范光亞,何勇軍,李宏恩,李 錚,郭曉紅

(1.南京水利科學研究院大壩安全與管理研究所,江蘇 南京 210029; 2.南京市水利建筑工程有限公司,江蘇 南京 210001)

超長輸水隧洞多種類傳感器數(shù)據(jù)傳輸方式

范光亞1,何勇軍1,李宏恩1,李 錚1,郭曉紅2

(1.南京水利科學研究院大壩安全與管理研究所,江蘇 南京 210029; 2.南京市水利建筑工程有限公司,江蘇 南京 210001)

為了解決超長輸水隧洞安全監(jiān)測工程數(shù)據(jù)傳輸距離遠以及因安裝不同類型傳感器導致監(jiān)測數(shù)據(jù)格式多樣的問題,在對水利工程安全監(jiān)測系統(tǒng)常用數(shù)據(jù)傳輸方式進行優(yōu)劣比較的基礎(chǔ)上,提出適用于光纖傳感器和常規(guī)傳感器交叉組合監(jiān)測的GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式,探討其在超長輸水隧洞工程監(jiān)測信息傳輸中的適用性和可行性,并在西南某超長輸水隧洞工程中進行應用驗證。根據(jù)超長輸水隧洞工程通常無交流電供電的特點,提出風光電互補供電的方式,能夠滿足監(jiān)測系統(tǒng)長期供電需求。

輸水隧洞;光纖傳感器;數(shù)據(jù)組合通信;信息采集;數(shù)據(jù)傳輸;GPRS

跨流域調(diào)水是為解決水資源時空分布不均及資源性短缺問題而采取的水資源優(yōu)化配置工程?？缌饔蛘{(diào)水可緩解缺水地區(qū)的供需矛盾,從古代的京杭大運河到1949年新中國成立后的引江濟漢工程、引灤入津工程和引灤入唐工程,以及南水北調(diào)工程等都在一定程度上緩解了這一矛盾,實現(xiàn)了缺水地區(qū)經(jīng)濟社會持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展[1-5]?？缌饔蜻h程調(diào)水是一個十分復雜、存在高度風險的工程[6]。遠程調(diào)水工程中長距離輸水隧洞成為輸水工程中重要的組成部分,其沿線場地地質(zhì)條件復雜多變,同時受巖土力學理論、數(shù)值模擬及勘測技術(shù)的限制,尚不能在設(shè)計階段就準確預測和評估其在施工及運行過程中的動態(tài)響應。因此，應用于反饋設(shè)計的長距離隧洞工程的安全監(jiān)測工作顯得尤為重要[7]。傳統(tǒng)電測類監(jiān)測儀器因受傳感器傳輸距離的限制,無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠距離傳輸,從而使光纖傳感器在長距離隧洞工程監(jiān)測中得到了應用。由于傳統(tǒng)傳感器具有性能穩(wěn)定、精度較高和便于安裝等優(yōu)勢,在輸水隧洞短洞段仍然應用廣泛,因此,長距離輸水隧洞工程監(jiān)測系統(tǒng)通常會安裝多種類型的傳感器。

針對應用于超長輸水隧洞中多種類型傳感器交叉組合布置的安全監(jiān)測工程,結(jié)合隧洞工程安全監(jiān)測特點,筆者擬對目前常用的傳感器數(shù)據(jù)傳輸方法的優(yōu)缺點進行分析比較,提出適用于超長輸水隧洞工程光纖傳感器和常規(guī)傳感器交叉組合安全監(jiān)測的GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式,并以西南某超長輸水隧洞工程為例,介紹該數(shù)據(jù)傳輸方式在該監(jiān)測系統(tǒng)中的應用。

1 傳感器應用現(xiàn)狀

為滿足水利工程安全監(jiān)測需要,通常要安裝埋設(shè)多種傳感器[8]。傳感器的主要監(jiān)測項目有變形、裂縫、接縫、傾斜度、應力、應變、壓力、位移、環(huán)境量等。隨著技術(shù)的進步,傳感器類型也呈現(xiàn)多樣化趨勢,如差阻式、鋼弦式、電容式傳感器及光纖傳感器等[9]。

表1 常用數(shù)據(jù)傳輸方式比較

長距離輸水隧洞工程沿途通常需要布設(shè)多個監(jiān)測斷面,由于存在不同的監(jiān)測目的,監(jiān)測儀器種類和數(shù)量均較多。對百千米級超長輸水線路工程而言,即使其單段隧洞間會有明渠、渡槽或倒虹吸等連接,但其單體隧洞長度通常仍在10 km以上。在這些較長的單體隧洞中,往往安裝有監(jiān)測圍巖變形、滲透壓力、錨桿應力、應變、接縫等項目的傳感器,若選用鋼弦式、差阻式等常規(guī)儀器,受其工作原理的限制,其信號傳輸距離多在2 km以內(nèi)。雖然采取一些信號放大措施可以傳輸更遠,但其傳輸距離仍然有限。所以,采用常規(guī)的電測類傳感器將大幅度制約長距離隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性,長距離輸水隧洞監(jiān)測工程中較長單體隧洞只能選擇光纖傳感器,其具有傳輸距離長、抗電磁干擾、耐水、耐高溫、保密性好、速度快、帶寬大等優(yōu)點。

但由于光纖傳感器施工安裝復雜,光纖光柵解調(diào)儀價格偏貴,一般只在常規(guī)電測類傳感器不能滿足監(jiān)測需要時才會選用[10]。常規(guī)電測類傳感器在單體較短的洞段仍被廣泛采用。因此,長距離輸水隧洞工程不同洞段往往安裝著不同種類的傳感器。本著可靠、經(jīng)濟和合理的原則,如何保證多種類型的傳感器數(shù)據(jù)信號的有效采集和穩(wěn)定傳輸,已成為超長輸水隧洞工程安全監(jiān)測系統(tǒng)亟待解決的問題。

2 傳感器數(shù)據(jù)采集方式

根據(jù)單體洞段的長短，超長輸水隧洞工程通常安裝有常規(guī)電測類傳感器和光纖傳感器。常規(guī)電測類傳感器使用常規(guī)采集單元采集信號,即將每支常規(guī)傳感器電纜直接連接到采集單元;光纖光柵采集儀負責采集光纖傳感器的信號,光纖傳感器具有不同傳感器波長不同的特點,單芯光纖即可并接若干個光纖傳感器(只要在安裝時避開相同波長即可)。對于超長輸水隧洞工程的安全監(jiān)測系統(tǒng),根據(jù)監(jiān)測儀器安裝斷面情況,將各種傳感器信號電纜或光纖牽引至觀測支洞或外部觀測站房,根據(jù)儀器類型分別接入相應的采集裝置。常規(guī)電測類傳感器及光纖傳感器數(shù)據(jù)采集方式見圖1。

圖1 不同類型傳感器數(shù)據(jù)采集方式

3 傳感器數(shù)據(jù)傳輸方式

3.1 常用數(shù)據(jù)傳輸方式比較

各類傳感器監(jiān)測信號經(jīng)采集裝置采集后,需將采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至工程管理單位監(jiān)測中心機房,目前水利工程中安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的常用傳輸方式有RS485數(shù)據(jù)通信、超短波數(shù)據(jù)電臺、GPRS通信和光纖傳輸?shù)?。水利工程安全監(jiān)測系統(tǒng)常用數(shù)據(jù)傳輸方式見表1。

3.2 超長隧洞監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方式選擇

通過比較安全監(jiān)測系統(tǒng)常用通信方式可知,RS485數(shù)據(jù)通信雖然安裝簡便,但距離太短,顯然不滿足長距離輸水隧洞工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?輸水隧洞通常處于山區(qū)地帶,超短波數(shù)據(jù)電臺雖然無運行期通信費用,但往往因高山阻隔信號需配置中繼站,而中繼站又位于山頂,維護相對困難;光纖傳輸雖具有傳輸頻帶寬、抗干擾能力強等優(yōu)點,但因其投資大且必須沿隧洞內(nèi)布設(shè)導致維護困難。因此,監(jiān)測點分散的輸水隧洞工程安全監(jiān)測系統(tǒng)宜采用GPRS通信方式,雖需向移動運營商支付一定的數(shù)據(jù)流量費,但通過技術(shù)經(jīng)濟比較,應是當前通信條件下最適宜的選擇。隧洞沿線各觀測站房均位于隧洞支洞出口附近地面,有移動信號且易于維護。GPRS通信方式除可正常傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)外,還可傳輸圖像監(jiān)控信號,便于今后根據(jù)工程實際監(jiān)測需要進行相應功能擴展。

圖2 常規(guī)傳感器供電及數(shù)據(jù)采集傳輸方式

圖3 光纖傳感器供電及數(shù)據(jù)采集傳輸方式

4 工程應用實例

本文以西南某輸水線路安全監(jiān)測工程為例,探討了超長距離輸水隧洞工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的信息采集和數(shù)據(jù)傳輸方式。該工程由水庫水源樞紐工程、提水泵站工程及約120 km輸水線路工程組成,其中隧洞長約78 km,其余部分由明渠、渡槽和倒虹吸等組成。

4.1 常規(guī)傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸

為滿足施工期及運行期安全管理需要,該工程安裝的常規(guī)傳感器有差阻式傳感器(鋼筋計等)和鋼弦式傳感器(應變計、滲壓計、多點位移計等)。這些監(jiān)測儀器可使用多功能通用型數(shù)據(jù)采集單元進行采集,采集單元在不采集時值守電流很小,采集數(shù)據(jù)時間僅數(shù)十秒,即可通過GPRS模塊向監(jiān)測中心發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù),僅需使用太陽能電池配合蓄電池即可滿足監(jiān)測站的數(shù)據(jù)采集和傳輸供電需要,不受連續(xù)陰雨天氣影響。常規(guī)傳感器供電及數(shù)據(jù)采集傳輸方式見圖2。若單個測站的采集單元有2臺以上,可將RS485分地址碼并接后再通過GPRS模塊向監(jiān)測中心發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4.2 光纖傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸

圖4 光纖及常規(guī)傳感器交叉組合數(shù)據(jù)采集傳輸方式

除常規(guī)傳感器外,該隧洞工程還安裝有光纖傳感器。光纖傳感器數(shù)據(jù)使用光柵采集儀采集,其供電方式為交流220 V,光柵采集儀與常規(guī)傳感器的采集單元不同,光柵采集儀需一直開機待命,達到設(shè)定的采集時間或接收到中心站召測命令時采集數(shù)據(jù)并傳送出去。該工程輸水線路沿途無交流電源,共有7個光纖傳感器監(jiān)測站且分布相對分散,由于沿山區(qū)輸水線路布設(shè)交流電源造價很高,因此決定采用太陽能電池加風電組合的方式供電,結(jié)合蓄電池及逆變器給光柵采集儀提供220 V交流電源。由數(shù)傳儀下達數(shù)據(jù)采集指令,待光柵采集儀采集數(shù)據(jù)后通過GPRS模塊上傳到監(jiān)測中心站機房監(jiān)測主機。光纖傳感器供電及數(shù)據(jù)采集傳輸方式見圖3。若光柵采集儀數(shù)量超過1臺,可并接后通過GPRS模塊向監(jiān)測中心發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4.3 組合傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸

對于由常規(guī)傳感器及光纖傳感器交叉組合監(jiān)測的隧洞段,可將常規(guī)傳感器接入觀測站采集單元,將光纖傳感器的光纖引入地面觀測站房并接入光柵采集儀。光柵采集儀和采集單元所有數(shù)據(jù)通信的RS485信號合并后由GPRS模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心站監(jiān)測主機。光纖及常規(guī)傳感器交叉組合數(shù)據(jù)采集傳輸方式見圖4。觀測站采用太陽能結(jié)合風力發(fā)電的方式供電。

監(jiān)測中心站監(jiān)測主機接收到來自輸水隧洞各監(jiān)測站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)后,由數(shù)據(jù)整編和分析評價軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行判定、甄別和分析,并形成各種報表和過程曲線,提供輸水隧洞實時監(jiān)測和預警信息,判定工程運行性態(tài),為超長輸水隧洞工程的安全運行和科學管理服務(wù)。

5 結(jié) 語

a. 基于超長輸水隧洞工程安全監(jiān)測儀器的多樣性,在確保信息傳輸可靠性及經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上提出了光纖及常規(guī)傳感器交叉組合的數(shù)據(jù)采集傳輸方式。

b. 通過對水利工程安全監(jiān)測系統(tǒng)常用數(shù)據(jù)通信方式的優(yōu)劣勢對比,認為采用GPRS通信方式能滿足超長距離輸水隧洞安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

c. 提出了在超長隧洞工程沿線無交流電供電的工況下,因地制宜地采用風光電互補方式,能夠滿足監(jiān)測系統(tǒng)長期運行供電需求。

d. 探討了不同類型傳感器在超長輸水隧洞安全監(jiān)測中的數(shù)據(jù)采集與傳輸方式,并在某輸水線路安全監(jiān)測工程中進行了應用,研究成果可為類似工程提供借鑒。

[ 1 ] 肖偉華,裴源生,于福亮.調(diào)水工程規(guī)劃決策體系探討及應用研究[J].水電能源科學,2007,25(5):9-11,26.(XIAO Weihua,PEI Yuansheng,YU Fuliang. Discuss on decision:making index system of planning of water transfer project and a case study[J]. Water Resources and Power, 2007,25(5):9-11,26.(in Chinese))

[ 2 ] 高程程,陳長太,唐迎洲.上海市青松水利片引清調(diào)水方案研究[J].水電能源科學,2012,30(2):115-119.(GAO Chengcheng,CHEN Changtai,TANG Yingzhou. Research on water resources scheduling program of qingsong water conservancy zone in Shanghai City[J]. Water Resources and Power,2012,30(2):115-119.(in Chinese))

[ 3 ] 馮曉晶,金科,梁忠民,等.引江濟太工程調(diào)水效益評估[J].水電能源科學,2012,30(6):135-138.(FENG Xiaojing,JIN Ke,LIANG Zhongmin,et al. Research on benefit evaluation of Yangtze River Water Transfer Project[J]. Water Resources and Power,2012,30(6):135-138.(in Chinese))

[ 4 ] 顧文權(quán),邵東國,蔣玉芳.調(diào)水工程水源區(qū)需水長系列模擬與供水風險分析[J].水力發(fā)電學報,2012,32(5):23-28.(GU Wenquan,SHAO Dongguo,JIANG Yufang. Water demand simulation and water shortage risk analysis for sources area of water diversion engineering[J]. Journal of Hydroelectric Engineering,2012,32(5):23-28.(in Chinese))[ 5 ] 曾祥,胡鐵松,郭旭寧,等.跨流域供水水庫群調(diào)水啟動標準研究[J].水利學報,2013,44(3):253-261.(ZENG Xiang,HU Tiesong,GUO Xuning,et al.Triggering mechanism for inter-basin water transfer-supply in multi-reservoir system[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2013,44(3):253-261.(in Chinese))

[ 6 ] 姜廣義.長距離調(diào)水工程中信息化設(shè)備的維護與管理初探[J].水電能源科學,2008,26(3):116-117.(JIANG Guangyi. Discussion on maintenance and management of informationization equipment in long distance water supply project[J]. Water Resources and Power,2008,26(3):116-117.(in Chinese))

[ 7 ] 李錚,李宏恩,袁啟旺,等.階躍函數(shù)模型在龍江水電站壓力鋼管監(jiān)測中的應用[J].水電能源科學,2011,29(7):97-99,152.(LI Zheng, LI Hongen, YUAN Qiwang,et al. Application of step function model to steel penstock monitoring of Longjiang Hydropower Station[J]. Water Resources and Power,2011,29(7):97-99,152. (in Chinese))

[ 8 ] 李宏恩,李錚,范光亞,等.龍江水電站壩后廠房高邊坡錨桿應力分析[J].水利水電科技進展,2012,32(8):59-62,94.(LI Hongen, LI Zheng,FANG Guangya,et al. Analysis of anchor bar stress for high slopes of powerhouse at dam toe of Longjiang hydropower plant[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources,2012,32(8):59-62,94.(in Chinese))

[ 9 ] 何勇軍,劉成棟,向衍,等.大壩安全監(jiān)測與自動化[M].北京:中國水利水電出版社,2008:2-7.

[10] 崔何亮,鄭曉紅,王玉潔.光纖應變分布傳感的工程實用情況及其在水工領(lǐng)域的應用前景[J].大壩與安全,2012(1):43-46.(CUI Heliang,ZHENG Xiaohong,WANG Yujie. Application of optical fiber distributed strain sensing and its future in hydraulic engineering[J]. Large Dam & Safety,2012(1):43-46.(in Chinese))

Information communication method of multiple sensors for super long distance water delivery tunnel//

FAN Guangya1, HE Yongjun1, LI Hong’en1, LI Zheng1, GUO Xiaohong2

(1.DamSafetyManagementDepartment,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China; 2.NanjingWaterConstructionEngineeringCompanyLimited,Nanjing210001,China)

In this study it is introduced the general packet radio service(GPRS) information communication method, which combining fiber sensors and common sensors, for the long transmission distance of safety monitoring engineering data in super long distance water delivery tunnel and different data formats(resulted from multiple sensors). And it is compared with the common information communication methods about safety monitoring system in hydraulic engineering practice. Besides, it is discussed the applicability and feasibility of the information communication method for super long distance water delivery tunnel as well as tested in an engineering practice in the Southwest China. Due to the fact that alternating current is not available for outdoor projects of super long distance water delivery tunnel, it is proposed the power supply mode of solar, wind, and electrical energy, which are able to meet the power supply demand of monitoring system for a long time.

water delivery tunnel; fiber sensor; mixed data communication; information collection; information communication; general packet radio service(GPRS)

水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室基金(Y714006);中央公益性科研院所基金(Y715001)

范光亞(1971—),男,江蘇泗陽人,高級工程師,主要從事大壩安全監(jiān)測、水雨情遙測等研究。E-mail:gyfan@nhri.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.03.017

TV672+.1

A

1006-7647(2015)03-0085-04

2014-02-16 編輯：駱超)