鐵路隧道監(jiān)測系統(tǒng)分析

　一、引言
　　隧道的開采、施工和使用過程中，隧道圍巖變形是圍巖應力分布、整體力學形態(tài)變化和穩(wěn)定狀態(tài)最直接和可靠的反映，圍巖凈空位移的測量是隧道施工過程中一個重要環(huán)節(jié)，是判斷圍巖穩(wěn)定性和指導施工的重要依據(jù)。對隧道圍巖變形進行及時的監(jiān)測和分析預報成為隧道施工中保證施工安全、防止事故發(fā)生、合理確定隧道支護的十分重要的工作。
　　傳統(tǒng)的隧道圍巖位移量測方法主要有兩種：一種是在施工過程中布置測量斷面，間隔一定的時間由人工使用各種機械式或機械－電子式收斂計量測；另一種是借助隧道斷面儀定時定點量測待測斷面。兩者的不足之處在于：
　?。?）不能實時監(jiān)測：即不能隨時監(jiān)測待測斷面的變形情況，因而不能及時反映施工過程中隧道圍巖的異常變化。
　?。?）對施工干擾大：由于變形量測中或者需要拉尺，或者需要架設(shè)斷面儀，所以對施工作業(yè)，尤其是運輸作業(yè)干擾很大。
　?。?）量測工作危險：在人員不易接近的地方，為了獲取量測數(shù)據(jù)，人員不得不頻繁接近危險空間，因而對人員與儀器的安全威脅較大。
　?。?）量測費用高：因同一斷面要多次反復量測，加之量測過程繁瑣，用人多，耗時長，導致量測費用較高。
　?。?）量測數(shù)據(jù)不可靠：造成量測數(shù)據(jù)不可靠的原因主要是量電子和機械儀表的測量精度不夠和處理測量數(shù)據(jù)時造成的誤差。
　　由于以上五個主要缺點局限了傳統(tǒng)的隧道監(jiān)測技術(shù)，本系統(tǒng)采用PIC32處理器構(gòu)建鐵路隧道監(jiān)測系統(tǒng)，具有集成度高、處理速度快、實時監(jiān)測等優(yōu)勢。PIC32處理器工作頻率高達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，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)成本。
　　二、整體方案設(shè)計
　　用激光器光束、CCD進行鐵路隧道施工中圍巖位移監(jiān)測原理示意圖2-1。由四部分組成：半導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為在實驗室搭建的模擬平臺。
　　
　　圖2-1 鐵路隧道監(jiān)測原理示意圖
　　
　　圖2-2 施工工地上架設(shè)監(jiān)測平臺
　　
　　圖2-3 實驗模擬平臺
　　整個系統(tǒng)設(shè)計框圖如下所示，采用PIC32MX460F512L為核心處理器，整個系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信。
　　數(shù)據(jù)采集部分為：通過RA接口驅(qū)動線陣CCD TCD1501；由于線陣CCD輸出的是模擬信號，需要通過ADC接口轉(zhuǎn)換為MCU能夠處理的數(shù)字信號，并計算出當前光斑位置；使用I2C接口連接溫度傳感器LM75，獲取當前的溫度數(shù)據(jù)；使用RTCC接口獲取當前的實時時鐘和日歷。數(shù)據(jù)顯示部分：采用PMP接口驅(qū)動字符型液晶LCD1602，顯示當前的時間、溫度、光斑位置信息。數(shù)據(jù)存儲部分：采用SPI接口驅(qū)動常用的miniSD卡，并使用流行的文件操作系統(tǒng)FatFS，存儲時間、溫度、光斑位置數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信部分：采用USART接口，通過串口通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>上位機電腦上，并使用圖形化編程軟件LabVIEW進行編程。