元、數據庫管理單元、無線通信單元和遠程監管中心。
2.根據權利要求1所述的高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，其特征在于，所述監測單元，包括依次連接至所述數據采集單元的位移傳感器和傳感器適配電路。
3.根據權利要求2所述的高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，其特征在于，所述位移傳感器，包括差分GPS位移監測裝置。
4.根據權利要求1所述的高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，其特征在于，所述數據庫管理單元，包括微控制單元，以及分別與所述微控制單元連接的存儲單元和外部輔助設備；所述數據采集單元與存儲單元連接，所述無線通信單元與微控制單元連接。
5.根據權利要求4所述的高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，其特征在于，所述外部輔助設備，包括分別與所述微控制單元連接的串行接口擴展和并行光電隔離接□。
6.根據權利要求1所述的高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，其特征在于，所述無線通信單元，包括分別與所述微控制單元連接的GPRS傳輸模塊和GPS模塊。
7.根據權利要求1所述的高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，其特征在于，所述遠程 監管中 心，包括設在室內、且具有數據接收軟件的計算機。
專利摘要本實用新型公開了一種高填方路基與土石壩變形無線實時監測系統，包括依次連接的監測單元、數據采集單元、數據庫管理單元、無線通信單元和遠程監管中心。本實用新型所述高填方路基變形與土石壩無線實時監測系統，可以克服現有技術中效率低、誤差大、成本高、精確度低和自動化程度低等缺陷，以實現效率高、誤差小、成本低、精確度高和自動化程度高的優點。
文檔編號E02D33/00GK203129117SQ20132008121
公開日2013年8月14日 申請日期2013年2月21日 優先權日2013年2月21日
發明者劉升傳, 朱建國, 張志建, 李永荃, 楊志峰, 張國棟, 沈贛華, 段輝林 申請人:新疆北新路橋集團股份有限公司