鐵路隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

　一、引言
　　隧道的開(kāi)采、施工和使用過(guò)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(guò)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。
　　傳統(tǒng)的隧道圍巖位移量測(cè)方法主要有兩種：一種是在施工過(guò)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)量測(cè)；另一種是借助隧道斷面儀定時(shí)定點(diǎn)量測(cè)待測(cè)斷面。兩者的不足之處在于：
　?。?）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(guò)程中隧道圍巖的異常變化。
　?。?）對(duì)施工干擾大：由于變形量測(cè)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。
　?。?）量測(cè)工作危險(xiǎn)：在人員不易接近的地方，為了獲取量測(cè)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。
　?。?）量測(cè)費(fèi)用高：因同一斷面要多次反復(fù)量測(cè)，加之量測(cè)過(guò)程繁瑣，用人多，耗時(shí)長(zhǎng)，導(dǎo)致量測(cè)費(fèi)用較高。
　?。?）量測(cè)數(shù)據(jù)不可靠：造成量測(cè)數(shù)據(jù)不可靠的原因主要是量電子和機(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。
　　由于以上五個(gè)主要缺點(diǎn)局限了傳統(tǒng)的隧道監(jiān)測(cè)技術(shù)，本系統(tǒng)采用PIC32處理器構(gòu)建鐵路隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有集成度高、處理速度快、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)。PIC32處理器工作頻率高達(dá)80MHZ，具有32位處理寬度、32K RAM、并帶有10位、500ksps A/D等性能，能夠減少產(chǎn)品的外圍器件，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)成本。
　　二、整體方案設(shè)計(jì)
　　用激光器光束、CCD進(jìn)行鐵路隧道施工中圍巖位移監(jiān)測(cè)原理示意圖2-1。由四部分組成：半導(dǎo)體激光光源及光束變換傳輸、CCD傳感器、數(shù)據(jù)采集采集處理傳輸模塊、支架（固定CCD）光傳感器與激光光源相對(duì)位置，包括微調(diào)節(jié)架等）。圖2-2為在施工工地上架設(shè)的圖片，圖2-3為在實(shí)驗(yàn)室搭建的模擬平臺(tái)。
　　
　　圖2-1 鐵路隧道監(jiān)測(cè)原理示意圖
　　
　　圖2-2 施工工地上架設(shè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)
　　
　　圖2-3 實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)
　　整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如下所示，采用PIC32MX460F512L為核心處理器，整個(gè)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信。
　　數(shù)據(jù)采集部分為：通過(guò)RA接口驅(qū)動(dòng)線陣CCD TCD1501；由于線陣CCD輸出的是模擬信號(hào)，需要通過(guò)ADC接口轉(zhuǎn)換為MCU能夠處理的數(shù)字信號(hào)，并計(jì)算出當(dāng)前光斑位置；使用I2C接口連接溫度傳感器LM75，獲取當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)；使用RTCC接口獲取當(dāng)前的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷。數(shù)據(jù)顯示部分：采用PMP接口驅(qū)動(dòng)字符型液晶LCD1602，顯示當(dāng)前的時(shí)間、溫度、光斑位置信息。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分：采用SPI接口驅(qū)動(dòng)常用的miniSD卡，并使用流行的文件操作系統(tǒng)FatFS，存儲(chǔ)時(shí)間、溫度、光斑位置數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信部分：采用USART接口，通過(guò)串口通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>上位機(jī)電腦上，并使用圖形化編程軟件LabVIEW進(jìn)行編程。