高速公路隧道進出口支護結構受力實時監(jiān)控系統(tǒng)設計

黃謀分

摘要：傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)在進行支護結構受力實時監(jiān)控時，傳感器采集數(shù)據(jù)抗干擾能力差，監(jiān)控識別準確率低。針對這一問題，文章進行高速公路隧道進出口支護結構受力實時監(jiān)控系統(tǒng)設計，通過設計型號為TB0821高性能傳感器，內(nèi)置MPU-N08210芯片，可忽略電纜的電阻等影響因素，具有極強的抗干擾能力。在此基礎上，設計三相電調(diào)理電路，有效防止傳感器由于缺相運行造成相序錯亂問題的發(fā)生，先對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行特征提取，再通過設計數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對支護結構受力實時監(jiān)控。實驗結果表明，所設計的監(jiān)控系統(tǒng)3個監(jiān)控點的監(jiān)控識別準確率均明顯高于實驗對照組，能夠實現(xiàn)對支護結構受力的實時監(jiān)控。

關鍵詞：

高速公路隧道;支護結構;受力;監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

高速公路隧道進出口支護結構作為保障高速公路隧道安全的重要結構，對支護結構的受力情況進行實時監(jiān)控，能夠有效降低大型土木工程結構事故發(fā)生的概率。為此，本文設計一種高速公路隧道進出口支護結構受力實時監(jiān)控系統(tǒng)，致力于通過監(jiān)控系統(tǒng)實時掌握支護結構的具體情況，判斷是否存在內(nèi)部損傷，如有則對其發(fā)生損傷的位置以及程度進行重點監(jiān)控，從而做出及時有效的處理措施[ 1 ]。結合2002年7月在法國巴黎舉辦的第一屆歐洲SHM國際專題研討會中針對支護結構受力實時監(jiān)控系統(tǒng)的研究，建議應用永久性傳感器用于實時監(jiān)控，盡量避免隧道進出口支護結構病害多、維修成本高的現(xiàn)象。支護結構受力實時監(jiān)控系統(tǒng)的進一步優(yōu)化是建筑行業(yè)發(fā)展的必然選擇，通過支護結構受力實時監(jiān)控可以最大限度地降低隧道潛在的風險[2]。本文設計的實時監(jiān)控系統(tǒng)主要應用無損傳感技術，通過分析支護結構受力內(nèi)在結構的系統(tǒng)性，利用傳感器對發(fā)生的變化進行實時獲取，針對支護結構受力老化以及受損信息進行提取，為高速公路隧道進出口支護結構的維修工作提供理論依據(jù)。

1 硬件設計

在設計的監(jiān)控系統(tǒng)中，首先進行硬件部分設計。本文設計的硬件在傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件基礎上，設計高性能傳感器;再通過設計三相電調(diào)理電路，將其作為高性能傳感器的補充，致力于提高監(jiān)控硬件綜合性能。具體設計內(nèi)容，如下文所述。

1.1 設計高性能傳感器

考慮到高性能傳感器是硬件設計的核心設備，本文設計的高性能傳感器可以根據(jù)隧道進出口支護結構受力的空間特征，精準采集支護結構受力實時數(shù)據(jù)

[3]。結合隧道進出口支護結構受力實時監(jiān)控的需要，本文設計的高性能傳感器型號為TB0821[4]。其具體參數(shù)信息包括：0.8 MP的量程;

0.005的靈敏度;工作電壓為3.0～6.8 V;最大超載能力為200%F·S;精度控制在1.5%

F·S;溫度范圍為-15 ℃ ～±100 ℃。通過本文設計的高性能傳感器能夠在采集支護結構受力實時數(shù)據(jù)的同時，獲取支護結構受力實時狀態(tài)變化的信息。因此，只要通過高性能傳感器測量出感應電勢的頻率，就可以得到支護結構受力振弦的頻率，從而得到振弦所受到的應力。利用高性能傳感器得到振弦所受到的應力進行顯示與分析，具體方法為：將采集到的振弦所受到的應力以曲線分析的方式進行顯示，再通過分析其特征值判斷支護結構受力的實時狀態(tài)，是否存在內(nèi)部損傷等安全隱患。與此同時，利用高性能傳感器輸出數(shù)字信號，傳輸過程中由于高性能傳感器內(nèi)置MPU-N08210芯片，可忽略電纜的電阻等影響因素，具有極強的抗干擾能力，可以實現(xiàn)長距離傳輸，進而從根本上提高隧道進出口支護結構的安全性以及有效性[5]。

1.2 設計三相電調(diào)理電路

為了防止高性能傳感器由于缺相運行造成相序錯亂問題的發(fā)生，本文在傳感器的降噪電路基礎上設計三相電調(diào)理電路[6]。三相電調(diào)理電路能夠通過感知電壓情況精準發(fā)現(xiàn)有缺相或者相序錯誤，從而及時斷開高性能傳感器內(nèi)部繼電器并報警。三相電調(diào)理電路的設計在最大程度上提高了本文設計監(jiān)控系統(tǒng)硬件的可操作性，能夠保證對隧道進出口支護結構受力實時監(jiān)控工作的穩(wěn)定性。

2 軟件設計

2.1 模型構建

支護結構受力模型：

2.2 支護結構受力實時監(jiān)控數(shù)據(jù)特征提取

本文在支護結構受力實時監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示與分析的基礎上，對支護結構受力實時監(jiān)控數(shù)據(jù)進行特征提取[7]。通過多物體跟蹤，進行行為特征提取，從監(jiān)控數(shù)據(jù)中尋找滿足預先設定的行為特征的事件，進而將支護結構受力連續(xù)性工作狀態(tài)轉換為用于之后處理的支護結構受力實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的數(shù)字信號。在數(shù)據(jù)特征提取階段，能夠實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時自動調(diào)節(jié)及自由切換的功能，判斷出監(jiān)控數(shù)據(jù)的異常特征，并提取異常數(shù)據(jù)。監(jiān)控數(shù)據(jù)特征提取是設計監(jiān)控系統(tǒng)軟件中的重要環(huán)節(jié)，監(jiān)控數(shù)據(jù)在處理過程中的精準化程度及穩(wěn)定度關系著整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控的精準化程度及穩(wěn)定度。

2.3 設計支護結構受力實時監(jiān)控數(shù)據(jù)庫

針對上述特征提取后的監(jiān)控數(shù)據(jù)，設計一個體系成熟的支護結構受力實時監(jiān)控數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)的后臺支撐。監(jiān)控數(shù)據(jù)庫的主要功能為對監(jiān)控到的支護結構受力實時數(shù)據(jù)進行對應的數(shù)據(jù)存儲及管理。將所有經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的監(jiān)控數(shù)據(jù)直接存儲至數(shù)據(jù)庫中[8]。以此可以直接通過支護結構受力實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的對比，得出支護結構受力實時情況，以便做出及時有效的應對決策。

2.4 實現(xiàn)支護結構受力實時監(jiān)控

在監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計的整個過程中，必須嚴格按照以上軟件設計的工作流程，直接把監(jiān)控數(shù)據(jù)通過運營商基站傳輸，經(jīng)過數(shù)據(jù)庫的自動化判斷，對支護結構受力數(shù)據(jù)進行實時精準化監(jiān)控，從而能夠獲得精準監(jiān)控的效果，實現(xiàn)對支護結構受力的實時監(jiān)控，提高高速公路隧道進出口的安全性。

3 實驗分析

3.1 實驗準備

通過對廣西43 km四車道高速公路隧道的力學性能和結構參數(shù)的分析，同時也兼顧隧道所處的環(huán)境、項目經(jīng)費限制等因素，設置監(jiān)控點數(shù)量為3個，本次實驗內(nèi)容為測試兩種監(jiān)控系統(tǒng)的識別準確率。經(jīng)過實際檢測，支護結構受力異常數(shù)據(jù)為55個，分別使用傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)以及本文設計的監(jiān)控系統(tǒng)進行對比實驗。監(jiān)控識別異常數(shù)據(jù)個數(shù)越接近55個，證明該監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控識別準確率越高，而監(jiān)控識別準確率越高證明該監(jiān)控系統(tǒng)對支護結構受力實時監(jiān)控的精度越高。為保證實驗的一致性，每個監(jiān)控點的配置完全相同，在主數(shù)據(jù)集中部署Specrk.0.1[CD*2]bing[CD*2]keudeep2.6和Hadoop[CD*2]1.0.3穩(wěn)定版，盡量避免實驗結果受外界因素干擾而導致誤差過大。

3.2 實驗結果分析與結論

根據(jù)上述設計實驗，將兩種監(jiān)控系統(tǒng)下得到的監(jiān)控識別準確率進行對比，整理實驗結果如圖1所示。

通過圖1可得出如下結論：本文設計的監(jiān)控系統(tǒng)3個監(jiān)控點的監(jiān)控識別異常數(shù)據(jù)個數(shù)與實際監(jiān)控識別異常數(shù)據(jù)個數(shù)更接近，因此監(jiān)控識別準確率高于實驗對照組，能夠實現(xiàn)對支護結構受力的實時監(jiān)控，從而說明所設計的監(jiān)控系統(tǒng)其各項功能可以滿足設計要求。

3.3 節(jié)點分布的力學性能分析

試件強度主要通過節(jié)點分布處的應力值描述，試件強度試驗結果見表1。

分析表1可知，當正向加載力加載至位移延性系數(shù)是2.2時，節(jié)點分布處的應力值分別變成0.788、0.724、0.818、0.976、0.839，和其他位移延性系數(shù)下的應力值相比，此時應力值最小，承載力最低，節(jié)點分布處易受損;當正向加載至位移延性系數(shù)是1.5、反向加載至-3.3時，節(jié)點分布處的應力值高于其他位移延性系數(shù)下的應力值，節(jié)點的承載力在此時達到極限，不易出現(xiàn)異常。

4 結語

考慮到高速公路隧道進出口支護結構受力實時監(jiān)控的作用愈發(fā)凸顯，支護結構受力實時監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了從簡單功能實現(xiàn)到精度、速度快速發(fā)展的開發(fā)過程。因此，本文進行支護結構受力實時監(jiān)控系統(tǒng)的設計，為道路設施安全監(jiān)控提供了更為有效的解決措施。通過實例分析證明該系統(tǒng)設計具有現(xiàn)實意義，可以應用在高速公路隧道進出口支護結構受力實時監(jiān)控方面。

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