一种运营期地铁隧道拱顶沉降激光监测方法及系统

本发明涉及地铁隧道结构变形监测领域，特别涉及一种运营期地铁隧道拱顶沉降激光监测方法及系统。

背景技术：

1、地铁隧道在长期运营过程中，受围岩应力变化、地下水作用、列车长期动荷载、周边工程施工以及结构材料性能变化等因素影响，隧道衬砌结构可能产生不同程度的变形。拱顶竖向位移及累计沉降是评价隧道结构稳定状态的重要监测参数，对运营隧道进行周期性拱顶沉降监测，有助于及时掌握隧道结构变形发展趋势并识别潜在异常。现有运营隧道的相关监测通常需要充分利用列车停运天窗期进行现场作业，而天窗作业时间有限，对监测设备的布设效率、重复测量精度以及自动化程度提出了较高要求。原有技术中采用水准仪、全站仪等人工测量方式时，通常需要较多现场操作，测量效率及不同测次之间的一致性容易受到人员操作因素影响。

2、目前，拱顶位移还可以采用接触式位移探针进行监测，即在现场确定监测位置后，通过支撑杆或伸缩杆使位移探针与拱顶表面接触，并将各测点的位移传感器与数据采集设备或计算机连接，以获得对应测点的位移变化。该方式能够直接获得拱顶位移信息，但在多次周期性监测过程中，需要保证探针的安装位置、支撑姿态以及与拱顶的接触位置具有较好的一致性。受设备重新布设、支撑杆姿态、探针接触位置及接触状态变化等因素影响，不同监测时段之间可能产生附加测量误差；当隧道内设置较多监测断面时，还会增加现场设备安装、调整和线缆连接的工作量。

3、为降低接触式监测带来的现场布设影响，可以采用激光测距方式从隧道底部对拱顶进行非接触式距离测量。在隧道底部设置基准测点，使激光测距单元向拱顶方向发射激光，并直接利用拱顶混凝土自然表面进行测距，从而无需在拱顶设置专门靶标。 然而，在不设置固定靶标的情况下，不同监测时段中激光照射位置可能因设备安装位置、测量方向及姿态的微小变化而发生偏移，而拱顶自然表面本身存在局部高低起伏，如果前后两次测量对应的实际表面位置不同，则自然表面的局部高差可能被误认为拱顶位移，从而影响不同监测时段测量数据之间的可比性。

4、此外，以隧道底部测点作为激光距离测量基准时，测量结果不仅受到拱顶自身位移的影响，还可能受到监测单元安装位置变化、姿态变化以及底部测量基准状态变化的影响。若仅采用基准监测时段的激光距离与当前激光距离直接作差，则上述测量基准变化可能叠加到拱顶沉降计算结果中。沉降计算方式主要为将当前测量距离与首次基准距离进行比较。

5、为此，提出一种运营期地铁隧道拱顶沉降激光监测方法及系统。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种运营期地铁隧道拱顶沉降激光监测方法及系统，可以有效解决背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为，

3、一种运营期地铁隧道拱顶沉降激光监测方法，包括以下步骤：

4、s1、在目标地铁隧道的监测断面确定底部基准测点，使激光监测单元处于与所述底部基准测点对应的预定测量位置和测量方向，获取所述激光监测单元的初始姿态状态，并控制所述激光监测单元获取拱顶目标区域内多个采样位置对应的初始距离数据；

5、s2、根据所述初始距离数据提取由拱顶自然表面的局部起伏形成的局部表面特征，根据所述局部表面特征建立对应于所述监测断面的基准表面特征模板，并从所述拱顶目标区域确定基准自然测量位置以及所述基准自然测量位置对应的基准测量距离；

6、s3、在后续监测时段，使所述激光监测单元处于与所述底部基准测点对应的测量位置和测量方向，获取所述激光监测单元的当前姿态状态，并获取至少一个预设参考区域对应的当前参考测量信息，根据所述当前姿态状态以及所述当前参考测量信息相对于基准监测时段的变化确定当前监测时段对应的测量基准修正量；

7、s4、获取所述拱顶目标区域在当前监测时段对应的多个当前距离数据，从所述多个当前距离数据中提取当前局部表面特征，将所述当前局部表面特征与所述基准表面特征模板进行匹配，并根据匹配结果确定与所述基准自然测量位置相对应的当前自然测量位置；

8、s5、获取所述当前自然测量位置对应的当前测量距离，根据所述测量基准修正量对所述基准测量距离与所述当前测量距离之间的距离变化进行修正，确定当前监测时段对应的拱顶竖向位移；

9、s6、根据连续多个监测时段对应的拱顶竖向位移确定累计沉降量和沉降变化趋势，并在所述累计沉降量或所述沉降变化趋势满足预设预警条件时生成拱顶沉降预警信息。

10、进一步的，步骤s1和步骤s3中，通过所述底部基准测点对应的定位结构、定位标记或位置识别信息确定所述激光监测单元相对于所述底部基准测点的安装位置和安装方向，使不同监测时段的激光监测单元恢复至对应的预定测量位置和测量方向；

11、通过姿态检测单元获取所述激光监测单元沿至少两个相互垂直方向的姿态角，并根据所述姿态角调整所述激光监测单元的测量姿态，使调整后的姿态角处于预设姿态允许范围内。

12、进一步的，步骤s1中，通过改变激光测量方向或者通过多个预设测量方向获取所述拱顶目标区域内多个采样位置对应的初始距离数据；

13、步骤s2中，根据所述多个采样位置对应的初始距离数据确定各采样位置对应的局部高差、表面梯度、局部曲率和距离轮廓中的至少两种特征参数，根据所述特征参数构建所述局部表面特征；

14、根据不同采样位置对应的局部表面特征之间的可区分程度，从所述拱顶目标区域确定至少一个具有可重复识别自然表面特征的位置作为所述基准自然测量位置，并将所述基准自然测量位置邻域内的局部表面特征保存为所述基准表面特征模板。

15、进一步的，步骤s4中，针对当前监测时段获得的多个候选自然测量位置，分别计算各候选自然测量位置对应的当前局部表面特征与所述基准表面特征模板之间的特征匹配代价：

16、

17、其中，表示第个候选自然测量位置对应的特征匹配代价；表示第个候选自然测量位置对应的距离轮廓差异；表示第个候选自然测量位置对应的表面梯度差异；表示第个候选自然测量位置对应的局部曲率差异；、和分别表示对应差异项的权重，并满足：

18、

19、以及：

20、

21、将满足预设匹配条件且所述特征匹配代价最小的候选自然测量位置确定为所述当前自然测量位置。

22、进一步的，对于包括个对应采样点的第个候选自然测量位置，所述距离轮廓差异按照下式确定：

23、

24、所述表面梯度差异按照下式确定：

25、

26、所述局部曲率差异按照下式确定：

27、

28、其中，表示第个候选自然测量位置邻域内第个采样点对应的当前测量距离；表示所述候选自然测量位置邻域内各采样点当前测量距离的平均值；表示所述基准表面特征模板中第个对应采样点的基准测量距离；表示所述基准表面特征模板中各采样点基准测量距离的平均值；和分别表示当前监测时段和基准监测时段第个对应采样点的表面梯度；和分别表示当前监测时段和基准监测时段第个对应采样点的局部曲率；、和分别表示距离轮廓差异、表面梯度差异和局部曲率差异对应的归一化尺度参数。

29、进一步的，步骤s3中，所述预设参考区域包括与所述拱顶目标区域空间分离的至少两个参考区域；

30、在基准监测时段获取各预设参考区域对应的基准参考距离，在当前监测时段获取各预设参考区域对应的当前参考距离，并根据所述激光监测单元的当前姿态状态对所述当前参考距离进行姿态补偿和沿拱顶主测量方向的等效投影，获得各预设参考区域对应的当前等效参考距离；

31、当前监测时段对应的测量基准修正量按照下式确定：

32、

33、其中，表示当前监测时段对应的测量基准修正量；表示所述预设参考区域的数量，且；表示第个预设参考区域在当前监测时段经过姿态补偿和等效投影后的当前等效参考距离；表示第个预设参考区域在基准监测时段对应的基准等效参考距离；表示第个预设参考区域对应的修正权重，并满足：

34、

35、以及。

36、进一步的，将拱顶由基准位置向隧道内部方向发生的竖向位移定义为正值，当前监测时段对应的拱顶竖向位移按照下式确定：

37、

38、其中，表示当前监测时段对应的拱顶竖向位移；表示所述基准自然测量位置对应的基准测量距离；表示通过所述基准表面特征模板匹配确定的当前自然测量位置对应的当前测量距离；表示当前监测时段对应的测量基准修正量；

39、当时，表征所述拱顶自然测量位置相对于基准监测时段向隧道内部发生竖向位移。

40、进一步的，在每一监测时段内，对所述当前自然测量位置执行多次激光测距，获得多个重复测量距离，根据所述多个重复测量距离之间的离散程度识别并剔除异常测量数据，并根据保留的有效测量数据确定所述当前测量距离：

41、

42、其中，表示当前监测时段t经异常测量数据剔除后保留的有效测量数据集合；表示所述有效测量数据集合包含的有效测量数据数量；表示当前监测时段中第个有效测量距离；

43、当当前局部表面特征与所述基准表面特征模板之间的匹配程度不满足预设匹配条件、有效测量数据的离散程度超过预设离散阈值或者所述预设参考区域的测量变化超过预设基准稳定阈值时，将当前监测结果标记为待复核数据；

44、所述后续监测时段包括地铁隧道的列车停运天窗期，在所述列车停运天窗期内控制所述激光监测单元执行姿态调整、参考区域测量以及拱顶目标区域测量，并在监测数据传输完成后使所述激光监测单元进入低功耗状态。

45、一种运营期地铁隧道拱顶沉降激光监测系统，包括底部基准组件、激光监测单元、测量方向调整单元、姿态检测与调整单元、控制单元、通信单元以及数据处理终端；

46、所述底部基准组件设置于地铁隧道的监测断面，用于确定所述激光监测单元对应的测量基准位置；

47、所述激光监测单元用于获取拱顶目标区域以及预设参考区域对应的激光距离数据；

48、所述测量方向调整单元用于改变所述激光监测单元的激光测量方向，使所述激光监测单元获取所述拱顶目标区域内多个采样位置对应的距离数据；

49、所述姿态检测与调整单元用于获取所述激光监测单元的姿态状态，并根据所述姿态状态调整所述激光监测单元的测量姿态；

50、所述控制单元用于控制所述激光监测单元、测量方向调整单元以及姿态检测与调整单元执行监测操作；

51、所述通信单元用于将监测数据发送至所述数据处理终端；

52、所述数据处理终端配置有基准表面特征建立模块、自然测量位置匹配模块、测量基准修正模块、竖向位移计算模块以及沉降趋势分析模块；

53、所述基准表面特征建立模块用于根据基准监测时段获得的拱顶目标区域距离数据建立基准表面特征模板，并确定基准自然测量位置；

54、所述自然测量位置匹配模块用于将当前监测时段对应的当前局部表面特征与所述基准表面特征模板进行匹配，并根据匹配结果确定当前自然测量位置；

55、所述测量基准修正模块用于根据所述预设参考区域的当前参考测量信息相对于基准监测时段的变化以及所述激光监测单元的当前姿态状态确定测量基准修正量；

56、所述竖向位移计算模块用于根据所述基准自然测量位置对应的基准测量距离、所述当前自然测量位置对应的当前测量距离以及所述测量基准修正量确定拱顶竖向位移；

57、所述沉降趋势分析模块用于根据连续多个监测时段对应的拱顶竖向位移确定累计沉降量和沉降变化趋势，并根据预设预警条件输出拱顶沉降预警信息。

58、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现所述的方法步骤。

59、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果，

60、1、通过获取拱顶目标区域内多个采样位置对应的距离数据，提取由拱顶自然表面局部起伏形成的局部表面特征，建立基准表面特征模板，并在后续监测时段利用当前局部表面特征与基准表面特征模板进行匹配，从而重新确定与基准自然测量位置相对应的当前自然测量位置，无需在拱顶设置人工靶标、反射标志或接触式位移探针，同时降低不同测次因激光照射位置变化造成的测量偏差。

61、2、通过底部基准测点确定激光监测单元的测量位置和测量方向，并结合激光监测单元的姿态状态以及预设参考区域的参考测量信息确定测量基准修正量，对基准测量距离与当前测量距离之间的距离变化进行修正，从而降低监测单元安装状态、姿态状态及测量基准变化对拱顶竖向位移计算结果的影响，提高长期周期性监测数据之间的可比性。

62、3、通过距离轮廓差异、表面梯度差异和局部曲率差异构建特征匹配代价，并利用去除局部平均距离后的距离轮廓进行比较，使自然测量位置的识别主要依据局部表面形状特征，而减少拱顶整体竖向平移对特征匹配结果的影响，有利于在无人工靶标条件下稳定识别同一自然表面位置。

63、4、在列车停运天窗期内可自动执行姿态调整、参考区域测量、拱顶目标区域测量以及监测数据传输，并通过多次激光测距、异常数据剔除、匹配状态判断和基准稳定性判断对当前监测结果进行有效性检查；结合连续多个监测时段的拱顶竖向位移进一步获得累计沉降量和沉降变化趋势，在满足预设条件时生成预警信息，从而减少现场人工测量和重复布设工作，并提高运营期隧道拱顶沉降监测的连续性。