本发明属于隧道工程技术领域，涉及一种隧道溶洞顶板结构的竖向位移实时监测报警装置。
背景技术：
随着隧道建设事业的发展，保证隧道施工安全是首当其要，然而隧道施工中遇到的地质问题较多，往往需要对特殊结构进行监测才能保证隧道施工期间安全，位移监测装置便得到了大规模的应用。目前在施工期间，测量位移的方法仍然采用全站仪和水准仪进行人工测量，此方法存在浪费人力物力、不具备实时性、人为误差概率较大，且受施工环境条件影响(粉尘、烟雾等)；传统的杆柱式顶板下沉检测仪，即将杆柱式顶板下沉检测仪支撑在临空区顶、底板之间，当顶板发生下沉变形时，利用位于杆柱上的位移传感器检测其变形量，由于杆柱存在压杆稳定问题，若应用于大断面隧道临空区时，欲克服压杆失稳问题，必将增大杆柱断面或刚度，从而增加成本及安装难度，尤其是可能干扰到施工区域内作业车辆或其它作业设备的运行。
因此，为了安全、低成本且高精度的监测隧道溶洞顶板在爆破震动条件下的位移变形，目前亟需一种新的隧道溶洞顶板竖向位移的实时监测报警系统。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种便携式隧道溶洞顶板竖向位移实时监测报警装置，解决隧道溶洞顶板在爆破震动条件下竖直位移的实时监测报警，并能对溶洞顶板位移变化趋势做出预测预警。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种便携式隧道溶洞顶板竖向位移实时监测报警装置，包括：激光发射端(1)、激光接收端(3)、激光反光片(4)、数据处理系统(6)、便携式计算机(7)和报警警示灯(5)；
激光发射端(1)和激光接收端(3)分别与数据处理系统(6)的输出口和输入口连接；数据处理系统(6)和报警警示灯(5)与便携式计算机(7)连接；
所述激光发射端(1)和激光接收端(3)用来测量激光反光片(4)竖向位移变化值；所述数据处理系统(6)根据测得的竖向位移变化值判断是否超出系统设置的安全阈值，当超过安全阈值时，报警警示灯(5)变色，同时便携式计算机(7)发出警报铃声。
进一步，该系统还包括设置在隧道两侧的激光装置架(2)，一侧安装激光发射端(1)，另一侧安装激光接收端(3)，多台激光发射装置与激光接收装置依次对应地安装在激光装置架(2)上。
进一步，所述激光装置架(2)底部固定在矩形底座(14)上；所述矩形底座(14)上四个边角处各设置一个调节钮(15)。
进一步，所述激光装置架(2)上还安装有水准仪(13)，通过矩形底座(14)上的调节钮(15)使水准仪(13)达到水平稳定状态。
进一步，所述水准仪(13)在激光装置架(2)上的位置低于激光发射端(1)或激光接收端(3)所固定位置。
进一步，激光装置架(2)上还设置有粗准螺旋钮(11)和细准螺旋钮(12)，通过粗/细螺旋钮调整激光发射端(1)、激光反射片(4)和激光接收端(3)三者的工作角度，测量之前需对三者进行校正。
进一步，所述激光反光片(4)均匀地嵌固在隧道溶洞顶板(8)厚度较薄弱的位置；所述报警警示灯(5)固定在隧道溶洞顶板(8)监测点旁边。
进一步，所述报警警示灯(5)采用无线蓝牙与便携式计算机(7)连接。
进一步，所述数据处理系统(6)是集成在计算机的内部。
进一步，所述数据处理系统(6)采用flash单元进行数据分析，包括包含安全阈值比较与神经网络法预测溶洞顶板变形趋势。
进一步，采用神经网络法预测溶洞顶板变形趋势的具体步骤为：
1)将多个点的监测位移进行归一化处理，形成归一化集合；
2)通过神经网络预测模型设定神将网络的权重参数和阈值；
3)将归一化的数据分为训练数据和测试数据，并把训练数据导入到设定好的神经网络预测模型中，通过向前传播和反向传播进行训练；
4)将训练结果进行计算训练误差计算，判断是否满足设定的判断条件；如果满足条件，则算法结束，该模型作为最优预测模型；如果不满足，则不断修正权值系数和阀值，返回再次训练；
5)将测试数据导入最优预测模型进行预测。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用激光动态监测设备，具备监测精度高、操作简单、便于携带等优点；
(2)本发明充分考虑了施工现场的环境，优化设备布局，不会对隧道施工作业造成影响；
(3)本发明采用自动监测设备，不依赖人力，可大大减少人力和时间的投入。
(4)本发明装置的数据处理系统引入了神经网络预测，能够实时对隧道溶洞顶板竖向变化进行实时监测报警和对未来变化趋势进行预测。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的整体安装示意图；
图2为本发明的激光装置架示意图；
图3为本发明的数据处理系统内部结构连接示意图；
附图标记：1-激光发射端，2-激光装置架，3-激光接收端，4-激光反光片，5-报警警示灯，6-数据处理系统，7-便携式计算机，8-隧道溶洞顶板，9-隧道，10-溶洞，11-粗准螺旋钮，12-细准螺旋钮，13-水准仪，14-矩形底座，15-底座调节钮。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图3，在超前地质预报中测量出溶洞的分布范围和溶洞顶板厚度分布，根据其分布特点布设监测点数量和位置，本实例中布设3个监测点。
如图1所示，激光反光片4均匀地嵌固在隧道溶洞顶板8厚度较薄弱的位置，并用胶水将其固定，其中激光反光片4带有螺纹钉，目的是将激光反光片4和隧道溶洞顶板8固定为一个整体，便于测量隧道溶洞顶板8的挠度变化。报警警示灯5依次对应地固定在监测点旁边，报警警示灯5采用无线蓝牙连接至便携式计算机7，若报警警示灯5在安全阈值内显示为绿色，超出安全阈值显示为红色，同时便携式计算机7发出警报铃声。
如图2所示，激光装置架2分布在隧道边墙处，一侧为激光反射端1，一侧为激光接收端3，激光发射端1与激光接收端3依次对应地安装在激光装置架2上，其中激光装置架上安装有水准仪13，通过矩形底座14上的底座调节钮15使水准仪13达到水平稳定状态，其中矩形底座14为高密度的钢铁，四个边角处各设置一个底座调节钮15；激光装置架2上有粗准螺旋钮11和细准螺旋钮12，通过粗细螺旋钮调整激光发射端1、激光反射片4、激光接收端3三者的工作角度，测量之前需对三者进行校正。
将激光发射端1与激光接收端3分别连接在数据处理系统6的输出口和输入口，数据处理系统6与便携式计算机7连接，将采集到的数据进行处理后传输到便携式计算机7中。
如图3所示，数据处理系统6由依次连接的数据采集单元、存储单元、数据分析单元和图像生成单元组成；数据采集单元(例如：激光位移传感器)与激光发射端1和激光接收端3连接，获取测量激光反光片4竖向位移变化值；存储单元(例如：大容量ssd硬盘)存储采集单元获取的采集数据；数据分析单元采用flash芯片来完成数据分析及预测；图像生成单元(例如：图像生成器)将分析后的数据生成数据变化图像，并传送给便携式计算机以动态曲线形式显示隧道溶洞顶板变形情况，从而预测出隧道溶洞位移变化趋势。
采用flash芯片进行数据分析，包括包含安全阈值比较与神经网络法预测溶洞顶板变形趋势。其中，采用神经网络法预测溶洞顶板变形趋势的具体步骤为：
1)将多个点的监测位移进行归一化处理，形成归一化集合；
2)通过神经网络预测模型设定神将网络的权重参数和阈值；
3)将归一化的数据分为训练数据和测试数据，并把训练数据导入到设定好的神经网络预测模型中，通过向前传播和反向传播进行训练；
4)将训练结果进行计算训练误差计算，判断是否满足设定的判断条件；如果满足条件，则算法结束，该模型作为最优预测模型；如果不满足，则不断修正权值系数和阀值，返回再次训练；
5)将测试数据导入最优预测模型进行预测。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
技术特征：
1.一种便携式隧道溶洞顶板竖向位移实时监测报警装置，其特征在于，该装置包括：激光发射端(1)、激光接收端(3)、激光反光片(4)、数据处理系统(6)、便携式计算机(7)和报警警示灯(5)；
激光发射端(1)和激光接收端(3)分别与数据处理系统(6)的输出口和输入口连接；数据处理系统(6)和报警警示灯(5)与便携式计算机(7)连接；
所述激光发射端(1)和激光接收端(3)用来测量激光反光片(4)竖向位移变化值；所述数据处理系统(6)根据测得的竖向位移变化值判断是否超出系统设置的安全阈值，当超过安全阈值时，报警警示灯(5)变色，同时便携式计算机(7)发出警报铃声。
2.根据权利要求1所述的便携式隧道溶洞顶板竖向位移实时监测报警装置，其特征在于，该系统还包括设置在隧道两侧的激光装置架(2)，一侧安装激光发射端(1)，另一侧安装激光接收端(3)，多台激光发射装置与激光接收装置依次对应地安装在激光装置架(2)上。
3.根据权利要求2所述的便携式隧道溶洞顶板竖向位移实时监测报警装置，其特征在于，所述激光装置架(2)底部固定在矩形底座(14)上；所述矩形底座(14)上四个边角处各设置一个调节钮(15)。
4.根据权利要求3所述的便携式隧道溶洞顶板竖向位移实时监测报警装置，其特征在于，所述激光装置架(2)上还安装有水准仪(13)，通过矩形底座(14)上的调节钮(15)使水准仪(13)达到水平稳定状态。
5.根据权利要求3所述的便携式隧道溶洞顶板竖向位移实时监测报警装置，其特征在于，所述水准仪(13)在激光装置架(2)上的位置低于激光发射端(1)或激光接收端(3)所固定位置。
6.根据权利要求1所述的便携式隧道溶洞顶板竖向位移实时监测报警装置，其特征在于，激光装置架(2)上还设置有粗准螺旋钮(11)和细准螺旋钮(12)，通过粗/细螺旋钮调整激光发射端(1)、激光反射片(4)和激光接收端(3)三者的工作角度。
7.根据权利要求1所述的便携式隧道溶洞顶板竖向位移实时监测报警装置，其特征在于，所述激光反光片(4)均匀地嵌固在隧道溶洞顶板(8)厚度较薄弱的位置；所述报警警示灯(5)固定在隧道溶洞顶板(8)监测点旁边。
8.根据权利要求1所述的便携式隧道溶洞顶板竖向位移实时监测报警装置，其特征在于，所述报警警示灯(5)采用无线蓝牙与便携式计算机(7)连接。
9.根据权利要求1所述的便携式隧道溶洞顶板竖向位移实时监测报警装置，其特征在于，所述数据处理系统(6)采用flash单元进行数据分析，包括包含安全阈值比较与神经网络法预测溶洞顶板变形趋势。
10.根据权利要求9所述的便携式隧道溶洞顶板竖向位移实时监测报警装置，其特征在于，采用神经网络法预测溶洞顶板变形趋势的具体步骤为：
1)将多个点的监测位移进行归一化处理，形成归一化集合；
2)通过神经网络预测模型设定神将网络的权重参数和阈值；
3)将归一化的数据分为训练数据和测试数据，并把训练数据导入到设定好的神经网络预测模型中，通过向前传播和反向传播进行训练；
4)将训练结果进行计算训练误差计算，判断是否满足设定的判断条件；如果满足条件，则算法结束，该模型作为最优预测模型；如果不满足，则不断修正权值系数和阀值，返回再次训练；
5)将测试数据导入最优预测模型进行预测。
技术总结
本发明涉及一种便携式隧道溶洞顶板竖向位移实时监测报警装置，属于隧道工程技术领域。该装置包括激光发射端、激光接收端、激光反光片、数据处理系统、便携式计算机和报警警示灯；激光发射端和激光接收端与数据处理系统连接，数据处理系统与便携式计算机连接，其中激光发射端和激光接收端用来测量激光反光片竖向位移变化值。数据处理系统根据测得的竖向位移变化值判断是否超过安全阈值，若超过，报警警示灯变色，同时便携式计算机发出警报。本发明具备监测数据准确度高且具有预测预警功能，装置安装简单，便于携带，易于操作；监测过程不依赖人力，不影响现场施工。
技术研发人员：郝瑞军;郝永明;杨彬
受保护的技术使用者：中交路桥建设有限公司;中交路桥南方工程有限公司
技术研发日：.11.21
技术公布日：.02.25
