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申请/专利权人：浙江科技学院

摘要：本发明属于地铁隧道三维检测技术领域，公开了一种基于基准传递的地铁隧道三维变形监测的车载测量装置，激光测距仪、倾角传感器、高精度旋转台、PLC控制器共同集成用于高速测距、测角、可旋转的激光测距系统；对隧道断面轮廓以离散的多点方式进行测量；同时结合安装于隧道检测车底测距轮上的光电编码器，获得检测车沿隧道轴线方向上起始位置和行驶位置间的固定位移量，触发程序，将检测到的在隧道内特定位置的数据经过无线通信器传输至上位机。本发明在隧道结构安全的在线监测的实用技术创新方面取得突破，为形成轨道交通设施可靠性设计、分析、试验、评价的技术体系奠定基础，在诸多领域获得具有实用性。

主权项：1.一种基于基准传递的地铁隧道三维变形监测预警方法，其特征在于，所述基于基准传递的地铁隧道三维变形监测预警方法包括：1进行基准传递的隧道变形的车载测量装置构成；在轨道运营环境下对隧道结构建立激光测量传感器网络几何配置，进行隧道形变检测和定位基准的传递；建立所测得的数据与站级数据处理系统的传输机制，构建隧道三维测量的理论模型；集成检测车的纵向定位系统，进行隧道内每一测量断面的位置，判断测量断面距测量起始位置的精确距离；建立激光测距系统、数据传输系统、车载定位系统、实时数据采集及反馈系统的集成方案及关键参数匹配；进行检测误差分析、轮廓比对及预警故障处理；2进行隧道断面测量数据采集及分析：进行多传感器系统标定、传感器自稳定系统、传感器网络配置、激光测距系统同步、多传感器海量数据传输存储、多传感器数据融合处理、隧道变形分析与预警发布，构建断面相对位置数据域与站级监测计算机实时交互的数据传输机制；并由站级监测系统通过各通信接口软件对各集成隧道断面变形检测校车的软件参数进行配置和修改；3进行隧道断面变形检测：将断面变形测量仪集成于车载集成系统；进行断面变形测量、减振支承检测、纵向定位系统、检测控制及数据预处理；车载集成系统通过无线网络与上位机进行通讯；4存储，分析并发布隧道形变信息，形成隧道形变预警机制；步骤1判断测量断面距测量起始位置的精确距离中，包括：激光测距仪安装于检测车上，测得的数据经动态基准测量系统的振动补偿后，获得断面检测点与安装结构中心点的距离；地铁隧道内起始的某点作为基准点，该基准点作为原点，从该基准点出发隧道检测车沿着地铁隧道内的轨道渐进式行驶；每隔固定行使距离安装在检测车上的PLC模块控制车载激光测距仪对隧道断面进行旋转测量；圆弧形隧道断面上每个检测点的绝对坐标应为xi,yi，其换算关系为： 其中，i＝1,2,3......，i表示某一断面不同扫描角度αi的检测点位置；αi是车载激光测距仪测量时激光束和水平面的角度，即扫描角度；M,N是沿隧道轴线方向上起始位置至行驶位置Z时的激光测距仪在检测车前端的安装结构中心点的位置坐标，即以隧道内起始点为原点时隧道检测车激光测距仪中心点的绝对位置，Li是某一断面的第i个检测点相对于车载激光测距仪的激光出射点的距离；圆弧形隧道断面上每个检测点的三维数据是xi,yi,Z，待检测区段隧道断面测量完毕后，激光测距仪停止测量，PLC中的数据通过有线或无线通信的方式传输至站级数据处理系统；数据处理系统对所测得的数据进行隧道断面的轮廓拟合得到实测隧道截面的轮廓。

全文数据：基于基准传递的地铁隧道三维变形监测的车载测量装置技术领域[0001]本发明属于地铁隧道三维检测技术领域，尤其涉及一种基于基准传递的地铁隧道三维变形监测的车载测量装置。背景技术[0002]目前，业内常用的现有技术是这样的：[0003]变形监测作为一种新型的高科技技术，有着不同的测量方法。摄影测量技术主要针对大面积的变形监测，例如隧道施工平面的大型特殊测量。利用数字近景摄影测量技术与激光扫描的形态对隧道地面进行精准的剖析测量与智能技术化分析，综合地统计隧道施工期间地面的变形情况。[0004]隧道收敛监测法适用于大断面的隧道的监控测量，但由于需要的设备过大，例如平台车等，使得技术复杂，操作不方便。在施工过程中，如果隧道发生位移，分为“地表下沉位移”与“隧道周边位移”两种情况。一是地表下沉位移监测。在隧道的洞口地段埋设监控测量点位，用于观察施工期间地表发生下陷的变形情况，一般设置三个左右的水准基点，综合几个点位的监测数据进行分析，计算出地表的下陷量。二是隧道周边位移。一般将监控测量点位与水准基点设置于隧道的两侧壁上，监测整个隧道周边的坑道断面的收敛情况。[0005]地铁是地下铁道交通的简称，属于轨道交通行业。地铁是采用在地下挖隧道，运用有轨电力机车牵引的交通方式，除为方便乘客，在地面每隔一段距离建一个进出站口外，一般不占用城市的土地和空间，既不对地面构成环境污染，又可为乘客躲避城市的嘈杂提供良好环境。地铁是一种独立的有轨交通系统，其正常运行不受地面道路拥挤的影响，能快捷、安全、舒适地运送旅客。轨道交通是现代城市交通的主流和方向，其运量大，速度快，干扰小，能耗低，被誉为现代城市的大动脉，是一座城市融入国际大城市现代化交通的显著标志，它不仅是一个国家国力和科技水平的实力展现，而且是解决大城市交通紧张状况的最有效的方式。[0006]近年来，中国地铁行业发展迅速。短时间内，仅北京、上海、广州这三个城市每年就要分别开工建设40多公里线路。据有关方面介绍，到2015年，全国地铁运营总里程将达3000公里，而2020年，将有40个城市建设地铁，总规划里程达7000公里，是目前总里程的4.3倍。这种发展进度是中国历史上从未有的，也是国际上所罕见的。但是，由于我国城市轨道交通发展历史比较短、经验也不足，加之，我国尚未建立起独立自主的城市轨道交通的制造产业，目前除了土建以外，几乎所有城市轨道交通的车辆、通信信号、控制等系统，以及盾构等设施、设备都是从不同国家引进或所谓的国内组装。这些标准不一、制式不同的轨道交通系统，有可能给建设和运营管理留下不容忽视的问题和安全隐患。[0007]地铁是一种在狭小空间内快速载运高度密集人群的复杂系统，空间狭小决定了其管理措施的难度和复杂性;高速运转更突显了系统多方面协调配合的重要性，每一个系统每一个细节都可能是影响安全的因素;人口高度密集决定了轨道交通一旦发生事故就是巨大的危险和灾难;轨道交通的安全与规划、建设、运营各个阶段密切关联又决定了轨道交通安全管理的系统性和整体性。这些说明，城市轨道交通一旦发生安全事故，其后果将极其严重。因此，地铁的安全问题显得尤为重要。[0008]盾构隧道施工和地铁运营期间的安全问题主要表现在以下几个方面:隧道下卧软土层在长期振动荷载作用下软化导致沉降；隧道邻近建筑施工活动引起隧道变形；区间隧道下卧土层水土流失造成破坏性纵向变形；隧道经过不同土质情况地区时，土体物理力学性质差异导致隧道结构在长期荷载作用下产生不均匀沉降;软土盾构隧道不均匀沉降引起管片接缝张开、地铁道床与管片剥离开裂，部分位置出现渗漏水、冒泥和局部破坏，影响隧道的正常使用和地铁运营。[0009]隧道的健康监测可分为两个阶段:施工阶段和运营阶段。目前，国内外针对隧道施工阶段的监测技术己比较成熟，但是对隧道运营期间的监测重视程度远远不够。事实上，运营阶段因时间跨度大、影响因素复杂、灾害社会影响大，隧道的健康监测更应重视。隧道健康监测包括隧道结构侵蚀监测、结构变形监测、结构内力监测和环境情况监测，尤其是结构变形监测非常重要，其监测内容主要为隧道的纵向沉降、横向位移和断面的收敛变形。[0010]对已建地铁隧道的沉降观测资料分析发现，处于软土地层中的隧道在长期的运营中，一般都会持续增大纵向沉降，该沉降占总沉降量的主要部分。例如，从1995年到1999年间，上海地铁一号线人民广场站至新闸路站区间地铁隧道最大累计沉降量超过了145毫米；黄陂路站至人民广场站区间隧道的差异沉降量接近90毫米，仅在1998-1999年差异沉降量就达21毫米。隧道不均匀沉降会使隧道产生弯曲变形影响轨道的平整和乘客的舒适性，并导致隧道接缝张开，从而进一步加剧渗透，甚至漏泥，对隧道的结构、接头和正常运营造成威胁。例如，位于美国加利福尼亚州的洲际污水处理管道发生的破坏就是由于隧道产生过大的纵向不均匀变形，使得接头开裂，泥水涌入，导致管道最终破坏和地面塌陷。因此必须重视隧道的纵向变形在长期运营中的发展情况，并从设计、施工、工程防治、周围环境的影响等方面予以综合控制。[0011]针对隧道断面的收敛变形监测，国外已经研制出一种隧道检测车，专用于地铁休工期间采集隧道变形状态信息。检测车经过之处相应的信息便被收集起来，并经由诊断专家进行系统分析。[0012]我国也在多座隧道中引进了该类设备，进行隧道断面变形的监控，取得了较好的效果。成本高，数据量少，精度低，人工劳动强度大，不能在线测量和预警。[0013]目前，我国已开通的数千公里里程的地铁线路，正在建设和筹建的地铁线路也规模庞大，而地铁人口的高密度性和一旦发生事故的高危险性注定了地铁安全问题不可忽视。在地铁施工和运营过程中，隧道的断面变形是影响地铁隧道安全的重要因素，当隧道断面变形超过一定值后，会发生塌陷等危险。[0014]综上所述，现有技术存在的问题是：[0015]1监测效率低:对于隧道的纵向沉降、横向位移和断面收敛变形的检测，传统监测多采用人工定期监测的方式进行，由于其观测时间长，观测时段和频率受限，不适合在隧道运营状态下使用。[0016]同时，随着分析要求的提高，隧道运营期健康监测系统需具备长期在线、实时自动监测等功能，由于监测项目多、线路长、测点多、数据量大，现有的监测方式和手段己不能满足工程需要。[0017]2监测成本高：传统的地铁隧道监测，需要由专业的隧道或地铁作业人员在地铁车辆非运营时段内到各个监测点，架设检测设备，按照标准的检测程序对每一个隧道断面上各点进行测量，记录该隧道断面离起始点的距离z，以及隧道断面上各点离铁轨中心（或测距仪位置）的距离以及角度，然后把这些信息转化为描述整个地铁空间的绝对三位数据x，y，z。由此可见，监测工程的人力投入成本比较高，技术人员的劳动强度也很大。由于设备需要多次移动搬运和校准，设备和传感器的额外损耗大，相应的设备支出也大。总体上看，会导致监测成本高。[0018]3监测精度差:早期地铁隧道监测使用的方法和仪器大都是经典的地面测量方法和水准仪、经炜仪等传统仪器。随着时代的发展和技术进步，相应的监测技术也飞速发展，有一些新的监测技术出现。比如基于静力水准仪的多传感器位移监测技术，基于巴赛特收敛系统的位移监测技术，基于固定式自动测斜仪的位移监测技术，以及地面摄影测量技术等等，这些技术在一定程度上提高了测量的方便性、快捷性和准确性，但是仍难以满足现代地铁的施工中和竣工后的监测要求。如精度在厘米水平，而隧道监测要在_乃至以下。有些监测技术需要在隧道截面上安装传感器阵列，对隧道有一定的破坏，并且传感器本身安装结构的长期可靠性也会影响监测精度。[0019]4信息化整合程度低:地铁隧道监测的趋势应是朝自动化、信息化和智慧化的方向发展。目前监测自动化程度不高，数据整合不完整，呈现“信息孤岛”现象，对轨道健康状况的判断大量需要熟练技术人员参与，智能化、智慧化不足。由于分别采用了不同的装置设备和数据交换平台，相互之间的信息很难进行有效的传递和共享。这些都使得交通信息资源较为分散，分割情况严重，信息孤岛现象明显。致使各个科室、部门之间缺少协同作业，无法实现优势互补，对出现的特殊情况也无法得到及时有效的处理。[0020]解决上述技术问题的难度和意义：[0021]解决上述技术问题的难度有:随着技术发展有些已经得到学术界和工程界的研究关注，部分得到解决，提出了一些有针对性的方案，但是由于地铁隧道三维变形监测的复杂性和特殊性，该问题依然没有系统性的解决。[0022]解决上述技术问题后带来的意义为:采用全自动化监测是未来监测发展的方向，本发明尽量减少人为的主观性因素，利用高精度设备连续或周期性监测。不仅大大减少了监测工程的人力投入成本，降低了技术人员的劳动强度，提高工作效率。同时，也实现了传统人工监测无法做到的实时监测，提高了监测数据的有效性和可靠性。采用现代仪器测量实现了三维变形监测的电子化，不仅保留而且升级了早期检测仪器的功能。如旋转马达驱动它可以自动连续跟踪目标测量，而不需要手动操作，并且其具有编程功能，可以针对预定目标进行编程预设，实现自动化操作。提高地铁隧道三维变形监测的信息化，以‘传感器’的智能化信息采集为基础，以信号和信息的数宇化处理为基础，以‘能实现人、机、物的全而互联’的‘全联网’为信息交换和资源共享平台，实现轨道三维变形监测的控制与管理过程智慧化。发明内容[0023]针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于基准传递的地铁隧道三维变形监测的车载测量装置。[0024]本发明是这样实现的，一种基于基准传递的地铁隧道三维变形监测的车载测量装置，包括：[0025]激光测距仪、倾角传感器、高精度旋转台、光电编码器、PLC控制器和无线通信器；[0026]激光测距仪、倾角传感器均安装在高精度旋转台上；[0027]高精度旋转台通过支架固定在测量车主体上；[0028]光电编码器安装于测量车主体的车底测距轮上，PLC控制器安装于测量车主体一侧，无线通信器安装在测量车主体上部；[0029]激光测距仪、倾角传感器、高精度旋转台、PLC控制器共同集成用于高速测距、测角、可旋转的激光测距系统;对隧道断面轮廓以离散的多点方式进行测量；[0030]激光测距系统结合光电编码器，获得检测车沿隧道轴线方向上起始位置和行驶位置间的固定位移量，触发PLC控制器内置的程序，将检测到的在隧道内特定位置的数据经过无线通信器传输至上位机；[0031]所述基于基准传递的地铁隧道三维变形监测的车载测量装置进一步包括:位于隧道区间两端的站级数据处理系统，用于进行分析处理，获得隧道检测断面的轮廓并进行拟合;站级数据处理系统采用分布式智能网络进行相邻断面相对位移检测，通过定位基准的传递，获得每个监测断面的绝对位移量；[0032]并利用激光测距仪监测并分析隧道断面形变；通过对位移大小及变化趋势的分析，进行隧道变形状态的预警。[0033]本发明的另一目的在于提供一种基于基准传递的地铁隧道三维变形监测预警方法包括：[0034]1进行基准传递的隧道变形的车载测量装置构成;在轨道运营环境下对隧道结构建立激光测量传感器网络几何配置，进行隧道形变检测和定位基准的传递；[0035]建立所测得的数据与站级数据处理系统的传输机制，构建隧道三维测量的理论模型；[0036]集成检测车的纵向定位系统，进行隧道内每一测量断面的位置，判断测量断面距测量起始位置的精确距离；[0037]建立激光测距系统、数据传输系统、车载定位系统、实时数据采集及反馈系统的集成方案及关键参数匹配;进行检测误差分析、轮廓比对及预警故障处理；[0038]2进行隧道断面测量数据采集及分析：[0039]进行多传感器系统标定、传感器自稳定系统、传感器网络配置、激光测距系统同步、多传感器海量数据传输存储、多传感器数据融合处理、隧道变形分析与预警发布，构建断面相对位置数据域与站级监测计算机实时交互的数据传输机制;并由站级监测系统通过各通信接口软件对各集成隧道断面变形检测校车的软件参数进行配置和修改；[0040]3进行隧道断面变形检测：[0041]将断面变形测量仪集成于车载集成系统;进行断面变形测量、减振支承检测、纵向定位系统、检测控制及数据预处理;车载集成系统通过无线网络与上位机进行通讯；[0042]4存储，分析并发布隧道形变信息，形成隧道形变预警机制。[0043]进一步，步骤4，包括：[0044]建立空间数据库存储并发布隧道变形信息；[0045]采集并融合分析多传感器的数据，对被测隧道进行三维动态建模;通过对各观测点历史数据的分析，产生预警报告。[0046]进一步，步骤1判断测量断面距测量起始位置的精确距离中，包括：[0047]激光测距仪安装于检测车上，测得的数据经动态基准测量系统的振动补偿后，获得断面检测点与安装结构中心点的距离；[0048]假设轨平面中点为该测量系统的坐标原点（0,0，人工测量得知激光扫描仪在检测车前端的安装位置坐标为M，N，束激光的测距为L，测量角度为α，算出检测对应点的坐标X，y为[0050]本发明的另一目的在于提供一种实现基于基准传递的地铁隧道三维变形监测与预警系统包括：[0051]基准传递的隧道变形的车载测量装置构成模块:用于在轨道运营环境下对隧道结构建立激光测量传感器网络几何配置，进行隧道形变检测和定位基准的传递；[0052]隧道断面测量数据采集及分析模块：用于进行多传感器系统标定、传感器自稳定系统、传感器网络配置、激光测距系统同步、多传感器海量数据传输存储、多传感器数据融合处理、隧道变形分析与预警发布，构建断面相对位置数据域与站级监测计算机实时交互的数据传输机制;并由站级监测系统通过各通信接口软件对各集成隧道断面变形检测校车的软件参数进行配置和修改；[0053]隧道断面变形检测模块：用于将断面变形测量仪集成于车载集成系统;进行断面变形测量、减振支承检测、纵向定位系统、检测控制及数据预处理;车载集成系统通过无线网络与上位机进行通讯；[0054]隧道形变预警机制存储模块:用于储存、分析并发布隧道形变信息，形成隧道形变预警机制。[0055]进一步，基准传递的隧道变形的车载测量装置构成模块还用于建立所测得的数据与站级数据处理系统的传输机制，构建隧道三维测量的理论模型。[0056]进一步，基准传递的隧道变形的车载测量装置构成模块还用于集成检测车的纵向定位系统，进行隧道内每一测量断面的位置，判断测量断面距测量起始位置的精确距离。[0057]进一步，基准传递的隧道变形的车载测量装置构成模块还用于建立激光测距系统、数据传输系统、车载定位系统、实时数据采集及反馈系统的集成方案及关键参数匹配；进行检测误差分析、轮廓比对及预警故障处理。[0058]进一步，基准传递的隧道变形的车载测量装置构成模块，包括：[0059]隧道形变检测和定位基准的传递模块，在轨道运营环境下对隧道结构建立激光测量传感器网络几何配置，进行隧道形变检测和定位基准的传递；[0060]隧道三维测量的理论模型构建模块，建立所测得的数据与站级数据处理系统的传输机制，构建隧道三维测量的理论模型；[0061]测量断面距测量起始位置距离模块，集成检测车的纵向定位系统，进行隧道内每一测量断面的位置，判断测量断面距测量起始位置的精确距离；[0062]误差分析、轮廓比对及预警故障处理模块，建立激光测距系统、数据传输系统、车载定位系统、实时数据采集及反馈系统的集成方案及关键参数匹配;进行检测误差分析、轮廓比对及预警故障处理。[0063]综上所述，本发明的优点及积极效果为：[0064]本发明在传统隧道测量技术的基础上，通过将激光测距技术、PLC控制技术、计算机通信技术结合，提出基于激光测距技术对隧道结构形变检测域预警方案。这是一种非接触式和高精度的检测技术，利用车载激光测距仪对隧道内壁各断面进行连续的测量，获得激光发射点与断面检测点之间的距离，通过无线通信向站级数据处理系统传递测量数据，由系统分析隧道形变状态并及时预警。[0065]本发明的隧道断面变形自动监测系统是针对正在施工或已开始运营地铁隧道研制的，检测车沿着地铁隧道的轨道渐进行驶，在检测车上装有PLC，控制激光测距仪对隧道断面进行连续的旋转测量，所测得的数据先存入检测车上的PLC中，待检测区段行驶完后，激光测距仪停止测量，PLC中的数据通过无线通信的方式传输至站级数据处理系统。结合检测车的纵向定位系统，也就是在隧道检测车底安装光电编码器，确定隧道内每一测量断面的位置，即该断面距测量起始位置的精确距离。数据处理主要是对所测得的数据进行隧道断面的轮廓拟合，根据隧道断面上有限个点的位置坐标，通过曲线拟合得到隧道截面的轮廓，经过与原始设计轮廓的比较，得到隧道断面的形变情况，对可能发生的灾害及时预警。[0066]相对于传统的隧道人工检测方式，本系统不仅精度高、稳定性好，还节省了大量人力物力，节约了大量时间，有望创造出巨大的经济价值。[0067]本发明的主要优点有：[0068]1建立高精度三维隧道序列断面测量与预警系统。[0069]本发明可以精确测量隧道断面形状尺寸数据，通过配套软件对所测数据进行分析，得出断面数据，进行实测断面图的绘制、设计断面的绘制、实测断面面积的计算、设计断面面积的计算、实测断面与设计断面的线性比较（即实测断面各点与设计断面相应点的位置比较），对可能发生的灾害给出预警。在此基础上，通过在检测小车的车轮上装上光电编码器，即可获得小车实时的纵向位置，因此，本系统获得的不仅是某个单一断面的数据，而且是还包括纵向坐标的三维数据，可以很方便的得到危险断面的纵向位置。这对定位危险断面的快速性、修缮。[0070]2建立多传感器同步、相对定位定姿以及环境干扰下的多层次控制。[0071]本系统在传统隧道测量技术的基础上，与激光测距技术、PLC控制技术、计算机通信技术结合，具有一体化的软硬件，硬件包括激光测距仪、测距仪控制器、无线通信器、检测车和光电编码器等，软件模块能根据测得数据进行隧道断面轮廓的拟合分析，克服包括多传感器网络的标定、多传感器间的高精度同步、相对定位定姿、以及基础不规则震动等干扰下的多层次控制等问题。[0072]通过上述关键技术创新，本发明在隧道结构的安全监测的实用技术创新方面取得突破，为形成轨道交通设施可靠性设计、分析、试验、评价的技术体系奠定基础，在该领域获得一批具有自主知识产权的技术、方法和实用系统。[0073]本发明取得的分析成果除用于地铁隧道的监测外，本发明还可以推广到诸多其他领域。例如，我国拥有世界上最多的公路、铁路隧道，本发明亦可用于公路、铁路隧道的断面变形监测。用于铁路隧道时，其原理基本与地铁隧道相似，也是检测车沿铁轨缓慢行驶；用于公路隧道上时，可添加基于车道线的自动引导装置，使检测车始终在某一车道中央行驶；还可以用于煤矿塌方、透水事故前预警等，具有巨大的市场应用前景。附图说明[0074]图1是本发明实施例提供的本发明实施例提供的基于基准传递的地铁隧道三维变形监测的车载测量装置图。[0075]图中：1、激光测距仪;2、倾角传感器;3、测量车主体;4、光电编码器;5、PLC控制器；6、无线通信器。[0076]图2是本发明实施例提供的隧道断面各测量点到测距仪的距离检测原理图。[0077]图3是本发明实施例提供的检测断面轮廓拟合图。[0078]图4是本发明实施例提供的隧道轴线基准传递方法图。[0079]图5是本发明实施例提供的隧道区间内所有断面测量的工作流程图。具体实施方式[0080]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0081]本发明所需的硬、软件环境基本具备，目前拥有地面动态数据采集车、以及各种地面激光扫描仪等。[0082]如图1，本发明实施例提供的基于基准传递的地铁隧道三维变形监测的车载测量装置，包括：[0083]激光测距仪1、倾角传感器2、高精度旋转台3、光电编码器4、PLC控制器5和无线通信器6;[0084]激光测距仪1、倾角传感器2、高精度旋转台3、PLC控制器5共同集成用于高速测距、测角、可旋转的激光测距系统;对隧道断面轮廓以离散的多点方式进行测量；[0085]同时结合安装于隧道检测车底测距轮上的光电编码器4,获得检测车沿隧道轴线方向上起始位置和行驶位置间的固定位移量，触发程序，将检测到的在隧道内特定位置的数据经过无线通信器6传输至上位机；[0086]由站级数据处理系统进行分析处理，获得隧道检测断面的轮廓拟合；[0087]采用分布置智能网络进行相临断面相对位移检测，通过定位基准的传递，获得每个监测断面的绝对位移量，并利用断面变形测量仪监测并分析隧道断面形变;通过对位移大小及变化趋势的分析，进行隧道变形状态的预警。[0088]本发明实施例提供的基于基准传递的地铁隧道三维变形监测预警方法，包括：[0089]1进行基准传递的隧道变形的车载测量装置构成;在轨道运营环境下对隧道结构建立激光测量传感器网络几何配置，进行隧道形变检测和定位基准的传递；[0090]建立所测得的数据与站级数据处理系统的传输机制，构建隧道三维测量的理论模型；[0091]具体有：[0092]地铁隧道内起始的某点（比如隧道入口的监测站所在位置作为基准点（原点），从该基准点出发隧道检测车沿着地铁隧道内的轨道渐进式行驶。虽然隧道内的铁轨走向有可能有偏离直线的情形，把沿前进方向的铁轨轴线等效为隧道三维模型中的线性的正Z轴如图所示，Z方向，水平向右直线），安装于隧道检测车底测距轮上用于计量行驶距离的光电编码器，获得检测车沿隧道轴线方向上起始位置至行驶位置之间的固定位移量，不同位置有不同的Z值，如Za，Zb，Zc.....，来确定隧道内每一测量断面的位置，即该断面距测量起始位置的精确距离Z。[0093]在不同隧道轴线位置上，安装在检测车上的PLC模块控制车载激光测距仪对不同位置隧道断面该断面和铁轨轴线是垂直的进行连续的旋转测量，每隔固定行使距离再进行一次隧道断面的旋转测量。不同位置隧道断面的测量表示的都是一系列角度从〇°--360°逐步扫描时圆弧形隧道断面上检测点与车载激光测距仪安装结构中心点M，N的距离U下标i=1，2，3......。每次所测得的数据圆弧形隧道断面一圈的距离数据都先暂存入检测车上的PLC中。那么圆弧形隧道断面上每个检测点的绝对坐标应为Xl，yi，其换算关系如下：[0094].表示某断面不同扫描角度α的检测点位置）[0095]式中，α是车载激光测距仪测量时激光束和水平面的角度，即扫描角度；[0096]Μ，Ν是沿隧道轴线方向上起始位置至行驶位置Z时的激光测距仪位置，这是以隧道内起始点为原点时隧道检测车激光测距仪中心点的绝对位置，如以三维空间坐标表示则为Μ,Ν,Ζ；[0097]x，y是该检测断面的一系列检测点x，y绝对坐标，根据Μ，Ν位置计算得到；[0098]L是该检测断面的一系列检测点相对于车载激光测距仪的激光出射点的距离。[0099]经过上述计算，得到一组与某圆弧形隧道断面相对应的数据Xl，yi，Z。待检测区段所有待测点的隧道断面测量完毕后，激光测距仪才停止测量，PLC中的数据通过有线或无线通信的方式传输至站级数据处理系统。数据处理主要是对所测得的数据进行隧道断面的轮廓拟合，根据隧道断面上有限个点的位置坐标，便能通过曲线拟合得到实测隧道截面的轮廓。[0100]这样存在站级数据中心的数据是一系列Xi，yi，ZΩ，其中Ω=a，b，c...表示一系列的隧道断面序列，而i=l，2,3,4....表示当前隧道断面一系列激光测距检测点序列。软件系统再调用相应的软件根据每个断面上所有检测点的坐标值将各检测断面轮廓分别拟合出来。拟合的方法可以根据精度或实时需要而选择，比如可以采用线性回归，最小二乘法等等。由某个断面所有检测点的数据可以拟合得到一条曲线，这条曲线就是当时所实测隧道截面的轮廓线。当然。在隧道建成之初或经过检验合格后，已经根据同样的方法也测得了最初得符合设计要求的正常数据认为是标准数据），此时拟合这些数据得到的曲线认为是标准曲线。理论上，这两个轮廓线应该是同心圆，如果有形变，两同心圆的周界数据会发生偏差。经过与原始设计轮廓的比较，得到隧道断面的形变情况，从而对可能发生的灾害及时预警。[0101]集成检测车的纵向定位系统，进行隧道内每一测量断面的位置，判断测量断面距测量起始位置的精确距离；[0102]建立激光测距系统、数据传输系统、车载定位系统、实时数据采集及反馈系统的集成方案及关键参数匹配;进行检测误差分析、轮廓比对及预警故障处理；[0103]所述轮廓比对及预警故障处理具体包括：[0104]首先是隧道检测车在某隧道轴线位置上断面轮廓是否发生形变的判断，这需要将该检测断面的所有检测点X，y坐标存入PLC的内存中，之后将数据传入到站级数据处理系统。当前断面圆形轮廓上基于出射点的激光所测距离和基于隧道起始点或原点的绝对位置换算关系如下：[0105]用i=1，2，3......表示某断面不同扫描角度α的检测点位置）[0106]式中，α是车载激光测距仪测量时激光束和水平面的角度，即扫描角度；[0107]Μ，Ν是沿隧道轴线方向上起始位置至行驶位置Z时的激光测距仪位置，这是以隧道内起始点为原点时隧道检测车激光测距仪中心点的绝对位置，如以三维空间坐标表示则为Μ,Ν,Ζ；[0108]x，y是该检测断面的一系列检测点x，y绝对位置坐标，根据Μ，Ν位置计算得到；[0109]L是该检测断面的一系列检测点相对于车载激光测距仪的激光出射点的距离。[0110]经过上述计算，得到一组与某圆弧形隧道断面相对应的数据Xl，yi，Z。待检测区段所有待测点的隧道断面测量完毕后，激光测距仪才停止测量，PLC中的数据通过有线或无线通信的方式传输至站级数据处理系统。数据处理主要是对所测得的数据进行隧道断面的轮廓拟合，根据隧道断面上有限个点的位置坐标，便能通过曲线拟合得到实测隧道截面的轮廓。[0111]系统再调用相应的软件根据每个断面上所有检测点的坐标值将各检测断面轮廓分别拟合出来。拟合的方法可以根据精度或实时需要而选择，比如可以采用线性回归，最小二乘法等等。由所有检测点的数据可以拟合得到一条曲线，这条曲线就是当时所实测隧道截面的轮廓线。当然。在隧道建成之初或经过检验合格后，已经根据同样的方法也测得了最初得符合设计要求的正常数据认为是标准数据），此时拟合这些数据得到的曲线认为是标准曲线。理论上，这两个轮廓线应该是同心圆，如果有形变，两同心圆的周界数据会发生偏差。[0112]其次是形变的预警。如果变形在设计的允许范围之内，虽然目前来看隧道整体的形变还在可以接受的范围内。但是，无论采用何种形变的判断算法比如最大偏差法或最小二乘法等），数据点的最大偏差或综合偏差，有一个持续、稳定、单向的形变速度。按此速度累积的话，可能会在未来的某个时间区间，该项偏差会超过允许值。因此本方法可以对此种现象可以提前作出判断，给出预警。[0113]2进行隧道断面测量数据采集及分析：[0114]进行多传感器系统标定、传感器自稳定系统、传感器网络配置、激光测距系统同步、多传感器海量数据传输存储、多传感器数据融合处理、隧道变形分析与预警发布，构建断面相对位置数据域与站级监测计算机实时交互的数据传输机制;主要是通过无线网络传输，将所有的是一系列断面的X1JuZ数据序列，通过一定的编码方式将每一组数据点包装成一个数据包含冗余和检校），一次发送一个数据包，在隧道出口处与站级监测系统即时进行数据交换。[0115]并由站级监测系统通过各通信接口软件对各集成隧道断面变形检测校车的软件参数进行配置和修改；[0116]3进行隧道断面变形检测：[0117]将断面变形测量仪集成于车载集成系统;进行断面变形测量、减振支承检测、纵向定位系统、检测控制及数据预处理;车载集成系统通过无线网络与上位机进行通讯；[0118]数据预处理中，具体包括：[0119]隧道检测车上的车载激光测距仪直接测量得到的数据是一系列检测点相对于车载激光测距仪的激光出射点的距离数据，仅仅利用这些一维的数据是不能够用于隧道变形检测和预警的。实际上绘制三维隧道断面的数据是一系列三维数据X，y，Z。这其中的Z数据来自于隧道检测车下测距轮处的光电检测器，即以隧道内起始点为原点时到隧道检测车激光测距仪中心点之间的绝对位置Z，而x，y根据如下公式预先计算获得：[0120]各字母含义见上）。[0121]再者，获得x，y，z等数据，需要整个系统的传感器协同工作，采集得到的原始传感数据一般不能直接用作三维隧道断面的绘制，需要进行前期的处理和转换。大致转换关系，即：[0122]激光测距仪，直接获得激光出射点到隧道断面不同位置点的距离L，转换为这些点的X，y;[0123]倾角传感器，直接获得激光出射方向和水平方向之间的夹角，即测角α;[0124]高精度旋转台，直接控制激光出射方向从0度到360度逐渐扫描，即使测角α=〇〜360°变化；[0125]光电编码器，安装于隧道检测车底测距轮上，直接检测车沿隧道轴线方向上起始位置和行驶位置间的固定位移量ζ;[0126]PLC控制器;用于控制和管理高速测距、测角、旋转等各个部件或传感器的系统。获取并收集在各个隧道截面的所有测量点三维坐标x，y，z;[0127]4存储，分析并发布隧道形变信息，形成隧道形变预警机制。[0128]步骤4，包括：[0129]建立空间数据库存储并发布隧道变形信息；[0130]采集并融合分析多传感器的数据，对被测隧道进行三维动态建模;通过对各观测点历史数据的分析，产生预警报告。[0131]步骤1，集成检测车的纵向定位系统，进行隧道内每一测量断面的位置，判断测量断面距测量起始位置的精确距离中，[0132]激光测距仪安装于检测车上，测得的数据经动态基准测量系统的振动补偿后，获得断面检测点与安装结构中心点的距离；[0133]假设轨平面中点为该测量系统的坐标原点（0,0，人工测量得知激光扫描仪在检测车前端的安装位置坐标为a，b，束激光的测距为L，测量角度为α，算出检测对应点的坐标X，y为[0135]本发明实施例提供的基于基准传递的地铁隧道三维变形监测与预警系统包括：[0136]基准传递的隧道变形的车载测量装置构成模块：[0137]在轨道运营环境下对隧道结构建立激光测量传感器网络几何配置，进行隧道形变检测和定位基准的传递；[0138]建立所测得的数据与站级数据处理系统的传输机制，构建隧道三维测量的理论模型；[0139]集成检测车的纵向定位系统，进行隧道内每一测量断面的位置，判断测量断面距测量起始位置的精确距离；[0140]建立激光测距系统、数据传输系统、车载定位系统、实时数据采集及反馈系统的集成方案及关键参数匹配;进行检测误差分析、轮廓比对及预警故障处理；[0141]隧道断面测量数据采集及分析模块：[0142]进行多传感器系统标定、传感器自稳定系统、传感器网络配置、激光测距系统同步、多传感器海量数据传输存储、多传感器数据融合处理、隧道变形分析与预警发布，构建断面相对位置数据域与站级监测计算机实时交互的数据传输机制;并由站级监测系统通过各通信接口软件对各集成隧道断面变形检测校车的软件参数进行配置和修改；[0143]隧道断面变形检测模块：[0M4]将断面变形测量仪集成于车载集成系统;进行断面变形测量、减振支承检测、纵向定位系统、检测控制及数据预处理;车载集成系统通过无线网络与上位机进行通讯；[0145]隧道形变预警机制存储模块:用于储存、分析并发布隧道形变信息，形成隧道形变预警机制。[0146]基准传递的隧道变形的车载测量装置构成模块，包括：[0147]隧道形变检测和定位基准的传递模块，在轨道运营环境下对隧道结构建立激光测量传感器网络几何配置，进行隧道形变检测和定位基准的传递；[0148]隧道三维测量的理论模型构建模块，建立所测得的数据与站级数据处理系统的传输机制，构建隧道三维测量的理论模型；[0149]测量断面距测量起始位置距离模块，集成检测车的纵向定位系统，进行隧道内每一测量断面的位置，判断测量断面距测量起始位置的精确距离；[0150]误差分析、轮廓比对及预警故障处理模块，建立激光测距系统、数据传输系统、车载定位系统、实时数据采集及反馈系统的集成方案及关键参数匹配;进行检测误差分析、轮廓比对及预警故障处理。[0151]下面结合具体分析对本发明作进一步描述，[0152]示范应用[0153]实际应用验证上，以杭州城市地铁公司运营隧道中的一个区间为实验示范，实现隧道结构的安全监测，以及形变分析和预警发布。并与设计隧道和常规方法进行对比和验证，形成隧道结构的安全监测和实用技术。[0154]发明实施例提供的基于基准传递的地铁隧道三维变形监测的车载测量装置，[0155]利用地铁隧道的非运营及检修时间，通过车载激光测距仪对隧道内壁进行测量。[0156]检测车沿着地铁隧道的轨道渐进行驶，在检测车上装有PLC，控制激光测距仪对隧道断面进行连续的旋转测量，所测得的数据先存入检测车上的PLC中，待检测区段行驶完后，激光测距仪停止测量，PLC中的数据通过无线通信的方式传输至站级数据处理系统。结合检测车的纵向定位系统，也就是在隧道检测车底安装光电编码器，来确定隧道内每一测量断面的位置，即该断面距测量起始位置的精确距离。数据处理主要是对所测得的数据进行隧道断面的轮廓拟合，根据隧道断面上有限个点的位置坐标，便能通过曲线拟合得到隧道截面的轮廓，经过与原始设计轮廓的比较，得到隧道断面的形变情况，从而对可能发生的灾害及时预警。[0157]车载式激光测距装置模型图如图1所示，分为三个部分:隧道断面激光测距装置、检测车纵向移动定位装置和无线数据通信装置。系统主要由激光测距仪、倾角传感器、高精度旋转台、光电编码器、PLC控制器和无线通信器组成。其中，将激光测距仪，倾角传感器和高精度旋转台结合起来，形成一个可以高速测距、测角、可旋转的激光测距系统。系统以PLC为控制器，由激光测距系统对隧道断面轮廓以离散的多点方式进行测量，同时结合安装于隧道检测车底测距轮上的光电编码器，获得检测车沿隧道轴线方向上起始位置和行驶位置间的固定位移量，触发程序，将检测到的在隧道内特定位置的数据经过无线通信器传输至上位机，由站级数据处理系统进行分析处理，从而获得隧道检测断面的轮廓拟合。[0158]采用分布置智能网络进行相临断面相对位移检测，通过定位基准的传递，获得每个监测断面的绝对位移量，并利用断面变形测量仪监测并分析隧道断面形变。通过对位移大小及变化趋势的分析，进行隧道变形状态的预警。本项目以一段区间为分析对象。[0159]图2是本发明实施例提供的隧道断面的距离检测原理图。[0160]图3是本发明实施例提供的检测断面轮廓拟合图。[0161]图4是本发明实施例提供的隧道轴线基准传递方法图。[0162]图5是本发明实施例提供的隧道区间内所有断面测量的工作流程图。[0163]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种基于基准传递的地铁隧道三维变形监测预警方法，其特征在于，所述基于基准传递的地铁隧道三维变形监测预警方法包括：1进行基准传递的隧道变形的车载测量装置构成;在轨道运营环境下对隧道结构建立激光测量传感器网络几何配置，进行隧道形变检测和定位基准的传递；建立所测得的数据与站级数据处理系统的传输机制，构建隧道三维测量的理论模型；集成检测车的纵向定位系统，进行隧道内每一测量断面的位置，判断测量断面距测量起始位置的精确距离；建立激光测距系统、数据传输系统、车载定位系统、实时数据采集及反馈系统的集成方案及关键参数匹配;进行检测误差分析、轮廓比对及预警故障处理；2进行隧道断面测量数据采集及分析：进行多传感器系统标定、传感器自稳定系统、传感器网络配置、激光测距系统同步、多传感器海量数据传输存储、多传感器数据融合处理、隧道变形分析与预警发布，构建断面相对位置数据域与站级监测计算机实时交互的数据传输机制;并由站级监测系统通过各通信接口软件对各集成隧道断面变形检测校车的软件参数进行配置和修改；3进行隧道断面变形检测：将断面变形测量仪集成于车载集成系统;进行断面变形测量、减振支承检测、纵向定位系统、检测控制及数据预处理;车载集成系统通过无线网络与上位机进行通讯；4存储，分析并发布隧道形变信息，形成隧道形变预警机制。2.如权利要求1所述的基于基准传递的地铁隧道三维变形监测预警方法，其特征在于，步骤1判断测量断面距测量起始位置的精确距离中，包括：激光测距仪安装于检测车上，测得的数据经动态基准测量系统的振动补偿后，获得断面检测点与安装结构中心点的距离；假设轨平面中点为该测量系统的坐标原点（〇,〇，人工测量得知激光扫描仪在检测车前端的安装位置坐标为M，N，束激光的测距为L，测量角度为α，算出检测对应点的坐标X，y为3.如权利要求1所述的基于基准传递的地铁隧道三维变形监测预警方法，其特征在于，步骤4，包括：建立空间数据库存储并发布隧道变形信息；采集并融合分析多传感器的数据，对被测隧道进行三维动态建模;通过对各观测点历史数据的分析，产生预警报告。4.一种实现权利要求1所述基于基准传递的地铁隧道三维变形监测预警方法的基于基准传递的地铁隧道三维变形监测与预警系统，其特征在于，所述基于基准传递的地铁隧道三维变形监测与预警系统包括：基准传递的隧道变形的车载测量装置构成模块:用于在轨道运营环境下对隧道结构建立激光测量传感器网络几何配置，进行隧道形变检测和定位基准的传递；隧道断面测量数据采集及分析模块：用于进行多传感器系统标定、传感器自稳定系统、传感器网络配置、激光测距系统同步、多传感器海量数据传输存储、多传感器数据融合处理、隧道变形分析与预警发布，构建断面相对位置数据域与站级监测计算机实时交互的数据传输机制;并由站级监测系统通过各通信接口软件对各集成隧道断面变形检测校车的软件参数进行配置和修改；隧道断面变形检测模块：用于将断面变形测量仪集成于车载集成系统;进行断面变形测量、减振支承检测、纵向定位系统、检测控制及数据预处理;车载集成系统通过无线网络与上位机进行通讯；隧道形变预警机制存储模块：用于储存、分析并发布隧道形变信息，形成隧道形变预警机制。5.如权利要求4所述的基于基准传递的地铁隧道三维变形监测与预警系统，其特征在于，基准传递的隧道变形的车载测量装置构成模块还用于建立所测得的数据与站级数据处理系统的传输机制，构建隧道三维测量的理论模型。6.如权利要求4所述的基于基准传递的地铁隧道三维变形监测与预警系统，其特征在于，基准传递的隧道变形的车载测量装置构成模块还用于集成检测车的纵向定位系统，进行隧道内每一测量断面的位置，判断测量断面距测量起始位置的精确距离。7.如权利要求4所述的基于基准传递的地铁隧道三维变形监测与预警系统，其特征在于，基准传递的隧道变形的车载测量装置构成模块还用于建立激光测距系统、数据传输系统、车载定位系统、实时数据采集及反馈系统的集成方案及关键参数匹配;进行检测误差分析、轮廓比对及预警故障处理。8.如权利要求4所述的基于基准传递的地铁隧道三维变形监测与预警系统，其特征在于，基准传递的隧道变形的车载测量装置构成模块，包括：隧道形变检测和定位基准的传递模块，在轨道运营环境下对隧道结构建立激光测量传感器网络几何配置，进行隧道形变检测和定位基准的传递；隧道三维测量的理论模型构建模块，建立所测得的数据与站级数据处理系统的传输机制，构建隧道三维测量的理论模型；测量断面距测量起始位置距离模块，集成检测车的纵向定位系统，进行隧道内每一测量断面的位置，判断测量断面距测量起始位置的精确距离；误差分析、轮廓比对及预警故障处理模块，建立激光测距系统、数据传输系统、车载定位系统、实时数据采集及反馈系统的集成方案及关键参数匹配;进行检测误差分析、轮廓比对及预警故障处理。9.一种实现权利要求1所述基于基准传递的地铁隧道三维变形监测预警方法的基于基准传递的地铁隧道三维变形监测的车载测量装置，其特征在于，所述基于基准传递的地铁隧道三维变形监测的车载测量装置包括：高精度旋转台；高精度旋转台通过支架固定在测量车主体上；激光测距仪、倾角传感器均安装在高精度旋转台上；光电编码器安装于测量车主体的车底测距轮上，PLC控制器安装于测量车主体一侧，无线通信器安装在测量车主体上部；激光测距仪、倾角传感器、高精度旋转台、PLC控制器共同集成用于高速测距、测角、可旋转的激光测距系统;对隧道断面轮廓以离散的多点方式进行测量;激光测距仪用于监测并分析隧道断面形变;通过对位移大小及变化趋势的分析，进行隧道变形状态的预警；激光测距系统结合光电编码器，获得检测车沿隧道轴线方向上起始位置和行驶位置间的固定位移量，触发PLC控制器内置的程序，将检测到的在隧道内特定位置的数据经过无线通信器传输至上位机。10.如权利要求1所述的基于基准传递的地铁隧道三维变形监测的车载测量装置，其特征在于，所述基于基准传递的地铁隧道三维变形监测的车载测量装置进一步包括:位于隧道区间两端的站级数据处理系统，用于进行分析处理，获得隧道检测断面的轮廓并进行拟合;站级数据处理系统采用分布式智能网络进行相邻断面相对位移检测，通过定位基准的传递，获得每个监测断面的绝对位移量。

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