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摘要 ：

本论文首先设计了一套矿洞安全预警体系。笔者根据检测到的矿洞断面收敛值和沉降值判断矿洞的安全性。矿洞安全预警体系可分为三大类：安全、警告和风险。在设计矿洞安全预警体系后，笔者设计了监测矿洞风险的可视化系统。该系统由矿洞风险捕获层、传输层和应用层组成。该安全系统可判断矿洞的安全性，并驱动不同安全级别的发光二极管（LED）灯。可视化系统不仅能够获得实时、线上以及持续矿洞监测数据，还能够实现矿洞安全预警功能。

关键词：无线传输，检测，MCU

1. 引言

结构健康是判断矿洞安全性的重要指标，如何实时、快速并且持续监测和评估矿洞的结构健康[1]已经成为矿洞安全管理的研究话题。一般而言，矿洞具有较长的长度、大范围的恶劣环境以及复杂的岩石结构，因此，通过人工方式实现监测不切实际。在本论文中，笔者基于检测到的矿洞断面收敛值和沉降值设计了一个矿洞安全预警系统。该预警体系可报告三种矿洞安全状况，即安全、警告和风险，可视化系统随预警体系之后建立。

该系统由矿洞风险捕获层、传输层和应用层组成。捕获层主要包括安装在矿洞断面内的数据采集卡。采集卡通过两个激光传感器获取收敛值和沉降值。采集板数据将通过传输层以无线的方式传输至服务器。传输层包括大量局域网，局域网中的采集卡可通过WIFI传输数据。其通过全球移动通信系统（GSM）技术在局域网和服务器之间传输数据。在应用层中，笔者通过矿洞数据实现安全监测，并可在预警系统中修改参数值。矿洞风险可视化系统不仅能够实现实时、快速（线上）以及持续监测[2]，而且还能提供针对矿洞安全的预警功能。此外，矿洞风险可视化系统为矿洞管理中的安全评估和控制提供理论支持。笔者将介绍矿洞安全可视化预警系统的详细设计。

2. 原则

矿洞结构及风险健康标准和监测方法是设计监测系统的基准。本论文主要研究矿洞挖掘中大断面公路矿洞的变形监测。大断面矿洞具有跨度大、扁平率低、建设改造过程复杂的特点，周围岩体因多次爆破而混乱，因此核心土受力复杂[3]。根据高速公路矿洞施工标准基本要求[4]，针对矿洞结构特点、施工过程和地质状况的监测项目各不相同[5]。大断面矿洞采用复合式衬砌施工方法，其二衬砌距离矿洞掌子面（即一衬砌）大约50～100米，最可能发生变形，因此需要进行变形监测。基于矿洞附近不同岩石情况的主要测量内容[6]见表1。

试验矿洞周围岩体等级为Ⅱ级或Ⅲ级。矿洞采用复合式衬砌施工方法，其一衬砌到掌子面的距离大约为60米。每20米需要设置一套可视化仪，因此需要三套可视化仪覆盖所有区域。矿洞监测项目为拱顶下沉和周边收敛，因此两套激光传感器与数据采集卡连接，变形监测布置如图1所示。

3. 系统设计

本论文根据大断面矿洞施工期间的必要监测项目设计矿洞安全预警体系。以Ⅱ级和Ⅲ级周围岩体为例，通过测试矿洞断面拱顶下沉和周边收敛，可划分三种矿洞安全状况：安全、警告和风险。矿洞风险可视化系统随矿洞安全预警体系建立。该系统由矿洞风险捕获层、传输层和应用层组成。图2显示矿洞风险可视化系统的拓扑图。

3.1. 捕获层

数据采集卡及其软件组件是捕获层的核心。图3显示数据采集卡的系统构造图。图3显示数据采集卡的系统构造。

数据采集卡有大量硬件资源，其外部传感器通过多种通信技术（比如RS485、RS232、SPI和IIC）为模拟数据采集以及数字输出提供支持。系统具有强大的适应能力，因为用户可根据不同的监测需求使用不同种类的传感器。采集卡支持SD卡储存，因此，可在系统电源中断期间储存系统参数和历史数据;采集卡可作为独立模块工作，实现监测点的监测和预测，并在传输层或应用层断开情况下在SD卡中储存监测数据。此外，采集卡还配备了电池管理模块（BMS），通过全新的锂电池电源管理技术和多模式均衡法维持电源系统的稳定性，并在电量低时提醒更换电池。

此外，笔者还根据采集卡的功能设计和编写了上位机。笔者可通过上位机监测来源于传感器的矿洞收敛值和沉降值，监测预先确定的警告和报警参数，以及当前矿洞的安全级别。笔者还可以修改警告和报警参数以及传感器采集周期。

3.2. 传输层

传输层的主要功能是实施数据推送。其工作分为两个部分：其一，局域网和网关之间的通信;其二，多个局域网和云端服务器之间的数据交互。网关是传输层的核心，其系统结构如下所示。网关负责将数据推送至云端服务器，并解析服务器指令，从而实现服务器对捕获层的控制。在局域网环境下，网关通过WIFI技术和传输控制协议（TCP）在服务器模块下工作。数据在网关和服务器之间通过GSM技术和TCP协议传输。

3.3. 应用层

TCP服务器用于实现应用层的数据交互，通过数据库管理，笔者可监测历史数据结构，在云端储存和分析实时数据。为实现实时、线上、长距离分布式监测模式以及矿洞项目监测技术的自动化，笔者设计了网站和移动应用程序。服务器数据可通过笔者的网站和移动应用程序进行查看，因此，可实现不同项目和矿洞的数据安全监测，此外，笔者还可以修改预警参数。

4. 工程应用

在本论文中，选择某一矿洞进行试验。安装风险可视化系统后（如图1所示），笔者保持系统运行1小时，并从数据库获得数据。图4显示，在试验过程中，无收敛。采集卡到测量点1的距离是12.086米。此外，在正常工作状态下，采集卡到测量点P2的距离是8.125米。然后，笔者安排人员干扰试验期间测量沉降值的激光传感器，以此模拟变形情况。笔者发现收敛发生变化（如图4所示），现场的LED灯变红，服务器也接收到了报警信息。

5. 结论

矿洞风险可视化系统不仅能够获得实时、线上以及的持续矿洞监测数据，还能够实现矿洞安全预警功能。矿洞风险可视化系统为矿洞系统安全性评估以及防控措施的制定提供数据和理论支持。此外，该系统具有大量硬件资源，因此其适应性非常强，可应用于其他领域，比如桥梁结构健康、矿难预警等。

参考文献：

1. Housner， G. W. L. A. Bergman. T. K. Caughey等人。“结构控制：过去、现在和将来”. 《工程学报（Journal of Engineering）》。1997年。

2. Pines， D.和A. E. Aktan. “美国大跨度桥梁结构健康监测状况”。《结构工程与结构材料进展（Progress in Structural Engineering and Materials）》。2002年.

3. 李志刚. 丁文其. 杨重存等人。“扁平特大断面公路矿洞核心土模拟与分析”。《地下空间与工程学报》。第3卷。第4期。627-632页。2007年。

4. “中华人民共和国专业标准编制组JTJ 042C94公路矿洞施工标准”。《传感器与执行机构A（Sens. Actuators A）》。第119期。28-37页。2005年。

5. 袁勇和王胜辉. “超大断面低扁平率公路隧洞先成预应力结构新型支护体系数值模拟”. 《岩土力学》。第29卷。第1期。240-244页。2008年。

6. Xia， C. J. Gong. Y. Tang等人。“针对压阻式微机械加工高精度压力传感器改善后温度漂移补偿基于ANN的CMOS ASIC设计”。《微电子器件可靠性（Microelectronics Reliability）》。第50期。282-291页。2010年。