隧道监测系统的制作方法

1.本发明属于隧道施工监测技术领域，具体涉及一种隧道监测系统。


背景技术：

2.修建隧道可以减少车辆的行驶路程和道路的修建成本，缩短公路铁路成本，隧道更加接近两地之间的直线距离，还能起到和水上桥梁类似的作用，即减少行驶时间，提到客运量。
3.我国交通基础建设逐步向西部复杂山区以及高寒、高海拔地区转移，大量的复杂环境隧道工程正在规划和修建，隧道建设过程中围岩、结构位移、应力、温度监测是不可缺少的一部分，为隧道施工安全提供必要的指导依据，并依据结果提前布设保护措施。目前，在隧道建设过程中会同时设置一些传感装置，隧道的各项监测数据一般通过传感装置直接传输到外界的服务终端，导致数据收集、处理不及时，且传感装置可持续工作时间较短，致使监测周期缩短。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种隧道监测系统，旨在及时的收集数据，同时延长监测周期。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种隧道监测系统，包括监测车和传感装置，所述监测车包括：
6.车身，所述车身的前端和后端均设有车轮，所述车身前端的所述车轮和后端的所述车轮之间还设有履带；
7.无线供能装置，设于所述车身；
8.信号收发装置，设于所述车身顶部；
9.图像获取装置，设于所述车身顶部，并位于所述车身前端；
10.控制装置，设于所述车身，并分别与所述无线供能装置、所述信号收发装置、所述图像获取装置和所述车身内的驱动装置连接；
11.所述传感装置用于置于隧道内，其为具有无线充电感应模块的传感装置。
12.在一种可能的实现方式中，所述车身的顶部设有竖向支架，所述信号收发装置设于所述竖向支架的顶端。
13.在一种可能的实现方式中，所述无线供能装置沿以预设中心为圆心呈环状设有多个。
14.在一种可能的实现方式中，所述车身的顶面开设有与所述无线供能装置一一对应的容置槽，所述无线供能装置与对应的所述容置槽转动配合，所述监测车还包括翻转驱动装置，所述翻转驱动装置能使所述无线供能装置收纳于所述容置槽中，还能使所述无线供能装置伸出所述容置槽。
15.在一种可能的实现方式中，所述翻转驱动装置包括：
16.传动环，与所述预设中心同心设置，所述传动环的顶部设有多个传动斜齿，多个所
述传动斜齿绕所述预设中心呈放射状分布，且所述传动斜齿与所述传动环对应位置的径向线呈夹角设置；
17.多个传动套，所述传动套套装于所述传动环，且所述传动套的中轴垂直于所述传动环的中轴，所述传动套的内壁开设有与所述传动斜齿适配的传动斜槽，所述传动斜槽与所述传动套的中轴呈夹角设置，所述传动套与所述无线供能装置连接；以及
18.传动驱动机构，用于驱动所述传动环绕所述预设中心转动。
19.在一种可能的实现方式中，所述传动环的外周面形成有第一齿圈，所述传动驱动机构包括：
20.传动驱动电机，固定于所述车身；以及
21.传动驱动齿轮，连接于所述传动驱动电机的输出轴，并与所述第一齿圈啮合。
22.在一种可能的实现方式中，所述无线供能装置包括盖板和供能模块，所述供能模块连接于所述盖板，所述盖板连接于对应的所述传动套；当所述无线供能装置收纳于所述容置槽中时，所述盖板位于所述供能模块的上方。
23.在一种可能的实现方式中，所述供能模块为弧形构件。
24.在一种可能的实现方式中，所述监测车还包括惯导装置，所述惯导装置设于所述车身，并与所述控制装置连接。
25.在一种可能的实现方式中，所述监测车还包括防撞装置，所述防撞装置包括防撞块和防撞驱动机构，所述防撞块转动连接于所述车身，所述防撞驱动机构用于驱动所述防撞块，以使所述防撞块具有伸出所述车身边缘的防撞状态，以及收纳于所述车身之内的收纳状态。
26.本技术实施例所示的方案，与现有技术相比，传感装置具有无线充电模块，当监测车驶入隧道的时候，通过无线供能装置对隧道内的传感装置供能，在顶起巡检的过程中就能实现传感装置的充电，解决了传感装置续航的问题，延长了监测周期；通过信号收发装置接收传感装置获取的数据信号，实现信号的现场近距离传输，提高了信号传输的可靠性和数据收集的及时性；另外，由于设置了车轮和履带，能够较好的适应隧道施工环境中不平整的地面，提高行驶的可靠性和灵活性。
附图说明
27.图1为本发明实施例一提供的隧道监测系统的使用状态示意图一；
28.图2为本发明实施例一提供的隧道监测系统的使用状态示意图二；
29.图3为本发明实施例一提供的隧道监测系统的使用状态示意图三；
30.图4为本发明实施例一采用的监测车的结构示意图；
31.图5为图4中第一安装架和图像扫描模块的装配结构a向视图；
32.图6为本发明实施例二采用的翻转驱动装置的俯视结构示意图；
33.图7为图6中传动环的右视局部结构示意图；
34.图8为图6中其中一个传动套和对应的无线供能装置的装配结构右视图；
35.图9为本发明实施例三采用的防撞驱动机构的俯视状态示意图一；
36.图10为本发明实施例三采用的防撞驱动机构的俯视状态示意图二；
37.图11为本发明实施例四采用的车轮的内部结构示意图。
38.附图标记说明：
39.100、车身；110、竖向支架；120、第一安装架；130、第二安装架；140、驱动轴；150、车轮；151、轮毂；1511、中心容置腔；1512、滑道；152、外板；153、调节环；1531、主环体；1532、调节块；154、滑杆；155、调节斜槽；156、滑块；157、驱动齿轮；160、履带；
40.200、防撞装置；210、防撞块；220、防撞驱动机构；221、前驱齿条；222、前驱齿轮；223、侧驱齿条；224、侧驱齿轮；225、第一牵引绳；226、第一弹性件；227、第一定滑轮组；228、第二牵引绳；229、第二弹性件；230、第二定滑轮组；
41.300、无线供能装置；310、盖板；320、供能模块；
42.400、信号收发装置；
43.500、图像获取装置；510、图像扫描模块；520、红外摄像模块；
44.600、多点激光监测装置；
45.700、翻转驱动装置；710、传动环；711、第一齿圈；720、传动套；721、传动斜槽；730、传动斜齿；740、传动驱动齿轮；
46.800、控制装置；810、数据处理模块；820、电源模块；
47.900、传感装置；910、管棚嵌入式传感器；920、超前小导管嵌入式传感器；930、钢拱架嵌入式传感器；940、锚杆嵌入式传感器；950、锚索嵌入式传感器；960、多点位移计；970、多点位移计传感器；
48.1000、掌子面；1100、管棚；1200、超前小导管；1300、钢拱架；1400、锚杆；1500、锚索；1600、原岩区域；1700、弹塑性过渡区；1800、围岩破碎松动圈。
具体实施方式
49.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
50.请一并参阅图1至图4，现对本发明提供的隧道监测系统进行说明。所述隧道监测系统，包括监测车和传感装置。
51.监测车包括车身100、无线供能装置300、信号收发装置400、图像获取装置500和控制装置800；车身100的前端和后端均设有车轮150；履带160设于车身100，车身100前端的车轮150和后端的车轮150之间还设有履带160；无线供能装置300设于车身100；信号收发装置400设于车身100顶部；图像获取装置500设于车身100顶部，并位于车身100前端；控制装置800设于车身100，并分别与无线供能装置300、信号收发装置400、图像获取装置500和车身100内的驱动装置连接；传感装置900用于置于隧道内，其为具有无线充电感应模块的传感装置。
52.本实施例提供的隧道监测系统，与现有技术相比，传感装置900具有无线充电模块，当监测车驶入隧道的时候，通过无线供能装置300对隧道内的传感装置900供能，在顶起巡检的过程中就能实现传感装置900的充电，解决了传感装置900续航的问题，延长了监测周期；通过信号收发装置400接收传感装置900获取的数据信号，实现信号的现场近距离传输，提高了信号传输的可靠性和数据收集的及时性；另外，由于设置了车轮150和履带160，能够较好的适应隧道施工环境中不平整的地面，提高行驶的可靠性和灵活性。
53.在一些实施例中，参阅图4，为了方便信号收发装置400的安装，车身100的顶部设有竖向支架110，信号收发装置400设于竖向支架110的顶端。本实施例抬高了信号收发装置400的高度，有利于缩短信号收发距离，提高信号收发的可靠性。信号收发装置400收到信号之后，会在控制装置800内进行存储备份，还能发送给外部终端(例如手机、电脑等)，操作人员再隧道之外即可获取这些数据。
54.具体的，参阅图6，无线供能装置300沿以预设中心为圆心呈环状设有多个。无线供能装置300可采用无线电波的方式实现无线远距离的无线充电，无线电波具有一定的方向性，需要无线供能装置300有一定的朝向，设置多个无线供能装置300即可保证充电方向的全覆盖。
55.当然，无线供能装置300的充电方式也可以是电磁感应式、磁场共振式等的方式，能适应隧道内的环境即可，在此不再一一列举。
56.在一些实施例中，参阅图6，车身100的顶面开设有与无线供能装置300一一对应的容置槽，无线供能装置300与对应的容置槽转动配合，监测车还包括翻转驱动装置700，翻转驱动装置700能使无线供能装置300收纳于容置槽中，还能使无线供能装置300伸出容置槽。本实施例通过设置容置槽，在非使用状态下能使无线供能装置300收纳于容置槽，避免磕碰损坏，降低检修成本，延长使用寿命。
57.作为翻转驱动装置700的一种具体实施方式，参阅图6至图8，翻转驱动装置700包括传动环710、传动套720和传动驱动机构；传动环710与预设中心同心设置，传动环710的顶部设有多个传动斜齿730，多个传动斜齿730绕预设中心呈放射状分布，且传动斜齿730与传动环710对应位置的径向线呈夹角设置；传动套720设有多个，传动套720套装于传动环710，且传动套720的中轴垂直于传动环710的中轴，传动套720的内壁开设有与传动斜齿730适配的传动斜槽721，传动斜槽721与传动套720的中轴呈夹角设置，传动套720与无线供能装置300连接；传动驱动机构用于驱动传动环710绕预设中心转动。其中，同一个传动套720内环绕传动套720的中轴设有多个传动斜槽721。
58.在传动时，在传动环710转动的呈中，前一个传动斜齿730滑动穿过传动套720的其中一个传动斜槽721，进而推动传动套720转动一定角度，随着传动环710的不断转动，后续的传动斜齿730不断进入下一个传动斜槽721，进而实现传动套720的连续转动，达到使无线供能装置300翻转的目的，其中，不同的翻转方向对应传动环710不同的旋向。本实施例的传动结构简单紧凑，传动效率较高，通过一个驱动源能同时带动多个无线供能装置300同步翻转，更加便于控制。
59.具体实施时，参阅图4，竖向支架110位竖杆，预设中心可与竖杆同心设置。
60.在一些实施例中，参阅图7，传动环710的外周面形成有第一齿圈711，传动驱动机构包括传动驱动电机和传动驱动齿轮740；传动驱动电机固定于车身100；传动驱动齿轮740连接于传动驱动电机的输出轴，并与第一齿圈711啮合。本实施例通过齿轮驱动结构实现传动环710的转动，结构简单，易于实现，且具有自锁效果，旋转到位后无需另外设置锁定结构。
61.作为无线供能装置300的一种具体实施方式，参阅图6及图8，无线供能装置300包括盖板310和供能模块320，供能模块320连接于盖板310，盖板310连接于对应的传动套720；当无线供能装置300收纳于容置槽中时，盖板310位于供能模块320的上方。盖板310能在收
纳状态下对供能模块320起到密封防护的作用，避免供能模块320受损，在翻转时起到支撑作用。
62.具体实施时，为了实现有效的密封防护，并且保持美观性，当无线供能装置300收纳于容置槽中时，盖板310的上表面基板与车身100的上表面平齐。
63.具体的，参阅图8，为了最大程度的增加功能面积，供能模块320为弧形构件。
64.在一些实施例中，监测车还包括惯导装置，惯导装置设于车身100，并与控制装置800连接。惯导装置可对轮轴进行基于导航系统的自动校准定位，保证其行驶方向无偏差。
65.具体实施时，惯导装置设于履带160的轮轴上，或位于与车轮150连接的驱动轴140上。
66.在一些实施例中，参阅图9及图10，监测车还包括防撞装置200，防撞装置200包括防撞块210和防撞驱动机构220，防撞块210转动连接于车身100，防撞驱动机构220用于驱动防撞块210，以使防撞块210具有伸出车身100边缘的防撞状态，以及收纳于车身100之内的收纳状态。当控制装置800检测到惯导系统失效，或车辆行驶方向出现偏差的时候，防撞块210展开，避免车身100或各个监测装置磕碰到隧道侧壁。
67.在一些实施例中，参阅图9及图10，防撞驱动机构220包括前驱齿条221、前驱齿轮222、侧驱齿条223、侧驱齿轮224、第一牵引绳225、第一弹性件226、第一定滑轮组227、第二牵引绳228、第二弹性件229、第二定滑轮组230和前驱驱动器。其中，前驱齿条221与前驱齿轮222啮合，侧驱齿条223与侧驱齿轮224啮合。
68.防撞块210设有多个，车身100的前部和两侧分别设有防撞块210，前部的防撞块210固接于前驱齿轮222，前驱齿轮222转动连接于车身100，前驱齿条221沿左右方向滑动连接于车身100；侧部的防撞块210固接于侧驱齿轮224，侧驱齿轮224转动连接于车身100，侧驱齿条223沿前后方向滑动连接于车身100。
69.第一定滑轮组227设于车身100的左侧，第一牵引绳225的一端连接于前驱齿条221的左端，另一端绕过第一定滑轮组227与左侧的侧驱齿条223的前端连接；第二定滑轮组230设于车身100的右侧，第二牵引绳228的一端连接于前驱齿条221的右端，另一端绕过第二定滑轮组230与右侧的侧驱齿条223的前端连接；第一弹性件226的后端连接于车身100，前端连接于左侧的侧驱齿条223，第二弹性件229的后端连接于车身100，前端连接于右侧的侧驱齿条223，第一弹性件226和第二弹性件229被配置有使对应的侧驱齿条223靠近车身100后部的预紧力。
70.前驱驱动器用于驱动前驱齿条221左右移动；当前驱齿条221向第一预设方向移动时，第一牵引绳225和第二牵引绳228同时拉拽两侧的侧驱齿条223向前移动；当前驱齿条221向与第一预设方向相反的第二预设方向动时，第一弹性件226和第二弹性件229拉拽两侧的侧驱齿223条向后移动复位。
71.以图9及图10的视角为例，第一预设方向为向左的方向，第二预设方向为向右的方向，图9所展示的状态为初始状态，其中防撞块210处于收纳状态，图10所展示的防撞块210处于收纳防撞状态。
72.具体实施时，参阅图9及图10，第一定滑轮组227包括三个定滑轮，第二动滑轮组230包括一个定滑轮。
73.在一些实施例中，图中未示出，前驱驱动器包括前驱驱动电机和前驱驱动丝杠，前
驱齿条221上设有与前驱驱动丝杠适配的螺母座，通过前驱驱动电机输出轴的转动能带动前驱齿条221左右移动。
74.在一些实施例中，参阅图1至图3，传感装置900用于对隧道周围围岩、衬砌结构、掌子面的区域提供应力、位移、温度等参数的监测，其具体设置可以是：
75.1)与掌子面1000对应的区域内，管棚1100上设有管棚嵌入式传感器910，超前小导管1200上设有超前小导管嵌入式传感器920，这两种传感器用于监测掌子面1000在开挖过程中有无挤出作用及各种变，在掌子面1000开挖过程中判断掌子面是否得到稳定支护；
76.2)钢拱架1300上设有钢拱架嵌入式传感器930，与钢拱架1300连接的锚杆1400上设有锚杆嵌入式传感器940，与钢拱架1300连接的锚索1500上设有锚索嵌入式传感器950，这三种传感器主要用于隧道开挖初期支护阶段，可用来监测围岩变化；
77.3)钢拱架1300上设有多点位移计960，不同的岩层区域(原岩区域1600、弹塑性过渡区1700和围岩破碎松动圈1800)内对应嵌入多点位移计传感器970，用来监测不同区域内围岩的变化。
78.作为图形获取装置500的一种具体实施方式，参阅图4及图5，图像获取装置500包括图像扫描模块510和红外摄像模块520，图像扫描模块510和红外摄像模块520并排设于车身100顶部的前端，图像扫描模块510和红外摄像模块520分别与控制装置800连接。
79.在行进过程中中，本实施例通过图像扫描模块510将所经过隧道洞身各区域逐步进行扫描，控制装置800通过扫描的数据进行数据整合，最终在外部终端上生成3d洞身实景图，同时，红外摄像模块520自动记录、回传隧道硐室内实时影像。
80.具体实施时，图像扫描模块510为三维激光扫描仪，红外摄像模块520为红外高清摄像头。
81.为了方便图像扫描模块510和红外摄像模块520的安装，参阅图4及图5，车身100的前端并排设有第一安装架120和第二安装架130，图像扫描模块510设于第一安装架120，红外摄像模块520设于第二安装架130。
82.具体实施时，参阅图4及图5，第一安装架120为折弯的筒状结构，图像扫描模块510安装于向前开口的折弯部内，不影响图像扫描模块510的扫描，同时还能对图像扫描模块510起到一定的防护作用，避免小块落石等损坏图像扫描模块510。
83.在一些实施例中，参阅图4，隧道监测车还包括与控制装置800连接的多点激光监测装置600。本实施例的隧道监测车通过前方的多点激光监测装置600对掌子面各点位移进行监测，增加了隧道监测车的适用场景。
84.具体实施时，参阅图6，多点激光监测装置600位于车身100的前端。在隧道开挖过程中，本实施例的隧道监测车通过前方的多点激光监测装置600对掌子面各点位移进行监测，并且红外摄像模块520可远程观测掌子面近况，适用方便，获取数据更加全面。
85.作为车轮150的一种具体实施方式，参阅图11，车轮150包括轮毂151、外板152和伸缩控制机构；轮毂151与车身100的驱动轴140连接；外板152设有多个且均为弧形板，多个外板152沿轮毂151的周向同心设置；伸缩控制机构分别与外板152和轮毂151连接，以沿轮毂151的径向调节外板152和轮毂151的间距；当多个外板152均处于距离轮毂151最近的状态时，多个外板152围合形成与轮毂151同心的圆环状结构，伸缩控制机构还与控制装置800连接。
86.本实施例中，外板152直接与地面接触。在正常行驶过程中，可控制伸缩控制机构处于伸长状态，外板152距离轮毂151的距离最远，此时车轮150的直径最大，能达到使履带160抬离地面的目的，进而能加快监测车的形式速度；当地表崎岖不平，仅通过车轮150不易行进的时候，可控制伸缩控制机构处于回缩状态，外板152距离轮毂151的距离最小，此时车轮150的直径最小，使履带160直接接触地面，通过履带160行驶过这一路段；当然，也可以控制伸缩控制机构处于中长的状态，此时车轮150的直径适中，车轮150和履带160均能接触地面，可通过履带160和车轮150同时驱动监测车行进。
87.本实施例通过控制车轮150的直径，使得监测车具有多种行驶模式，能适应不同路况的地面，使用灵活性强。
88.在一些实施例中，参阅图11，轮毂151的中部形成有中心容置腔1511，中心容置腔1511的外周贯通设有沿轮毂151径向设置的滑道1512；伸缩控制机构包括调节环153、滑杆154和驱动结构；调节环153位于中心容置腔1511内，并与轮毂151同心转动设置，调节环153上开设有调节斜槽155；滑杆154滑动插设于滑道1512内，滑杆154的内端设有与滑道1512滑动配合的滑块156，滑杆154的外端连接于外板152；驱动结构设于中心容置腔1511内，并用于驱动调节环153转动，驱动结构还与控制装置800连接。
89.本实施例通过调节环153的转动实现滑杆154的移动，进而控制外板152的位置，驱动同步性强；当调节环153转动到位后，只要保证调节环153不再转动即可使滑杆154停留在该位置，无需另设锁定结构，结构简单紧凑。
90.具体实施时，参阅图11，调节斜槽155的长轴与调节环153对应位置的径向线呈夹角设置，且其一端靠近调节环153的中心，另一端远离调节环153的中心，所有调节斜槽155相对于对应位置径向线的倾斜方向和倾斜角度均相同。
91.作为调节环153的一种具体实施方式，参阅图11，调节环153包括主环体1531和多个调节块1532；主环体1531的外周面形成有齿圈；多个调节块1532沿主环体1531的周向分布，并固定于主环体1531，调节块1532与外板152一一对应，调节斜槽155设于调节块1532；驱动结构包括驱动电机和驱动齿轮157，驱动电机固定于中心容置腔1511，驱动齿轮157同轴固定于驱动电机，并与齿圈啮合，驱动电机与控制装置800连接。
92.为了使车轮150在转动时保持平衡，同时避免重量过重，驱动结构对称设有两个，如图11所示。
93.具体实施时，以图11的视角为例，图11所示的状态为车轮150直径最小的状态；当需要使车轮150的直径增大时，通过驱动齿轮157使调节环153顺时针转动，滑块156在调节斜槽155内滑动，在调节斜槽155的顶推作用下，滑杆154逐渐外伸，使外板152远离轮毂151；反向操作即可使外板152靠近轮毂151，在此不再赘述。当调节单位后，驱动齿轮157不再转动，驱动齿轮157和齿圈之间形成自锁结构，调节环153也不再转动，实现稳定的位置锁定。
94.本技术在具体实施时，参阅图4，控制装置800包括数据处理模块810和电源模块820，数据处理模块810与电源模块820导电连接，数据处理模块810与无线供能装置300、信号收发装置400、图像扫描模块510、红外摄像模块520和多点激光监测装置600导电连接，数据处理模块810与驱动电机之间通过无线传输的方式实现通讯连接，电源模块820通过无线充电的方式实现对驱动电机供电。
95.具体实施时，为了合理利用车身100的空间，控制装置800位于车身100的后部，而
竖向支架110则位于车身100的中部。
96.本技术的实施例可适应以下两种场景：
97.场景一：
98.1)隧道施工阶段，将管棚嵌入式传感器910、超前小导管嵌入式传感器920、钢拱架嵌入式传感器930、锚杆嵌入式传感器940、锚索嵌入式传感器950、多点位移计960、多点位移计传感器970安装到设计位置，各个传感器开启低耗能监测模式；
99.2)当监测车驶入隧道后，位于车身100前端的图像扫描模块510将所经过隧道洞身各区域进行扫描，通过扫描的数据进行数据整合，最终数据处理模块810生成3d洞身实景图数据，红外摄像模块520将隧道各处的影像进行记录，并经数据处理模块810回传给外部终端；
100.3)当监测车驶入传感器布置区域后，各个传感器通过定位芯片感应到监测车后，无线供能装置300与各个传感器自动配对，对各个传感器进行无线供能；
101.4)在监测车行驶过程中，惯导装置可对轮轴进行基于导航系统的自动校准定位，保证其行驶方向无偏差；
102.5)供能完成后，各个传感器将监测到的数据回传给数据处理模块810，数据处理模块810将质量不好的数据进行筛除，筛除完成后，对余下的数据进行处理、分析。
103.6)数据处理完成后，数据处理模块810中的5g信号传输单元将处理完成后的数据返还给外部终端，以对数据结果进行判别；
104.7)每隔一段时间，监测车会对隧道洞身进行巡检，并重复上述步骤。
105.场景二：
106.1)隧道开挖过程中，监测车通过前方多点激光监测装置600对掌子面1000的各点位移进行监测，并且红外摄像模块520可远程观测掌子面1000近况；
107.2)管棚嵌入式传感器910和超前小导管嵌入式传感器920对掌子面1000深部位移、应力、温度进行监测，并将数据处理模块810；
108.3)数据处理模块810经过数据筛查、处理后将符合要求的数据通过数据处理模块810中的5g信号传输单元传递给外部终端。
109.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。