基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監測預警系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種監測預警系統，特別涉及一種基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監測預警系統及方法。
【背景技術】
[0002]隨著我國公路網的不斷完善及中西部大開發戰略的不斷實施，高速公路逐步向崇山峻嶺地區邁進，公路隧道的數量和通車里程迅速增加，其面臨的氣象、水文地質、圍巖類型、地形地貌等情況越來越復雜，導致隧道襯砌剝落、掉塊、塌方、滲漏、涌水等病害越來越多，已嚴重影響到行車安全，降低了隧道的服務水平。同時，隨著特長、長隧道數量的不斷增多，隧道內火災發生的可能性不斷增大，一旦發生火災，若不及時發出預警信息，不能及時撲滅，將導致嚴重的人員傷亡和財產損失。因此，針對運營隧道健康監測預警中一系列問題進行深入系統的研究，是我國公路隧道工程界新一輪的重大課題。
[0003]目前，隧道健康監測預警常用的措施主要有傳感器監測法(土壓力盒、鋼筋應力計以及表面應變計等)、人工定期巡檢、地質雷達探測等，其中最常用的為傳感器監測法，其通過埋設傳感器以監測支護結構應力、應變及其與圍巖的接觸壓力等，從而定性了解隧道結構健康狀況。然而，由于傳統的傳感器為點式監測，若需對隧道進行全面的健康監測，所需布設的傳感器數量較大，布設作業費時費力，且成本較高。在運營隧道火災監測方面，常用的措施主要是視頻監測法，即通過安裝攝像頭及視頻管理單元，通過視頻監控進行火災預警，但由于隧道為封閉空間，內部空氣污濁，能見度減低，加之攝像頭存在盲區，導致視頻監測法空間適用性差、火災預警準確度低。總之，上述監測預警措施由于其自身的技術缺陷，導致其難以推廣普及，從而嚴重制約了運營隧道健康監測預警技術的實際應用。因此，隨著現代隧道技術的不斷發展，急需研發一種精度高、全方位、適應性強、自動化程度高的隧道健康監測預警方法。
【發明內容】
[0004]本發明針對現有運營隧道健康監測預警技術中存在的問題，提供一種預警準確度高以及抗干擾能力強的基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監測預警系統及方法。
[0005]本發明的目的是通過以下技術手段實現的:
[0006]一種基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監測預警系統，其特征在于:所述基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監測預警系統包括預警子系統、數據處理子系統、無線傳輸子系統、數據采集子系統以及設置在隧道襯砌混凝土表面的光纖傳感子系統；所述數據采集子系統通過光纖傳感子系統對隧道現場進行實時在線監測，獲取隧道實時監測信號，同時將隧道實時監測信號轉換為電信號；所述無線傳輸子系統將數據采集子系統采集并轉換得到的電信號進行遠距離傳輸至數據處理子系統；所述數據處理子系統接收到無線傳輸子系統發送來的電信號后，將該電信號與數據處理子系統的預定閾值進行比較，并將比較結果通過預警子系統進行預警任務。
[0007]作為優選，本發明所采用的光纖傳感子系統包括沿隧道拱圈環向布設的一條或多條環向傳感光纖、布設在隧道任意一側電纜溝內的溫度補償光纖以及布設在隧道拱頂、兩側拱肩以及兩側拱腰位置的縱向傳感光纖；所述環向傳感光纖是多條時，相鄰環向傳感光纖間距不大于1m ;所述多條環向傳感光纖通過設置在隧道拱腳部位的過渡段傳感光纖連接；所述環向傳感光纖、溫度補償光纖以及縱向傳感光纖分別與數據采集子系統相連。
[0008]作為優選，本發明所采用的數據采集子系統包括光纖分析儀以及光電轉換器；所述環向傳感光纖、溫度補償光纖以及縱向傳感光纖分別通過光纖分析儀接入光電轉換器；所述光電轉換器接入無線傳輸子系統。
[0009]作為優選，本發明所采用的光纖分析儀的工作波長的范圍是1550±5nm，所述光纖分析儀的最大動態范圍宜為15dB，所述光纖分析儀的應變測試精度宜為±10μ ε，所述光纖分析儀的頻率掃描間隔為50MHz ;所述光電轉換器的通信速率不小于115Kbps，所述光電轉換器的誤碼率應小于10%。
[0010]作為優選，本發明所采用的無線傳輸子系統包括數據傳輸接口以及與數據傳輸接口相連的無線數據發送系統；所述光電轉換器將采集并轉換得到的電信號傳輸至數據傳輸接口 ；所述無線數據發送系統通過無線的方式將數據采集子系統采集并轉換得到的電信號進行遠距離傳輸至數據處理子系統。
[0011 ] 作為優選，本發明所采用的數據傳輸接口是USB接口 ；所述無線數據發送系統是GPRS數據發送系統。
[0012]作為優選，本發明所采用的數據處理子系統包括無線數據接收系統、用于設置預警信息的設置單元以及用于判斷接收到的電信號是否達到預警信息并將預警信息進行預警發送的判據單元；所述無線數據發送系統通過無線的方式將數據采集子系統采集并轉換得到的電信號進行遠距離傳輸至無線數據接收系統；所述無線數據接收系統通過設置單元接入判據單元；所述預警信息包括但不限于隧道掉塊參數、隧道塌方參數、隧道滲漏參數、隧道火災參數以及隧道襯砌剝落參數；所述無線數據接收系統是GPRS數據接收系統。
[0013]作為優選，本發明所采用的預警子系統包括安全預警平臺以及與安全預警平臺相連的短信發送服務器；所述設置單元將預警信息依次通過安全預警平臺以及短信發送服務器發送進行預警任務；所述安全預警平臺包括Web平臺以及與Web平臺相連的數據服務器。
[0014]一種基于如前所述的基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監測預警系統運營隧道健康監測預警方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟:
[0015]I)在隧道襯砌混凝土表面設置光纖傳感子系統，所述沿隧道拱圈環向布設一條或多條環向傳感光纖，在隧道任意一側電纜溝內布設溫度補償光纖以及在隧道拱頂、兩側拱肩以及兩側拱腰位置布設縱向傳感光纖；
[0016]2)利用數據采集子系統對光纖傳感子系統的應變以及溫度數據進行實時在線監測，并通過數據采集子系統的光電轉換器將所監測到的實時監測數據轉換為電信號；
[0017]3)通過無線傳輸子系統將步驟2)采集并轉換得到的電信號發送至數據處理子系統中；
[0018]4)數據處理子系統接收到步驟3)所發來的電信號后，對實時監測數據進行實時標準超限對比分析，若無超限數據，直接返回步驟2);若存在超限數據，則進行步驟5);
[0019]5)將步驟4)中的超限數據與設定的預警參數進行對比分析，進行分級預警，產生分級預警結果；
[0020]6)通過預警子系統將分級預警結果進行預警發送。
[0021]本發明的優點是:
[0022]本發明針對現有運營隧道健康監測預警系統中存在的問題，公開了一種基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監測預警系統及其控制方法，該監測預警系統包括光纖傳感子系統、數據采集子系統、無線傳輸子系統、數據處理子系統以及預警子系統；光纖傳感子系統主要由環向傳感光纖和縱向傳感光纖組成，其分布在隧道襯砌混凝土上；數據采集子系統主要包括分布式光纖應變、溫度測量儀及數據轉換單元，可對隧道現場進行實時在線監測，并將監測信號轉換為電信號；無線傳輸子系統將電信號遠距離傳輸至隧道監控室內的數據處理子系統；數據處理子系統可將監測數據與預定閾值進行比較，對隧道健康狀況進行分級預警；預警子系統通過安全預警平臺、短信單元將預警信息以手機短信形式發送至隧道管理人員的手機上。本發明可實現對運營隧道襯砌剝落、掉塊、塌方、滲漏、涌水、火災等災害的實時在線監測，其具有成本低、施工方便、抗干擾能力強、空間適用性強、自動化程度高、預警準確度高等優點。具體而言，本發明具有以下優點:
[0023]I)本發明所采用的傳感光纖具有施工方便、體積小、重量輕、性能穩定、靈敏度高、易于實現自動化監測等優點；
[0024]2)本發明利用環向傳感光纖、縱向傳感光纖鋪設成網狀，形成了覆蓋面較廣的光纖監測網，避免了傳統點式監測法的缺陷，實現對隧道的全方位監測，且提高了監測預警的準確性。
[0025]3)本發明利用溫度補償光纖對環向傳感光纖、縱向傳感光纖的監測數據進行修正，進一步提高了監測數據的精確度。
[0026]4)本發明利用傳感子系統可對隧道結構應變、溫度進行多維度監測，從而提供較為全面的隧道健康信息，主要包括隧道襯砌剝落、掉塊、塌方、滲漏、涌水、火災等災害信息。
[0027]5)本發明利用光電轉換器將所監測的光信號轉換為電信號，最大程度的減小了數據傳輸過程中的誤碼率，保證監測信息的準確度。
[0028]6)本發明根據隧道現場反饋信息，通過設置單元和判據單元可人為設定災害等級參數，從而提供更加精準的隧道健康分級預警信息。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明所提供的基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監測預警系統的結構示意圖；
[0030]圖2為本發明所采用傳感光纖布設位置的橫斷面圖；
[0031]圖3為本發明所采用的系統方框示意圖；
[0032]圖4為本發明所采用的總程序流程圖；
[0033]附圖標記說明如下:
[0034]1-光纖傳感子系統；2_數據采集子系統；3_無線傳輸子系統；4_數據處理子系統；5_預警子系統；6_手機客戶端；11_環向傳感光纖；12_縱向傳感光纖；13_溫度補償光纖；21_光纖分析儀；22_光電轉換器；31_數據傳輸接口 ；32_無線數據發送系統；41_無線數據接收系統；42_設置單元；43_判據單元；51_安全預警平臺；52_短信發送服務器；511-Web平臺；512-數據服務器；521_SMS應用軟件；522_SMS短信網關。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖和具體的實施例對本發明的系統及其控制方法做進一步的詳細說明:
[0036]參見圖1、圖2、圖3，本發明提供了一種基于分布式光纖傳感的運營隧道健康監測預警系統包括光纖傳感子系統1、數據采集子系統2、無線傳輸子系統3、數據處理子系統4以及預警子系統5 ;光纖傳感子系統I布設在隧道襯砌混凝土表面；數據采集子系統2對隧道現場進行實時在線監測，并將監測信號轉換為電信號