（信号与信息处理专业论文）地铁隧道管壁位移实时监测系统.pdf

地铁隧道管壁位移实时监测系统摘要地铁作为现代组成城市交通运输系统重要的一部分，由于其高速、便捷的特点而广为人们所接受，特别在最近的1 0 年，越来越贴近我们的生活。由于下卧土层的分布不均匀性、隧道临近的建筑施工载荷、地铁列车振动荷载的长期循环作用等因素的影响，地铁管壁会发生一定的位移。当位移超出安全范围，必然会对隧道的结构安全、接头防水造成威胁，影响轨道的平整度，影响正常营运。因此，必须重视隧道的位移在长期营运中的发展情况，并从设计、施工、工程防治、周围环境的影响等综合方面予以控制。本课题主要来源于横向课题，以上海地铁系统为背景，对地铁隧道的内管壁位移进行实时监测。设计了一种基于图像处理的实时监测多点位移的网络监控系统，包括单元地铁站管壁位移实时监测系统和管壁位移信息管理系统两个部分。单元地铁站管壁位移实时监测系统通过图像传感器采集合作目标图像，经过工控机处理后产生位移数据，通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器传输到地铁车站主控计算机上实现图形化显示、系统报警等功能；管壁位移信息管理系统对整个上海地铁隧道位移信息实施集中管理，单元地铁站主控计算将数据通过地铁系统内部局域网发送到控制中心服务器上，实现数据存储和备份，同时控制中心可以对各单元地铁站进行呼叫，启动单元地铁站管壁位移实时监测系统，实现定时采集和数据点播。关键词：地铁隧道、管壁位移、监测ar e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e mi nd i s p l a c e m e n to fm e t r ot u n n e la b s t r a c tm e t r op l a y sa l li m p o r t a n tp a r ti nm o d e mu r b a nt r a n s p o r ts y s t e m b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs p e e da n dc o n v e n i e n c e ，m o l ea n dm o l ep e o p l ec h o o s ei ta st h e i rv e h i c l e p a r t i c u l a r l yi nt h el a s t1 0y e a r s ，m e t r ob e c o m e sm o l ea n dm o r ep r e v a l e n ti no u rh v e s b e c a u s eo ft h eu n e v e nd i s t r i b u t i o no fh o r i z o n t a ll a y e r s ，t h ec o n s t r u c t i o nl o a dn e a rt h et u n n e l ，t h el o n g - t e r mc y c h cv i b r a t i o no ft h e 吨t h ed i s p l a c e m e n to ft u n n e lw i l lo c c u r w h e nt h ed i s p l a c e m e n to v e r r u n st h es e c u r i t yl i n e ，i tw i l lp o s eat h r e a tt ot h es t r u c t u r a ls a f e t yo ft h et u n n e la n dt h ew a t e r p r o o fo ft h ec o n n e c t o r s ，a n dt h e ni tw i l li n f l u e n c et h ef o r m a t i o no ft h et r a c k , a n da f f e c tt h en o r m a lo p e r a t i o n t h e r e f o r e ，w em u s ta t t a c hi m p o r t a n c et ot h es i t u a t i o no ft h ed i s p l a c e m e n to ft h et u n n e li nt h el o n g - t e r mo p e r a t i o n ，a n dw es h o u l dc o n t r o lt h ed i s p l a c e m e n tf r o mt h ei n t e g r a t e ds i d e ，s u c ha sd e s i g n ，c o n s t r u c t i o n ，p r o j e c tc o n t r o l ，t h ei m p a c to ft h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t ，a n ds oo n t h ei s s u ec o m e sm a i n l yf r o mh o r i z o n t a li s s u e s ；i tm o n i t o r st h ed i s p l a c e m e n to ft h em e t r ot u n n e lw i t h i nr e a l t i m e ，u s i n gt h es h a n g h a im e t r os y s t e ma sb a c k g r o u n d w ed e s i g n e dam u l t i - p o i n td i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n gn e t w o r ks y s t e m ，w h i c hi sb a s e do ni m a g ep r o c e s s i n g ，i n c l u d i n gt h em o n i t o r i n gs y s t e m si nd i s p l a c e m e n to ft u n n e li ne v e r ys u b w a ys t a t i o na n dt h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mi nd i s p l a c e m e n to ft u n n e l t h em o n i t o r i n gs y s t e mi ne v e r ys t a t i o na c h i e v e st h ei m a g eo ft h et a r g e tt h r o u g hi m a g es e n s o r , t h e ng e n e r a t e sd i s p l a c e m e n td a t af r o mt h ei p c ，a n dt r a n s m i t st h e s ed a t at ot h em a s t e rc o m p u t e ri ns u b w a ys t a t i o nt h r o u g hr s 2 3 2 r $ 4 8 5c o n v e r t e r t h em a s t e rc o m p u t e ri m p l e m e n t sg r a p h i cd i s p l a ya n dt h es y s t e ma l a r m t h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mi m p l e m e n t sc e n t r a l i z e di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tt ot h ed i s p l a c e m e n to fs h a n g h a im e t r ot u n n e l t h em a s t e rc o m p u t e ri ns u b w a ys t a t i o ns e n d st h ed a t at ot h es e r v e r so ft h ec o n t r o lc e n t r et h r o u g hl a n ，t h e nt h es e v e r ss t o r a g ea n db a c k u pt h e s ed a t a a tt h es a n l et i m e ，t h ec o n t r o lc e n t r ec a l la c t i v a t et h em o n i t o r i n gs y s t e m si nd i s p l a c e m e n to ft u n n e li ne v e r ys u b w a ys t a t i o nf o rd a t ac o l l e c t i o na n dr e g u l a rd e m a n d k e yw o r d s ：m e t r ot u n n e i d i s p i a c e m e n t m o l l i c o ri n g独创声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：彩私即签字日期：矽埤多月尹日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：撕签字日期：y 咆年月，日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：电话：邮编：乙月咔参晰字期签日师字导签地铁隧道管壁位移实时监测系统第一章绪论2 1 世纪以来，城市基础建设日益与人文、自然环境和谐，地下空间进入了一个前所未有的发展阶段。作为地下空间开发旖工技术已在能源、交通领域的隧道建设中得到了广泛的应用。所以，如何更有效利用和创造地下空间已成为当今城市现代化建设的重要课题。地铁的建设促进了城市经济的发展和地下空间的利用，但是和其它的城市地下公共设施一样，地铁隧道多建在软弱的第四纪沉( 冲) 积土层中，且处于地质复杂、道路狭窄、地下管线密集、交通繁忙的闹市中心，又由于地铁沿线地区的城市建设等原因必将引起地铁隧道结构的沉降、位移，一定程度的沉降、位移，可以视为正常现象，但是位移量超过一定的限度，尤其是不均匀位移，将会引起地铁隧道结构的变形，给地铁的正常运行带来隐患，使周边环境( 公路地表、附近建筑物、地下市政管线等) 产生沉降、位移，甚至引发难以想象的安全事故，造成不可估量的经济损失和恶劣的社会影响。随着我国地铁建设步伐的加快，越来越多的地铁项目开工建设，地下空间的开发规模也越来越大，如何保障地下空间的安全也成为目前亟待解决的问题。1 1 地下轨道交通安全保障技术现状国际隧道协会( i t a ) 在2 0 0 0 年盾构法隧道设计指导中提出在必要时将隧道沉降的影响列入荷载种类的其他荷载项予以考虑叫。上海市地基基础设计规范对盾构隧道设计的规定中也提出必要时尤其在隧道下卧土层土性变化处应考虑隧道不均匀沉降对隧道内力的影响嘲。这表明隧道沉降尤其是不均匀沉降对隧道的影响已经引起国内外工程界的重视。1 目前常规测量手段目前地铁隧道内部及地表面的位移监测主要有沉陷观测与水平位移观测两个方面。沉陷观测主要采用的方法是在变形区域，布设一系列水准观测点，使用地铁隧道管壁位移实时监测系统水准仪进行水准测量。隧道内的水平位移观测一般设置观测基线来控制。基线桩的分布，直线上每1 0 0 - 2 0 0 米设一桩，曲线上每隔4 0 - 7 0 米设一桩，基线桩可设在中线上，也可设在水沟混凝土的墙顶上，并将洞内基线引至两端洞口外设3 4个固定桩，作监测基线桩位移用。对于水平位移观测点相对于基线桩的位移可采用准直法和测角法来测定。准直法是根据观测点偏离基准线的大小程度来判断横向水平位移，根据观测点至直线上某控制点的水平距离的变化判断观测点的纵向位移口1 。如图1 1 所示。蕉图1 1 准直法测量观测点水平位移示意图点测角法是在固定测站设站测量控制点与观测点之间的水平角设第一期观测的角值为b1 ，第二期观测的角值为b2 ，则按两期的差值判断水平位移的方向，零i 一参、l两期间观测点的横向位移值为芦，其中1 为测站与观测点之间的水平距离口1 。如图1 2 所示。拄侧壁图l - 2 测角法测量观测点水平位移示意图2地铁隧道管壁位移实时监测系统上述的常规测量手段缺陷在于无法实时的进行连续跟踪观测，例如邻近地铁地段进行非地铁建筑深基坑开挖，在地铁车辆运行情况下，经常中断测量，难以即时预报和立即采取相应紧急措施，如停运，经济与社会效益损失都大。同时，地铁隧道是狭长形的空间环境，地下列车一般以平均5 分钟左右的时间间隔车次在地铁隧道中高速运行，以上方法大多采用了人工监控的方法，即由专门的监测人员在每个监控点进行监测，一旦发现异常情况，如有较大地质形变或管壁错位等情况发生，马上进行呼叫器人声示警。这种方式明显存在以下弊端：一是效率低下，劳动时间长，动用大量的人力；二是没有直观的数据参照，监控人员完全凭借经验判断，要承担一定的风险；三是反应不及时、安全性差。2 信息技术在地下安全保障中的应用随着电子技术的日益发展，计算机的日渐普及，科研人员开发了传统的集中式数据采集监控系统。集中式监控系统采用的是逐点、串行采集信号的方式进行监控，这种方式不仅费时，而且监测效率较低，已很难满足具有分布性、开放性、大信息量和较高复杂程度的大型复杂装备发展需求，因此又发展出了分布式监控系统。分布式监控系统通常是以单片机为核心的下位机，主控计算机为上位机组成的系统。单片机作为下位机对传感器数据进行采集和初步处理，然后再将信息传给主控计算机，由主控计算机进行统一处理、控制并显示。分布式数据采集系统与集中式系统相比，其主要特点是：一、系统的适应能力强。无论是大规模的系统，还是中小规模的系统，分布式结构都能够适应。二、系统可靠性高。由于采用了多个以单片机为核心的数据采集站，若某个数据采集站出现故障，只会影响某项数据的采集，而不会对系统的其它部分造成任何影响。三、系统的实时响应性好。各个数据采集站之间是并行工作的。四、对系统硬件的要求不高。由于每个单片机只完成数量十分有限的数据采集任务，可以用低档的硬件组成高性能的系统。因此这种结构适合于大型、高速、动态的数据采集系统。分布式监控系统可以实现同步、并行地对系统的各个监控点进行信号采集和处理，不仅大大提高了效率，而且所采集的信号具有同步关联性，便于采用多传感器信息融合方3地铁隧道管壁位移实时监测系统法，以提高监控诊断的准确性，确保系统安全可靠。这种方式极大地提高了工作效率，扩展了应用范围，降低了施工中的危险系数。1 2 上海地下轨道交通安全保障特点分析在长期营运中，处于饱和软弱土层中的隧道一般都会持续增大位移，很可能会占到总位移量的主要部分。例如上海地铁1 号线于1 9 9 5 年建成投入营运，长期的位移监测发现，许多隧道段的位移一直在发展，而且没有收敛的趋势。图1 3 为1 9 9 5 1 9 9 9 年上海地铁l 号线累计纵向位移曲线图，可以看出，1 9 9 5年到1 9 9 9 年间，人民广场站一新闸路站之间的区间隧道最大累计沉降量超过1 4 5 m m ；黄陂路站一人民广场站之间的区间隧道在1 9 9 5 - 1 9 9 9 年间差异沉降量近9 0 m m 。长期下去，必然会对隧道的结构安全、接头防水造成威胁，而且过大的位移也会影响轨道的平整度，影响正常营运。因此，必须重视隧道的位移在长期营运中的发展情况，并从设计、施工、工程防治、周围环境的影响等综合方面予以控制3 。上海地铁在长期营运中隧道的位移主要有以下因素所致锄m ：毫一蹩图1 31 9 9 5 - - 1 9 9 9 年上海地铁l 号线累计纵向位移曲线图1 下卧土层的分布不均匀性。下卧土层的不均匀性是隧道产生变形的基本原因。实际工程中，沿隧道纵向分布的各土层性质不同而且分层情况、土层过渡情况、隧道埋深也随时在变化。由于土性不同而决定的土层的扰动、回弹量、固结和次固结沉降量、沉降速率、沉降达到稳定时间等都有不同程度的差别，导致隧道发生变形。一般情况下，隧道下卧土层类别变化处正是隧道发生较大位移的地方。上海打浦路越江隧道在长期使用的1 6 年中，下卧土层为接近砂性土的隧道段，位移增量只有4 0 5 0 册：而下卧土层为松软的淤泥质粉质粘土的隧道段，4o印一h一一l地铁隧道管壁位移实时监铡系统其位移增量大于l o o m ；两者相差接近一倍。2 隧道上方地表加卸载。处于软弱地层中的隧道，上方地面加载将导致隧道产生不均匀沉降。特别是当加载面积较大、压缩土层较厚时，在附加应力的作用下，隧道沉降和不均匀沉降继续增加。由于隧道下部土体的反力总小于未修建隧道前此处土的自重应力，隧道下卧土层压缩模量比修建隧道以前有所降低，而且受施工扰动的隧道下卧土层的长期次固结在地面加载时依然在继续。因此，当隧道上方要进行大面积加载时，一定要考虑加载对隧道纵向沉降的影响，以免纵向不均匀沉降过大威胁隧道的安全和地铁的正常营运。，3 隧道临近的建筑施工载荷。地铁隧道一般都要穿越城市闹市区，市中心建筑密度大，高楼林立。这样大面积的建筑物尤其是高层建筑沿地铁隧道沿线排列，其建筑载荷产生的附加应力对地层沉降的影响是相当大的。而且地铁隧道下部土层的性质和压缩土层的厚度也在变化，不同性质、厚度的土层对附加应力的固结作用的反应有很大的差异，从而导致隧道产生纵向不均匀沉降。高层建筑地下室一般采取深基坑开挖施工方法，深基坑开挖过程实际上是一卸载的过程，地铁隧道l 艋近的深基坑开挖对隧道的影响主要是基坑开挖引起围护的侧向位移和坑内隆起使得坑外地层沉降，导致隧道也随之沉降。另外基坑开挖引起围护向基坑内的侧向水平位移，导致隧道发生挠曲变形。临近基坑的隧道段和远离基坑的隧道段间将产生明显的纵向不均匀沉降。城市地下空间的有限和立体化综合开发、以及城市轨道交通网换乘的需要，使得不同隧道形成空间近距离交叉穿越的现象越来越多。后建隧道对周围土体的扰动，会在隧道横向的地层中形成一个近似正态分布的沉降槽，导致已建隧道产生纵向的不均匀沉降。从图1 3 中也可以看到，地铁隧道位移量比较大的地方，也是地铁沿线原有高层建筑密集和高层建筑施工非常频繁的地区。因此必须严格控制隧道临近范围内的各种施工活动，做好隧道的监测工作，保护隧道的安全和正常营运。为此，上海地铁保护技术标准规定：周边环境加卸载引起地铁隧道总位移不得超过2 0 r a m ，引起隧道变形曲线的曲率半径应大于1 5 0 0 0 m m 圆。4 地铁隧道在正常营运期间，要受到地铁列车振动荷载的长期循环作用。5地铁隧道管壁位移实时监测系统研究表明，列车振动荷载引起的结构振动位移很小，引起的弯矩、轴力、剪力都不超过水土压力引起相应值的1 0 1 。但在列车振动荷载长期循环持续的作用下，必须注意隧道下卧的饱和砂土层液化的可能性以及饱和粘土震陷的可能性。5 城市地层沉降的综合影响。隧道处于地层中间，就不可避免地要受到城市地面沉降的综合影响。城市地面沉降是一个待解决的世界性问题。我国的大多数大中城市的地面沉降问题都非常严重。监测资料显示，上海中心城区在1 9 9 0年至1 9 9 8 年间的平均累计地面沉降量为1 3 5 m ，年均1 5 m m ，局部地区更大。地层构造使得城市的地层沉降会产生沉降漏斗区。当隧道穿越沉降漏斗区时，位于漏斗区内的那段隧道的沉降明显比漏斗区外隧道的沉降大，长期积累下去，就会产生严重的纵向不均匀变形。上海人民广场地区就是沉降漏斗区，从图1 3 可以看出位于这些区域的隧道沉降比临近的隧道沉降要大许多。面对各种原因引起的隧道变形，如何及时地发出预警信号，有效地保护地铁结构安全运行，是目前亟待解决的问题。对地铁隧道的保护行为，与地铁运营线路的生命周期、网络的拓展规模息息相关，其意义和责任重大。本课题主要来源于横向课题，以上海地铁系统为背景，对地铁隧道的内管壁位移进行实时监测。设计了一种基于图像处理的实时监测多点位移的网络监控系统，对地铁列车运行的起到安全预警的作用，以保证运输的安全进行。6地铁隧道管壁位移实时监测系统第二章地铁隧道管壁位移实时监测系统设计方案2 1 系统构成上海地铁系统规模大、分布广，为了全面掌握整个地铁系统管壁位移信息，除了在单元地铁站对管壁位移进行实地实时监测之外，还需要对所有单元地铁站管壁监测的信息进行集中管理和存储备份，因此系统设计包括了两部分：即单元地铁站管壁位移实时监测系统和管壁位移信息管理系统。系统以控制中心服务器为核心，通过上海地铁系统内部局域网连接各单元监测系统，组成基于c s 结构的管壁位移信息管理系统，主要功能是接收并存储备份各单元地铁站监控系统处理的数据，实现整个管壁位移监测系统的集中管理；单元地铁站管壁位移实时监测系统安装在上海现有的各个地铁站内，由数据采集模块、数据处理和传输模块以及显示与控制模块组成，主要功能是采集地铁管壁位移数据并对数据进行处理，实现图形化显示以及系统报警等功能。如图2 1 所示。图2 1 地铁隧道管壁位移实时监测系统7地铁隧道管壁位移实时监测系统2 1 1 管壁位移信息管理系统管壁位移信息管理系统由控制中心服务器和各单元地铁站主控计算机组成。为了全面的掌握各地铁站监测信息，为今后地铁建设和安全运行提供宝贵的数据信息，各单元地铁站主控计算机除了实现图形化显示、系统报警等功能之外，还要将所接收到的数据信息通过地铁系统内部局域网传输到控制中心服务器上，在控制中心的服务器数据库中存储备份监测信息，为地铁安全建设和正常运行提供宏观信息服务，控制中心还可以通过管壁位移信息管理系统对各单元地铁站监测系统进行呼叫，主动监测位移信息，加强监测强度，实现集中管理。如图2 2 所示。图2 2 管壁位移信息管理系统控制中心服务器由主服务器和数据库服务器组成，主服务器安装实时监测与数据分析和处理软件，数据库服务器存储历史监测数据。信息管理系统的开发运行模式采用了c s 结构，保证了数据信息的传输安全，也有效的利用了地铁系统现有的内部局域网。8地铁隧道管壁位移实时监测系统2 1 2 单元地铁站管壁位移实时监测系统单元地铁站管壁位移实时监测系统的硬件结构大体上主要可以分为三个模块：一是数据采集模块，由合作目标和图像传感器组成，合作目标通过控制电路由图像处理微型计算机系统控制开关，该部分的主要功能是通过图像传感器采集当前合作目标的数字图像；二是数据计算和传输模块，由图像处理微型计算机系统( 工控机) 和r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器组成，该部分的主要功能是接收图像传感器采集的数字图像，并对图像进行处理后通过串口将处理后的数据传送到显示与控制模块上；三是显示与系统控制模块，由地铁站内的主控计算机对数据进行处理，实现图形化显示、数据存储与打印、系统报警等功能。如图2 3 所示。图2 3 单元地铁站管壁位移实时监测系统图像传感器与数据传输和计算模块之间的通信，由于传输的数据量大，通信距离短，因此采用u s b 接口的数据传输方式。数据传输和计算模块与显示和控制模块之间的通信采用r s 2 3 2 通信协议连接，但由于通信距离较远，r s 2 3 2 不能满足分布式数据采集系统的要求，因此在系统中采用了r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器将信号转换成r s 4 8 5 规范的信号进行传输。9地铁隧道管壁位移实时监测系统2 2 系统工作过程1 单元地铁站管壁位移实时监测系统工作过程图2 4 为单元地铁站管壁位移实时监测系统操作界面，监控人员点击需要监测的合作目标后，工控机启动控制程序，通过控制电路打开架设在地铁隧道内管壁上的相应的合作目标，由合作目标提供精确的图像目标，图像处理微型计算机系统通过控制电路控制合作目标的开关，图像采集处理系统对合作目标进行采集，形成j p g 格式的图像信息，通过u s b 接口发送给工控机，工控机每隔一段时间对得到的图像进行一次运算，得到的结果通过串口发送到各单元地铁站主控计算机上，如果发现结果超过了事先设定的阈值，则通过各种形式进行报警，并指出发生故障的位置，以方便维护人员的维修，各单元地铁站主控计算机通过内部局域网将接收到的数据发送给控制中心服务器，有利于控制单位掌握地铁运行实时信息，并对信息进行及时备份。系统工作流程如图2 5 所示d 地拄籼冒暨位移；町掘潮景l c 1 y 13兰蔓哩) 墟叠地性_ 旺，。冒理喧) 逼r i 璃。哩) 逼值植谢。董看友筝鲁墨辑墨值。坐标警雾璺，面匝示立鬯塑婴，9 茁口t 吧周回图2 4 单元地铁站管壁位移实时监测系统操作界面1 0地铁隧道管壁位移实时监测系统合作目标图2 5 系统工作流程2 管壁位移信息管理系统主动监控图2 6 为管壁位移信息管理系统操作界面，监控人员可以通过工具栏中“选择地铁线 的选项选择需要监测的地铁线路，在地铁线监测界面中选择需要监测的地铁站，进入单元地铁站管壁位移监测系统，系统工作流程如上述，从而实现对该地铁站内合作目标的位移实时监测。_ 地掣铂譬篡| i l ! 粤卿粤弹曼垮冀v ! - o州囊蟊叠磁兰苎粤一墅竺里! 黑粤墨! 竺曼黧墨曼煦一! ! 哆婴曼! 嘿! ! ! ；旦一j 塑! 曼曼一! 翼塑竺一型塑曼! 望旦一一匹爱炭写。一c 舅墨忑3哇蛙舭t 壑位葺享计缸j l 埂图2 6 管壁位移信息管理系统操作晃面地铁隧道管壁位移实时监测系统第三章单元地铁站管壁位移实时监测系统单元地铁站管壁位移实时监测系统的结构分为三个模块：数据采集模块、数据计算和传输模块、显示与系统控制模块，下面将分别介绍各个模块的系统设计。3 1 数据采集模块数据采集( d a t aa c q u i s i t i o n ) 是获取信息的基本手段。数据采集技术作为信息科学的一个重要分支，是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术嘲。数据采集系统是利用计算机、通信、测控等技术采集、记录和显示现场的各种物理参量，以供管理人员和现场操作者参考的系统；是现代测控系统的基础，用于获取各种现场测量数据。在系统中数据采集模块处于系统的最底层，它主要由合作目标、前置光学成像装置和图像传感器组成。在系统中，图像传感器每经过一个预先设定好的时间段就通过前置图像处理装置对现场图像进行一次采样。所得到的数字图像再传送到数据传输模块中。3 1 1 合作目标及控制电路1 合作目标合作目标架设在地铁站向左侧延伸的隧道管壁上，监控距离1 0 0 - - - - 2 0 0 m ，在距离地铁站2 0 m 的位置架设第一个合作目标，后每隔l o m 架设一个，以监控距离l o o m 为例，则共需架设9 个合作目标，合作目标的架设采取了避免遮挡的方式，保证图像采集设备能够精确的采集到合作目标图像。为了获得适合处理的目标图像，我们分别采用了激光和高亮度发光二极管作为合作目标进行了实验室实验，实验拍摄效果如图3 1 所示：地铁隧道管壁位移实时监测系统图3 1高亮度发光二极管拍摄效果图激光拍摄效果图经实验证明，高亮度发光二极管所获得的图像更均匀，更适合位移的判断，因此，合作目标采用高亮度发光二极管。发光二极管与传统的灯泡比较，具有耗电量低、组件寿命长、无需暖灯时间、反应速度快、体积小、耐振动等优点，目前已普遍使用于信息、通讯及消费性电子产品的指示灯与现实装置上。本系统采用3 m m 高亮度发光二极管，如图3 2 所示，为了更好的使光线均匀，获得方便处理的图像，在发光二极管外部制作一个灯罩，使光线更加集中，如图3 3 所示。图3 2 高亮度发光二极管图3 3 灯罩设计图地铁隧道管壁位移实时监测系统2 合作目标控制电路为了降低功耗，尽量延长合作目标的使用寿命，在实际应用过程中，并不需要合作目标总是处于以开启状态，当需要对某个合作目标进行位移监测时，开启相应的合作目标就能够获得所需要的数据，因此，系统设计了一个基于单片机的控制电路，并设计了相应程序由工控机来控制合作目标的开关。控制电路的硬件连接图如图3 4 所示鲰图3 4 合作目标控制电路1 4地铁隧道管壁位移实时监测系统控制电路单片机选择的是a t 8 9 s 5 1 ，如图3 5 所示。a t 8 9 s 5 1 是一个低功耗，高性能c m o s8 位单片机，片内含4 kb y t e si s p ( i n - s y s t e mp r o g r a m m a b l e ) 的可反复擦写i 0 0 0 次的f l a s h 只读程序存储器，器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准m c s 一5 1 指令系统及8 0 c 5 1 引脚结构，芯片内集成了通用8 位中央处理器和i s pf l a s h 存储单元，功能强大的微型计算机的a t 8 9 s 5 1 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案n 钔。p 1 op 1 1p 1 2p 1 3p 1 4湘s z ，p 1 i 5x is 0 ，p 1 5s c k p 1 7r s tb x d p 3 8t x d ，p 3 1i 耵0 ，p 3 2i n t l ，p 3 3t o ，p 3 4t l p 3 5陬，p 3 6l 【d ，p 3 7x t a l 2x t a l lp d i p5 蛐4 03 93 83 了3 53 58 43 33 23 13 02 92 82 72 62 5z 42 32 22 lv c cp 0 8 ，a d 0p o 1 ，a d lp 0 2 ， d 2p 0 3 ，a d 3p 0 4 a d 4p o 5 a d 5p 0 6 a d 6p 0 7 ，a d 7e a ，v p pa l e ，p 加6p e s np 2 了， 1 5p 2 5 ，a 1 4p 2 5 ， 13p 2 4 ， l2p 2 3 ，直1 1p 2 2 ，a 10p 2 1 ，a 9p 2 0 ，a 8图3 5a t 8 9 s 5 1 管脚图a t 8 9 s 5 1 主要功能特性：兼容m c s - 5 1 指令系统4 0 个引脚，3 2 个外部双向输入输出( i o ) 口2 个1 6 位可编程定时计数器全双工u a r t 串行中断口线5 个中断优先级2 层中断嵌套中断2 个外部中断源中断唤醒省电模式2 个全双工串行通信口看门狗( w d t ) 电路灵活的i s p 字节和分页编程23455789埔儿坨协h捧垢埔加地铁隧道管壁位移实时监测系统4 kb y t e s 可反复擦写( 1 0 0 0 次) i s pf l a s h 片内程序存储器4 5 5 5 v 工作电压片内时钟振荡器，时钟频率o - 3 3 m h z1 2 8b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m )低功耗空闲和省电模式3 级加密位软件设置空闲和省电功能双数据寄存器指针此外，a t 8 9 s 51 设计和配置了振荡频率可为o h z 并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，c p u 暂停工作，而r a m 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存r a m 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有p d i p 、t q f p 和p l c c 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。控制电路中还采用了低功耗半双工r s 一4 8 5 收发器。s p 4 8 1 和s p 4 8 5 是一系列半双工收发器，如图3 6 所示，它们完全满足r s - 4 8 5 和r s - 4 2 2 规范。它们的b i c m o s 设计可实现低功耗操作，但不影响其它特性。s p 4 8 1 和s p 4 8 5 数据传输速率高达5 m b p s 。另外，s p 4 8 1 、s p 4 8 5 含有低功耗关断模式。s p 4 8 5 通过限制内部的电压变化速度来降低e m i ，数据传输速率高达2 5 0 k b p s 。地铁隧道管壁位移实时监测系统s p 4 8 5 管脚图及功能引脚名称功能r o接收器输出r e接收器输出使能d e发送器输出使能d i发送器输入g n d接地a同相发送器输出接收器输入b反相发送器输出接收器输入v d d供电电压r or ed ed i掬：躞。s p 4 8 5 主要功能特性单一的+ 5 v 电源低功耗b i c m o s 工艺制造发送器接收器使能驱动器的电压变化速度受限，以获得低e m i ( s p 4 8 3 )低功耗关断模式( s p 4 8 1 和s p 4 8 3 )r s 一4 8 5 和r s - 4 2 2 收发器3 合作目标控制程序v c c日ag n d由于单片机的工作常常会受到外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，而陷入死循环，由单片机控制的系统无法继续工作，会造成整个系统的陷入停滞状态，所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，控制电路采用了专门用于监测单片机程序运行状态的芯片，看门狗电路。看门狗电路的应用，使单片机可以在无人状态下实现连续工作，其工作原理是：看门狗芯片和单片机的一个i o 引脚相连，该i o 引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平( 或低电平) ，这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段进入死循环状态时，写看门狗引脚的程序便不能被执行，这个时候，看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号，便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号，使单片机发生复位，即程序1 7地铁隧道管壁位移实时监测系统从程序存储器的起始位置开始执行，这样便实现了单片机的自动复位n 引。软件流程如图3 7 所示：图3 7 合作目标控制程序流程图工控机的控制程序启动以后，会先对系统进行初始化，并清除看门狗残留信息，然后持续不断的对主控计算机发来的监测信号进行侦听，如果没有中断信号，返回系统初始化；当检测到主控计算机发来的中断信号时，接收主控计算机发来的控制命令，并判断是写入还是读出地址，如果是写入地址，则弹出写入地址对话框，让用户写入控制命令和需要监测的合作目标的地址信息，执行完毕后清看门狗，返回系统初始化；如果是读出地址，则解析需要监测的合作目标的位置地址和需要执行的操作，执行完毕后清看门狗，返回系统初始化。1 8地铁隧道管壁位移实时监测系统3 1 2 图像传感器c c d 与c m o s 传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，其结构如图3 8所示，两者都是利用感光二极管( p h o t o d i o d e ) 进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不刚 1 。塑鳃哆匿警釜；|匡|羔蓥= j 哆tj测t 誊。蝴黧弘麓：蓊溯zi i 瓢口州j i 。# * 4 i 强曼翳一翟翳石麓翻- ；。瓣黔爨舭嘞瞳k _ 岫c m e si m a g es e n r s图3 8c c d 传感器的结构c 3 i o s 传感器的结构c c d 传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于c m o s 传感器，而c m o s传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着c c d 与c m o s传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，例如，c c d 传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场；c m o s 传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品。由于测量的精度非常高( 毫米级) ，故需要图像传感器能够获得完全反映隧道现场变化的无失真的高清晰图像，以减少在计算过程中产生的误差，因此本系统采用的是c c d 图像传感器。c c d 芯片可以用三种不同的结构读出c c d 图像检取器件的累积电荷：经典结构( 又叫全帧结构) ，行间结构和帧传送结构，如图3 9 所示：行咎功0全馈阵列jj行串寄存嚣呻f像嚣移动c = 全帧c c d像素移动c = 亍蜘传送c c d图3 9c c d 芯片累积电荷读出方式1 9像素移动c = 帧传送c c dk1i甜_：q0j一墨一誊馘零孽。叶嗣0玎、掣_埽一蛩潋一澍|鹫一一一一，10：i，汀，斗引一盟地铁隧道管壁位移实时监测系统全帧c c d 虽然耗电较大，设备较为昂贵，但是具有较高的分辨率和动态范围，由于本系统需要对目标进行精确的测量，故在这里采用全帧c c d 的图像传感器。在实际的应用过程中，在图像传感器上还封装了一个前置图像处理系统，该部分为图像传感器提供较大的焦距，使得远处的物体可以清晰的在传感器上成像。如图3 1 0 所示图3 1 0 封装了前置图像处理系统的图像传感器3 2 数据传输和计算模块数据计算和传输模块用于对图像传感器获得的合作目标图像进行处理，同时将处理的结果发送到显示与控制模块。其中数据的计算目前主要采用高性能的工控机，利用数字图象处理的各种算法得到隧道管壁的位移信息，然后发送到显示与控制模块上。3 2 1 数据计算数据计算部分主要采用图像处理微型计算机系统( 工控机) 。图像处理微型计算机系统是以微型计算机为核心所构成的测量与控制系统，它可以在工业环境中可靠运行，能和图像传感器、执行机构直接接口，完成测控任务的微型计算机系统。2 0地铁隧道管壁位移实时监测系统1 图像处理微型计算机系统控制原理图像处理微型计算机系统由计算机基本系统和过程i o 系统组成，计算机基本系统由系统总线、主机模板、存储器板、人机接口板与c r t 、磁盘机等通用外设组成。过程i o 系统由输入信号调理板和a d 转换器组成，将现场传感器测量的物理信号转变为电信号，模拟量经过模数转换( a d 转换器) ，变成数字量输入计算机，计算机输出信号经数模( d a ) 转换和输出调理( 隔离放大) 成执行机构的功率驱动信号控制执行机构。其硬件框图汹1 如图3 1 1 所示：绞系澜总昙缱= 近疆霹-= 巧磊蟊蕊一图3 i i 图像处理计算机系统硬件框图2 图像处理微型计算机系统的主要特点嘲：实时性，图像处理微型计算机系统对监测过程进行实时在线检测与控制，对监测呼叫给予快速响应，及时进行采集和输出调节( 看门狗功能这是普通p c 所不具有的) ，遇险自复位，保证系统的正常运行。兼容性，能同时利用i s a 与p c i 及p i c m g 资源，并支持各种操作系统，多种语言汇编，多任务操作系统。输入输出能力。图像处理微型计算机系统具有很强的输入输出功能，与图像传感器、信号转换器、显示器等相连接，能完成各种测量控制任务。地铁隧道管壁位移实时监测系统各种应用软件。大多数工控机以w i n d o w s 作为工作平台，支持多种高级语言编程，支持实时多任务操作系统。应用软件极为丰富，特别是组态软件更为工控软件的开发提供了很大的方便3 图像处理微型计算机系统的组成( 1 ) 全钢机箱图像处理微型计算机系统的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安装同p c - b u s 兼容的无源底板。( 2 ) 无源底板无源底板的插槽由i s a 和p c i 总线的多个插槽组成，i s a 或p c i 插槽的数量和位置根据需要有一定选择，该板为四层结构，中间两层分别为地层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插接各种板卡，包括c p u 卡、显示卡、控制卡、i 0 卡等。( 3 ) 工业电源为a t 开关电源，平均无故障运行时间达到2 5 0 0 0 0 小时。( 4 ) 其他配件：其他配件基本上都与p c 机兼容，主要有c p u 、内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。图3 1 2系统所用图像处理微型计算机系统地铁隧道管壁位移实时监测系统3 2 2 数据传输数据传输部分主要由两部分组成，一部分是数据采集模块将采集到的图像发送到数据计算和传输模块，另一部分负责将数据计算和传输模块中得到的数据发送到显示与控制模块。1 数据采集模块与数据计算和传输模块的通信在数据采集模块与数据计算和传输模块的通信过程中，由于传输的数据主要是高清晰的合作目标的数字图像，需要传送的数据量巨大，因此在这里采用u s b接口的数据传输方式。通用串行总线u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) 是由c o m p a q 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 等七家公司于1 9 9 5 年所研发与规范出来的，随着近几年的推广与应用，u s b 已经成为个人计算机的标准的外设接口，并将逐步取代所有的各种传统外围接口，如串行端口、并行端口以及游戏接口等。u s b 设备之所以会被大量应用，主要具有以下优点n 町：( 1 ) 可以热插拔( h o ta t t a c ha n dd e t a c h ) 。这就让用户在使用外接设备时，不需要重复“关机一将并口或串口电缆接上一开机一这样的动作，而是直接在p c 开机时，就可以将u s b 电缆插上使用。一( 2 ) 即插即用( p l u ga n dp l a y ) 特性( 3 ) 携带方便。u s b 设备大多以“小、轻、薄见长，可由u s b 电缆供电而不需要附加电源、具有电源管理功能，对用户来说，同样2 0 g 的硬盘，u s b 硬盘比i d e 硬盘要轻一半的重量，在想要随身携带大量数据时，当然u s b 硬盘会是首要之选了。( 4 ) 标准统一，统一了各种接口设备的连接头，常见的是i d e 接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机扫描仪，可是有了u s b 之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与p c 连接，这时就有了u s b 硬盘、u s b 鼠标、u s b 打印机，等等。地铁隧道管壁位移实时监测系统( 5 ) 可以连接多个设备。u s b 接1 3 不再使用i r q 的中断控制以及输入输出的地址位资源( i oa d d r e s s ) ，而是依靠开机后操作系统分配给设备一个逻辑位置来做数据传输，所以可以作大幅度的扩充，可以连接1 2 7 个周边设备，如果这样电源供应会是一个问题。当设备过多的情况下，会因为负载问题而不能驱动设备，所以只有外接电源，才能保证正常的使用1 2