工程建設遠程自動化監測系統的研究

唐建陽,王 亮,賀躍光

(1.湖南省電子產品檢測分析所,湖南長沙 410001；2.長沙理工大學交通運輸工程學院,湖南長沙 410076)

0 前言

隨著國家經濟的飛速發展,各項工程建設不斷開展,各種安全事故也伴隨著不斷出現。嚴重威脅國家和人民財產和生命安全。因此,建設工程安全監測就顯得尤為重要。

目前,工程建設中安全監測大多采用傳統的方式,即將傳感器埋設于需要監測的位置,監測人員間隔一段時間必須到現場取得相關數據。人工測量存在多方面的問題,不能實時監測數據的變化；由于監測的位置一般是結構特殊部位,測量人員的安全也不能得到保障；測量勞動強度大；人員不可到達的地點不能測量,關鍵的數據難以獲取；數據處理難度大。遠程自動化監測系統可以有效地解決這些問題。

文章對遠程自動化監測系統的組成及其使用方法進行分析。

1 遠程自動化監測系統的組成

如圖1所示,遠程自動化監測系統主要由采集模塊、無線傳輸系統和系統軟件3個部分組成,見圖1。

1.1 采集模塊

采集模塊分為傳感器和數據采集單元兩個部分。

1)應力傳感器

應力傳感器主要監測工程建設中鋼筋混凝土應力的變化。應力的變化是導致工程事故的主要的原因。通常采用了振弦式應力傳感器,當壓力改變時,安設于傳感器體內的鋼弦頻率會產生變化,不同的頻率對應不同的壓力值。

圖1 自動化監測系統結構

2)溫度傳感器

可廣泛應用于石油、化工、能源、交通、鐵路、建筑等行業中的溫度測量。

3)土壓力盒

用于各種工程土體壓力的測量,包括：

a隧道襯砌壓力、邊坡抗滑樁、深基坑、支擋樁、各類擋土墻土體側壓力的測量；

b軟基深層垂直向、水平向土壓力的測量；

c各類路基、路堤、大壩壩體內部壓力的測量。

分單模和雙模兩種。

4)沉降計

沉降計是由沉降板、錨固板、測桿和位移計組成,是一種埋入式測量巖土和混凝土等結構工程中沉降板與錨固板之間相對位移形變的傳感器。廣泛應用于隧道、路基、大壩及邊坡等巖土工程中,監測結構工程中位移、沉降、滑移各種基礎的沉降情況。分單點和多點沉降計兩種。

5)錨索測力計

錨索測力計時一種多弦式壓力傳感器。中空結構,主要是用于各種錨桿、斜拉索錨索、巖石螺旋支柱、隧道和地下結構的支撐,以及大型預應力鋼筋混凝土(橋梁、堤、壩)中的荷載和預應力測量,邊坡、隧道、橋梁及地下工程等錨桿(索)的張力測量等。

數據采集單元安置在現場,盡量靠近傳感器,與監測區域內的傳感器相連。承擔該區域內監測數據采集和發送。

1.2 遠程數據傳輸系統

指在傳感器、采集模塊、遙控主機之間進行數據和命令傳輸的方式[2]。在傳感器與采集器之間由電纜線連接(電纜線埋在地下或工程結構中較為合適,要注意防水和防破壞)。在采集模塊與監控主站之間可根據工程的實際的具體情況選擇數據傳輸方式 ,包括：

1)485總線；

2)無線載波(距離3～5 km)；

3)手機無線 GPRS(手機模塊通訊范圍中國移動網信號覆蓋區域)；

4)聯通CDMA手機無線(手機模塊通訊范圍中國聯通網信號覆蓋區域)；

5)光纖。光電轉換器將傳感器的電信號轉換為光信號后,即可進行長距離的傳輸。其優點是傳輸距離大,受環境干擾小,傳輸穩定。缺點是光纖價格比較高,安裝時相對困難。

以上幾種傳輸方式也可以混合使用,從而提高系統的靈活性。

1.3 系統軟件

遠程自動化監測系統是針對工程安全監測而開發的綜合處理軟件系統[3]。該軟件能夠完成從原始觀測數據的接收、數據轉化、數據解算、數據入庫以及成果提交的整個流程功能。

系統主要有5個功能模塊：系統設置、系統管理、下位機系統控制、實時數據、數據管理等,見圖2。

圖2 遠程自動化監測系統的組成

1)系統設置

系統提供有線和無線兩種通訊方式,在無線通訊方式下,計算機接無線收發主機；在有線通訊方式下,計算機直接連接采集箱。

系統設置模塊主要由串口設置、GPRS設置和系統參數設置組成,如圖3。

圖3 系統設置

2)系統管理

模塊管理：能夠增加和刪除所需要的下位機,并對儀器的編號和名稱進行修改、刪除和保存。

通道設置：對當前的儀器編號與所使用的通道進行設置。并可以把傳感器在現場安裝的位置信息輸入到軟件中。同時根據具體工程和所需要監測的項目設置預警值。

實時測量點設置：增加和刪除測量點,并添加測量點所對應的傳感器信息。

3)下位機數據控制

下位機控制：選擇所連接的下位機,設置正確的時間。設置所需定時測量的時間間隔。設置成功后,即向下位機發出指令從當前時間起每間隔設定的時間采集傳感器的量測值。

下位機的數據獲取可以選擇全部機器或單臺機器查詢某一時間段數據,即可顯示在當前的計算機中,并可以進行保存,同時可以通過WORD和 EXCEL的形式導出數據,可自定義文件名稱和途徑,見圖4。

圖4 系統管理

4)實時數據

可選擇當前單個或多個傳感器,測量實時測量值。

5)歷史數據

存儲在計算機中得數據可根據輸入查詢條件,可查詢測量點在某一時間段的數據。同時可顯示測量點在這一時間段的變化曲線,顯示監測點的變化趨勢。

2 遠程自動化監測系統的特點

為了確保工程建設中的安全,監測點的數據需連續不間斷采集,這就要求監測系統能夠穩定、可靠而又要長期實時地工作。另一方面,為了節省人力物力,提高監測效率,監測系統還需實現無人值守的遠程自動化監控。因此,遠程自動化監測系統應具備以下幾個主要特點：

1)實時監測功能。能實現對監測點進行全天候連續觀測,同時能夠及時將監測數據傳回主控中心,進行實時解算分析；

2)數據通信功能。根據實際情況采用可靠有效的通信介質,實現遠程海量數據的采集和傳輸,并實現現場工控機與控制中心的遠程通信；

3)遠程控制功能。監控中心能夠遠程響應現場工控機的數據指令,了解設備的運行情況,并作回應以控制其數據的采集與傳輸；

4)數據綜合處理功能。對接收的數據能夠快速進行解算分析,報告實時測值狀態,結果信息的顯示、打印、進庫；

5)系統的故障自診斷功能。中心監控軟件能夠判別系統故障原因；

6)具有預警功能。此系統可以根據現場實際情況設定初始參數定義預警界限,當信號發射裝置到達并超過預警界限時進行報警提示。

3 結語

工程建設遠程自動化安全監測系統的研究和開發是一個多學科、多分支且綜合程度高的課題,涉及到測繪、力學、電子、數學、控制學、計算機技術等多個學科[4],且針對不同的具體工程實際和監測項,涉及到不同的方式和方法。對某一條具體的實際工程項目,首先應該根據該工程建設的安全級別和程度,確定該工程的安全監測項目和警戒值,選用相應的監測儀器、配件和系統軟件建立遠程自動化監控系統。

為滿足“實時、連續、遠程、非接觸”[5]現代工程建設安全監測的要求,系統涉及到傳感器、數據采集儀、信號的發射和接受、數模轉換的配置、系統軟件開發等多項技術。

[1]程芳.水電站大壩實時監測系統的研究[D].成都：西華大學,2009.

[2]周小文,包偉力.現代化堤防安全監測與預警系統模式研究[J].水利學報,2002(6)：113-117.

[3]伍佑倫.遠程地壓監控技術在地下礦山中的應用研究[J].巖石力學與工程學報,2007,7(26)：2815-2819.

[4]馬廷霞.長輸管道應力應變自動化監測系統研究[J].石油機械 ,2007,12(36) ：55-57.

[5]許明情.巖土工程安全監測自動化系統的研究[D].長沙：中南大學,2008.