（光学工程专业论文）客运专线路基沉降全方位实时监测软件系统的研究.pdf

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均宇，陈晓磊，张涛等同学都给了我很多帮助，在此向他们表示衷心的感谢。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 中文摘要 高速、重载铁路线路的建设对我国传统铁路设计、施工、检测等提出了新的 挑战。特别对路基沉降及变形的要求显著提高，这就需要对线路路基的沉降与变 形进行长期监测，对不符合要求的路基及时进行维护，同时研究不同条件下路基 的沉降与变形规律，采取不同施工方式来控制其沉降与变形量。 本文以实时性、长期性和准确性为监测设计目标，结合激光测量、无线网络 通信、先进传感以及自动标定等新技术，设计开发了基于g p r s 的路基沉降无线 监测系统，系统包括路基分层沉降与横向位移自动测量单元、路基横向剖面变形 自动测量单元、表面沉降激光自动测量单元和数据自动采集与无线传输单元。数 据自动采集与无线传输单元是本文的中心工作。此系统通过测量单元实时监测路 基沉降信息，并通过数据采集单元进行数据采集及存储，无线传输单元可将数据 无线传输到远程的计算机管理中心，在计算机管理中心可对采集的原始数据进行 分析、保存和显示，实现实时监测路基沉降状况的目的。在采集的沉降数据基础 上，本文开展了京沪客运专线路基沉降的预测与分析。 关键词：路基沉降；实时监测；g p r s ；数据采集；沉降预测 分类号：t n 2 9 t n 9 2 a bs t r a c t b u i l d i n gt h eh i g h s p e e dr a i l w a yi s an e wc h a l l e n gt ot h et r a d i t i o n a lr a i l w a y s d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dm e a s u r i n g e s p e c i a l l yt on o t a b l er i s eo fs u b s i d ea n dd e f o r m a b l e c a l lf o ro fr o a d b e d ，i t sn e e d sl o n g - t e r mm o n i t o r i n gt ot h er o a d b e d , r e s e a r c hi nd i f f e r e n t c o n d i t i o n so fr o a d b e ds u b s i d e n e ea n dd e f o r m a t i o n ，a n da d o p tv a r i o u sw a y st oc o n t r o l t h ec o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r , a i mf o rt h er e a l - t i m e ，l o n g - t e r mm o n i t o r i n ga n da c c u r a t e ，t h ea u t h o r d e s i g n e dw i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mo fr o a d b e ds e t t l e m e n tb a s e do ng p r st r o u g ht h e s e n s o r ，l a s e rm e a s u r e m e n ta n dw i r e l e s sw e bt e c h n o l o g y t h es y s t e mi n c l u d e sf o u r u n i t s i nt h i s p a p e r , o u rm a i no c c u p m i o n i sd a t a a u t o a c q u i s i t i o n a n dw i r e l e s s t r a n s m i s s i o nu n i t t h i ss y s t e mg a t h e rt h er e a l - t i m er o a d b e ds e t t l e m e n ti n f o r m a t i o n t h r o u g hm o n i t o r i n gu n i t ，c o l l e c ta n ds t o r a g ed a t at h r o u g hd a t aa c q u i s i t i o nu n i t ，t h e w i r e l e s st r a n s m i s s i o nu n i tt r a n s m i tt h ed a t at ot h ed i s t a n tc o m p u t e rm a n a g e m e n tc e n t e r t o a n a l y z e ，s t o r e ，a n dd i s p l a yt h ep r i m a r yc o l l e c t e dd a t a , t h e nr e a l i z et h ea i mo f m o n i t o r i n gs i t u a t i o no fr o a d b e ds e t t l e m e n tc o n s t a n t l y t h ea n a l y s i sa n dp r e d i c t i o nf o r r o a d b e ds e t t l e m e n ti nb e i j i n g s h a n e ) l a ih i g l l - s p e e dr a i l w a yh a v eb e e nd e v e l o p e d ，b a s e d o nt h es e t t l e m e n td a t ac o l l e c t e d k e y - w o r d s ：r o a d b e ds e t t l e m e n t ；r e a l - t i m em o n i t o r i n g ；g p r s ；d a t aa c q u i s i t i o n ； s e t t l e m e n tp r e d i c t i o n c l a s s n o ：t n 2 9 ，t n 9 2 目录 中文摘要i i i a b s l r a c t i v 1 引言1 1 1 项目背景及研究意义1 1 2 路基沉降研究现状2 1 3 论文的主要研究内容2 2监控系统整体方案设计4 2 1 常用的路基沉降监测方法综述4 2 2 系统方案的设计7 2 2 1 路基沉降监测的原则和目的7 2 2 2 监控系统主要功能7 2 2 3 监控系统总体设计8 2 2 4 监控系统特点l1 2 3 小结1 2 3系统控制、数据自动采集与无线传输系统1 3 3 1g p r s 。1 3 3 1 1g p r s 简介【1 7 】【1 8 】【1 9 】【2 们1 3 3 1 2g p r sd t u 的选择1 4 3 2 路基沉降数据监测管理系统1 6 3 2 1 软件系统开发平台的选择- v i s u a lb a s i c6 0 1 6 3 2 2 实现软件系统的关键技术。1 6 3 2 3 软件系统的总体设计1 9 3 2 4 各模块详细设计。2 0 3 3 小结2 5 4路基沉降预测2 6 4 1 沆降预测方法选择2 6 4 2g m ( 1 ，1 ) 模型的应用2 7 4 2 1g m ( 1 ，1 ) 模型的建立【3 1 】【3 2 】 3 3 】0 4 1 2 7 4 2 2 根据实测数据检验模型2 8 4 2 3g m ( 1 ，1 ) 灰色模型的改进3 0 4 3 结果分析31 5结论与展望3 3 参考文献3 4 作者简历3 6 独创性声明3 7 学位论文数据集3 8 1 1 项目背景及研究意义 1 引言 在我国铁路“十一五规划 中明确指出，要加快建设客运专线，初步形成以 客运专线为骨干，连接全国主要大中城市的快速客运网络。根据国务院批准的中 长期铁路网规划，我国将规划建设省会城市及大中城市间的快速客运通道。具体 内容包括建设客运专线1 2 万公里以上，规划“四纵四横”铁路快速客运通道以及三 个城际快速客运系统，客车速度目标值达到每小时2 0 0 公里以上。 客运专线运行速度快、技术标准高、对路基的要求严格，控制路基变形己经 成为客运专线路基的最大特点【1 】【2 】【3 】【4 】。它采用多层结构体系，所以控制变形是轨 下系统( 路基) 设计的关键。一般地说，在路基达到强度破坏前，已经出现了不能容 许的过大有害变形。所以说，在列车一线路整体系统的相互匹配中，路基都是重 要组成部分，变形问题的解决相当复杂，是一个世界性的难题。我国客运专线建 设由于地质条件复杂，面临的问题较多，尤其是如何有效监测路基沉降长期困扰 着工程界。 京沪客运专线是中长期铁路网规划中投资规模最大、技术含量最高的一 项工程。也是中国第一条具有世界先进水平的高速铁路，正线全长约1 3 1 8 公里， 与既有京沪铁路的走向大体并行，全线为新建双线，设计时速3 5 0 公里，初期运 营时速3 0 0 公里，共设置2 1 个客运车站。该项工程预计5 年左右完成，2 0 1 0 年投 入运营。 在京沪客运专线建设中，需要对路基进行沉降观测与评估【4 】 5 1 1 6 1 。沉降评估是 评判是否满足高速铁路铺轨条件、拟定铺轨时机、保证铺轨质量的重要环节，主 要内容之一是对大量的观测数据进行分析、拟合、预测等运算，从观测点上获取 数据。其计算量非常庞大，人工计算几乎不可能完成，而且工程进度也不允许。 因此，研制路基沉降实时监控系统( 以下简称监控系统) ，实现观测数据分析、拟 合、预测计算，才能保证工作效率及计算的准确性。建立路基沉降变形观测数据 库、编制相应数据管理软件，对沉降观测数据、资料和评估成果集中统一的规范 化管理，京沪客运专线的设计、施工、监理、评估等工作具有十分重要的意义。 z 二， 。 图1 1 京沪客运专线示意图 本课题为国家8 6 3 高新技术研究发展计划项目，由国家科学技术部提供资金 支持。项目名称：客运专线路基沉降全方位实时监测技术的研究。 1 2 路基沉降研究现状 客运专线对轨道提出了更高的要求，而其中路基是铁路线路工程的一个重要 的组成部分，是承受轨道结构重量以及列车荷载的基础，它也是线路工程中最薄 弱和最不稳定的环节，路基几何尺寸不平顺，必然就会引起轨道的几何不平顺， 因此需要轨下基础有比较高的稳定性和比较小的永久变形，以确保列车高速、安 全、平稳运行。 目前，国内监测路基沉降的方法基本都采用沉降板法f 7 】【8 】这一传统方法。沉降 板法是在施工期间在路基下放置一块沉降板，记录其高度。然后在路基铺设完毕 后测量出沉降板高度，接着根据高度差来显示路基沉降情况。这种沉降板法使用 传统的测量仪器，精度大约为l m m ；并且体积较大，安装不便，测点易损，不可 恢复；需要人工逐点测量，不能自动获取沉降数据；阴雨天气无法进行测量，间 断的获取数据：长期人工测量费用高；人工测量其误差不可避免，计算，绘图不 方便：不能实现多层测量。另外沉降板法只能在施工期间测量，一旦道路修好通 车，便无法继续监测到路基沉降的状况，缺乏长期性。 1 3 论文的主要研究内容 为了能够长期，有效，方便快捷地监测路基沉降状况，掌握路基沉降规律， 并且预测路基沉降趋势，本项目提出了基于激光测量、无线网络、先进传感以及 2 自动标定等新技术的路基沉降全方位远程自动实时监测方法。在该监控系统下， 可以长期、全天候、自动地获取客运专线的路基沉降信息，然后通过上位机的数 据采集软件采集沉降数据，并生成沉降曲线，可以直观地反映路基沉降情况。 本文的主要研究内容：根据国内外沉降监测技术和路基沉降理论的研究现状， 结合本项目的研究目的，进行路基沉降无线监控系统的方案设计。这套监控系统 包括：路基分层沉降与横向位移自动测量单元、路基横向剖面变形自动测量单元、 表面沉降激光自动测量单元和数据自动采集与无线传输单元。本文将根据本项目 的实际情况介绍沉降监测单元和数据无线传输单元，重点说明本监控系统的软件 开发的关键技术，并阐述其主要功能的设计。 全文组织结构图如图1 2 所示。 图1 2 论文组织结构图 2 监控系统整体方案设计 2 1 常用的路基沉降监测方法综述 在路基沉降监测中选择具有精度高，使用方便，施工干扰小，受气候影响小， 成本较低，节省人力的监测方法显得尤为重要。目前，国内外对于路基沉降的监 测主要使用以下方法【9 】【1 0 】 1 1 】。 ( 1 ) 监测桩 用木桩和钢钎钉入土中，用水准仪持平，即可测量土体表面的沉降量。此方 法最简便，但只能测定建筑物表面的沉降值，无法测试土体内部某一位置的沉降， 对填土施工有干扰。 ( 2 ) 沉降板【1 2 】 有底板和测杆、护套组成。底板为边长约5 0 c m 、厚度3 0 c m 的钢筋混凝土板。 测杆为直径4 0 m m 左右的钢管，第一段垂直固定于钢筋混凝土板的中央，随着填 土高度的增加，分段以丝扣接长测杆，测杆外套接塑料管保护，以免测杆受外来 扰动变形。 沉降板是目前沉降观测最常用的手段。其优点是造价低廉，操作简便，便于 测试。但是弱点也很明显，主要是影响填土压实施工，压实机械经过时必须绕道 而行，极为不方便，机械经常撞坏沉降赶，而且形成压实死角，降低压实质量。 其次是一个沉降板只能测量路堤中一点的沉降。一个断面上多放几个沉降板影响 压实施工的矛盾更突出。另外一个缺点是损坏后的补救非常困难。 ( 3 ) 单多点沉降计法 如图2 1 所示，由锚头、连杆及传感器组成，锚头固定于被测体内，并通过连 杆与传感器连接。用于对被测体相对于水平面垂直方向的沉降进行长期观测。 图2 1 单点沉降计 ( 4 ) 沉降水杯法 将盛水密闭容器置于土中，容器上接出进水管、排水管和排气管至填土以外。 4 进水管外部与观测量杯相连。容器灌水以后，容器内部的水位与外部观测水杯的 水位一致，则可通过观测量杯中的水位得到容器的沉降。其优点是构造简单，造 价低廉，缺点是3 根管的埋设要求比较高，如果埋设不平顺，容易形成气泡阻塞 水管，使测试无法进行，此方法比较少用。 图2 2 沉降水杯法 ( 5 ) 磁环沉降仪 磁环沉降仪有分层沉降管、磁环、波纹管和分层沉降仪组成。在路基中间用 钻机打孔至持力层，根据地质情况在相应深度处安装磁环，以便磁环和地层同步 沉降，用分层沉降仪测量各磁环的位置，分别计算各地层的沉降量。其优点是操 作简便，易于测试。其弱点同沉降板相似，主要是影响填土压实施工，机械容易 撞坏沉降管，且形成压实死角，降低压实质量。 图2 - 3 磁环沉降仪 ( 6 ) 剖面沉降仪 剖面沉降仪法又分为振弦式( 如图2 4 ) 、固定活动式( 如图2 5 ) 。振弦式 传感器通过充液管接到储液罐上，测量时将传感器通过一根埋入待测区域中的测 量导管中的拉绳拉至各测点，各测点与储液灌液面之间的高差通过传感器反映出 5 来。该法所用仪器较复杂，便携性差，测试操作复杂，传感器内部易受潮。固定 式是将多个传感器连接，固定埋置在土体中。对埋设要求较高，仪器一次性投资 较大；活动式是使用伺服式加速度计传感器，利用拉绳拉动测量。但是利用拉绳， 仅限于人工观测。 基准点丞屋 扭缒籁蠖导管 图2 4 振弦式剖面沉降仪 图2 5 活动式剖面沉降仪法 ( 7 ) g p s 监测法【1 3 】 对于大规模的区域地面沉降监测可以采用先进的全球定位系统( g p s ) 进行全 方位测量。g p s 可以借助人造地球卫星进行三边测量定位。但是易受障碍物和天 气的影响。 ( 8 ) 卫星雷达干涉技术【1 4 】 卫星雷达干涉监测是一种卫星遥感技术，就是利用雷达图像的相位差来获取 地面的三维信息的技术，简单地说是采用雷达轨道参数和干涉相位计算出一系列 的参数，由此确定地面点沿雷达视线方向的形变值。 卫星雷达干涉技术的优点是分辨率高，可以敏感地监测出地面的沉降变化， 能全天候工作，适用于测量面积较大的区域。它的缺点是容易受到障碍物和天气 的影响。 综合以上路基沉降检测方法，普遍存在以下缺点与不足： ( 1 ) 有些测量方法只能在一定环境下使用，如：沉降水杯法只能在不结冰的条 6 件下使用； ( 2 ) 有些测量方法精度不高，如分层沉降仪测量精度在l o m m 量级； ( 3 ) 目前所有测量方法均存在测量参数不全面，有的只能检测不同层的垂直沉 降，有的则只能检测同一层不同处的沉降，此外，所有方法均不能检测路基在横 向方向的变化情况，即目前的这些检测方法均不能全面反映路基的实际变化情况； ( 4 ) 一些方法采用人工读数，不能实现自动检测，各点测量数据需要人工采集， 不能实现远程监测； ( 5 ) 目前路基沉降的检测基点是基于安装检测装置的底部，即假设地基埋得较 深，没有沉降，实际上要做到这一点比较困难。因此，测量的沉降实际上是相对 沉降，不是绝对沉降量； ( 6 ) 目前的各点检测相对独立，不容易得到一段路基的整体沉降情况。因此， 目前的路基检测方法与技术不能满足我国高速铁路发展的需要。 2 2 系统方案的设计 2 2 1 路基沉降监测的原则和目的 本系统在进行技术方案论证时主要考虑以下几点原则： ( 1 ) 测量系统最简原则：即在满足测量条件的情况下，实现的系统越简单越好。 测量系统简单有利降低测量成本，减少测量的故障率； ( 2 ) 采用新测量原理和应用成熟技术的原则：即在技术方案设计时，尽量采取全 新的测量原理。但在采用新测量原理的同时，应该应用成熟的测量技术。 ( 3 ) 测量系统集成与系列化原则：即在方案设计时要考虑到该系统的后续改 进，并能形成系列化产品，最终形成功能更全、测量参数更多的集成系统。 本系统监测的目的为： ( 1 ) 通过沉降观测及时掌握客运专线路基的沉降变化情况，及时发现沉降偏大 的路基，以便在施工过程中可以及时处理，避免对路基质量留下安全隐患。在监 测过程中分析路基沉降的规律，可作为今后路基施工中的借鉴： ( 2 ) 对客运专线安全运营提供保证，若监测的沉降值出现异常，可以提前做出 预警。 2 2 2 监控系统主要功能 7 监测路基沉降是一个长期的过程，需要大量的数据作为支撑，如果仅仅依靠 人工使用测量仪器采集数据，不仅耗时耗力，而且精确度也不高。 本系统根据监测的原则和目的，结合当前研究路基沉降监测方法的弊端，设 计了路基沉降监控系统，其主要功能是： ( 1 ) 长期监测。长期的监测可以为研究路基沉降提供大量的沉降数据，并且对 客运专线的安全运营提供保障。 ( 2 ) 数据采集。在几乎不需要人工操作的情况下，能自动、定期地获取沉降数 据，数据可立即传回值控中心进行处理。这样的数据采集方式极为方便，并且成 本较低，这是本监控系统的一个特点。 ( 3 ) 数据处理。大量的沉降数据传回值控中心后仅靠人工处理和分析是不现实 的。为本监控系统编写的软件可以根据需要自动处理数据，并且可以自动绘制沉 降曲线，使使用者直观查看路基的沉降状况。 2 2 3 监控系统总体设计 图2 6 路基沉降全方位远程自动监测方法及系统 8 ( 1 ) 子系统1 ：路基分层沉降与横向位移自动测量系统 按照基于分层沉降仪的构想，提出了技术方案实现对路基分层沉降与横向位 移的同时测量，分别为： 采用多个霍尔器件对磁性定位环进行触发，采用激光测距技术得到磁性定 位环垂直沉降，采用倾角传感器得到两个相邻磁性环对应的侧斜( 即横向位移) ， 实现对路基分层沉降与横向位移的同时测量。 采用多个霍尔器件对磁性定位环进行触发，采用滚轮法测量得到磁性定位 环垂直沉降，采用倾角传感器得到两个相邻磁性环对应的测斜( 即横向位移) ，实 现对路基分层沉降与横向位移的同时测量。 在研制的测量系统中，成功应用于路基分层沉降的自动监测，测量垂直沉降 的灵敏度0 2 m m ，横向位移的灵敏度o o l m m ，测量范围大于4 0 m 。 以上方案均可实现对路基分层沉降与横向位移的同时测量，具体可以根据用 户需要，对沉降测量精度、监测系统成本等要求进行选择，此外在测量方案中采 用多个霍尔器件触发，提高了测量准确性和可靠性。 ( 2 ) 子系统2 ：路基横向剖面变形自动测量系统 按照基于倾斜法的原理，提出了主动、被动步进电机协调实现对路基横向剖 面内不同点的沉降的自动连续扫描测量的技术方案，巧妙地解决了长管道数据传 输的技术难题，研制了测量系统，成功应用于铁路现场，实现了对路基横向剖面 变形的自动测量。其测量灵敏度0 o l m m ，采样间隔5 0 0 m m ，最大截面长度可达 5 0 m 。 利用基于倾斜法的原理来实现对路基横向剖面沉降变形的测量，采用自动控 制和无线传输技术，实现路基横向剖面内不同点的沉降变形的自动测量与数据采 集。测量时，高精度倾角传感器两边用钢丝绳，分别由电机带动，可在测斜管内 自由滑动。利用轴角编码器确定测量步长，每5 0 0 m m 为一测点，自动控制电机停 止、转动。一次自动测量结束，各测点的倾斜测量数据通过无线网络传输到终端， 进行处理和分析。 此方案的优点在于：使用一个高精度倾角传感器连续扫描测量得到横向剖面 的变形，相比埋设多个传感器大大节省了成本。其难度在于如何保证主动和从动 电机之间的同步，以及如何实现在细长管道内传感器与控制器之间的通讯与数据 传输。 ( 3 ) 子系统3 ：表面沉降激光自动测量系统 基于星点的测量路基表面沉降的原理，研制了专用表面沉降测量系统，可自 行组成网络实现对表面沉降和表面变形的长期自动监测，也可与以上子系统组成 一套系统，实现对路基整体绝对沉降变形、局部绝对沉降与变形、截面内不同层 9 的沉降与变形的长时间自动监测。测量表面沉降的灵敏度为0 2 r a m ，测量距离大 于3 0 m ，完全满足目前各种路基表面沉降测量的需要。 此系统具有结构简单、实用性强等优点，可以广泛使用在既有运输线上，实 现对路基表面沉降的自动监测。 基于星点测量路基表面沉降的测量原理如下：沉降板与表面地基相连，随表 面沉降而沉降，与沉降板固定相连的杆上固定两个已知距离的点光源( 相当于星 点) ，在一基准点安装自行设计的星点位置观察装置，由于基准点选择在没有沉降 或者沉降量很小处( 相比被监测路基) ，并且此基准点可以与国家2 、3 级水准点 建立联系，形成监测网络，保证监测的可靠性。当沉降板向下沉降时，其上安装 的点光源同样沉降，使用观察装置可以得到点光源的沉降量，即为路基的表面沉 降量。 此测量原理简单，观察装置成本低，且设计了如下特殊技术： 自标定技术：由于在杆上安放已知间隔距离的两个( 或多个) 点光源，此 两个点光源在位置探测器( 一般为线阵c c d ) 的位置及位置间隔可以精确得到， 利用位置间隔可以对单个点光源的沉降量进行精确标定，与星点到观察装置之间 的距离无关，避免已有技术在测量时先根据星点距离与扫描成像距离进行测量光 学系统的标定。 自动扣除背景技术：为消除背景光影响，研究了消杂光技术，控制星点亮 灭，进行有无背景光的先后两次探测，利用软件消除杂光干扰，提高环境适应能 力。 自动调焦技术：使用激光测距技术，得到点光源与观察装置之间的距离， 根据此距离调焦到成像最佳位置。 提出了扫描测量、多点测量、绝对沉降测量技术方案，实现对路基整体绝对 沉降变形、局部绝对沉降与变形、截面内不同层的沉降与变形的长时间自动监测。 扫描测量方案：在被测路基6 上布置若干监测点，如1 、2 、3 、4 等，选 择一基准点或基准台8 ，在其上安装光点位置观察系统7 ，此观察系统可自动旋转， 分别扫描得到监测点1 、2 、3 、4 等点的沉降，由于所有的监测点的沉降值都是相 对于基准点得到的，故可以得到这些之间的相对位置变化，即得到路基的变形， 如此递推，就可以得到整个路基的整体变形。 扫描测量法的关键器件是一个五角棱镜，它在旋转机构的带动下对多个监测 点进行扫描测量，经过透镜聚焦，用探测器( p s d 或c c d ) 拾取被测信号，信号 经过电路滤波、放大、a d 转换等处理，转换为数字信号经无线传输模块发送到 计算机终端 多点测量同时测量方案：使用同一光路，利用多个探测器，可以实现对不 1 0 同监测点路基沉降的同时测量，依照相同的原理得到其局部变形，类似得到一段 路基的整体变形。实验时，将l e d ( 模拟星点) 安装在与路基表面沉降测量仪器 相聚1 6 m 、竖直放置的位移台上，该位移台可上下移动，并由螺旋测微器控制移 动距离。调节位移台以0 5 m m 的步长向下移动，模拟路基沉降的过程，进行测量， 并与实际位置对比。对l e d 测量位置与实际位置进行线性拟合，相关系数为 0 0 0 9 9 4 2 。对c c d 像素进行二分之一细分，并以之作为最小测量刻度，则5 0 像素 对应l m m ，测量仪器的分辨率约为0 2 m m ，测量重复性误差为0 1 m m 。 ( 4 ) 子系统4 ：数据自动采集与无线传输系统 采用基于g p r s 的无线网络技术实现各种监测指令与测量数据的远程传输与 采集，最终实现对监测点的长期远程自动监测与预警。 路基分层沉降与横向位移自动测量系统、路基横向剖面变形自动测量系统、表 面沉降激光自动测量系统三个子系统可根据用户要求或实际需要，单独使用或联 合使用。 该子系统为本文主要工作内容，将在下一章详细介绍。 2 2 4 监控系统特点 相比已有技术川 1 5 1 1 6 1 ，本监测系统具有以下显著特点： ( 1 ) 整个测量方案能实现对反映路基沉降的几乎所有参数的同时测量，还能够 同时得到路基的整体变形、局部变形等。此外，整个监测系统由3 个测量子系统 和1 个共用数据采集与无线传输子系统构成，可以自由组合以上这些子系统，满 足不同场合的需要，增加了灵活性。 ( 2 ) 利用激光扫描、激光准直等技术将所有监测点溯源到一个基准点，此基准 点可以与国家水准点建立联系，不仅可以得到各层的绝对垂直沉降量，克服既有 技术中沉降量与安装深度有关等缺点，同时可以得到路基的局部和整体变形。 ( 3 ) 能够同时测量得到路基一个截面内不同层的垂直沉降量与横向位移，提出 了三种不同的测量垂直分层沉降的技术方案，并采用多个霍尔元件触发，具有测 量灵敏度和可靠性高等显著优点，克服既有技术不能自动测量、不能同时得到垂 直沉降与横向位移等不足。 ( 4 ) 采用基于g p r s 的无线网络传输技术，实现对路基沉降长期远程自动监测。 ( 5 ) 监测系统中包含的3 个测量子系统和1 个共用数据采集与无线传输子系统 均可作为便携式系统，测量完成后可以从测量管道中或从安装台上拆卸下，可重 复使用，为用户节省成本。 2 3 小结 本章介绍了路基沉降监控系统的整体设计方案，详细介绍了常用的沉降监测 方法，根据客运专线路基沉降监测的特殊要求，提出了监控系统的原则、目的以 及实现的功能，阐述了监控系统的总体方案。 1 2 3 系统控制、数据自动采集与无线传输系统 为实现无需人工现场干预的路基沉降全方位远程自动监测，开展了数据无线 传输技术的研究。通过无线传输模块接入g p r s 网络，在值控中心可通过i n t e m e t 获取所有测量数据，实现了路基分层垂直沉降与横向位移、剖面沉降变形以及表 面沉降激光测量数据的自动采集及无线传输，中心主机通过无线网络将各种控制 指令传送到前置传感器，同时接收由前置传感器传送回来的测量数据，从而实现 对监测点的长期远程自动监测。值控中心主机控制路基沉降全方位测量系统各个 子系统同步或分步进行测量，并将检测数据无线传输回值控中心主机，进行后期 处理。路基沉降全方位自动监测系统的数据采集与传输结构如图3 1 所示。 彩 砂 数据3 彩 彩 表面沉降 测量数据 您 矿 3 1g p r s 图3 1 无线数据采集与传输结构图 3 1 1g p r s 简介【1 7 】【1 8 】【1 9 】【2 0 】 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e t r a d i o s e r v i c e ) 的英文简称，是 在现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分 组形式的数据业务。g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样 一略 的突发结构、同样的跳频规则以及同样的t d m a 帧结构，这种新的分组数据信道 与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统( b s s ) 从一 开始就可提供全面的g p r s 覆盖。g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送 和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低 成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据 传输，也适用于偶尔的大数据量传输。g p r s 理论带宽可达1 7 1 2 k b s ，实际应用 带宽大约在1 0 - 7 0 k b s ，在此信道上提供t c p i p 连接，可以用于i n t e i 心m t 连 接、数据传输等应用。 目前，我国g p r s 计费方式非常灵活，它支持按照流量来进行计费，比如移 动推出的g p r s 上网业务每k b 是3 分钱，价格是极为优惠，并且用户可以根据自 己实际的需要，以包月的形式来进一步降低g p r s 通信费用。 3 1 2g p r sd t u 的选择 使用g p r s 网络进行数据传输一般需要g p r s 模块，目前g p r s 模块一般是 指带有g p r s 功能的g s m 模块，可以利用g p r s 网络进行数据传输与通信。g p r s 模块主要是用于完成与数据采集器之间的数据交换和通过移动公司的g p r s 网络 与值控中心进行数据交换。g p r sd t u 全称g p r s 数据传输单元，在国内目前实 际上对g p r sd t u 具有更加明确的约定：g p r sd t u 是专门用于将串口数据通过 g p r s 网络进行传送的g p r s 无线设备。g p r sd t u 的四个核一t l , 功能【2 0 】【2 l 】：内部 集成t c p i p 协议栈、提供串口数据双向转换功能、支持自动心跳，保持永久在线、 支持参数配置，永久保存。 g p r sd t u 工作过程描述： g p r sd t u 上电后，首先读出内部f l a s h 中保存的工作参数( 包括g p r s 拨 号参数，串口波特率，数据中心m 地址等等，事先已经配置好) 。 g p r sd t u 登陆g s m 网络，然后进行g p r sp p p 拨号。拨号成功后，g p r sd t u 将获得一个由移动随机分配的内部口地址。也就是说，g p r sd t u 处于移动内网 中，而且其内网p 地址通常是不固定的，随着每次拨号而变化。我们可以理解为 g p r sd t u 这时是一个移动内部局域网内的设备，通过移动网关来实现与外部 i n t e m e t 公网的通信。这与局域网内的电脑通过网关访问外部网络的方式相似。 g p r sd t u 主动发起与数据中心的通信连接，并保持通信连接一直存在。由 于g p r sd t u 处于移动内网，而且妒地址不固定。因此，只能由g p r sd t u 主 动连接数据中心，而不能由数据中心主动连接g p r sd t u 。这就要求数据中心具 备固定的公网d 地址或固定的域名。数据中心的公网p 地址或固定的域名作为参 1 4 数存储在g p r sd t u 内，以便g p r sd t u 一旦上电拨号成功，就可以主动连接到 数据中心。 具体地讲，g p r sd t u 通过数据中心的地址以及端口号等参数，向数据中 心发起t c p 或u d p 通信请求。在得到中心的响应后，g p r sd t u 即认为与中心握 手成功，然后就保持这个通信连接一直存在，如果通信连接中断，g p r sd t u 将 立即重新与中心握手。 由于t c p u d p 通信连接已经建立，就可以进行数据双向通信了。 对于d t u 来说，只要建立了与数据中心的双向通信，完成用户串口数据与 g p r s 网络数据包的转换就相对简单了。一旦接收到用户的串口数据，d t u 就立 即把串口数据封装在一个t c p u d p 包里，发送给数据中心。反之，当d t u 收到 数据中心发来的t c p u d p 包时，从中取出数据内容，立即通过串口发送给用户设 备。 在本项目中，我们选择的是北京嘉复欣公司所生产的g f 3 0 0 8 b wg p r sd t u 。 该款d t u 工作稳定，而且在恶劣温度、湿度和电磁干扰的环境下也能正常工作。 其详细技术参数为瞄】： 本参数 电源：n p u 刨8 v - 2 5 vd c i m a x m p u 卢5 0 0 m a 数据接口：标准d b 9 接口 环境温度：工作温度，3 0 一+ 7 0 ；存储温度，4 0 + 8 0 湿度范围：9 0 ( 无凝结) 外形尺寸：7 5 * 5 0 * 1 6 m m 本功能 持双频g s m g p r s 使用方便、灵活、可靠 符合e t s ig s mp h a s e2 + 标准 实时时钟 增强功能 透明数据传输与协议转换 支持虚拟数据专用网 支持点对点、点对多点、中心对多点对等数据传输 s t k 卡特殊功能配置 支持r s 2 3 2 4 8 5 支持音频接口( 可选) 系统配置和维护接口 通过串口进行软件升级 支持图形界面配置与维护( 由数据中心集中管理) 支持空中软件升级( 选项) 抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求 3 2 路基沉降数据监测管理系统 本数据管理系统将主要实现以下两个功能：系统管理和采集数据的初步分析 及处理。系统管理主要是针对不同的需求设置系统的各种参数，并且该软件系统 一定要直观，易懂，方便操作。采集数据的初步分析及处理是必要的，因为采集 过来的数据是一串字符，并不能反应沉降量和温度数据，如果靠人工处理这些数 据，工作量非常大，并且容易出错。因此在软件设计时我们考虑将字符串转换为 实际测量数据，并且将其保存起来，或用作人工分析，或用作沉降曲线绘制。 3 2 1 软件系统开发平台的选择_ s u a lb a s i c6 0 目前w m d o w s 操作环境下的软件开发主要以各种面向对象的可视化高级编程 语言为主，如m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 、v i s u a lc 撑，b o r l a n d 公司 的c + + b u i l d e r 、d e l p h i 等。由于路基沉降数据监测管理系统软件的开发主要围绕 数据采集和数据操作展开，在综合考虑沉降数据的处理保存的特点、编程实现的 难易程度和时间限制的基础上，本文的软件开发平台决定选用v i s u a lb a s i c6 0 。 v i s u a lb a s i c 是基于w m d o w s 的面向对象的可视化应用程序开发工具，它提供了很 多接口成员，对象、属性、事件、方法就是4 个重要的接口，它因采用当今软件 设计的最新技术以及其强大的功能，而得到了广泛的应用，用v i s u a lb a s i c 开发软 件有开发效率高、具有简单易学、灵活方便和易于扩充的特点【2 3 】。在各种可视化 编程语言中v i s u a lb a s i c 是最容易学习的一种编程语言，它提供了生成向导、拖放 技术、属性检查及丰富的功能控件，是目前可视化程度最高的开发工具。另外， v i s u a lb a s i c 提供了许多新的控件和工具，是v i s u a lb a s i c 成为开发w m d o w s 下应 用程序最迅速、最简捷的开发工具。 3 2 2 实现软件系统的关键技术 根据本项目要求，首先该软件要实现的是g p r s 通信，要编写这样一段程序， 必须对相关的网络协议及其他的一些较底层的技术有较深入的了解，这可不是一 1 6 件容易的事，也会耗费大量的时间。但现在w m s o c k 控件解决了这个问题，它封 装了所有繁琐的技术细节，并提供了访问t c p 和u d p 网络服务的方便途径。只需 通过设置控件的属性并调用其方法就可轻易连接到远程客户端中，并且还可以双 向交换数据，而这一切都不需了解t c p 的细节或调用低级的w m s o c ka p i s 。使用 时只需设置属性、在恰当的时候调用它提供的方法即可。 下面我们对w i n s o c k 控件的事件、方法、属性按其在程序中出现的顺序分别 作详细的介绍，以便更好地理解程序源代码 2 4 2 5 刀。 服务器程序的实现过程是： ( 1 ) 服务器程序必须设置好l o c a l p o r t 属性，作为侦听端口，该值为一个整数 ( 只要是一个其它t c p i p 应用程序没有使用过的值即可，在本项目中我们使用的 端口是8 0 0 0 ) 。 ( 2 ) 使用l i s t e n 方法进入侦听状态，等待客户机程序的连接请求。 ( 3 ) 客户机程序发出连接请求，使服务器程序产生c o n n e c t i o n r e q u e s t 事件，该 事件得到一个参数r e q u e s t l d 。 ( 4 ) 服务器程序用a c c e p t 方法接受客户机程序的r e q u e s t l d 请求。这样，服务 器程序就可以用s e n d d a t a 方法发送数据了。a c c e p t 方法必须用上一步得到的 r e q u e s t i d 作为其参数。 ( 5 ) 当服务器程序接收到数据时，产生d a t a a r f i v a l 事件，参数b y t e s t o t a l 包含 接收到的