无人化气压沉箱工法沉箱倾斜趋势预测系统

摘要

一种无人化气压沉箱工法箱体倾斜监测系统，包括四个模块：传感器信号采集模块、传感器信号处理模块、沉箱体倾斜趋势预测模块、实时显示模块，传感器信号采集模块采集传感器信号，采集到的信号经过A/D转换输出到传感器信号处理模块，由其对采集到的传感器信号作分析提取等处理，为沉箱体倾斜趋势预测模块提供所需的数据。进一步由其结合沉箱体状态的历史信息和时间信息，调用沉箱体倾斜趋势预测算法预测出沉箱体倾斜趋势参数，送给实时显示模块。实时显示模块根据负责显示沉箱体的当前姿态及倾斜趋势姿态，保存数据、调用历史数据，并为人机交互提供一个接口。通过预测沉箱体倾斜趋势，为沉箱下沉提供决策依据，从而达到有效防止沉箱倾斜的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测技术领域的系统，特别是一种无人化气压沉箱工法沉箱倾斜趋势预测系统。

背景技术

无人化气压沉箱工法是通过建造一个密闭的工作室，并向工作室内通入一定的压缩空气以平衡地下水头，使得在无水的环境下作业，作业机械全部由地面遥控操作。该种施工法具有施工场地周围地表沉降小、对周围环境影响小、施工效率高、安全可靠、结构强度大，特别是由于其很适宜近接施工，所以极具发展前景。

无人化气压沉箱工法在沉箱下沉时主要有三种方法一种是自沉法，即沉箱下沉完全依靠沉箱体自重来克服沉箱体周围的土层摩擦力和沉箱刃脚处的土的抗力；还有一种改进的自沉法，或通过采取措施减少沉箱体与周围地层的摩擦阻力，或者通过往沉箱内加水或其他重物，来增大沉箱的自重，以克服摩擦阻力。另一种方法是压入式下沉法，即借助地锚反力装置来强行将箱体压入地中的方法。沉箱在下沉的过程中，由于某种原因沉箱外周面与地层间的摩擦力不均匀，刃脚下方土体搞力存在差异及挖掘方式不当等原因，尤其是由于管理者对沉箱下沉时沉箱的倾斜趋势不明确，而不能决定采取何种有效措施来防止沉箱倾斜，从而导致沉箱在下沉过程中极易发生倾斜，从而威胁施工安全，降低工作效率。

经文献检索，中国专利(申请号87102338)给出了一种沉箱下沉方法，这种方法是通过开挖一条具有与下沉的沉箱相同平面形状的支承明沟，将可以支承沉箱但很容易自动塌陷的支承物投入已挖掘好的明沟内，然后再将沉箱体建在明沟上。下沉时通过移除明沟内的支撑物，由于明沟已经事先挖好，所以沉箱体周边的摩擦阻力基本相同，这样可以有效防止沉箱倾斜。但是，该法要事先挖掘明沟并需要易塌陷的支承物，工程量加大，所用材料增多，造价增高。另外，该种方法也不适用于在水中建筑沉箱的场合。

如前所述，沉箱下沉的主要原因是由于对沉箱受力情况及沉箱姿态情况掌握不明，而不能采取有针对性的下沉控制措施来防止沉箱体倾斜，所以有必要研究一种新型的沉箱倾斜趋势预测系统，为沉箱下沉时提供决策依据，以采取正确的下沉措施，从而达到防止沉箱倾斜的目的，也可以确保沉箱体下沉时的安全。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无人化气压沉箱工法沉箱倾斜趋势预测系统，使其通过对沉箱体倾斜趋势的及时、准确的分析预测，现场施工人员根据监测系统提供的沉箱体倾斜趋势预测结果，通过调整地锚反力(压沉法)或调整沉箱体内压重物的分布或改变挖掘方式以及时调整沉箱姿态，从而达到防止沉箱发生倾斜的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括四个模块：传感器信号采集模块、传感器信号处理模块、沉箱体倾斜趋势预测模块、实时显示模块。传感器信号采集模块负责采集安装在沉箱体各处的传感器信号，采集到的信号经过A/D转换，串行输出到传感器信号处理模块；传感信号处理模块对传感器信号采集模块送来的信号作预处理，计算出沉箱体的几何中心线偏斜、重心位置、总重量、沉箱体所受总的周围摩擦力及其分布、工作室内气体对沉箱体的浮力及地锚对沉箱的作用力等数据，计算的结果作为传感器信号处理模块的输出，送到沉箱体倾斜趋势预测模块；沉箱体倾斜趋势预测模块根据传感器信号处理模块送来的数据，采用有限元分析法计算出沉箱体倾斜趋势参数，这些参数作为沉箱体倾斜趋势预测模块的输出传送到实时显示模块；实时显示模块根据沉箱体倾斜趋势预测模块送来的数据，实时显示沉箱体的当前姿态、倾斜趋势姿态，并为人机交互提供一个接口。

所述的传感器信号采集模块负责采集安装在沉箱体上的传感器信号，并对采集到的信号进行模数转换，传感器信号采集模块由安装在现场PC机上的A/D卡实现，可进行多通道传感器信号数据采集，传感器信号采集模块输出的多路信号送到传感器信号处理模块处理。

所述的传感器信号处理模块对传感器采集模块采集到的信号进行数据预处理，这些数据预处理包括：根据传感器信号处理模块送来的数据，计算沉箱的几何中心线偏斜、重心位置和总重量、计算沉箱体受到的总的周围摩擦力及其分布、计算工作室内气体对沉箱体的浮力以及地锚对沉箱的作用力。数据预处理的结果作为传感器信号处理模块的输出送到沉箱体倾斜趋势预测模块进行处理。

所述的沉箱体倾斜趋势预测模块根据传感器信号处理模块送来的数据对沉箱体的倾斜趋势进行预测计算，计算的结果作为实时显示模块的输入。沉箱体倾斜趋势预测模块主要由沉箱体倾斜趋势算法组成；沉箱体倾斜趋势算法根据传感器信号处理模块送来的沉箱的几何中心线偏移、重心和总重量、沉箱周围摩擦力及其分布、工作室内气体对沉箱的浮力、刃脚处所受土的抗力、地锚对沉箱的作用力，结合沉箱体倾斜发生变化的时间(该时间一般是用传感器信号处理模块数据更新时间周期代替)，采用有限元分析法计算出沉箱体倾斜趋势参数。沉箱倾斜趋势预测算法输出的结果包括：沉箱体倾斜的方向、倾斜的速度、倾斜的加速度等参数，这些参数作为沉箱体倾斜预测模块的输出送到实时显示模块进行处理。

所述的实时显示模块根据沉箱体倾斜预测模块送来的数据，该模块用VB技术实现，分为用户界面和后台运行程序两部分，该模块实时显示沉箱体的当前姿态、倾斜趋势姿态，并保存沉箱体倾斜趋势预测模块输出的数据，同时该模块还要提供人机交互的接口界面，从而可以根据用户的要求显示某个时刻的沉箱体姿态，而且还可以根据沉箱体倾斜趋势数据参数，调用存储在PC机上的专家数据库，给出相应的防止沉箱倾斜的措施。沉箱下沉施工管理者根据沉箱下沉趋势参数，结合显示模块给出的防止沉箱倾斜的措施，管理者根据自己的实际经验，适当调整沉箱体受力、挖掘方式达到防止沉箱发生倾斜的目的。

通过该方法可以有效的防止沉箱体倾斜的发生，不仅可以保证安全施工，而且节省了施工费用，缩短了工期，使得无人化气压沉箱一法更具竞争力。

附图说明

图1本发明系统示意框图

图2本发明系统功能框图

具体实施方式

如图1所示，本发明包括四个模块：传感器信号采集模块、传感器信号处理模块、沉箱体倾斜趋势预测模块、实时显示模块。这四个模块在一台现场PC工控机实现。传感器信号采集模块的输入与安装在沉箱体上的多路传感器相连，传感器信号采集模块的输出与传感器信号处理模块的输入相连；传感器信号处理模块的输出与沉箱体倾斜趋势预测模块相连；沉箱体倾斜趋势预测模块的输出与实时显示模块相连。

传感器信号采集模块从安装在沉箱体上的各传感器采集信号，并对采集到的信号进行模数转换，转换后的信号作为传感器信号采集模块的输出送给传感器信号处理模块处理。传感器信号采集模块由安装在现场PC机上的A/D卡实现，A/D卡可进行多通道传感器信号数据采集，本发明中的A/D卡采用的是AD7705，AD7705采集卡有2通道输入、可达到16位分辨率，并且AD7705采集卡无失码、只需少量的或不需要信号调理，就可经串行输出到传感器信号处理模块进行处理。

传感器信号处理模块对传感器采集模块送来的信号进行数据预处理，数据预处理的结果作为传感器信号处理模块的输出送给沉箱体倾斜趋势预测模块；这些数据预处理包括：根据传感器信号处理模块送来的数据，计算沉箱的几何中心线偏斜、重心位置和总重量、刃脚处所受土的抗力，计算沉箱体受到的总的周围摩擦力及其分布，计算工作室内气体对沉箱体的浮力；在采用借助地锚反力装置来强行将箱体压入地中的方法时，还要计算地锚对沉箱的作用力。

沉箱体倾斜趋势预测模块根据传感器信号处理模块送来的数据，结合保存的历史数据和沉箱体倾斜发生变化的时间间隔，调用沉箱倾斜趋势预测算法对沉箱体倾斜趋势进行预测。预测的结果作为沉箱体倾斜趋势预测模块的输出送给实时显示模块。沉箱体倾斜趋势预测模块的核心是沉箱体倾斜趋势算法，该算法根据传感器信号处理模块送来的沉箱的几何中心线偏移、重心和总重量、沉箱周围摩擦力及其分布、工作室气体对沉箱的浮力、刃脚处所受土的抗力、地锚对沉箱的作用力等数据，结合沉箱体倾斜发生变化的时间(该时间一般是用传感器信号处理模块数据更新时间周期代替)，采用有限元分析法计算出沉箱体倾斜趋势参数。有限元分析法可以说详细分析出沉箱体各处受力情况，还可以精确计算出沉箱体的倾斜趋势；沉箱倾斜趋势预测算法输出的预测结果包括：沉箱体倾斜的方向、倾斜的速度、倾斜的加速度等。

实时显示模块根据从沉箱体倾斜趋势预测模块送来的数据，实时显示沉箱体的当前姿态、倾斜趋势姿态、调用和保存经沉箱体倾斜趋势预测模块输出的数据，也可以根据用户的要求显示某个时刻的沉箱体姿态，而且还可以根据沉箱体倾斜趋势数据参数，调用存储在PC机上的专家数据库，给出相应的防止沉箱倾斜的措施。沉箱下沉施工管理者根据沉箱下沉趋势参数，结合显示模块给出的防止沉箱倾斜的措施，并结合管理者自己的实际经验，适当调整沉箱体受力、挖掘方式达到防止沉箱发生倾斜的目的。该模块用VB技术实现，分为用户界面和后台运行程序两部分。用户界面显示沉箱体的各种姿态、数据信息，并为用户提供一个人机交互的接口；后台运行程序负责后台运行数据调用、数据处理、结果保存等工作。