姜晨光，劉冠林，王紀(jì)明，詹旭東，黃浩俊

（1. 江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，無錫 214122；2. 華仁建設(shè)集團(tuán)有限公司，無錫 214072；3. 梅奧傳感有限公司重慶辦事處，重慶 400073）

隧道工程是地下空間開發(fā)利用的重要方面。隧道在施工和使用過程中，因地質(zhì)條件變化、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及退化等問題可能會(huì)引起安全隱患，因此隧道的健康監(jiān)測(cè)受到高度重視，但目前的監(jiān)測(cè)工作無法全面掌握隧道的真實(shí)健康狀態(tài)。在隧道智能監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，部分發(fā)達(dá)國家雖已有長足進(jìn)展，但仍有很多改進(jìn)完善之處；而國內(nèi)則還相對(duì)滯后，除上海在地鐵的建設(shè)施工與交通運(yùn)營中研制并應(yīng)用智能管理系統(tǒng)以外[1]，尚少成功應(yīng)用范例。因此，設(shè)計(jì)合理完善、自動(dòng)化程度高、易擴(kuò)充的智能化隧道監(jiān)測(cè)體系，不僅具有實(shí)踐指導(dǎo)意義，也有科研學(xué)術(shù)作用。

筆者及科研組提出基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，并構(gòu)建相應(yīng)的技術(shù)體系。其核心是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)，通過傳感器技術(shù)獲得隧道的各種健康信息（比如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等），再通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各種傳感信息無線傳輸至隧道管理中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)管理與控制?；谖锫?lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以為隧道的施工安全及運(yùn)營安全提供第一手基礎(chǔ)資料，可密切監(jiān)視隧道內(nèi)各種不良現(xiàn)象（比如隧道變形、滲水、火警等）的發(fā)生及發(fā)展情況，從而為各種隧道災(zāi)害（或事故）的防范提供基本技術(shù)支撐，是隧道施工安全及運(yùn)營安全的重要技術(shù)保障手段。

本文以重慶萬州南峪隧道為例，闡述基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施。

1 光纖傳感技術(shù)及其特點(diǎn)

光纖傳感以其抗電磁干擾、輕巧、靈敏度等方面的優(yōu)勢(shì)，已迅速成長為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前，世界光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展主要有兩個(gè)方向，即基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)。光纖傳感器的開發(fā)是以取代傳統(tǒng)機(jī)電傳感系統(tǒng)為目的，現(xiàn)主要集中于光纖光柵（FBG和LPG）型傳感器和分布式光纖傳感系統(tǒng)兩大方面。從長遠(yuǎn)看，光纖傳感技術(shù)的原理性研究仍是非常關(guān)鍵和重要的工作。目前FBG已形成批量生產(chǎn)能力，其研究焦點(diǎn)已轉(zhuǎn)移到解決高精度應(yīng)用、完善解調(diào)和復(fù)用技術(shù)以及降低成本等方面。由于光纖傳感器具有將傳輸與傳感媒質(zhì)合二為一的特性，因此可使沿布設(shè)路徑上的光纖全部成為敏感元件，故分布式傳感是光纖傳感器與生俱來的優(yōu)點(diǎn)。

光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究主要包括：光（纖）層析成像技術(shù)（OCT、OPT）、智能材料（Smart Materials）、光纖陀螺與慣導(dǎo)系統(tǒng)（ΙFOG、ΙMΙU）和常規(guī)工業(yè)工程傳感器[2～6]。光纖布拉格光柵（FBG）1978年問世，這種簡(jiǎn)單的固有傳感元件可利用硅光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內(nèi)。常見的FBG傳感器通過測(cè)量布拉格波長的漂移實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)，光柵布拉格波長（λB）條件為：

式中：Λ為光柵周期，n為折射率。

當(dāng)寬譜光源入射到光纖中后，光柵將反射其中以布拉格波長λB為中心波長的窄譜分量。在透射譜中，這一部分分量將消失，λB隨應(yīng)力與溫度的漂移為：

式中：ε為外加應(yīng)力，Pi,j為光纖的光彈張量系數(shù)，ν為泊松比，α為光纖材料（如石英）的熱膨脹系數(shù)，ΔF為溫度變化量。

式（2）中n2(P12-vP11-vP12)/2因子典型值為0.22。因此，可推導(dǎo)得出常溫和常應(yīng)力條件下的FBG應(yīng)力、溫度響應(yīng)條件，即(1/λB)(δλB/δε)=0.78×10-6με-1、(1/λB)(δλB/δT)=6.67×10-6℃-1。

當(dāng)一束寬光譜光λ（即入射光譜）經(jīng)過光纖Bragg光柵時(shí)會(huì)被光柵反射回一單色光λB（即反射光譜，相當(dāng)于一個(gè)窄帶反射鏡），反射光的中心波長λB與光柵的折射率變化周期Λ和纖芯有效折射率neff有關(guān)。當(dāng)光纖光柵的應(yīng)變或溫度發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期Λ和有效纖芯折射率neff產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生光柵Bragg信號(hào)的波長漂移ΔλB。通過監(jiān)測(cè)Bragg波長λB的變化情況，即可獲得測(cè)點(diǎn)上光纖光柵的應(yīng)變或溫度的變化狀況。通常當(dāng)溫度和應(yīng)變同時(shí)變化時(shí)，光纖光柵波長漂移ΔλB與應(yīng)變和溫度的關(guān)系服從式（3）的規(guī)律（即光纖光柵Bragg波長的變化與應(yīng)變或環(huán)境溫度的變化呈線性變化關(guān)系，通過檢測(cè)光纖光柵Bragg波長即可測(cè)得應(yīng)變或環(huán)境溫度。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，可通過附在光路上的溫度傳感器將溫度變化ΔT剔除，這樣就可通過檢測(cè)波長變化量ΔλB來推算出被測(cè)結(jié)構(gòu)的絕對(duì)應(yīng)變），即：

式中：pe為有效彈光常數(shù)，α為光纖的熱膨脹系數(shù)，ζ為光纖光柵的熱光系數(shù)，ΔT為溫度的變化量，εzz為光纖光柵所受的應(yīng)變量。

光纖光柵除具有光纖傳感器的全部?jī)?yōu)點(diǎn)外，還具有自定標(biāo)和易于在同一根光纖內(nèi)集成多個(gè)傳感器復(fù)用的特點(diǎn)。光柵傳感器可拓展的應(yīng)用領(lǐng)域許多，比如可將分布式光纖光柵傳感器嵌入材料中形成智能材料，可對(duì)大型構(gòu)件的載荷、應(yīng)力、溫度和振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)（實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，傳統(tǒng)阻抗計(jì)與FBG傳感器測(cè)試結(jié)果間具有極高的吻合度），可代替其它類型結(jié)構(gòu)的光纖傳感器用于化學(xué)、壓力和加速度傳感中。美國Micron-Optics公司研制的FBG應(yīng)用系統(tǒng)Si425，可同時(shí)測(cè)量多達(dá)4路512個(gè)FBG傳感器，掃描范圍50nm、分辨率1pm（1pm的波長分辨率大致對(duì)應(yīng)于1.3nm處0.1℃或1nm的溫度和應(yīng)力測(cè)量精度）、測(cè)量頻率可達(dá)244Hz。長周期光柵（周期大于100nm的光柵）是繼FBG之后光纖光柵型傳感器的另一個(gè)重要分支，由于其利用包層膜耦合原理，故使其同時(shí)具備靈敏度優(yōu)良和制作簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)。

隨著世界范圍內(nèi)對(duì)工民建和工業(yè)設(shè)施安全性和效益要求的不斷提高，對(duì)集成的安全檢測(cè)系統(tǒng)的需求越來越熱，從而為具備可連續(xù)、無間斷、長距離測(cè)量并與被測(cè)量介質(zhì)有極強(qiáng)親和性的分布式光纖傳感系統(tǒng)提供了廣闊舞臺(tái)。目前分布式光纖傳感系統(tǒng)大致有3種類型，即拉曼型、布里淵型和FBG型。拉曼型分布式光纖傳感系統(tǒng)是基于光纖拉曼散射效應(yīng)的連續(xù)型傳感器，已被成功裝載在A340運(yùn)輸機(jī)上。FBG型分布式傳感系統(tǒng)在應(yīng)力多點(diǎn)分布式測(cè)量中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可同時(shí)完成溫度和應(yīng)力的雙參量測(cè)量，可采用WDM/TDM解調(diào)好的FBG陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。FBG應(yīng)變傳感器具有安全防爆、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、體積小、重量輕、靈活方便等特點(diǎn)，且容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸和測(cè)量控制，并能適用于各種惡劣環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)真正意義上的多點(diǎn)線式分布測(cè)量。利用光纖的彈光效應(yīng)和FBG器件的應(yīng)力傳感器已被廣泛應(yīng)用于應(yīng)力監(jiān)測(cè)中[7]。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)（Ιnternet of Things，ΙOT）是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。ΙOT源于美國麻省理工學(xué)院自動(dòng)識(shí)別實(shí)驗(yàn)室（Auto ΙD-LabS）提出的無線射頻識(shí)別（RFΙD）系統(tǒng)，是通信、嵌入式及微電子技術(shù)快速發(fā)展的結(jié)果。狹義物聯(lián)網(wǎng)是指連接物與物的網(wǎng)絡(luò)（可實(shí)現(xiàn)物品的智能識(shí)別與跟蹤管理），廣義物聯(lián)網(wǎng)則可視為信息空間與物理空間的融合（可將一切事物數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化并建立物與物、人與物、人與人之間的內(nèi)在聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)高效信息交互，且通過新的服務(wù)模式將各種信息技術(shù)融入社會(huì)行為）。物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)質(zhì)是擁有感知、計(jì)算和通信能力的微型智能傳感器及以其為節(jié)點(diǎn)形成的傳感網(wǎng)，是傳感網(wǎng)技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)與生活過程中的具體實(shí)現(xiàn)。目前，組建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主流技術(shù)是美國Texas Ιnstruments Ιncorporated的ZigBee技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，核心裝備也日趨完備[8,9]。

3 隧道智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

重慶萬州南峪隧道監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思想，是根據(jù)隧道各種傳感器的實(shí)際情況建立最佳的控制方案，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中管理、分散控制、無線組網(wǎng)等功能。系統(tǒng)的工作流程是通過傳感器，采集各種監(jiān)測(cè)信息（比如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、車流量、光照情況以及燈具的運(yùn)行參數(shù)等信息），以ZigBee模塊自組無線網(wǎng)絡(luò)，將采集到的信息統(tǒng)一匯總到以ARM9為核心的控制模塊上，控制模塊再通過Ιnternet與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信（其中維修及管理人員不但可在監(jiān)控平臺(tái)觀察到隧道的各種情況，也能隨時(shí)隨地通過PDA或手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備上網(wǎng)獲得隧道監(jiān)測(cè)的相關(guān)信息）。

系統(tǒng)硬件模塊主要由ARM9控制器和ZigBee無線收發(fā)模塊兩部分組成，系統(tǒng)內(nèi)部可以存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、各種設(shè)施運(yùn)行狀況、檢測(cè)報(bào)警等參考信息，并通過與傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較判斷，以發(fā)出調(diào)控命令實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控目的。系統(tǒng)采集模塊主要由ZigBee無線通信模塊和相應(yīng)傳感器構(gòu)成（ZigBee是一種新興的無線控制技術(shù)，具有可靠性高、抗干擾性能好、功耗低等特點(diǎn)。一般情況下，芯片自身的信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度可傳遞的有效距離為40～100m。由于隧道相鄰傳感器間的間隔很小且相互間無任何障礙物，故不會(huì)對(duì)無線信號(hào)造成阻擋，這就使得ZigBee技術(shù)非常適合在隧道智能監(jiān)測(cè)管理中使用，將其與光敏、聲音、振動(dòng)、電流等傳感器配合使用可方便、高效地采集到車流量、光照強(qiáng)度、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等信息），無線通信芯片選用TΙ公司的CC2530芯片（該芯片提供了改進(jìn)的RF性能，具有優(yōu)異的收發(fā)靈敏度和穩(wěn)定的抗干擾性；具有增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核，可更好地支持低功耗無線通信并具有強(qiáng)大的地址識(shí)別和數(shù)據(jù)包處理引擎以高效地匹配RF前端。該模塊負(fù)責(zé)將各種傳感器所采集的信息發(fā)送至節(jié)點(diǎn)控制模塊。數(shù)據(jù)采集部分通過芯片上12位ADC轉(zhuǎn)換模塊，從傳感器采集各個(gè)信號(hào)參數(shù)并存入存儲(chǔ)器中，通過MCU對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，并發(fā)送至節(jié)點(diǎn)控制模塊，由節(jié)點(diǎn)控制模塊來完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計(jì)）。節(jié)點(diǎn)控制模塊是由S3C2440的ARM9和CC2530的ZigBee芯片搭建而成，主要用于接收采集模塊的數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的命令。當(dāng)隧道燈具節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度也越高，故對(duì)節(jié)點(diǎn)控制模塊的處理速度就有更高要求，選用32位的S3C2440芯片可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行速度快、存儲(chǔ)空間大、易與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)目的（該芯片不僅提高了系統(tǒng)的運(yùn)行處理速度且更便于網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)傳遞）。

系統(tǒng)主程序流程如下：首先初始化各個(gè)模塊并啟動(dòng)各處無線傳感器模塊以采集隧道綜合信息且將信息通過ZigBee無線通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送給控制模塊，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)判斷其控制狀態(tài)，若處于手動(dòng)控制狀態(tài)（系統(tǒng)出現(xiàn)故障或檢修維護(hù)）則程序結(jié)束而改由現(xiàn)場(chǎng)控制器調(diào)節(jié)隧道相關(guān)設(shè)備（比如照明）；若處于自動(dòng)控制狀態(tài)則檢測(cè)隧道的運(yùn)行情況（若運(yùn)行不正常則報(bào)警并調(diào)用特殊狀態(tài)程序進(jìn)行處理；若運(yùn)行正常則繼續(xù)檢測(cè)GPRS模塊的狀況）；若網(wǎng)絡(luò)正常則與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通信（否則則調(diào)用本地控制器進(jìn)行控制），系統(tǒng)會(huì)在網(wǎng)絡(luò)正常狀態(tài)下將隧道狀態(tài)信息集中反饋給遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

隧道監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中因傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較弱并通過攜帶能量有限的電池供電（從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端和路由器雙重功能，除進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理，同時(shí)還要與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)），根據(jù)以上傳感器特點(diǎn)，該系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)分為普通節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)三類（根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)自組織成簇，可有效進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，減少能量消耗）。

隧道監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)基于ZigBee無線通信協(xié)議，在保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，通過RTRA原理部署多個(gè)以簇頭節(jié)點(diǎn)為中心的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，從而組成一個(gè)更大的以匯聚節(jié)點(diǎn)為中心（或網(wǎng)關(guān)）的無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN），最后由匯聚節(jié)點(diǎn)通過Ιnternet或GPRS等無線通信方式負(fù)責(zé)將隧道的各種監(jiān)測(cè)信息傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理。節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)功能模塊與普通節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法相同，匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，既可采用一個(gè)具有足夠能量供給和更多內(nèi)存與計(jì)算資源的增強(qiáng)功能型傳感器節(jié)點(diǎn)，也可采用沒有監(jiān)測(cè)功能而僅帶無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。處理器模塊是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心（所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、計(jì)算和功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)程序都將在這個(gè)模塊的支持下完成），因此微處理器的選擇在傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。鑒于上述要求，考慮到隧道監(jiān)測(cè)采用的是組件結(jié)構(gòu)（是一個(gè)基于事件的系統(tǒng)，其代碼量小、耗能少、并發(fā)性高、魯棒性好，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用），故該系統(tǒng)選用NESC語言編寫RTRA及傳感器數(shù)據(jù)采集與處理應(yīng)用程序且將其嵌入隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，然后再植入傳感器節(jié)點(diǎn)中以確保節(jié)點(diǎn)軟件正常運(yùn)行。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)閾值由算法設(shè)計(jì)（綜合考慮簇頭能量閾值法則、等概率選取簇頭閾值法則、硬閾值法則）。實(shí)時(shí)路由原理RTRA由簇頭的產(chǎn)生、簇的形成和簇間路由三部分組成，RTRA按照匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)布監(jiān)測(cè)命令、網(wǎng)絡(luò)根據(jù)簇頭能量閾值和等概率選取簇頭閾值法則自組織選取簇頭等步驟進(jìn)行。

4 光纖傳感隧道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的重慶萬州南峪隧道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，借助光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)。光纖Bragg光柵隧道應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感部分、傳輸光纖和光纖光柵解調(diào)儀三大部分。由于光纖光柵可以制作成不同的中心波長，故多個(gè)光柵可方便地串接在同一條光路上而形成分布式應(yīng)力測(cè)量鏈，在每一條光路上安裝一個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器就能有效剔除溫度對(duì)該光路各應(yīng)力傳感器的影響。光纖光柵信號(hào)處理器內(nèi)置超輻射寬帶光源，通過光機(jī)模塊將光源耦合到現(xiàn)場(chǎng)光纖光柵傳感器，現(xiàn)場(chǎng)光纖光柵傳感器所反射的各中心波長再次反射回光機(jī)模塊，光機(jī)模塊將反射信號(hào)送入波長檢測(cè)單元，在波長檢測(cè)單元中通過FP掃描技術(shù)感知各傳感器反射的中心波長值，比較各傳感器中心波長的變化量后即可推算出被測(cè)物理量（光纖光柵信號(hào)處理器最后將被測(cè)物理量數(shù)值輸出并顯示）。

借助光纖傳感的隧道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)工藝流程分五步，即：在監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)表面標(biāo)定出需貼應(yīng)變片的位置、布設(shè)應(yīng)變片、將應(yīng)變片分組聯(lián)接、根據(jù)設(shè)定的監(jiān)測(cè)周期對(duì)隧道進(jìn)行整體監(jiān)測(cè)（采集及處理數(shù)據(jù)）、根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果判斷隧道健康狀況。為了確保監(jiān)測(cè)工作萬無一失，在每個(gè)光纖Bragg光柵應(yīng)力傳感器旁還安裝了鋼弦式傳感器以作對(duì)比（鋼弦系統(tǒng)由數(shù)字頻率儀進(jìn)行測(cè)頻后導(dǎo)入微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、記錄存儲(chǔ)），隧道內(nèi)每10m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面并在混凝土表面均勻布設(shè)傳感器，隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器接頭采用通用的光纖FC/APC跳線頭（波長范圍≥40nm，量程±1500～±6000με），采用的Bragg中心波長識(shí)別系統(tǒng)是基于F-P（Fabry-Perrot）干涉原理對(duì)Bragg反射譜中心波長進(jìn)行解調(diào)的（其波長分辨率為1pm，掃描范圍為1525～1565nm，掃描頻率1Hz），隧道每個(gè)斷面布設(shè)一條光路（每條光路由7個(gè)應(yīng)變傳感器和一個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器組成，每條光路中各傳感器串接的波長間隔大于3nm），所有光纖Bragg光柵傳感器采用一根八芯光纜連接。

重慶萬州南峪隧道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布設(shè)斷面與獲得的施工期間隧道累計(jì)變形情況見圖1、圖2。

圖1 隧道斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Distribution of monitoring points of tunnel section

圖2 施工期隧道累計(jì)變形Fig.2 Accumulative deformation of Nanyu tunnel during construction

5 隧道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)中以隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為主線，面向隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行管理，以隧道監(jiān)測(cè)日常工作內(nèi)容、性質(zhì)及輔助管理決策為中心來組織數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的計(jì)算機(jī)數(shù)字化管理模式。監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)劃分為7個(gè)子系統(tǒng)，分別是監(jiān)測(cè)信息的查詢、檢測(cè)預(yù)報(bào)警展示、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析決策、檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表和圖表生成、用戶權(quán)限管理、文檔資料管理、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置和數(shù)據(jù)展示。每個(gè)子系統(tǒng)分別完成各自功能，同時(shí)各子系統(tǒng)之間又有一定聯(lián)系。原則上是一種松散的、高內(nèi)聚低耦合的、數(shù)據(jù)層次上的關(guān)系。每個(gè)子系統(tǒng)按照其內(nèi)部功能和業(yè)務(wù)邏輯的相對(duì)獨(dú)立性再劃分為若干模塊，每個(gè)模塊執(zhí)行一系列相互關(guān)聯(lián)的具體功能。系統(tǒng)的主要功能包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示導(dǎo)入（系統(tǒng)依監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案，提供在工點(diǎn)圖上自動(dòng)布置測(cè)點(diǎn)，根據(jù)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)類型顯示不同圖形，并添加測(cè)點(diǎn)信息，同時(shí)系統(tǒng)提供測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入和上傳功能。系統(tǒng)進(jìn)行檢查后，上傳到中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中）、監(jiān)測(cè)信息的查詢與地圖操作、各種監(jiān)測(cè)類型數(shù)據(jù)報(bào)表和圖表生成、報(bào)警（系統(tǒng)會(huì)依據(jù)預(yù)先設(shè)定的各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和各測(cè)點(diǎn)的控制指標(biāo)結(jié)合監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)，判斷當(dāng)前監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和各測(cè)點(diǎn)的安全狀態(tài)，并以不同顏色在圖上動(dòng)態(tài)發(fā)布，使用戶可非常方便地看到報(bào)警的測(cè)點(diǎn)空間位置和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的空間分布信息以及報(bào)警值）、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析決策（系統(tǒng)可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)來指導(dǎo)實(shí)際施工）、文檔資料管理（系統(tǒng)可把所有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中以Word、Excel、JPG、PDF、DWG等格式存在的設(shè)計(jì)文檔、設(shè)計(jì)圖紙、監(jiān)測(cè)方案、實(shí)時(shí)圖像等資料信息一起上傳服務(wù)器，以便用戶查詢?cè)L問）、用戶權(quán)限設(shè)置。通過系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，有效預(yù)防施工及運(yùn)營事故的目的。除監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)外，還設(shè)置隧道照明控制與隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。

隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)具有隧道內(nèi)交通監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、溫度和火情報(bào)警監(jiān)控等功能，各功能模塊采用多線程編程技術(shù)，線程之間相互消息驅(qū)動(dòng)。針對(duì)DTS的溫度和火情報(bào)警模塊又分為系統(tǒng)設(shè)置、溫度分布顯示、溫度梯度分析、報(bào)警和預(yù)警設(shè)置等子模塊。DTS控制單元能連接幾千米長的光纖進(jìn)行溫度測(cè)量，系統(tǒng)將分布式光纖溫度傳感與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，從而構(gòu)建隧道火情監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可有效地實(shí)現(xiàn)溫度火情監(jiān)測(cè)。

6 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可直觀、有效地對(duì)隧道施工及運(yùn)營中的各監(jiān)控對(duì)象實(shí)施遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)管理與控制，實(shí)現(xiàn)隧道施工與管理的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化，具有較高的實(shí)用價(jià)值。通過與其它傳統(tǒng)方法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的比較，基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠且精度高，完全可以替代各種傳統(tǒng)方法。其缺陷是設(shè)備成本較高，且系統(tǒng)的集成度也有待進(jìn)一步提升，而系統(tǒng)的模態(tài)識(shí)別水平還需繼續(xù)提高。隨著技術(shù)進(jìn)步與研發(fā)工作的深入，隧道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將日趨完善和優(yōu)化，并發(fā)揮更大作用。

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