[0001] 本发明涉及隧道监测领域，尤其涉及基于激光测距技术的隧道智能化监测装置及其控制方法。

[0002] 隧道变形监测技术实质是利用专门的仪器设备和相应的方法技术来对隧道变形的情况进行实时监测，并通过长期的监控和观察全面掌握隧道结构变形的情况以及可能导致隧道变形的相关因素，以便及时采取相应的措施和预防手段，避免产生安全隐患。

[0003] 运营隧道常采用的实时监测方法主要是静力水准仪法和光纤光栅法，能够对隧道结构特定位置进行实时原位监测，然而设备昂贵，监测成本高，难以大范围应用，若采用静力水准仪为点式监测，只能反应结构上单个点位变形规律，如对环向断面进行监测，需要布设多个设备；光纤光栅为线性监测，常纵向布置，如需要监测结构环向变形，则进行环线布线，但布设方式较复杂，且由于其线性监测的特点，各个监测断面是相互关联的，一旦出现事故，多个监测断面均受影响。

[0067] 以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

[0068] 如图2至图10所示的基于激光测距技术的隧道智能化监测装置，包括安装支架1，还包括：

[0069] 壳体2，固定于安装支架1的底部；

[0070] 伺服电机3，固定安装于壳体2的内部，伺服电机3包括编码器，以控制激光传感器4的转动角度；

[0071] 激光传感器4，伺服电机3通过输出轴带动激光传感器4转动；

[0072] 控制模块与通信模块，均安装于壳体2的内部；

[0073] 控制模块用于控制激光传感器4在进行闭环可控旋转时，对指定的角度进行检测，并通过判断式(Ri‑Ri‑1)/Ri‑1≤±a对数据进行判断后，通过通信模块将合格数据上传至数据库存储；

[0074] 运营隧道常采用的实时监测方法主要是静力水准仪法和光纤光栅法，能够对隧道结构特定位置进行实时原位监测，然而设备昂贵，监测成本高，难以大范围应用，若采用静力水准仪为点式监测，只能反应结构上单个点位变形规律，如对环向断面进行监测，需要布设多个设备；光纤光栅为线性监测，常纵向布置，如需要监测结构环向变形，则进行环线布线，但布设方式较复杂，且由于其线性监测的特点，各个监测断面是相互关联的，一旦出现事故，多个监测断面均受影响；

[0075] 本发明的该实施例可以解决以上问题，具体实施方式如下，工作人员将安装支架1固定于隧道的侧壁上，安装支架1对壳体2进行安装固定，壳体2存在开口，通过密封板201插接组合形成壳体空间，在装置工作时，根据激光传感器4的转动角度将检测位置分为α1、α2、α3、α4、……、αi、……、αn，其中αi为当前ti时刻的检测位置，αi+1为下一检测位置；

[0076] 其中，αn为最后一个检测位置，在激光传感器4移动至αn位置后，若保持相同方向继续变化位置，则下一位置为α1，以形成闭环，为避免线路缠绕，在激光传感器4移动至αn位置后，通过控制模块控制伺服电机3反向，以带动激光传感器4反向移动至αn‑1位置，从而逆向往复形成闭环；

[0077] 激光传感器4在持续检测过程中，对应每个位置均检测出大量检测数据，以αi位置为例，对应αi位置的一套检测结果R1、R2、R3、R4、……、Ri、……、Rn，其中Ri为当前ti时刻在对应αi位置的检测结果，在对应αi位置，ti时刻的上一时刻检测结果为Ri‑1；

[0078] 激光传感器4在当前ti时刻αi位置进行检测后，得到检测结果Ri，随后激光传感器4将检测结果Ri发送至控制模块，控制模块对检测结果进行判断分析，判断式为(Ri‑Ri‑1)/Ri‑1≤±a；

[0079] 其中，在判断式(Ri‑Ri‑1)/Ri‑1≤±a中：

[0080] Ri：ti时刻的测量值；

[0081] Ri‑1：相同位置处的上一时刻测量值；

[0082] a：变化率，为给定值，一般为1％；

[0083] ti时刻为当前测量的时刻，相同位置处的上一时刻为激光传感器4在上一次转动至与ti时刻相同角度时的时刻，即激光传感器4每测量一个数值，与相同位置上一时刻数值进行比较，在对比结果符合判断式(Ri‑Ri‑1)/Ri‑1≤±a时，即不超过规定的变化率时，控制模块控制通信模块将检测结果Ri在存储并上传数据，完成无效数据过滤，从而有利于在通过激光传感器4对隧道内部进行检测时，能够对无效的数据进行过滤，有利于避免对受到外界环境干扰时而产生较大误差的检测数据进行存储，从而有利于避免存储的明显误差数据对数据库的数据统计造成干扰，从而有利于提高对隧道内部的数据检测准确性；

[0084] 激光传感器4在ti时刻的检测结果Ri判断合格完成存储后，控制模块控制伺服电机3启动，伺服电机3启动后带动激光传感器4移动至下一检测位置进行隧道检测，从而带动激光传感器4检测形成闭环；

[0085] 激光传感器4在ti时刻的检测结果Ri判断不合格时，通过控制模块控制激光传感器4在αi位置进行再次检测，从而替换αi位置的检测数据，有利于保持检测数据的准确性。

[0086] 作为可选实施例，还包括：

[0087] 环形安装架5，设置于安装支架1的外圈，与安装支架1共同固定于隧道壁；

[0088] 第一滑动架6，滑动安装于环形安装架5的底部，通过驱动组件驱动在环形安装架5的环形轨迹上移动；

[0089] 引风板7，固定于第一滑动架6的边缘，用于对气流进行遮挡并且引导，以减少气流向安装支架1和激光传感器4的流动；

[0090] 风向组件，用于配合驱动组件根据气流的流动方向驱动第一滑动架6移动，以驱动第一滑动架6带动引风板7移动至安装支架1和激光传感器4的迎风侧遮挡气流；

[0091] 激光传感器4在检测过程中，隧道内部的强风和振动存在带动激光传感器4自身产生振动的情况，激光传感器4若产生振动则会产生位置偏移，激光传感器4产生位置偏移时，会造成激光传感器4检测结果的偏差，从而可能会造成检测结果与上一时刻检测结果产生较大偏差，因此在强风影响下激光传感器4的检测结果会频繁出现不准确不稳定的情况，从而影响对隧道内部的检测效率；

[0092] 环形安装架5能够对第一滑动架6进行支撑安装，在强风天气下，风向组件对风向进行判断，随后配合驱动组件根据气流的方向驱动第一滑动架6移动，使得第一滑动架6带动引风板7移动至安装支架1和激光传感器4的迎风侧，从而通过引风板7对朝向安装支架1和激光传感器4的气流进行遮挡，引风板7采用弧形的结构，在竖直方向上，气流冲击在引风板7的表面时，会被引风板7的弧形结构引导向下流动，以避免气流对引风板7产生垂直的冲击力，从而实现的气流冲击力的引导分散，在水平方向上亦通过弧形结构将气流向左右两个方向分散，从而在竖直方向和水平方向上的弧形结构结合后，产生向四周分散的弧形结构，将气流向周围分散，以减少气流的冲击力，同时被分散的气流方向改变，从而减少气流向激光传感器4方向上的流动，从而有利于避免强风直接冲击安装支架1和激光传感器4而造成激光传感器4偏移的情况发生；

[0093] 此时，气流受到引风板7的遮挡，由于引风板7和激光传感器4之间不存在直接连接，从而在气流冲击引风板7时，即使引风板7的本身产生震动，也能极大的减少该震动作用对激光传感器4造成的震动影响；

[0094] 通过风向组件对风向的判断，能够在隧道内部气流方向变化时，自动调整引风板7的位置，引风板7为弧形结构，使得气流在弧形面的引导作用下被向两侧引流，有利于在减少冲击力的情况下对气流进行分散，并且有利于通过向两侧引导气流，减少气流回流通过安装支架1和激光传感器4的情况，从而有利于保持激光传感器4检测过程中的稳定性；

[0095] 其中，引风板7的宽度能够根据安装支架1和激光传感器4进行调整，以减少气流向安装支架1和激光传感器4流动的情况。

[0096] 作为可选实施例，驱动组件包括：

[0097] 微型驱动电机8，固定于第一滑动架6的底部；

[0098] 齿轮9，固定于微型驱动电机8的输出轴端部，齿轮9贯穿第一滑动架6；

[0099] 齿条10，固定于环形安装架5的底部，齿条10与齿轮9相啮合；

[0100] 微型驱动电机8通过输出轴带动齿轮9转动，齿轮9与齿条10啮合，从而在啮合作用下，使得齿轮9沿齿条10的轨迹滚动，从而带动微型驱动电机8和第一滑动架6的整体沿着齿条10的轨迹移动，齿条10的轨迹与环形安装架5的环形轨迹圆心相同，从而带动第一滑动架6在环形安装架5的底部环形滑动，微型驱动电机8为具有自锁功能的步进电机，从而使得第一滑动架6移动至规定位置后对第一滑动架6的位置进行锁定，有利于避免风力带动第一滑动架6偏移从而干扰引风板7的挡风作用的情况发生。

[0101] 作为可选实施例，风向组件包括：

[0102] 第二滑动架11，自由滑动安装于环形安装架5的底部；

[0103] 球形气囊12，固定于第二滑动架11的底部，受气流作用而带动第二滑动架11顺风向滑动；

[0104] 两个激光发生器13，对称固定于第二滑动架11的底部；

[0105] 两个激光接收器14，对称固定于第一滑动架6的底部，以分别接收两个激光发生器13发射的激光；

[0106] 控制模块还用于控制驱动组件驱动第一滑动架6移动，以带动激光接收器14移动至能够接收到激光发生器13发射的激光的位置后停止移动；

[0107] 气流通过球形气囊12时，球形气囊12为中空结构，从而气流吹动球形气囊12随着风向移动，此处的球形气囊12在风力作用下转化为带动第二滑动架11移动的驱动件，从而利用风力作用带动球形气囊12移动以实现对风力方向的判断，第二滑动架11与环形安装架5之间通过润滑油等措施减小摩擦力，使得在风力作用下球形气囊12能够带动第二滑动架
11移动，使得第二滑动架11在环形安装架5的底部滑动，第二滑动架11滑动至顺着风向方向能够移动的最终位置后，与第二滑动架11沿环形安装架5的圆心中心对称的位置为激光传感器4的迎风位置，此时控制模块控制驱动组件启动，驱动组件带动第一滑动架6移动，在第一滑动架6移动至迎风位置时，两个激光发生器13发射的激光被激光接收器14接收，激光接收器14接收激光后，控制模块控制驱动组件停止驱动，第一滑动架6到达最终位置，从而实现根据风向调整第一滑动架6的位置，以驱动引风板7移动至迎风位置对气流进行遮挡，从而减少气流对激光传感器4的检测干扰，从而有利于提高激光传感器4的检测准确性；

[0108] 而在微风情况下，微风的气流本身并不足以对激光传感器4的正常工作产生干扰，此时由于第二滑动架11与环形安装架5之间不可避免而存在的摩擦力作用，使得在微风情况下，气流对球形气囊12的作用力不足以驱动第二滑动架11的移动，从而实现在微风情况下，不驱动引风板7随风向移动进行气流遮挡，从而有利于在气流不足以对激光传感器4的正常工作产生干扰的情况下，通过不再驱动第二滑动架11移动，以减少资源的浪费，在风力足以干扰激光传感器4工作的情况下对气流进行遮挡分散，以保持激光传感器4的正常工作。

[0109] 作为可选实施例，还包括：

[0110] 若干弹簧15，固定于引风板7背向安装支架1的一侧侧壁上；

[0111] 减震板16，固定于全部弹簧15背向引风板7的一端，以在气流向引风板7流动时，通过弹簧15的弹性力进行缓冲减弱气流冲击力；

[0112] 气流在冲击减震板16后，推动减震板16移动，减震板16推动弹簧15压缩，压缩的弹簧15产生弹性力，从而通过弹簧15的弹性力对抗风力，有利于对风力进行缓冲，从而使得减震板16在风力作用下产生晃动，而减少引风板7的晃动，从而有利于减少引风板7晃动带动环形安装架5偏移的情况发生。

[0113] 作为可选实施例，还包括：

[0114] 两个引风腔17，对称固定于激光传感器4的外壳壁上，激光传感器4的外壁与引风腔17顺滑连接；

[0115] 滑槽18，开设于壳体2的外壁上，以使得引风腔17与壳体2转动连接；

[0116] 四个引风壳19，呈圆周阵列固定于壳体2的外壁上，引风壳19朝向引风腔17的一端与引风腔17边缘对齐，引风壳19的另一端与壳体2的外壁顺滑连接；

[0117] 在隧道内部，存在在隧道壁的作用下，使得部分气流变向，从而使得气流不止在单一的方向存在，从而使得部分气流会绕过引风板7到达激光传感器4，在部分气流到达激光传感器4时，引风腔17和引风壳19能够对气流进行引导，引风腔17和引风壳19本身为弧形结构，在气流到达引风腔17和引风壳19时，能够顺着引风腔17和引风壳19的弧形结构向远离激光传感器的方向流动，并且通过弧形结构的设置，有利于避免气流直接垂直冲击引风腔17和引风壳19，从而减少气流对激光传感器4的冲击力；

[0118] 引风腔17和引风壳19的引风方向相对，从而使得若存在多个方向的混乱气流时，气流能够在引导作用向相互冲击而产生相抵作用，从而有利于减少气流作用，以减少气流对激光传感器4的冲击作用；

[0119] 在引风腔17和引风壳19的作用下，使得气流能够沿着引风腔17和引风壳19的外壁被引导，减少气流直接冲击激光传感器4和壳体2的冲击力，从而有利于减少风力对激光传感器4的干扰，引风腔17能够沿着滑槽18滑动，从而使得激光传感器4在转动过程中能够保持与壳体2外壁的支撑，从而有利于减少激光传感器4在风力作用下相对于伺服电机3的输出轴产生偏移的情况发生，从而有利于保持激光传感器4工作过程中的稳定性，同时，引风腔17在转动过程中保持便于与引风壳19的对齐，以减少平截面的产生，从而有利于减少风力冲击平截面而产生冲击的情况发生，从而有利于激光传感器4工作过程中的稳定。

[0120] 作为可选实施例，还包括：

[0121] 若干激光灯20，呈圆周阵列嵌设于四个引风壳19的侧壁上；

[0122] 两个安装槽21，分别开设于两个引风腔17的侧壁上；

[0123] 两个挡光板22，分别固定于两个安装槽21的内部，挡光板22正对激光灯20，以对激光灯20的光线进行遮挡，引风腔17朝向激光灯20的侧壁上位于安装槽21内圈的侧壁均为透光板；

[0124] 光敏检测器23，安装于其中一个引风腔17的内部，以对引风腔17内部的光线进行检测；

[0125] 在激光传感器4长时间工作后，若激光传感器4长期累积产生偏移，在激光传感器4偏移时带动引风腔17同步产生偏移，引风腔17偏移会带动挡光板22偏移，从而使得挡光板22失去对激光灯20的遮挡，从而使得激光灯20的光线通过引风腔17的透光板部分进入引风腔17的内部，从而使得光敏检测器23检测到光线，此时能够对激光传感器4的偏移进行检测，以在激光传感器4产生偏移后通知人工对激光传感器4进行调整，从而有利于避免激光传感器4偏移后继续工作造成检测结果不准确的情况发生。

[0126] 作为可选实施例，安装支架1为Ⅱ形结构，激光传感器4与伺服电机3之间采用硬连接，壳体2为铝镁合金壳体，安装支架1为铝镁合金支架；

[0127] 为减少监测设备测量数据受隧道内大风、振动等环境影响，设备结构做了以下设计：设置了铝镁合金外部组件，有利于保证设备结构牢固附着在混凝土衬砌上，安装支架1结构设置成Ⅱ形，即安装支架1包括两个板状固定结构和两个管状固定结构，两个板状固定结构相互平行，两个管状固定结构相互平行，两个管状垂直固定于两个板状固定结构之间，以增大设备结构整体刚度，减少受隧道内风和振动的影响，激光传感器与转动轴之间采用硬连接，有利于提高传动的稳定性。

[0128] 如图1所示的基于激光测距技术的隧道智能化监测装置的控制方法，控制模块包括中央控制器，通信模块包括无线传输模块，该控制方法包括以下步骤：

[0129] 中央控制器接收由激光传感器4在ti时刻进行检测后获取的数据信息Ri；

[0130] 中央控制器接收由编码器在ti时刻检测到的激光传感器4的位置信息αi；

[0131] 中央控制器由数据库提取激光传感器4上一次在位置信息αi状态下检测到的数据信息Ri‑1；

[0132] 中央控制器运行判断式(Ri‑Ri‑1)/Ri‑1≤±a，若判断合格，则中央控制器根据合格信息生成存储控制信息，存储控制信息用于控制无线传输模块将数据信息Ri上传至数据库并存储，a为变化率，为给定值，一般为1％；

[0133] 中央控制器将存储控制信息发送至无线传输模块，以控制无线传输模块将数据信息Ri上传至数据库并存储；

[0134] 在当前时刻即ti时刻，激光传感器4在αi位置进行检测，激光传感器4通过检测获取到数据信息Ri，随后激光传感器4将数据信息Ri发送至中央控制器，同时编码器获取激光传感器4的位置信息αi，随后编码器将位置信息αi发送至中央控制器，中央控制器在接收到位置信息αi后，由数据库提取激光传感器4上一次在位置信息αi状态下检测到的数据信息Ri‑1，随后中央控制器将获取的数据信息Ri和数据信息Ri‑1带入判断式(Ri‑Ri‑1)/Ri‑1≤±a进行判断，若判断结果符合判断式，则判断合格，中央控制器生成合格信息，随后中央控制器根据合格信息生成存储控制信息，并且将存储控制信息发送至无线传输模块，以控制无线传输模块将数据信息Ri上传至数据库并存储，完成无效数据过滤。

[0135] 作为可选实施例，还包括：

[0136] 中央控制器若运行判断式(Ri‑Ri‑1)/Ri‑1≤±a判断不合格，则中央控制器根据不合格信息生成重测控制信息，重测控制信息用于控制激光传感器4在位置信息αi状态下再次进行检测；

[0137] 中央控制器将重测控制信息发送至激光传感器4，以控制激光传感器4在位置信息αi状态下再次进行检测；

[0138] 在中央控制器运行判断式(Ri‑Ri‑1)/Ri‑1≤±a时，若判断结果不符合判断式，则判断不合格，中央控制器生成不合格信息，随后中央控制器根据不合格信息生成重测控制信息，并且将重测控制信息发送至激光传感器4，以控制激光传感器4在位置信息αi状态下再次进行检测，再次检测的数据信息Ri覆盖之前不合格的数据信息Ri，随后对数据信息Ri进行再次判断，直至数据信息Ri判断合格完成上传存储。

[0139] 作为可选实施例，还包括：

[0140] 中央控制器根据合格信息生成换位控制信息，换位控制信息用于控制伺服电机3启动；

[0141] 中央控制器将换位控制信息发送至伺服电机3，以控制伺服电机3启动带动激光传感器4转动换位；

[0142] 在激光传感器4检测的数据信息Ri判断合格时，中央控制器根据合格信息生成换位控制信息，随后中央控制器将换位控制信息发送至伺服电机3，以控制伺服电机3启动带动激光传感器4转动换位至下一位置进行检测。

[0143] 本发明工作原理：工作人员将安装支架1固定于隧道的侧壁上，安装支架1对壳体2进行安装固定，在装置工作时，根据激光传感器4的转动角度将检测位置分为α1、α2、α3、α4、……、αi、……、αn，其中αi为当前ti时刻的检测位置，αi+1为下一检测位置；

[0144] 其中，αn为最后一个检测位置，在激光传感器4移动至αn位置后，若保持相同方向继续变化位置，则下一位置为α1，以形成闭环，为避免线路缠绕，在激光传感器4移动至αn位置后，通过控制模块控制伺服电机3反向，以带动激光传感器4反向移动至αn‑1位置，从而逆向往复形成闭环；

[0145] 激光传感器4在持续检测过程中，对应每个位置均检测出大量检测数据，以αi位置为例，对应αi位置的一套检测结果R1、R2、R3、R4、……、Ri、……、Rn，其中Ri为当前ti时刻在对应αi位置的检测结果，在对应αi位置，ti时刻的上一时刻检测结果为Ri‑1；

[0146] 激光传感器4在当前ti时刻αi位置进行检测后，得到检测结果Ri，随后激光传感器4将检测结果Ri发送至控制模块，控制模块对检测结果进行判断分析，判断式为(Ri‑Ri‑1)/Ri‑1≤±a；

[0147] 其中，在判断式(Ri‑Ri‑1)/Ri‑1≤±a中：

[0148] Ri：ti时刻的测量值；

[0149] Ri‑1：相同位置处的上一时刻测量值；

[0150] a：变化率，为给定值，一般为1％；

[0151] ti时刻为当前测量的时刻，相同位置处的上一时刻为激光传感器4在上一次转动至与ti时刻相同角度时的时刻，即激光传感器4每测量一个数值，与相同位置上一时刻数值进行比较，在对比结果符合判断式(Ri‑Ri‑1)/Ri‑1≤±a时，即不超过规定的变化率时，控制模块控制通信模块将检测结果Ri在存储并上传数据，完成无效数据过滤，从而有利于在通过激光传感器4对隧道内部进行检测时，能够对无效的数据进行过滤，有利于避免对受到外界环境干扰时而产生较大误差的检测数据进行存储，从而有利于避免存储的明显误差数据对数据库的数据统计造成干扰，从而有利于提高对隧道内部的数据检测准确性；

[0152] 激光传感器4在ti时刻的检测结果Ri判断合格完成存储后，控制模块控制伺服电机3启动，伺服电机3启动后带动激光传感器4移动至下一检测位置进行隧道检测，从而带动激光传感器4检测形成闭环；

[0153] 激光传感器4在ti时刻的检测结果Ri判断不合格时，通过控制模块控制激光传感器4在αi位置进行再次检测，从而替换αi位置的检测数据，有利于保持检测数据的准确性。

[0154] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。