隧道安全监测系统的技术实现方案，软硬件架构

一、项目概述

1.1 引言

铁路隧道的开采、施工和使用过程中，隧道围岩变形是围岩应力分布、整体力学形态变化和稳定状态最直接和可靠的反映，围岩净空位移的测量是隧道施工过程中一个重要环节，是判断围岩稳定性和指导施工的重要依据。对隧道围岩变形进行及时的监测和分析预报成为铁路隧道施工中保证施工安全、防止事故发生、合理确定隧道支护的十分重要的工作。

1.2 项目背景/选题动机

传统的铁路隧道围岩位移测量方法主要有两种：一种是在施工过程中布置测量断面，间隔一定的时间由人工使用各种机械式或机械－电子式收敛计测量；另一种是借助隧道断面仪定时定点测量待测断面。它们共同的特点是不能实时监控、成本高等。我们基于FPGA构造了隧道安全监控系统具有高精度、自动化、网络化等优势，该系统能用于隧道施工安全、防止事故发生。

二、需求分析

2.1 功能要求

系统需要实施监控铁路隧道施工安全情况，如图1系统架构，我们将半导体激光器架设在稳定地围岩上，作为参考基准点。需要观察的不稳定围岩出架设我们设计的系统，通过CCD感应光斑的位置，从而反映铁路隧道围岩下沉的情况。

图1 系统架构

2.2 性能要求

系统需要高精度地反映铁路隧道围岩下沉的状况，需要排除外界干扰因素等影响，比如外界温度，湿度都会影响光线传播的路径；外界光线过强，会造成CCD饱和失真等等。我们需要消除这些因素，从而达到高精度的特点。从图2中可以看到两者CCD采集到的数据，它们都有不同程度的干扰，基于FPGA的IP核设计思想，采用滤波算法将外界干扰信号消除，提取出有用信号，真实地反应铁路围岩隧道下沉的状况。

图2 CCD采集到的两组数据

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

系统硬件结构如图3所示：采用XILINX Spartan-6评估套件为基础，它是采用XC6LX16-CS324为核心处理器，外扩16M RAM，16M PCM和16M PCM的评估套件。CCD采用天津耀辉光电有限公司生产的USB CCD采集卡，所以采用开发板上的USB Host模块，将CCD采集到的数据传输到RAM中。基于FPGA的IP核设计思想，采用滤波算法将外界干扰信号消除，提取出有用信号。经过处理后数据由板上的四位数码管显示，并通过以太网传输到监控中心。

图3 系统硬件结构框图

3.2 硬件平台选用及资源配置

硬件平台选用：XILINX Spartan-6 Nexys™3 Spartan-6 FPGA Board。

使用到板上资源：USB Host，数码管，以太网，按键，LED等。