隧道施工與運營多元信息預警與安全保障系統的製作方法

2024-02-10 14:51:15

專利名稱：隧道施工與運營多元信息預警與安全保障系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種數據自動化採集、監控裝置，特別是一種隧道施工與運營的數據自 動化採集、監控裝置。
背景技術：
目前，絕大部分隧道工程中的施工信息都是通過布設各種類型的測量部件(傳感器等) 後利用配套的監測儀器進行人工實測和手工輸入計算機的方法進行收集的，數據的分析、處 理和反饋也是通過人工進行的。監測方法技術主要依靠人力來完成，導致了工作效率低下， 信息反饋速度慢，勞動強度大，且人工採集的信息在數量上較少，難以及時反映監測對象的 變化，達到指導施工，保障施工安全的目的。

實用新型內容
為了克服隧道工程中現有的監測方法效率低下、勞動強度大、反饋速度慢、信息量少等 缺點，本實用新型的目的是提供一種隧道施工與運營多元信息預警與安全保障系統，要解決 隧道施工與運營多元信息的數據自動化採集與安全管理綜合分析的技術問題。
本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是
一種隧道施工與運營多元信息預警與安全保障系統，包括與傳感器相連的信號激勵採集 模塊和與信號激勵採集模塊信號相連的主控制器，其特徵在於
傳感器設置在隧道內需要監測的斷面，信號激勵採集模塊與主控制器組成綜合傳輸基站。
主控制器內部自帶高速FLASH、 SRAM和計數器，主控制器內部具有連接LED指示燈的接口 和用於連接時鐘晶片的接口，外部還具有以下接口。 用於連接無線網絡的ZigBee無線模塊協議接口。 用於連接有線網絡的TCP/IP網絡接口 。 用於連接CAN總線收發器的協議接口 。
用於與信號激勵採集模塊連接的通用I/0口、 IIC接口、 SPI接口。 串口和USB燒錄接口。
信號激勵採集模塊具有1一16路鋼弦式傳感器測量通道和1一16路電流電壓開關量可選的 傳感器測量通道。16路鋼弦式傳感器測量通道分別與16個激勵電路連接，16個激勵電路分別經高通濾波電 路與16選1模擬開關的16個信號輸入端連接，16選1模擬開關的信號輸出端順序經二階低通濾 波電路、 一級放大電路、五階低通濾波電路、二級放大電路、隔直整形電路與主控制器的計 數器信號連接。
16路電壓/電流傳感器測量通道分別經電流電壓轉換電路與另一個16選l模擬開關的16個 信號輸入端連接，該16選1模擬開關的信號輸出端經AD轉換器與主控制器信號連接。 上述信號激勵採集模塊和主控制器分別連接交流電/電池雙電源供電系統。 上述傳感器是電流信號傳感器、電壓信號傳感器、數字式傳感器或開關量傳感器。 上述信號激勵採集模塊可以與接收施工現場視頻信號的攝像頭連接。 上述主控制器內部自帶256K高速FLASH和64K的SRAM。
上述主控制器經ZigBee無線模塊協議接口 、 CAN總線收發器的協議接口可直接與電腦連 接，也可以通過GPRS與遠程伺服器或手機信號連接。
上述的遠程伺服器是指與Internet相連接的、具有固定對外IP的桌上型電腦或筆記本電腦。
與現有技術相比本實用新型具有以下特點和有益效果
主控制器提供了ZigBee、 CAN總線、TCP/IP三種協議的接口 ，用它作為網絡節點，能靈 活的構建各種有線無線網絡。除了三種網絡接口外，還預留了一個串口，並將通用I/0口、 IIC、 SPI等接口擴展出來，可以與信號激勵採集模塊連接，組成功能強大的多功能採集器， 這些接口的預留極大的增強了本實用新型的擴展性。
信號激勵採集模塊具有多通道、多功能性，具有強大的信號採集功能，提供了16路鋼弦 式傳感器測量通道和16路電壓和/或電流傳感器測量通道。
本實用新型適用於各種地下工程的施工監測與管理。它集多元信息及預警安全管理功 能於一體，是全方位地下工程施工與運營的安全保障管理系統。上述多元信息包括鋼弦式頻 率類、電流電壓類、開關量、數位訊號類、聲音、視頻、人機定位卡等，該系統的多元信息 由綜合採集器連接，根據設定的採集頻率可對所監控的地下工程進行實時監測，並將信息傳 送到廣域網。也可在無網絡覆蓋區組合無線基站傳輸至廣域網。然後通過智能化安全管理信 息系統對所採集數據進行常規評價和詳細分析。同時對地下工程的危險狀態進行不同級次的 安全預警處理。該系統也可對市域所有地下工程進行分布式監控管理，最終保障隧道及地 下工程安全、高效、健康施工。


以下結合附圖對本實用新型做進一步詳細的說明。
圖l是信號激勵採集模塊與主控制器連接的結構示意圖。
圖2是信號激勵採集模塊功能原理圖。
圖3是主控制器的結構示意圖。
圖4是GPRS網關主控基站結構圖。
圖5是系統工作結構圖。
具體實施方式
實施例這種隧道施工與運營多元信息預警與安全保障系統，包括與各種傳感器相連的 信號激勵採集模塊和與信號激勵採集模塊信號相連的主控制器，其傳感器設置在隧道內需要 監測的斷面，信號激勵採集模塊和主控制器組成了多功能綜合傳輸基站，所有基站由交流電 /電池雙電源供電系統供電。
參見圖l、圖3，主控制器採用ATMEL的AT91SAM7x256，其主頻達到55腿z，主控制器內部 自帶256K高速FLASH禾口64K的SRAM和計數器。
主控制器內部具有連接LED指示燈的接口和用於連接時鐘晶片的接口 ，外部還提供了以 太網接口、 CAN、 SPI、 UART、 USB、 IIC、通用10等以下豐富的接口
用於連接無線網絡的ZigBee無線模塊協議接口；
用於連接有線網絡的TCP/IP網絡接口；
用於連接CAN總線收發器的協議接口 ；
用於與信號激勵採集模塊連接的通用I/0口、 IIC接口、 SPI接口； 串口和USB燒錄接口。
信號激勵採集模塊具有16路鋼弦式傳感器測量通道和16路電流電壓開關量可選的傳感器 測量通道。
信號激勵採集模塊的功能原理圖見圖2， 16路鋼弦式傳感器測量通道分別與16個激勵電 路連接，16個激勵電路分別經高通濾波電路與16選1模擬開關的16個信號輸入端連接，16選 l模擬開關的信號輸出端順序經二階低通濾波電路、 一級放大電路、五階低通濾波電路、二 級放大電路、隔直整形電路與主控制器的計數器信號連接。
16路電壓和/或電流傳感器測量通道分別經電流電壓轉換電路與另一個16選l模擬開關的 16個信號輸入端連接，該16選1模擬開關的信號輸出端經AD轉換器與主控制器信號連接。
上述ZigBee、 CAN、 GPRS等接口能直接與電腦連接，或通過GPRS將信息發送到遠程服務 器，或將信息發送到手機。該系統的綜合採集器可採集多種信號；包括電壓、電流、開關量、鋼弦傳感器頻率信
號及數位訊號等。
通過現場人員或設備佩戴定位卡，可實現人員、設備定位功能，它非常方便隧道施工現 場的工程管理。
綜合採集器上可安裝攝像頭，對施工現場進行視頻監控。
可對隧道工程進行全方位預警及安全管理，可自動生成隧道施工日、周、月數據監測報 表，可供工程管理人員對現場數據進行査詢、分析、預警報管理。
該系統已將監控數據、人機定位、聲音、視頻等多元信息和已有工程資料、專業分析、 管理模式、專家經驗等密切聯繫起來進行危險預警分級，從而形成人機對話的預警報機制， 它將最大程度的化解隧道及地下工程施工與運營的安全風險。
參見圖4， GPRS網關主控基站是主伺服器電腦或筆記本電腦。它包括中央處理器和與之 相連的GPRS模塊、ZigBee模塊、顯示屏和交流電/電池雙電源供電系統。GPRS網管設備以 ARM9處理器為核心，外接ZigBee模塊和GPRS模塊。系統通過控制ZigBee模塊，完成對局域 ZigBee無線網絡中各節點的管理。利用GPRS模塊實現和遠程伺服器的連接和通信，將 ZigBee區域網的數據信息整理髮送到伺服器，並將伺服器的數據經ZigBee模塊轉發到 ZigBee網絡中。
在圖5中，用戶通過網絡訪問伺服器，進行硬體設置、數據採集、資料輸入和査詢、工 程管理等內容；伺服器向硬體發出指令，通過採集器採集監測數據，存入資料庫，並利用軟 件進行數據査詢、圖形顯示、自動預警、專業分析等，發現警情時結合專家經驗可給出提示 和進行報警。
本實用新型在隧道需要的斷面布設各種傳感器，由傳感器自動採集隧道施工圍巖、支 護結構受力和變形的實時數據，將採集信號輸入信號激勵採集模塊，利用無線網絡的遠程控 制，進行監測數據的實時自動化採集。同時，可在隧道掌子面安裝攝像頭，將攝像頭連接到 綜合採集器；也可通過佩戴人員定位卡進行人員定位考勤管理及信息交互；也可連接隧道激 光三維掃描系統；也可利用聲音通訊卡在基站覆蓋的範圍進行通訊等操作。將採集得到的數 據通過主控制器以無線的形式傳輸至主控基站，主控基站可直接連接電腦或通過GPRS上網進 行遠程傳輸，將數據傳輸至遠程伺服器或手機；電腦上的軟體和資料庫系統對採集數據進行 處理、分析和反饋，用戶可通過網際網路訪問遠程伺服器及時掌握現場信息，並可根據具體情 況進行下達指令、分級預警等操作，實現隧道工程的遠程交互安全管理。
權利要求權利要求1一種隧道施工與運營多元信息預警與安全保障系統，包括與傳感器相連的信號激勵採集模塊和與信號激勵採集模塊信號相連的主控制器，其特徵在於傳感器設置在隧道內需要監測的斷面，信號激勵採集模塊與主控制器組成綜合傳輸基站；主控制器內部自帶高速FLASH、SRAM和計數器，主控制器內部具有連接LED指示燈的接口和用於連接時鐘晶片的接口，外部還具有以下接口用於連接無線網絡的ZigBee無線模塊協議接口；用於連接有線網絡的TCP/IP網絡接口；用於連接CAN總線收發器的協議接口；用於與信號激勵採集模塊連接的通用I/O口、IIC接口、SPI接口；串口和USB燒錄接口；信號激勵採集模塊具有1—16路鋼弦式傳感器測量通道和1—16路傳感器測量通道；16路鋼弦式傳感器測量通道分別與16個激勵電路連接，16個激勵電路分別經高通濾波電路與16選1模擬開關的16個信號輸入端連接，16選1模擬開關的信號輸出端順序經二階低通濾波電路、一級放大電路、五階低通濾波電路、二級放大電路、隔直整形電路與主控制器的計數器信號連接；16路電壓/電流傳感器測量通道分別經電流電壓轉換電路與另一個16選1模擬開關的16個信號輸入端連接，該16選1模擬開關的信號輸出端經AD轉換器與主控制器信號連接。
2.根據權利要求l所述的隧道施工與運營多元信息預警與安全保障系 統，其特徵在於上述信號激勵採集模塊和主控制器分別連接交流電/電池雙電源供電系 統。
3.根據權利要求2所述的隧道施工與運營多元信息預警與安全保障系 統，其特徵在於上述傳感器是電流信號傳感器、電壓信號傳感器、數字式傳感器或開關量 傳感器。
4 根據權利要求3所述的隧道施工與運營多元信息預警與安全保障系 統，其特徵在於上述信號激勵採集模塊與接收施工現場視頻信號的攝像頭連接。
5 根據權利要求4所述的隧道施工與運營多元信息預警與安全保障系 統，其特徵在於上述主控制器內部自帶256K高速FLASH和64K的SRAM。
6 根據權利要求4所述的隧道施工與運營多元信息預警與安全保障系 統，其特徵在於上述主控制器經ZigBee無線模塊協議接口、 CAN總線收發器的協議接口直 接與電腦連接，或通過GPRS與遠程伺服器或手機信號連接。
7 根據權利要求6所述的隧道施工與運營多元信息預警與安全保障系 統，其特徵在於上述的遠程伺服器是指與Internet相連接的、具有固定對外IP的桌上型電腦 或筆記本電腦。
專利摘要一種隧道施工與運營多元信息預警與安全保障系統，傳感器設置在隧道內需要監測的斷面，信號激勵採集模塊與主控制器組成綜合傳輸基站；主控制器內部自帶高速FLASH、SRAM和計數器，主控制器內部具有連接LED指示燈的接口和用於連接時鐘晶片的接口，外部還具有以下接口用於連接無線網絡的ZigBee無線模塊協議接口；用於連接有線網絡的TCP/IP網絡接口；用於連接CAN總線收發器的協議接口；用於與信號激勵採集模塊連接的通用I/O口、IIC接口、SPI接口；串口和USB燒錄接口；信號激勵採集模塊具有1-16路鋼弦式傳感器測量通道和1-16路傳感器測量通道。本實用新型可實現信息的快速反饋，大大提高工作效率。
文檔編號G05B19/048GK201259623SQ200820302398
公開日2009年6月17日 申請日期2008年10月13日 優先權日2008年10月13日
發明者英 葉, 楊新銳, 毋運龍, 王昌華, 欣 謝 申請人:北京市市政工程研究院;北京索通紫蜂通訊工程技術有限公司;北京交通大學