[发明专利]落石冲击明洞振动监测系统和监测方法

权利要求书

1.落石冲击明洞振动监测系统，其特征在于，包括传感器部分、采集仪部分和监控中心，

传感器部分包括加速度传感器和视频监测装置，加速度传感器布设于明洞顶板；

视频监控装置的视觉范围涵盖明洞洞顶和明洞顶板，视频监测装置通过有线传输方式与监控中心相连；

采集仪部分与加速度传感器连接，并通过通信网络与监控中心连接，

监控中心系统包括智能监测应用服务器和数据服务器，负责监测数据和预警信息的存储和客户端数据的推送。

2.如权利要求1所述的落石冲击明洞振动监测系统，其特征在于，所述采集仪部分包括采集仪从站和采集主站，两者之间通过无线组网连接；

采集仪从站为无线组网的子节点，与加速度传感器连接；采集仪从站布设于明洞顶板，用于采集不同观测点的微震信号及数据综合计算分析，并通过无线传输方式发送给采集仪主站；

采集仪主站为无线组网的中心主节点，通过GPRS或北斗模块与监控中心形成通信连接。

3.落石冲击明洞振动监测方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)通过加速度传感器采集落石冲击明洞的振动加速度信号，并记录落石发生时间；

2)计算出落石的冲击位置、冲击能量；

3)通过预设模型计算出损伤程度参数。

4.如权利要求3所述的落石冲击明洞振动监测方法，其特征在于，所述步骤2)包括：

(1)冲击位置计算：采用联合定位方法对落石冲击进行定位，首先采用线性定位方法进行初步定位，获得初步位置h(x₀,y₀,z₀)，线性初始定位公式如下：

其中，T_i(h)为落石冲击位置到第i台传感器的走时；h(x₀,y₀,z₀)为冲击空间位置；(x_i,y_i,z_i)(i＝1,2,…,n为各传感器空间位置；

再以线性定位解作为Geiger定位方法的迭代初值进行求解定位，具体计算如下：

落石冲击到达每个传感器的时间：

其中，t_0i为第i个传感器检测的P波的到达时间；t_ci为线性定位计算出的P波到达第i个传感器时间；v_p为明洞结构纵波速；

对于N个传感器，得到N个方程，矩阵形式为：

AΔθ＝B

式中，

由上式求得修正后向量Δθ，以θ+Δθ为新的定位解继续进行迭代，直到迭代值收敛于时间残值函数I(φ)全局最小值，即得到落石的冲击位置；

(2)冲击能量计算：

通过获得落石冲击明洞位置，得到落石点到各传感器的距离，进而可以计算得到落石的冲击能量：

其中，E为冲击能量；ρ为明洞结构密度；v为明洞结构体波波速；R为冲击位置到传感器的距离；J_c为能通量；F_c为振动波辐射类型经验系数。

5.如权利要求4所述的落石冲击明洞振动监测方法，其特征在于，所述步骤3)为：

通过等比例模型试验建立和数值模拟分析，建立明洞拱部单元损伤因子均值与落石冲击能量的模型，模型如下：

Ω＝5e-05E⁴+0.0014E³+0.0137E²-0.083

其中，Ω为单位损伤因子均值；E为落石冲击能量。