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

　　（1）不能實(shí)時(shí)監(jiān)測：即不能隨時(shí)監(jiān)測待測斷面的變形情況,，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,。

　?。?）測量工作危險(xiǎn)：在人員不易接近的地方，為了獲取測量數(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。

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

　?。?）測量數(shù)據(jù)不可靠：造成測量數(shù)據(jù)不可靠的原因主要是電子和機(jī)械儀表的測量精度不夠和處理測量數(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)測系統(tǒng)，具有無接觸,、自動(dòng)化,、高精度和高可靠性等優(yōu)勢，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。

　　　　圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　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期的安全情況,，評(píng)估和預(yù)測未來的走勢,。控制部分采用板上的觸摸選擇按鍵,，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。

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　圖2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　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音進(jìn)行語音提示,。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

　　程序運(yùn)行流程圖

　　圖3程序運(yùn)行流程圖

　　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,。

　　實(shí)際安裝效果

　　圖4實(shí)際安裝效果