基于物聯網技術的隧道自動化變形監測系統設計

黃富禹 劉 春

（重慶科技學院，重慶401331）

近些年來隨著我國城市化進程加速，城市建設快速發展，人口增長及城市規模的持續擴大。為了解決大城市人口集聚、空間狹小、交通擁擠等問題。許多城市開始興建市政公路、高速鐵路、地鐵和其他基礎設施。隧道工程迎來了快速發展時期，同時隧道施工及隧道運營期間結構坍塌、滲水、山體滑坡、結構裂縫和基坑坍塌等各種隧道事故也頻繁發生[1]。隧道地質環境較為復雜，一旦出現沉降、變形、坍塌等結構問題,將給周圍建筑和基礎設施帶來影響。

隨著物聯網技術日益成熟，利用物聯網技術對工程進行智能監測逐漸被廣泛應用，逐漸成為當前保障基礎設施施工安全的重要技術之一，也是隧道安全建設和長期運營發展不可或缺的重要技術支撐。借用人工智能物聯網技術的“感、傳、知、用”手段，達到智慧管養、延長結構體壽命的目的[2]。

目前，自動化監測已成為監測手段的主要發展方向,能夠有效地對隧道施工和運營進行實時監測，達到及時發現隧道安全隱患并進行控制和消除的目的。通過監測機器人、全站儀等設備及數字照相、激光掃描等技術,我們可以直觀地看到隧道三維情況，并對監測所得的數據進行分析、處理。因此如何應用物聯網技術對隧道進行智能化監測對隧道安全具有重要意義。

1 物聯網技術在系統中的架構與硬件實現

1.1 物聯網架構

物聯網在實際生活中的應用遠在物聯網這概念被提出之前，最早可以追溯到1990 年施樂公司的網絡可樂販售機Networked Coke Machine[3]，在1999 年，美國麻省理工學院的Kevin Ash-ton 教授提出了現代物聯網的雛形。

物聯網實際上是互聯網的一種由上而下的、全面性延伸的技術。類似于一棵樹，互聯網就類似于根部。樹根是有選擇性的汲取所需養分，物聯網獲取信息的方式則是通過傳感器，數據經處理后匯總到互聯網。互聯網的終端是計算機。而計算機中的運用程序，不外乎是對得到的各種數據進行加工和傳輸，而這整個過程之中，不涉及除計算機之外的任何信息接收、發出終端。物聯網的英文名字是“IOT（Internet of Things）”。由物聯網的英文名不難得知，物聯網實際上是事物與事物交換信息的互聯網。從而不難得出它的幾個特點：

（1）物聯網的核心是互聯網、基于互聯網的網絡；

（2）物聯網技術可以進行橫向和縱向的延伸；

（3）獲取的信息經過終端延伸達到信息和通信的交換的目的[4]。

經過多年來的發展，物聯網已經成為了一個聚合性復雜系統，整個系統涉及到信息技術的每一個模塊，具體分為感知模塊、網絡模塊、應用模塊三個模塊。

1.2 儀器設備硬件及相應參數

監測采用的主要設備如表1：

表1 儀器設備清單

2 隧道自動化監測系統設計

2.1 自動化變形監測系統簡介

隨著隧道工程用途的多樣化，采用傳統的人工監測手段具有監測頻率較低、局限性較大的缺點。隧道自動化監測系統能夠高效、準確地獲得隧道的變形數據，并對隧道進行及時分析處理，從而得到隧道結構的安全狀況，隧道自動化監測系統主要由數據采集、數據傳輸、數據處理分析等部分組成。

2.2 自動化變形監測系統設計

（1）布設基準點

在隧道內穩定的區域布設四個基準點，一個工作基點組成基準網。結合現場實際情況，2 個基準點布置在遠離變形區域的大里程方向，2 個基準點布置在遠離變形區域的小里程方向，工作基點為儀器架設點，固定在隧道的側壁，儀器架設點上同軸安棱鏡。

圖1 隧道自動化監測系統流程圖

（2）通訊架構

自動變形監測系統通訊模式設計為遠程無線控制，現場配置GPRS 模塊，而控制機房需要擁有固定IP 地址或者申請動態域名以完成手機網絡的通訊。

（3）監測斷面設計及供電系統

在隧道受影響區域共布置監測斷面，在受荷載較大區域及巖層變化對應裂縫寬度較寬區域間隔5 米布置一個監測斷面，其余區域間隔10～20 米布置一個監測斷面。在斷面的頂部和底部各自布設一個沉降監測點。供電系統采用就近原則，取220V交流電對現場設備進行供電。為了避免現場斷電的影響，配置一臺小型的UPS 電源，在防隧道內短時間斷電時，系統仍然能夠工作。

2.3 自動化隧道監測系統的主要功能

（1）設備聯機

設備聯機包括計算機與傳感器的聯接和初始化，聯機通訊模塊可以使用光纖電纜有線連接，也可以使用UHF 電臺建立無線通訊鏈路；可以通過通信網絡GPRS 數據形式互相傳送；也可以通過互聯網技術完成通訊連接，互聯網技術可分為有線方式和無線方式；支持同時控制多臺全站儀。

（2）自由設站

自由設站又稱為后方交會，當測站點坐標未知時可以采用自由設站方法，以便建立統一的測量坐標系，或者測站處于變形區域，定期需要修正測站數。

（3）自動化監測

結合全站儀的ATR 自動目標識別技術，自動照準棱鏡中心并自動測量。根據用戶設定的時間周期和時間間隔，系統可以實現自動監測、記錄及超差報警等。

（4）監測進度圖形化顯示

動態圖形化顯示及指示全站的測量進度和測量目標，查看全站儀的當前監測點、下一個監測點，一個周期內剩余監測點、下一個周期開始日期時間以及超差超限提示信息等。并且軟件支持多臺全站儀同時顯示。

（5）分析圖表數據實時顯示

測量的同時可以通過分析模塊實時得到變形分析走勢圖，如點位橫向變化趨勢及變形速度、縱向變化趨勢及變形速度、高程變化趨勢及變化速度等。

（6）成果數據定制輸出

按照用戶的實際工作需求，可以在計算機上將原始觀測值進行任意排序分析，既可以部分選擇輸出數據，也可以一次性全部輸出數據，可以將任何原始觀測值和報警信息自定義地選擇輸出，并可定制報表輸出格式，利于第三方軟件接口。

3 隧道監測預警

根據對監測數據的分析，能夠將現場可能發生安全事故的緊急程度及事故嚴重程度由小到大分為三級，分別用黃色、橙色、紅色表示，紅色為最高級別，根據不同隧道具體設計、施工技術并結合隧道具體情況監測預警分級及預警響應如表2。

表2 監測預警分級及預警響應表

4 結論

隧道自動化監測系統具有數據遠程傳輸、遙測、遙控、預警等功能，可以對隧道拱頂沉降、隧底隆起、隧底水平收斂變形、表面應力和典型裂縫寬度進行實時監測，發現隧道安全隱患。利用物聯網技術獲取監測數據并傳輸到監測中心，進行數據存儲、查詢、驗證。借助相關配套軟件，可迅速對數據進行分析處理，對隧道安全狀態進行評估，發現異常及時反饋到施工、設計、運營單位。