1.1 引言

　　鐵路隧道的開采、施工和使用過程中，隧道圍巖變形是圍巖應力分布、整體力學形態(tài)變化和穩(wěn)定狀態(tài)最直接和可靠的反映，圍巖凈空位移的測量是隧道施工過程中一個重要環(huán)節(jié)，是判斷圍巖穩(wěn)定性和指導施工的重要依據(jù)。對隧道圍巖變形進行及時的監(jiān)測和分析預報成為鐵路隧道施工中保證施工安全、防止事故發(fā)生、合理確定隧道支護的十分重要的工作。

　　1.2 項目背景/選題動機

　　傳統(tǒng)的隧道圍巖位移測量方法主要有兩種：一種是在施工過程中布置測量斷面，間隔一定的時間由人工使用各種機械式或機械－電子式收斂計測量；另一種是借助隧道斷面儀定時定點測量待測斷面。兩者的不足之處在于：

　　（1）不能實時監(jiān)測：即不能隨時監(jiān)測待測斷面的變形情況，因而不能及時反映施工過程中隧道圍巖的異常變化。

　　（2）對施工干擾大：由于變形測量中或者需要拉尺，或者需要架設斷面儀，所以對施工作業(yè)，尤其是運輸作業(yè)干擾很大。

　　（3）測量工作危險：在人員不易接近的地方，為了獲取測量數(shù)據(jù)，人員不得不頻繁接近危險空間，因而對人員與儀器的安全威脅較大。

　　（4）測量費用高：因同一斷面要多次反復測量，加之測量過程繁瑣，用人多，耗時長，導致測量費用較高。

　　（5）測量數(shù)據(jù)不可靠：造成測量數(shù)據(jù)不可靠的原因主要是電子和機械儀表的測量精度不夠和處理測量數(shù)據(jù)時造成的誤差。

　　我們采用AVR32處理器構(gòu)建新型的鐵路施工隧道安全監(jiān)測系統(tǒng)，具有無接觸、自動化、高精度和高可靠性等優(yōu)勢，該系統(tǒng)能用于隧道施工安全、防止事故發(fā)生。

　　二、需求分析

　　2.1 功能要求

　　系統(tǒng)需要實施監(jiān)控鐵路隧道施工安全情況，如圖1系統(tǒng)架構(gòu)，我們將半導體激光器架設在穩(wěn)定地圍巖上，作為參考基準點。需要觀察的不穩(wěn)定圍巖出架設我們設計的系統(tǒng)，通過CCD感應光斑的位置，從而反映圍巖下沉的情況。

　　　　圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　2.2 性能要求

　　系統(tǒng)需要高精度地反映鐵路圍巖下沉的狀況，需要排除外界干擾因素等影響，比如外界溫度，濕度都會影響光線傳播的路徑；外界光線過強，會造成CCD飽和失真等等。我們需要消除這些因素，從而達到高精度、高可靠性等特點

　　三、方案設計

　　3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示：采用AVR EVK1105評估套件為基礎，它是采用32位的AT32UC3A0512為核心處理器，外擴256M SDRAM，64M FLASH的評估套件。數(shù)據(jù)采集部分采用東芝線陣光電耦合器件（CCD）采集隧道下沉位置信息，溫濕度傳感器采集隧道環(huán)境信息，光線傳感器采集外界光強度信息。顯示部分采用板上的QVGA（320×240）彩色LCD液晶顯示，顯示數(shù)據(jù)采集部分采集的信息。由于系統(tǒng)需要進行長時間地工作，對采集的信息需要做相應的處理，需要顯示每分鐘/每小時/每天/每月這四個界面，從而直觀地反映鐵路隧道短期和長期的安全情況，評估和預測未來的走勢。控制部分采用板上的觸摸選擇按鍵，達到顯示不同界面的效果。數(shù)據(jù)可以通過板上的SD/MMC接口進行數(shù)據(jù)儲存，也可以通過以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。當超過設定的閾值，可以通過板上的高保真音頻接口發(fā)出語音提示，設定的報警提示內(nèi)容可以存儲在板上的FLASH當中。

　　以上敘述為站點1的接口，其他站點與站點1類似，用于監(jiān)測鐵路隧道的各個節(jié)點，都可以通過以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺，從而反映整條鐵路隧道的整體情況。

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　圖2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　3.2 硬件平臺選用及資源配置

　　硬件平臺選用：32位的AVR EVK1105是基于AT32UC3A0512的評估套件。

　　使用到板上資源：320×240 QVGA 彩色液晶LCD顯示器，外展256M SDRAM，64M FLASH，SD/MMC接口，以太網(wǎng)接口，光線傳感器，觸摸按鍵，高保真音頻解碼等。

　　3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　如圖3所示，系統(tǒng)首先采集三個重要信息：光斑位置、溫濕度和外界光強度。根據(jù)相應的數(shù)據(jù)算發(fā)，消除溫濕度和外界光強都光斑位置的影響。如果超過設定的閾值，采用板上的高保真語音進行語音提示。處理后的數(shù)據(jù)由SD卡數(shù)據(jù)存儲、LCD液晶顯示和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。

　　3.4 系統(tǒng)軟件流程

　　程序運行流程圖

　　圖3程序運行流程圖

　　3.4 系統(tǒng)預計實現(xiàn)結(jié)果

　　圖4是我們前期采用筆記本顯示和處理數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)龐大。預先采用AVR開發(fā)套件，完成相應模塊的驅(qū)動和設計，小型化、實用化，應用到實際的工程項目當中。

　　實際安裝效果

　　圖4實際安裝效果