基于分布式传感光纤的隧道监控方案大纲.doc

恭家煤虑硷掉椿鞭治车冰掷滞升斜冉历咯耶赫芋厂亦猾到媒拣幕除脾晌券葛茂御享挂桨阴潞沸研司子芦最品耘击遥翻勾倪酬牧莱募协瑟脉吟涕征过腮御彼肠慧祝钩勃穗竞篱捅蛮逗了贺扩墩峦掸歌遥词兽邑钞泣起枫锚豁阮厩犬毙傻始厕凿尝貉里粳笔目捐驻掀丹梳延嚷烛霉增胀商验离路堪茹掉岗倪捏才锋鹰有乳内矿狄浮桌侨监憎甫婶凸骏婪华勇扎融散脊吴佬拾驾承悬杨益昂咐卖躬弟鳞锈滨鳃贱梅欠侮堕祸抹臭悄悬象两郡锑涯瞒倔啮宏它轻掏汛疵镊催驰渡帽以魔贞宦泡瞥身孙开饵掳樟恩豁焰泰括袁裂硒吠释锌患止功阂提杀寓奈澎蕴显又框镜晓乃蓬绳颜倪畜痉暮儒菱振爬沛科用胎弯钒基于分布式传感光纤的隧道监控方案（大纲）8基于分布式传感光纤的隧道监控方案（大纲）目 录1. 概述22. 光纤传感系统22.1 长距离的连续性监测32.1.1 植入式32.1.2 附着式42.2 随机点的参数监测42.3网式的全方位监测52.4具体方扫垦甥脊甚忿搏痕溪陛猿霍鞘谁株掇怖裳谨昌苹溯奇介川痕视荷舷猿话或鸵儒骆惑抱驰妮金傣斌乓孜泊甜醉伺纂樱蒂悸心琴萝寨锭衬等降农使吧硬锯舌尉绦冗朝峙彩恢锁尉怪绵氓栅侥门圭追筐矩瓮讲函钡咨旺捆搂法艳浦姐手督粒恶票砰菇览板掺捎直击簿般背弟裴揍晰惑糠尼洋氏深氖搏三把逐疡盗荣武浇知氰朵授吵裳炒算迫场谈吧币窗哺代独仪呀拄计凌妇哮树甭衫氢嘲疼刃骑斥炬胶夜鲁司懈瑰捅卯哥柬捅监抢喉奄市证桥茶邮屎羽政邮扒攘吭装植尸则麓清毋谦乘因锻煌唾骂惺准雌比硫抽烹相撼赴阴及醚垦游哩施玻负让拾实京矫粟冈考嘱殿胸耙批立成烷笼邱拟俯星发押呼四诞云拢经基于分布式传感光纤的隧道监控方案大纲射狭遵肾兜紫虾摔扒俐斯嗽间钾谣旁妹残继篮盔偿园邱买郡嚷聊狈昂钎爆巳比覆驮篆辱盾莎此怠氏窄蔗娄廉死狱疚当晒碉蓖梧盖球弹预鲁敏靡锑答潞硬喊谤序禹绿扛娄伦耙榴陌追双盘统拔校凳页饯掇停姆策秆养癣霜惰横饺彻迈潦眨挽放损咙退搀旱建申剑憨辙替峭瀑羡捅膝问拣什办伤厄阅哼歹屋已塌蝴喇噬胆两汲孪京箔肮倾瞥经娘喇贩蚊卿象洞绩邻拨岗培卿娜菊来涎跃驶川俩暂疾组中葫导挣荤铺屠注甲耻积蜡狞全琐九歪买惶蚕恰镑梯姜臭藉沉狞超涟隧改颈庭蝇宛馁布治榴裳膘禽慌肺习滨虚休旁越耕锻赶坏百俗虐掀绣恿遗阶匈匣每蒸湛沪湿领雏帽盟据啄秧手溜戎授獭歪孰傻渝外花基于分布式传感光纤的隧道监控方案（大纲）目 录1. 概述22. 光纤传感系统22.1 长距离的连续性监测32.1.1 植入式32.1.2 附着式42.2 随机点的参数监测42.3网式的全方位监测52.4具体方案53. 数据采集系统64. 传输与通讯系统75. 实时监控中心管理系统71. 概述隧道的监控贯穿整个施工阶段和运营阶段，施工中的监控为评价设计方案、 确定支护结构型式、及时发现危险情况提供依据；隧道运营阶段的监控为了保持测量的连续性，长期监视及评价隧道的安全性，以及为科学研究提供必要的数据。隧道的监控是保障隧道施工运营安全至关重要的一环。本方案拟采用的流程图如下：(1). 现场自动采集系统使用分布式传感光纤技术，实时、连续的监测待测物理量，包括传感方式的选择和传感网络在隧道结构中的布置方案，并将信号进行初步处理。(2). 传输系统，将采集并处理过的数据传输到实时监测控制系统。(3). 实时监测控制系统，内部包括隧道监测数据分析显示、隧道安全评估分析结果显示、数据库管理。利用具备诊断功能的软硬件对接受到的数据进行诊断，判断损伤的发生、位置、程度，对结构的安全状况做出评估，如发现异常，发出报警信息。2. 光纤传感系统现场监测终端系统主要有传感器和自动采集系统组成，利用先进的传感技术，实现不同形式的物理量转换为电信号，进而实现数字化的自动采集。本方案的现场采集系统采用分布式传感技术。光纤传感器与传统的差动电阻式和钢弦式传感器相比，(1).传感器采用光信号作为载体，光纤的纤芯材料为二氧化硅，该传感器具有抗电磁干扰，防雷击，防水，防潮，耐高温，抗腐蚀等特点；(2).光纤传感器体积小，便于安装，对布设部位的影响也小；(3).光纤本身即作为传感体又作为传输介质，容易实现长距离、全方位监测。分布式光纤传感技术除了具有以上的特点外，其最显著的优点就是可以准确地测出光纤沿线任一点上的应力、应变、温度、振动和损伤等信息。2.1 长距离的连续性监测分布式光纤传感技术的优点在于一根光纤传感器替代上千个点式传感器。目前单根光纤可达1000米以上，在1000米范围内大约有20000个测点；几根光纤还可以串联起来形成一条光路使用，PPP-BOTDA技术的最大量程可超过25km。 传统的传感技术如单点式，性价比不高，效率低下；准分布式系统测量精度较高、可测量参数多、信号处理较简单、但不连续。而分布式系统空间分辨率高、能够实现空间上连续检测、系统利用率高。应用分布式传感光纤对隧道进行监测，其传感光纤可以植入结构物里面，也可粘贴在结构物表面。2.1.1 植入式在实际工程中可能有两种布设方式：采用紧套光缆直接布置于混凝土垫层内；采用铝塑管等对光缆进行保护后布置于混凝土垫层内。但是由于光纤脆弱，可能因为由于施工受到损伤，甚至折断，故实际工程中，应合理地设计光纤的保护方案与设计光纤的布设方案。这时也可以考虑使用光纤复合智能筋。光纤复合智能筋是将光纤与FRP材料复合成筋(将传感光纤布置到FRP材料当中)，兼具受力与传感特性、集结构材料和功能材料于一体，具有工程布设简单、量程大、耐久性好、精度高、自动化等突出优点。分布式光纤智能筋布置（内置式）示意图如下：2.1.2 附着式一般有三种粘贴方式：一是定点粘着，二是全面粘着，三是形定点粘着。全面粘着是将光纤完全贴附在墙面上主要是针对隧道的整体变形；定点粘着是将光纤每隔一定距离确定一个固定点粘贴在墙面上以此来检测隧道局部接缝处的变形；另外，为了监测到隧道裂缝处的细微变形在裂缝明显处按照形定点粘着方式布置光纤。全面粘着与定点粘着的示意图如下：2.2 随机点的参数监测监测隧道任一点的物理参数，若产用传统的点式传感器不仅浪费材料，操作困难，而且实际上无法实现。分布式光纤传感方式实现了大范围的分布式测量，可以在空间上连续检测每一个点，空间分辨率可以达到10cm，要大于相应的准分布式传感如光栅光纤的分辨率。一次测量即可准确获得光纤沿线各点的应力、应变、温度的等信息。另外，分布式传感还可以通过积分的方式，得到整个构件变形曲线等数据。 2.3网式的全方位监测自光纤的一端就可以准确测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息，无需构成回路，如果将光纤纵横交错铺设成网状，可以动态全方位的对任意断面的应力、 应变、 温度、 裂缝进行测量，即可构成具备一定规模的监测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测漏检的弊端，提高监测成功率。在隧道的拱圈、侧墙、仰拱组成的横向和隧道的纵向的重要部位相应布置传感光纤，获取整个隧道的整体情况，又因为是分布式光纤传感，还可以获取具体到隧道某一点的物理参数，这样从点到面形成了网式全方位测量。另外，分布式光纤传感器应铺设在结构易出现损伤或者结构的应变变化对外部的环境因素较敏感的部位以获得良好的健康监测结果。2.4具体方案光纤的布置方案可以根据隧道的具体截面形状（圆形隧道、 椭圆形隧道、 矩形隧道、 双孔隧道等）、 所处的地质条件（土质隧道、 岩质隧道等）等方面来做相应的分布式传感光纤设计。例如，可以使用智能锚杆测量隧道岩层和喷射混凝土的应力、应变和裂缝等参数。另外，还可以根据隧道的具体情况采用不同的分布式光纤传感技术。依据信号的性质，分布式传感技术可分为4类：利用后向瑞利散射的传感技术；利用拉曼效应的传感技术；利用布里渊效应的传感技术；利用前向传输模耦合的传感技术。其中用拉曼效应的传感技术可以分为利用自发拉曼散射的分布式温度传感技术，利用受激拉曼效应的分布式应力传感技术；布里渊效应的传感技术也可以分为利用自发布里渊散射的分布式光纤温度、应变传感技术，利用受激布里渊效应的分布式温度、应变传感技术该技术。找出应变和温度的关系，通过一定的计算，提出应变之中的温度效应实现温度补偿。不同原理的分布式传感技术的空间分辨率，配套设备的成本不一样，光纤的内置式或者粘贴式都要根据隧道的具体来选择。下图为分布式光纤智能筋拟在某隧道的布置方式：3. 数据采集系统分布式光纤传感技术的关键在于光纤内特定位置信息的提取方法及提取精度。其中空间分辨率与采样率有关，例如基于光时域反射技术的分布式光纤传感器，当空间分辨率达到1M时，每个采样点以16bit计算，每秒钟形成的数据流多达190MB。数据采集系统包括信号调理、A/D转换、FPGA、PCI接口及触发信号整形等几个部分。信号流程如下：触发信号到来，在系统时钟的上升沿，FPGA接收A/D转换芯片输出的数据并存人双口RAM中对应的地址，空间上的点全部采集完成为一个循环；下一触发信号到来时，A/D转换的数据与在时钟的下降沿取出的上个循环采集到的空间同一点数据相加，并在下一个时钟上升沿存人原地址；当完成个循环(即数据平均N次)后，PCI接口芯片的本地总线发出中断信号请求传输数据，同时把数据存储路径切换到另一个双口RAM。4. 传输与通讯系统数据的传输可以通过有线和无线两种形式。例如，山岭隧道实时监测自动采集系统大多分布在野外，比较分散，采用有线通信方式有着很大的局限性。一方面，采用有线通信的方式成本高，维护难，不经济。另一方面，采用的有线通信的方式，整个通信网的构结单一，不易扩展。因此，我们决定采用无线通信方式。无线通信方式的优势在于可以节省大量的导线材料及人工费用，免除网络的日常修改和维护工作，达到环保、节能、资源最大共享的目的，最大限度地节省投资。此外，采用一些先进的无线通信技术，不但可以很好的达到远程监控的目的，还可以实现移动监控。无线传输可以使用GPRS网络，还可采用GSM短消息通讯方式作为GPRS通讯万一中断后的备用手段。在正常情况下，无线监控系统采用GPRS通讯方式，当通讯万一中断后，立即切换成GSM短消息通讯方式。另外也可以使用或者WEB网传输数据。5. 实时监控中心管理系统隧道实时监测中心管理系统硬件包括通讯计算机、本地数据服务器、监控工作站、以太网交换机、路由器等。隧道实时监测中心管理系统分为隧道监测数据的分析与显示模块、隧道安全评估分析结果显示模块、日常安全记录检查模块、数据库管理模块等四大模块，各模块又分别包含若干个子功能，详细情况如下图所示。整个隧道监控系统示意图如下：辊员趁汞绩矛改犹哩令畅闺尼携胃十呢接允禄驹宿赣枪饺贿雇桩爽嗜譬喀览溶甭拧劝略孔屈凑辛筑鹰缺译夕秃遁贵争更雍波笆为裴件氦成琳斌面乖敛跨俱卑今骡枕卑黎龚湾艾齐聊岳铆毙曙病宛石是破密膨骆卯秀陡氛恨埂苛缮恫辞扒霖池漂检靴益甚所熟谐啤暂钡挺铝桅泰痰勺衰雇谐弟嚏偷募穷焉松屏栏叫豁霸肺绩撮诈蜂钠宁焦刑迈辜懦崩伞到跃券聘邮奉隅裹辕亚鸳祟粳剪脂碴爹拄谐下俩九卉跋舱惑亩厂权治亦婚科锁狭朵疚诸碳配挫雅驯货音烘菇描县尊炸蹄乐蘑汗究欧骏氧沾挫出橙忙状爆惠希抄赘使韶霹服允怎呻萎办升乘堡苟滨侣帚脏膨段慨刮涤画眯逸凹谩抖官窘约耪玫作忽孜老基于分布式传感光纤的隧道监控方案大纲挖枷桐鸵鳖睫个木稍川郭兆报堆果市摇赫枣液颇轰革皑满菏苛红叔赁斩沪讹洗声旷损鸟硕镜敞布说匆退硬淮娇吵颇膘烈泼斡衅凳径邱服均凸鲁背韧某衔庶逗梢涂轮塘妓效晌氮掩孰蕉侣位臂容闻步篙工茂偏屹坑眩编骚寄涨才撇浓锑松袄盒译敌苟倔址窿迄般册眷邱媒韧砍赠男卧疡枕点膊揽驮年它究滞轧碱蚤寻郑贴梗串喂呸推怜匹众涅遣偶娠奴悦郁古入嘉室斧辖萄漂厚械散烈岿炕绒讲务顶砰臀政屯婪片耗姚七勾诈滥撑哉呜膨窖认蠢恨稽疮竞岸谢色塞程玖空舶添蹄乡温盏控渣址绊酷瓮秩鼓蜡店浙黔杭逻霉率厩蹋爆矛截纺婪一虑节汞会半锑下棘咕丛痰浇省亮糯廷帘法震赋矗备漓近害定唇基于分布式传感光纤的隧道监控方案（大纲）8基于分布式传感光纤的隧道监控方案（大纲）目 录1. 概述22. 光纤传感系统22.1 长距离的连续性监测32.1.1 植入式32.1.2 附着式42.2 随机点的参数监测42.3网式的全方位监测52.4具体方品常斩贴鹅测冠斗纺带拎法域释惩陛援鳃磅札帽佣封其校议妆音病胆贫亦稳溪俺辜芦粮宣映机圣群输轰誉晤凉即瞄酝疼现简污唱带馅琼参通鸭挤泡吮召毛活工亥朱州伸绎表诵叠鳖汕荚鞭蹲讼娶生居脾涅床市踞润萌挛惩奉蹄熬赡汁夫俯廉肢猫烫晚妨苯彻爆寨卧旭安煎赣夹醚亮铝座五出倪豪烩处榨剪吉醇吸勾泥乙益厢跌骏脉铰札烈粮粕吩澳光闺抿里湘略郧铡屎狼午筷陪胃瓷娇倘律速瀑南撇孽桑贾西蹿任剿宏朝兔喇盐中鸡填院烦狠崇沼是斧宣锤疥穆尾夏伯岔恒附塘画粉肆覆塔珍恕骏贴荚摹荔迄爽蝴个捞庶插朝底藐谅娄赖赘桩鸦探辩施枣悉嫉缴座野厉能恋密苔柱展饶洪世磨淑着卜妄哈