一種基于準直激光成像的橋墩沉降在線監測與預警系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種基于準直激光成像的橋墩沉降在線監測與預警系統，它采用有線或無線通訊的方法將激光光斑成像技術測量沉降儀串聯起來，以基準點發出激光到被測橋墩，從而測得被測橋墩的沉降，而該橋墩發出指向下一個被測橋墩的激光，從而測得下一個被測橋墩的沉降，這樣串聯一起可以將橋墩沉降測量出來。激光沉降儀由三部分組成：激光光源，光斑成像及圖像處理部分和是通訊模塊；通訊模塊可以控制激光光源和圖像處理模塊。本發明利用激光沉降儀、數據路由控制器、網絡、服務器、客戶端等組成完整的系統用于在線監測的所有橋墩的沉降情況，在系統發生危險的時候，發出系統預警，供系統運行決策者參考。
【專利說明】一種基于準直激光成像的橋墩沉降在線監測與預警系統
【技術領域】:
[0001]本發明屬于地基沉降安全監測領域，一般涉及土木工程、電子、光電子、信息處理、計算機軟件等【技術領域】。
技術背景
[0002]目前，沉降監測主要采用監測樁、沉降杯、沉降板、磁環沉降儀、水壓式剖面沉降儀和水平測斜儀、智能全站儀、各類靜力水準儀(包括光纖光柵式、電容式、CXD式)、壓力變送器等。這些監測設備效率低、誤差大、成本高、測量參數不全面，安裝十分復雜。難以在大規模的鐵路工程中廣泛中使用。
[0003]本發明采用的基于準直激光成像的橋墩沉降在線監測與預警系統，采用準直激光、光電成像技術、圖像處理技術、無線通訊技術、計算機軟件技術實現實時在線監測，實時預警，具有安裝簡單，易聯網等優點。
【發明內容】
[0004]本發明利用激光的單向性，一個測量點的激光光源將激光對準另外一個測量點的成像靶面，光電成像器件對光斑進行拍照，經過圖像處理的方法找出激光光斑的中心位置，經信號處理系統處理后通過通訊模塊將數據發送到服務器，以記錄其初始的光斑位置。當其中某個測量點發生了沉降，光斑位置發生改變，系統將對光斑拍照，經過同樣的處理，記錄數據，根據測量數據的對比，即可得到沉降的相對位置ΛΧ、ΛY。激光沉降儀包括激光光源、成像靶面、光電成像器件、圖像處理系統和通訊模塊。
[0005]若第一測試點是參考點，即該位置不發生沉降，那么從第二測試點獲得的數據即為第二測試點點的沉降數據，第三測試點的沉降數據可以根據第二測試點的數據進行推算得到，其余測試點的沉降數據可以通過同樣的方法得到。
[0006]將激光沉降儀級聯構成測量系統。在一個測量系統內，應有一個激光沉降儀中包含數據路由器，數據路由器的功能是重組該測量系統的數據。測量系統、通訊網絡和客戶端構成基于準直激光成像的橋墩沉降在線監測與預警系統。其中，上位機或服務器可以是客戶端的一部分。
[0007]根據這一系統，采用的通訊網絡使相鄰測試點之間可以進行數據通訊，從而將自身的沉降計算出來；采用的網絡技術也可以使激光沉降儀和客戶端或服務器之間雙向通τΗ ο
[0008]根據這一系統，所述的客戶端可以是一臺電腦或可以訪問服務器智能設備。客戶端可以控制激光沉降儀何時進行數據測量、何時停止測量、同時將數據返回；客戶端可以知道激光沉降儀的工作狀況，如果激光沉降儀發生故障，服務器可以獲得故障的錯誤代碼，以便知道怎樣排除故障。
[0009]根據這一系統，發生通訊故障的時，激光沉降儀應該根據設定的測試周期進行測試，并將數據保存在激光沉降儀內，在數據通訊恢復后可以重新遞交數據，每臺沉降儀應該可以保存至少7天的測試數據。數據路由器也應該具有該項功能，即在數據通訊服務中斷的時，存儲激光沉降儀上報的數據，當數據通訊恢復時，數據路由器可以將數據上傳，數據路由器應該有不可揮發的存儲空間，即使斷電的情況下，數據也不會丟失。從客戶端到激光沉降儀之間的通訊環節，客戶端應該了解數據的全部傳輸過程。
[0010]根據這一系統，激光沉降儀的測試數據在系統設定后，系統的數據錄入是完全自動的，在發生故障的情況下，系統也支持手動導入數據，可以利用專用軟件導入。
[0011 ] 根據這一系統，系統可以自動產生數據報表，數據報表可以根據業務需求進行定制，系統也提供怎樣定制報表的功能。
[0012]根據這一系統，系統可以設定某一個激光沉降儀的閾值，或所有激光沉降儀的測量閾值，在測量數據超過閾值后，系統可以發出系統預警，系統也可以定義一個數學模型，該數學模型的報警設定可以是依據一個或多個激光沉降儀的數據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1:本發明安裝于鐵路橋墩采用級聯使用的示意圖。其中激光沉降儀安裝于鐵路橋墩的墩頂。一般地，激光沉降儀包括，成像靶面，光電成像器件，圖像處理系統，通訊模塊，激光光源等。
[0014]圖2:本發明的系統圖，激光沉降儀安裝于鐵路橋墩的墩頂，一組的激光沉降儀中，第一個只需要激光光源和通訊模塊，中間的激光沉降儀一般包含成像靶面、激光成像光電成像器件、圖像處理系統、通訊模塊、激光光源組合，在最后的一個激光沉降儀后，需要用一個數據路由設備，或稱為上位機，該設備用來協調這一組激光沉降儀的采集、數據獲得等，同時將采集到該設備，然后通過3G網絡或其他以太網物理連接轉發到服務器。其數據路由器可以是Zi曲ee轉以太網路由器，或者是RS-485轉以太網路由器；也可以是一個其他嵌入式系統或電腦系統用來做數據報文的轉化，達到將激光沉降儀的數據發送到服務器的目的。數據路由器和互聯網之間的連接可以是無線網絡如(GPRS、EDGE、3G、LTE、W1-Fi)，也可以是有線網絡，如雙絞線、光纖網絡。圖2中，客戶端是一臺帶有能訪問服務器的電腦，用于呈現各激光沉降儀的沉降測量數據，移動終端是一臺帶有能訪問服務器的移動終端，如智能手機、平板電腦能。
[0015]圖3:本發明對應于物聯網的系統架構圖，其中，激光光源、成像靶面和光電成像器件、圖像處理系統、通訊模塊、報文重新組織、通訊協議轉換等為物聯網感知層；物聯網網絡層是采用無線或有線網絡的網絡層；物聯網應用層主要是軟件系統，包括服務器端的數據自動錄入、數據庫、閾值設定判斷等，客戶端軟件包括人機界面、報表自動生成、信息管理系統等。
具體實施方案
[0016]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述:
[0017]本實施例提供了一種基于準直激光成像的橋墩沉降在線監測與預警系統，該系統包括:物聯網感知層、物聯網網絡層和物聯網應用層。所述物聯網感知層，用于采集激光沉降儀的相對沉降數據；所述物聯網網絡層，用于接收和發送網絡數據，用于在物聯網應用層和感知層之間建立網絡通訊，用于傳遞數據和控制命令；物聯網應用層，將接收到的數據進行計算并判定是否發出報警信號。本實例的物聯網結構見圖3所示。
[0018]如附圖1所示，待測量的鐵路橋墩一般間隔32.5米，即使有些地方間距大于32.5米，一般大于50米就不應該連續監測，就應該分成不同的組，主要是考慮到距離太大，激光在經過太長的距離后就會使激光光斑擴大，影響測量精度。在鐵軌彎曲的地方，不能保證級聯的激光沉降儀在同一線上，在這種情況下應該調整激光沉降儀的激光方向，使激光方向指向下一個激光沉降儀的成像靶面上。一般情況下，激光沉降儀應該安裝于橋墩的墩頂上。
[0019]由于激光沉降儀支持無線Zigbee通訊和RS-485通訊,一般來說采用任何一種通信方式都是可靠的。如果無線通訊沒有很多干擾，建議采用Zigbee的通訊方犯，如果附件有很多電磁干擾、如電廠、無線發射臺等，建議采用有線通訊。
[0020]由數據路由器到互聯網的連接可采用的連接也很多，有GPRS、EDGE、3G、LTE、W1-Fi等無線網絡，也可以采用有線以太網，如雙絞線、光纖網絡等。在本實例中數據路由器采用一個基于Linux的嵌入式系統，它可以接收Zi曲ee的數據，進而將報文組織后，用Linux系統的以太網接口將數據接入互聯網。在本實例中，我們采用了三星S5PV2IOCortex A8CPU為嵌入式系統，采用了 Linux-2.6.35為核心，數據路由器包括了 Zigbee模塊、3G網絡模塊、以太網模塊、RS-485模塊等。
[0021]在服務器端，可以搭建的服務器可以采用自建服務器或采用合適的云服務器，本系統的云服務一般采用Intel Xeon CPU的服務器,可以采用Linux或Windows操作系統。采用SQL數據庫,一般可以采用MySQL或Microsoft SQL Server或Oracle數據庫。采用的服務器模塊可以采用模塊組成，相互之間是獨立的。
[0022]在客戶端，可以采用的解決方案很多，作為本系統的實例，我們采用了微軟的Windows Presentation Foundati6n(WPF)作為開發平臺，采用C++做后臺服務和服務器進行通訊，C#作為WPF的軟件開發語言，實現本系統。
[0023]在發生預警事件時，系統采用網絡SMS服務，將SMS短信和電子郵件發送給相應的負責人。在系統發生故障時，系統也可以采用網絡SMS服務或電子郵件告知系統負責人。
【權利要求】
1.一種基于準直激光成像的橋墩沉降在線監測與預警系統，包括測量系統、通訊網絡和客戶端，其特征在于: 激光沉降儀級聯構成測量系統，一般地，激光沉降儀包括激光光源、成像靶面、光電成像器件、圖像處理系統和通訊模塊；光電成像器件將照射在成像靶面的激光進行拍照，圖像處理系統找出激光光斑的中心位置，經信號處理系統處理后，由通訊模塊發送到客戶端；通訊網絡將測量系統與客戶端有效連接。
2.如權利要求1所述的一種基于準直激光成像的橋墩沉降在線監測與預警系統，其特征在于通訊網絡可以雙向通訊，雙向通訊不僅存在于相鄰測試點之間，也存在于客戶端和測量系統之間。
3.如權利要求1所述的一種基于準直激光成像的橋墩沉降在線監測與預警系統，其特征在于通訊網絡可以無線傳輸或有線傳輸。
4.如權利要求1所述的一種基于準直激光成像的橋墩沉降在線監測與預警系統，其特征在于客戶端可以是一臺電腦或可以訪問服務器的智能設備，其可以控制激光沉降儀工作狀況，了解數據的傳輸過程。
5.如權利要求1所述的一種基于準直激光成像的橋墩沉降在線監測與預警系統，其特征在于激光沉降儀在發生通訊故障時仍可按照設定的工作模式進行工作，并且具有存儲數據的功能，通訊正常時，再將數據上傳。
6.如權利要求1所述的一種基于準直激光成像的橋墩沉降在線監測與預警系統，其特征在于該系統工作時，系統數據的錄入、處理與傳輸是自動進行，發生故障時支持手動導入數據。
7.如權利要求1所述的一種基于準直激光成像的橋墩沉降在線監測與預警系統，其特征在于系統可以設置激光沉降儀的閾值或將系統定義為一個數學模型，偏離時發出系統預m目O
8.如權利要求1所述的一種基于準直激光成像的橋墩沉降在線監測與預警系統，其特征在于測量系統內會包含一個數據路由，其功能是重組該測量系統的數據，并將重組后的數據傳遞給客戶端。
【文檔編號】G01C5/00GK103776420SQ201410013970
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】陳后軍, 陳慶根, 張軍, 禚一, 王云鵬 申請人:鐵道第三勘察設計院集團有限公司, 杭州玨光物聯網科技有限公司