基于AVR32鐵路隧道施工安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 引言

鐵路隧道的開采、施工和使用過程中，隧道圍巖變形是圍巖應(yīng)力分布、整體力學(xué)形態(tài)變化和穩(wěn)定狀態(tài)最直接和可靠的反映，圍巖凈空位移的測(cè)量是隧道施工過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是判斷圍巖穩(wěn)定性和指導(dǎo)施工的重要依據(jù)。對(duì)隧道圍巖變形進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測(cè)和分析預(yù)報(bào)成為鐵路隧道施工中保證施工安全、防止事故發(fā)生、合理確定隧道支護(hù)的十分重要的工作。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

傳統(tǒng)的隧道圍巖位移測(cè)量方法主要有兩種：一種是在施工過程中布置測(cè)量斷面，間隔一定的時(shí)間由人工使用各種機(jī)械式或機(jī)械-電子式收斂計(jì)測(cè)量;另一種是借助隧道斷面儀定時(shí)定點(diǎn)測(cè)量待測(cè)斷面。兩者的不足之處在于：

(1)不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：即不能隨時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)斷面的變形情況，因而不能及時(shí)反映施工過程中隧道圍巖的異常變化。

(2)對(duì)施工干擾大：由于變形測(cè)量中或者需要拉尺，或者需要架設(shè)斷面儀，所以對(duì)施工作業(yè)，尤其是運(yùn)輸作業(yè)干擾很大。

(3)測(cè)量工作危險(xiǎn)：在人員不易接近的地方，為了獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，人員不得不頻繁接近危險(xiǎn)空間，因而對(duì)人員與儀器的安全威脅較大。

(4)測(cè)量費(fèi)用高：因同一斷面要多次反復(fù)測(cè)量，加之測(cè)量過程繁瑣，用人多，耗時(shí)長(zhǎng)，導(dǎo)致測(cè)量費(fèi)用較高。

(5)測(cè)量數(shù)據(jù)不可靠：造成測(cè)量數(shù)據(jù)不可靠的原因主要是電子和機(jī)械儀表的測(cè)量精度不夠和處理測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)造成的誤差。

我們采用AVR32處理器構(gòu)建新型的鐵路施工隧道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有無(wú)接觸、自動(dòng)化、高精度和高可靠性等優(yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)能用于隧道施工安全、防止事故發(fā)生。

二、需求分析

2.1 功能要求

系統(tǒng)需要實(shí)施監(jiān)控鐵路隧道施工安全情況，如圖1系統(tǒng)架構(gòu)，我們將半導(dǎo)體激光器架設(shè)在穩(wěn)定地圍巖上，作為參考基準(zhǔn)點(diǎn)。需要觀察的不穩(wěn)定圍巖出架設(shè)我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)，通過CCD感應(yīng)光斑的位置，從而反映圍巖下沉的情況。

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2.2 性能要求

系統(tǒng)需要高精度地反映鐵路圍巖下沉的狀況，需要排除外界干擾因素等影響，比如外界溫度，濕度都會(huì)影響光線傳播的路徑;外界光線過強(qiáng)，會(huì)造成CCD飽和失真等等。我們需要消除這些因素，從而達(dá)到高精度、高可靠性等特點(diǎn)

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示：采用AVR EVK1105評(píng)估套件為基礎(chǔ)，它是采用32位的AT32UC3A0512為核心處理器，外擴(kuò)256M SDRAM，64M FLASH的評(píng)估套件。數(shù)據(jù)采集部分采用東芝線陣光電耦合器件(CCD)采集隧道下沉位置信息，溫濕度傳感器采集隧道環(huán)境信息，光線傳感器采集外界光強(qiáng)度信息。顯示部分采用板上的QVGA(320×240)彩色LCD液晶顯示，顯示數(shù)據(jù)采集部分采集的信息。由于系統(tǒng)需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間地工作，對(duì)采集的信息需要做相應(yīng)的處理，需要顯示每分鐘/每小時(shí)/每天/每月這四個(gè)界面，從而直觀地反映鐵路隧道短期和長(zhǎng)期的安全情況，評(píng)估和預(yù)測(cè)未來的走勢(shì)?？刂撇糠植捎冒迳系挠|摸選擇按鍵，達(dá)到顯示不同界面的效果。數(shù)據(jù)可以通過板上的SD/MMC接口進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，也可以通過以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。當(dāng)超過設(shè)定的閾值，可以通過板上的高保真音頻接口發(fā)出語(yǔ)音提示，設(shè)定的報(bào)警提示內(nèi)容可以存儲(chǔ)在板上的FLASH當(dāng)中。

以上敘述為站點(diǎn)1的接口，其他站點(diǎn)與站點(diǎn)1類似，用于監(jiān)測(cè)鐵路隧道的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，都可以通過以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)，從而反映整條鐵路隧道的整體情況。

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

硬件平臺(tái)選用：32位的AVR EVK1105是基于AT32UC3A0512的評(píng)估套件。

使用到板上資源：320×240 QVGA 彩色液晶LCD顯示器，外展256M SDRAM，64M FLASH，SD/MMC接口，以太網(wǎng)接口，光線傳感器，觸摸按鍵，高保真音頻解碼等。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

如圖3所示，系統(tǒng)首先采集三個(gè)重要信息：光斑位置、溫濕度和外界光強(qiáng)度。根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)算發(fā)，消除溫濕度和外界光強(qiáng)都光斑位置的影響。如果超過設(shè)定的閾值，采用板上的高保真語(yǔ)音進(jìn)行語(yǔ)音提示。處理后的數(shù)據(jù)由SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、LCD液晶顯示和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

圖4是我們前期采用筆記本顯示和處理數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)龐大。預(yù)先采用AVR開發(fā)套件，完成相應(yīng)模塊的驅(qū)動(dòng)和設(shè)計(jì)，小型化、實(shí)用化，應(yīng)用到實(shí)際的工程項(xiàng)目當(dāng)中。