專利名稱：無人化氣壓沉箱工法沉箱傾斜趨勢預測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測技術領域的系統(tǒng)，特別是一種無人化氣壓沉箱工法沉箱傾斜趨勢預測系統(tǒng)。
背景技術：
無人化氣壓沉箱工法是通過建造一個密閉的工作室，并向工作室內通入一定的壓縮空氣以平衡地下水頭，使得在無水的環(huán)境下作業(yè)，作業(yè)機械全部由地面遙控操作。該種施工法具有施工場地周圍地表沉降小、對周圍環(huán)境影響小、施工效率高、安全可靠、結構強度大，特別是由于其很適宜近接施工，所以極具發(fā)展前景。
無人化氣壓沉箱工法在沉箱下沉時主要有三種方法一種是自沉法，即沉箱下沉完全依靠沉箱體自重來克服沉箱體周圍的土層摩擦力和沉箱刃腳處的土的抗力；還有一種改進的自沉法，或通過采取措施減少沉箱體與周圍地層的摩擦阻力，或者通過往沉箱內加水或其他重物，來增大沉箱的自重，以克服摩擦阻力。另一種方法是壓入式下沉法，即借助地錨反力裝置來強行將箱體壓入地中的方法。沉箱在下沉的過程中，由于某種原因沉箱外周面與地層間的摩擦力不均勻，刃腳下方土體搞力存在差異及挖掘方式不當等原因，尤其是由于管理者對沉箱下沉時沉箱的傾斜趨勢不明確，而不能決定采取何種有效措施來防止沉箱傾斜，從而導致沉箱在下沉過程中極易發(fā)生傾斜，從而威脅施工安全，降低工作效率。
經文獻檢索，中國專利(申請?zhí)?7102338)給出了一種沉箱下沉方法，這種方法是通過開挖一條具有與下沉的沉箱相同平面形狀的支承明溝，將可以支承沉箱但很容易自動塌陷的支承物投入已挖掘好的明溝內，然后再將沉箱體建在明溝上。下沉時通過移除明溝內的支撐物，由于明溝已經事先挖好，所以沉箱體周邊的摩擦阻力基本相同，這樣可以有效防止沉箱傾斜。但是，該法要事先挖掘明溝并需要易塌陷的支承物，工程量加大，所用材料增多，造價增高。另外，該種方法也不適用于在水中建筑沉箱的場合。
如前所述，沉箱下沉的主要原因是由于對沉箱受力情況及沉箱姿態(tài)情況掌握不明，而不能采取有針對性的下沉控制措施來防止沉箱體傾斜，所以有必要研究一種新型的沉箱傾斜趨勢預測系統(tǒng)，為沉箱下沉時提供決策依據，以采取正確的下沉措施，從而達到防止沉箱傾斜的目的，也可以確保沉箱體下沉時的安全。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種無人化氣壓沉箱工法沉箱傾斜趨勢預測系統(tǒng)，使其通過對沉箱體傾斜趨勢的及時、準確的分析預測，現場施工人員根據監(jiān)測系統(tǒng)提供的沉箱體傾斜趨勢預測結果，通過調整地錨反力(壓沉法)或調整沉箱體內壓重物的分布或改變挖掘方式以及時調整沉箱姿態(tài)，從而達到防止沉箱發(fā)生傾斜的目的。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現的，本發(fā)明包括四個模塊傳感器信號采集模塊、傳感器信號處理模塊、沉箱體傾斜趨勢預測模塊、實時顯示模塊。傳感器信號采集模塊負責采集安裝在沉箱體各處的傳感器信號，采集到的信號經過A/D轉換，串行輸出到傳感器信號處理模塊；傳感信號處理模塊對傳感器信號采集模塊送來的信號作預處理，計算出沉箱體的幾何中心線偏斜、重心位置、總重量、沉箱體所受總的周圍摩擦力及其分布、工作室內氣體對沉箱體的浮力及地錨對沉箱的作用力等數據，計算的結果作為傳感器信號處理模塊的輸出，送到沉箱體傾斜趨勢預測模塊；沉箱體傾斜趨勢預測模塊根據傳感器信號處理模塊送來的數據，采用有限元分析法計算出沉箱體傾斜趨勢參數，這些參數作為沉箱體傾斜趨勢預測模塊的輸出傳送到實時顯示模塊；實時顯示模塊根據沉箱體傾斜趨勢預測模塊送來的數據，實時顯示沉箱體的當前姿態(tài)、傾斜趨勢姿態(tài)，并為人機交互提供一個接口。
所述的傳感器信號采集模塊負責采集安裝在沉箱體上的傳感器信號，并對采集到的信號進行模數轉換，傳感器信號采集模塊由安裝在現場PC機上的A/D卡實現，可進行多通道傳感器信號數據采集，傳感器信號采集模塊輸出的多路信號送到傳感器信號處理模塊處理。
所述的傳感器信號處理模塊對傳感器采集模塊采集到的信號進行數據預處理，這些數據預處理包括根據傳感器信號處理模塊送來的數據，計算沉箱的幾何中心線偏斜、重心位置和總重量、計算沉箱體受到的總的周圍摩擦力及其分布、計算工作室內氣體對沉箱體的浮力以及地錨對沉箱的作用力。數據預處理的結果作為傳感器信號處理模塊的輸出送到沉箱體傾斜趨勢預測模塊進行處理。
所述的沉箱體傾斜趨勢預測模塊根據傳感器信號處理模塊送來的數據對沉箱體的傾斜趨勢進行預測計算，計算的結果作為實時顯示模塊的輸入。沉箱體傾斜趨勢預測模塊主要由沉箱體傾斜趨勢算法組成；沉箱體傾斜趨勢算法根據傳感器信號處理模塊送來的沉箱的幾何中心線偏移、重心和總重量、沉箱周圍摩擦力及其分布、工作室內氣體對沉箱的浮力、刃腳處所受土的抗力、地錨對沉箱的作用力，結合沉箱體傾斜發(fā)生變化的時間(該時間一般是用傳感器信號處理模塊數據更新時間周期代替)，采用有限元分析法計算出沉箱體傾斜趨勢參數。沉箱傾斜趨勢預測算法輸出的結果包括沉箱體傾斜的方向、傾斜的速度、傾斜的加速度等參數，這些參數作為沉箱體傾斜預測模塊的輸出送到實時顯示模塊進行處理。
所述的實時顯示模塊根據沉箱體傾斜預測模塊送來的數據，該模塊用VB技術實現，分為用戶界面和后臺運行程序兩部分，該模塊實時顯示沉箱體的當前姿態(tài)、傾斜趨勢姿態(tài)，并保存沉箱體傾斜趨勢預測模塊輸出的數據，同時該模塊還要提供人機交互的接口界面，從而可以根據用戶的要求顯示某個時刻的沉箱體姿態(tài)，而且還可以根據沉箱體傾斜趨勢數據參數，調用存儲在PC機上的專家數據庫，給出相應的防止沉箱傾斜的措施。沉箱下沉施工管理者根據沉箱下沉趨勢參數，結合顯示模塊給出的防止沉箱傾斜的措施，管理者根據自己的實際經驗，適當調整沉箱體受力、挖掘方式達到防止沉箱發(fā)生傾斜的目的。
通過該方法可以有效的防止沉箱體傾斜的發(fā)生，不僅可以保證安全施工，而且節(jié)省了施工費用，縮短了工期，使得無人化氣壓沉箱一法更具競爭力。


圖1本發(fā)明系統(tǒng)示意框2本發(fā)明系統(tǒng)功能框圖
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括四個模塊傳感器信號采集模塊、傳感器信號處理模塊、沉箱體傾斜趨勢預測模塊、實時顯示模塊。這四個模塊在一臺現場PC工控機實現。傳感器信號采集模塊的輸入與安裝在沉箱體上的多路傳感器相連，傳感器信號采集模塊的輸出與傳感器信號處理模塊的輸入相連；傳感器信號處理模塊的輸出與沉箱體傾斜趨勢預測模塊相連；沉箱體傾斜趨勢預測模塊的輸出與實時顯示模塊相連。
傳感器信號采集模塊從安裝在沉箱體上的各傳感器采集信號，并對采集到的信號進行模數轉換，轉換后的信號作為傳感器信號采集模塊的輸出送給傳感器信號處理模塊處理。傳感器信號采集模塊由安裝在現場PC機上的A/D卡實現，A/D卡可進行多通道傳感器信號數據采集，本發(fā)明中的A/D卡采用的是AD7705，AD7705采集卡有2通道輸入、可達到16位分辨率，并且AD7705采集卡無失碼、只需少量的或不需要信號調理，就可經串行輸出到傳感器信號處理模塊進行處理。
傳感器信號處理模塊對傳感器采集模塊送來的信號進行數據預處理，數據預處理的結果作為傳感器信號處理模塊的輸出送給沉箱體傾斜趨勢預測模塊；這些數據預處理包括根據傳感器信號處理模塊送來的數據，計算沉箱的幾何中心線偏斜、重心位置和總重量、刃腳處所受土的抗力，計算沉箱體受到的總的周圍摩擦力及其分布，計算工作室內氣體對沉箱體的浮力；在采用借助地錨反力裝置來強行將箱體壓入地中的方法時，還要計算地錨對沉箱的作用力。
沉箱體傾斜趨勢預測模塊根據傳感器信號處理模塊送來的數據，結合保存的歷史數據和沉箱體傾斜發(fā)生變化的時間間隔，調用沉箱傾斜趨勢預測算法對沉箱體傾斜趨勢進行預測。預測的結果作為沉箱體傾斜趨勢預測模塊的輸出送給實時顯示模塊。沉箱體傾斜趨勢預測模塊的核心是沉箱體傾斜趨勢算法，該算法根據傳感器信號處理模塊送來的沉箱的幾何中心線偏移、重心和總重量、沉箱周圍摩擦力及其分布、工作室氣體對沉箱的浮力、刃腳處所受土的抗力、地錨對沉箱的作用力等數據，結合沉箱體傾斜發(fā)生變化的時間(該時間一般是用傳感器信號處理模塊數據更新時間周期代替)，采用有限元分析法計算出沉箱體傾斜趨勢參數。有限元分析法可以說詳細分析出沉箱體各處受力情況，還可以精確計算出沉箱體的傾斜趨勢；沉箱傾斜趨勢預測算法輸出的預測結果包括沉箱體傾斜的方向、傾斜的速度、傾斜的加速度等。
實時顯示模塊根據從沉箱體傾斜趨勢預測模塊送來的數據，實時顯示沉箱體的當前姿態(tài)、傾斜趨勢姿態(tài)、調用和保存經沉箱體傾斜趨勢預測模塊輸出的數據，也可以根據用戶的要求顯示某個時刻的沉箱體姿態(tài)，而且還可以根據沉箱體傾斜趨勢數據參數，調用存儲在PC機上的專家數據庫，給出相應的防止沉箱傾斜的措施。沉箱下沉施工管理者根據沉箱下沉趨勢參數，結合顯示模塊給出的防止沉箱傾斜的措施，并結合管理者自己的實際經驗，適當調整沉箱體受力、挖掘方式達到防止沉箱發(fā)生傾斜的目的。該模塊用VB技術實現，分為用戶界面和后臺運行程序兩部分。用戶界面顯示沉箱體的各種姿態(tài)、數據信息，并為用戶提供一個人機交互的接口；后臺運行程序負責后臺運行數據調用、數據處理、結果保存等工作。
權利要求
1.一種無人化氣壓沉箱工法沉箱傾斜趨勢預測系統(tǒng)，其特征在于，包括四個模塊傳感器信號采集模塊、傳感器信號處理模塊、沉箱體傾斜趨勢預測模塊、實時顯示模塊，傳感器信號采集模塊負責采集安裝在沉箱體各處的傳感器信號，經過轉換，輸入到傳感器信號處理模塊；傳感信號處理模塊對傳感器信號采集模塊送來的信號作預處理，計算數據，計算的結果作為傳感器信號處理模塊的輸出，送到沉箱體傾斜趨勢預測模塊；沉箱體傾斜趨勢預測模塊根據傳感器信號處理模塊送來的數據，采用有限元分析法計算出沉箱體傾斜趨勢參數，這些參數作為沉箱體傾斜趨勢預測模塊的輸出傳送到實時顯示模塊；實時顯示模塊根據沉箱體傾斜趨勢預測模塊送來的數據，實時顯示沉箱體的當前姿態(tài)、傾斜趨勢姿態(tài)，并為人機交互提供一個接口。
2.如權利要求1中所述的無人化氣壓沉箱工法沉箱傾斜趨勢預測系統(tǒng)，其特征是，所述的傳感器信號采集模塊，該模塊采集信號，并對采集到的信號進行模數轉換，傳感器信號采集模塊由安裝在現場PC機上的A/D卡實現，可進行多通道傳感器信號數據采集，然后由傳感器信號采集模塊輸出的多路信號送到傳感器信號處理模塊處理。
3.如權利要求1中所述的無人化氣壓沉箱工法沉箱傾斜趨勢預測系統(tǒng)，其特征是，所述的傳感器信號處理模塊，對傳感器采集模塊采集到的信號進行數據預處理，這些數據預處理包括根據傳感器信號處理模塊送來的數據，計算沉箱的幾何中心線偏斜、重心位置和總重量、計算沉箱體受到的總的周圍摩擦力及其分布、計算工作室內氣體對沉箱體的浮力以及地錨對沉箱的作用力，數據預處理的結果作為傳感器信號處理模塊的輸出送到沉箱體傾斜趨勢預測模塊進行處理。
4.如權利要求1中所述的無人化氣壓沉箱工法沉箱傾斜趨勢預測系統(tǒng)，其特征是，所述的沉箱體傾斜趨勢預測模塊，主要由沉箱體傾斜趨勢算法組成，根據傳感器信號處理模塊送來的沉箱的幾何中心線偏移、重心和總重量、沉箱周圍摩擦力及其分布、工作室內氣體對沉箱的浮力、刃腳處所受土的抗力、地錨對沉箱的作用力，結合沉箱體傾斜發(fā)生變化的時間，該時間用傳感器信號處理模塊數據更新時間周期代替，采用有限元分析法計算出沉箱體傾斜趨勢參數。
5.如權利要求4中所述的無人化氣壓沉箱工法沉箱傾斜趨勢預測系統(tǒng)，其特征是，所述的沉箱傾斜趨勢預測算法，其輸出的結果包括沉箱體傾斜的方向、傾斜的速度、傾斜的加速度等參數，這些參數作為沉箱體傾斜預測模塊的輸出送到實時顯示模塊進行處理。
6.如權利要求1中所述的無人化氣壓沉箱工法沉箱傾斜趨勢預測系統(tǒng)，其特征是，所述的實時顯示模塊根據沉箱體傾斜預測模塊送來的數據，該模塊用VB技術實現，分為用戶界面和后臺運行程序兩部分，該模塊實時顯示沉箱體的當前姿態(tài)、傾斜趨勢姿態(tài)，并保存沉箱體傾斜趨勢預測模塊輸出的數據，同時該模塊還要提供人機交互的接口界面，從而可以根據用戶的要求顯示某個時刻的沉箱體姿態(tài)，根據沉箱體傾斜趨勢數據參數，調用存儲在PC機上的專家數據庫，給出相應的防止沉箱傾斜的措施。
全文摘要
一種無人化氣壓沉箱工法箱體傾斜監(jiān)測系統(tǒng)，包括四個模塊傳感器信號采集模塊、傳感器信號處理模塊、沉箱體傾斜趨勢預測模塊、實時顯示模塊，傳感器信號采集模塊采集傳感器信號，采集到的信號經過A/D轉換輸出到傳感器信號處理模塊，由其對采集到的傳感器信號作分析提取等處理，為沉箱體傾斜趨勢預測模塊提供所需的數據。進一步由其結合沉箱體狀態(tài)的歷史信息和時間信息，調用沉箱體傾斜趨勢預測算法預測出沉箱體傾斜趨勢參數，送給實時顯示模塊。實時顯示模塊根據負責顯示沉箱體的當前姿態(tài)及傾斜趨勢姿態(tài)，保存數據、調用歷史數據，并為人機交互提供一個接口。通過預測沉箱體傾斜趨勢，為沉箱下沉提供決策依據，從而達到有效防止沉箱傾斜的目的。
文檔編號G01C9/02GK1673676SQ200510025060
公開日2005年9月28日 申請日期2005年4月14日 優(yōu)先權日2005年4月14日
發(fā)明者曹其新, 李寶順, 趙言正, 付莊, 王儉坤 申請人:上海交通大學