本发明属于隧道施工中的盾构施工，具体涉及一种基于物联网的高铁隧道泥水平衡盾构监控平台。
背景技术：
1、随着城市化的不断推进和交通网络的日益完善，高铁隧道的建设成为当代交通基础设施建设的重要组成部分。然而，隧道施工往往面临复杂多变的地层情况，这对隧道施工的安全和效率提出了更高的要求。
2、泥水盾构作为城市地铁隧道施工的主要方法，因其施工速度快、对周围环境影响小、自动化程度高等优势，成为轨道交通发展的重要技术，其全自动化施工方式带来了较高的施工速度，对于迅速建设城市轨道交通工程至关重要。采用土压平衡原理，泥水盾构在盾构过程中实现了土体的稳定，显著减小了地表沉降的风险，有效保护了城市地下结构和地表环境。同时，高度机械化的泥水盾构具备自动化程度高的特点，通过现代化的控制系统，能够实现对施工参数的实时调整，提高了施工的精度和效率。
3、在实际工程中，泥水盾构施工需要注意实时控制操作参数，以适应复杂多变的地层条件，减少对周围土体的不良影响。同时针对这一挑战，地质探测、地面沉降观测和盾构故障检测等方面的实施成为了至关重要的环节。
4、地质探测能够提供隧道施工地层的详细信息，为施工过程中的地质变化提供准确的数据支持。通过地质雷达等现代地质探测技术，监测隧道施工过程中遇到的岩层、溶洞、断层等地质特征，有助于更好地调整盾构机的工作参数，提高施工的适应性和安全性。
5、地面沉降观测是为了解决盾构施工可能引起的地表沉降问题。泥水盾构施工过程中，由于地下土体的变形和排空导致地表沉降，而过大的地表沉降可能对周围建筑和交通设施造成不良影响。因此，建立地面沉降观测系统，通过实时监测地表沉降情况，能够及时预警潜在的问题，采取必要的措施进行调整和修正，从而保障周围环境的稳定和安全。
6、盾构故障检测则是为了确保盾构机在施工过程中的正常运行。由于盾构施工往往发生在地下，难以直接观察和检查。因此，建立盾构机监控平台，通过对盾构机传感器数据的实时监测和分析，能够及时发现潜在故障，减少因故障导致的施工延误和安全风险。
7、这三方面的实施检测平台，通过集成地质雷达、地面沉降监测系统和盾构机传感器，形成一个智能化的物联网监控平台。这样的平台能够为泥水盾构施工提供全方位的实时数据支持，保障隧道施工的高效、安全、可控进行。在当代高铁隧道建设中，这样的监控平台已经成为确保工程质量和施工安全的不可或缺的技术手段。
技术实现思路
1、根据现有技术的不足，本发明公开了一种基于物联网的高铁隧道泥水平衡盾构监控平台。本发明整合各监测技术方法提供了一套智能化的物联网监控平台，以解决隧道盾构过程中的复杂环境和各个检测点之间的空间距离大等监测技术问题。
2、本发明通过以下技术方案实现：
3、一种基于物联网的高铁隧道泥水平衡盾构监控平台，其特征在于监控平台包含三个模块：地质探测模块，沉降观测模块，盾构故障监测模块；
4、m1地质探测模块：采用地质雷达探测技术，监测隧道施工过程中遇到的岩层、溶洞、断层各地质特征，指导调整控制盾构机工作参数；
5、m2沉降观测模块：采用工业相机捕获靶标，进一步采取机器学习算法提取沉降位移，建立地面沉降观测系统，通过实时监测地表沉降情况，及时预警潜在地表沉降；
6、m3盾构故障监测模块：通过在变速箱、主轴承、润滑系统和液压泵布置传感器，建立盾构机监控平台，通过对盾构机传感器数据的实时监测和分析，及时发现潜在故障。
7、本发明硬件部分基于lora(long range radio)技术，将lora模块集成于各传感器，数据通过lora网关进行无线网络传输，最终由工作站接收并进行数据处理和分析。
8、在地质探测模块m1中，在地质雷达主机上集成lora模块，将采集到的数据通过lora协议进行编码和传输；部署在采集范围内的lora网关，负责接收传感器节点发送的lora数据；lora网关通过5g wi-fi与工控机进行连接，工控机使用reflexw软件对地质雷达的采集讯号进行分析。
9、在沉降观测模块m2中，采用机器视觉法，由监测设备和算法模型两大部分构成；监测设备包括靶标和工业相机，算法模型进行图像处理、特征点识别、位移计算和沉降值估算。
10、在沉降观测模块m2中，预先将靶标布置在需要检测的围岩位置，并精确设置工业相机，确保靶标与待监测围岩能够在图像中清晰可见；然后，工业相机捕获靶标沉降图像，工业相机与lora模块集成将采集到的数据通过lora协议进行编码和传输；部署在采集范围内的lora网关，将接收传感器节点发送的lora数据；lora网关通过5g wifi与工控机连接；工控机调取数据库中的图像数据，利用目标检测模型对图像进行处理，识别靶标上的特征点，确保高精度的位置定位；通过计算特征点中心像素的位移变化，准确测量靶标的沉降值。
11、在沉降观测模块m2中，模型计算沉降值是通过计算特征点中心像素的位移变化获得；
12、在盾构故障监测模块m3中，由盾构机传感器和盾构机原始plc构成，所有的传感器集成lora模块，将采集的数据传输至网关；lora网关通过无线5g wifi将数据传输到工控机，工控机通过labview程序对所采集到的信号进行分析处理。
13、在盾构故障监测模块m3中，在润滑系统布置接触式温度传感器、压力传感器、电化学传感器、电容式水分传感器和激光散射传感器，分别采集润滑油的温度、压力、酸值、含水量以及颗粒度。
14、在盾构故障监测模块m3中，在盾构机的变速箱、主轴承和液压泵中需布置温度传感器、振动传感器、振动加速度传感器；其中，变速箱中温度传感器为红外非接触式传感器，其余为接触式传感器；采集温度、振动和振动加速度的波形信号；在液压泵中设置压力传感器，采集液压压力。
15、本发明基于物联网的高铁隧道泥水平衡盾构监控平台集成地质雷达、地面沉降监测系统以及盾构机上的传感器，采集多维度的数据。随后，利用lora模块实现了低功耗、长距离的数据传输，将采集到的信息传送至lora网关，再通过无线网络迅速传输至工作站进行软件层面上的深入分析和处理。
16、本发明所提供的监控平台具有高度灵活性，特别适用于隧道盾构过程中检测点分布较为广泛、地理时空环境相对复杂的情况。采用lora技术的低功耗通信方案，有效解决了远距离通信的难题，确保了数据在广阔地域内的可靠传输。这一创新设计不仅适用于泥水盾构施工，而且提供了一种通用的、可扩展的监测解决方案，为各类隧道工程提供了全方位的实时数据支持。
17、本发明监控平台为隧道施工过程中的数据采集和传输提供了一种先进的技术手段。通过实时监测地质雷达数据、地面沉降信息以及盾构机上的传感器数据，平台能够为泥水盾构施工提供全面而及时的支持，确保隧道施工在高效、安全、可控的状态下进行。在当代高铁隧道建设中，这样的监控平台已经成为确保工程质量和施工安全的不可或缺的技术保障。
1.一种基于物联网的高铁隧道泥水平衡盾构监控平台，其特征在于监控平台包含三个模块：地质探测模块，沉降观测模块，盾构故障监测模块；
2.根据权利要求1所述的基于物联网的高铁隧道泥水平衡盾构监控平台，其特征在于：硬件部分基于lora(long range radio)技术，将lora模块集成于各传感器，数据通过lora网关进行无线网络传输，最终由工作站接收并进行数据处理和分析。
3.根据权利要求2所述的基于物联网的高铁隧道泥水平衡盾构监控平台，其特征在于：在地质探测模块m1中，在地质雷达主机上集成lora模块，将采集到的数据通过lora协议进行编码和传输；部署在采集范围内的lora网关，负责接收传感器节点发送的lora数据；lora网关通过5g wi-fi与工控机进行连接，工控机使用reflexw软件对地质雷达的采集讯号进行分析。
4.根据权利要求2所述的基于物联网的高铁隧道泥水平衡盾构监控平台，其特征在于：在沉降观测模块m2中，采用机器视觉法，由监测设备和算法模型两大部分构成；监测设备包括靶标和工业相机，算法模型进行图像处理、特征点识别、位移计算和沉降值估算。
5.根据权利要求4所述的基于物联网的高铁隧道泥水平衡盾构监控平台，其特征在于：在沉降观测模块m2中，预先将靶标布置在需要检测的围岩位置，并精确设置工业相机，确保靶标与待监测围岩能够在图像中清晰可见；然后，工业相机捕获靶标沉降图像，工业相机与lora模块集成将采集到的数据通过lora协议进行编码和传输；部署在采集范围内的lora网关，将接收传感器节点发送的lora数据；lora网关通过5g wifi与工控机连接；工控机调取数据库中的图像数据，利用目标检测模型对图像进行处理，识别靶标上的特征点，确保高精度的位置定位；通过计算特征点中心像素的位移变化，准确测量靶标的沉降值。
6.根据权利要求2所述的基于物联网的高铁隧道泥水平衡盾构监控平台，其特征在于：在盾构故障监测模块m3中，由盾构机传感器和盾构机原始plc构成，所有的传感器集成lora模块，将采集的数据传输至网关；lora网关通过无线5g wifi将数据传输到工控机，工控机通过labview程序对所采集到的信号进行分析处理。
7.根据权利要求2所述的基于物联网的高铁隧道泥水平衡盾构监控平台，其特征在于：在盾构故障监测模块m3中，在润滑系统布置接触式温度传感器、压力传感器、电化学传感器、电容式水分传感器和激光散射传感器，分别采集润滑油的温度、压力、酸值、含水量以及颗粒度。
8.根据权利要求2所述的基于物联网的高铁隧道泥水平衡盾构监控平台，其特征在于：在盾构故障监测模块m3中，在盾构机的变速箱、主轴承和液压泵中需布置温度传感器、振动传感器、振动加速度传感器；其中，变速箱中温度传感器为红外非接触式传感器，其余为接触式传感器；采集温度、振动和振动加速度的波形信号；在液压泵中设置压力传感器，采集液压压力。
