黃富禹 劉 春

（重慶科技學(xué)院，重慶401331）

近些年來隨著我國城市化進(jìn)程加速，城市建設(shè)快速發(fā)展，人口增長及城市規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)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(chǔ)設(shè)施。隧道工程迎來了快速發(fā)展時期，同時隧道施工及隧道運(yùn)營期間結(jié)構(gòu)坍塌、滲水、山體滑坡、結(jié)構(gòu)裂縫和基坑坍塌等各種隧道事故也頻繁發(fā)生[1]。隧道地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，一旦出現(xiàn)沉降、變形、坍塌等結(jié)構(gòu)問題,將給周圍建筑和基礎(chǔ)設(shè)施帶來影響。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益成熟，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對工程進(jìn)行智能監(jiān)測逐漸被廣泛應(yīng)用，逐漸成為當(dāng)前保障基礎(chǔ)設(shè)施施工安全的重要技術(shù)之一，也是隧道安全建設(shè)和長期運(yùn)營發(fā)展不可或缺的重要技術(shù)支撐。借用人工智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“感、傳、知、用”手段，達(dá)到智慧管養(yǎng)、延長結(jié)構(gòu)體壽命的目的[2]。

目前，自動化監(jiān)測已成為監(jiān)測手段的主要發(fā)展方向,能夠有效地對隧道施工和運(yùn)營進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，達(dá)到及時發(fā)現(xiàn)隧道安全隱患并進(jìn)行控制和消除的目的。通過監(jiān)測機(jī)器人、全站儀等設(shè)備及數(shù)字照相、激光掃描等技術(shù),我們可以直觀地看到隧道三維情況，并對監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。因此如何應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對隧道進(jìn)行智能化監(jiān)測對隧道安全具有重要意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在系統(tǒng)中的架構(gòu)與硬件實(shí)現(xiàn)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)際生活中的應(yīng)用遠(yuǎn)在物聯(lián)網(wǎng)這概念被提出之前，最早可以追溯到1990 年施樂公司的網(wǎng)絡(luò)可樂販?zhǔn)蹤C(jī)Networked Coke Machine[3]，在1999 年，美國麻省理工學(xué)院的Kevin Ash-ton 教授提出了現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)的雛形。

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際上是互聯(lián)網(wǎng)的一種由上而下的、全面性延伸的技術(shù)。類似于一棵樹，互聯(lián)網(wǎng)就類似于根部。樹根是有選擇性的汲取所需養(yǎng)分，物聯(lián)網(wǎng)獲取信息的方式則是通過傳感器，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后匯總到互聯(lián)網(wǎng)?；ヂ?lián)網(wǎng)的終端是計算機(jī)。而計算機(jī)中的運(yùn)用程序，不外乎是對得到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和傳輸，而這整個過程之中，不涉及除計算機(jī)之外的任何信息接收、發(fā)出終端。物聯(lián)網(wǎng)的英文名字是“IOT（Internet of Things）”。由物聯(lián)網(wǎng)的英文名不難得知，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際上是事物與事物交換信息的互聯(lián)網(wǎng)。從而不難得出它的幾個特點(diǎn)：

（1）物聯(lián)網(wǎng)的核心是互聯(lián)網(wǎng)、基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)；

（2）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以進(jìn)行橫向和縱向的延伸；

（3）獲取的信息經(jīng)過終端延伸達(dá)到信息和通信的交換的目的[4]。

經(jīng)過多年來的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為了一個聚合性復(fù)雜系統(tǒng)，整個系統(tǒng)涉及到信息技術(shù)的每一個模塊，具體分為感知模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、應(yīng)用模塊三個模塊。

1.2 儀器設(shè)備硬件及相應(yīng)參數(shù)

監(jiān)測采用的主要設(shè)備如表1：

表1 儀器設(shè)備清單

2 隧道自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)簡介

隨著隧道工程用途的多樣化，采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測手段具有監(jiān)測頻率較低、局限性較大的缺點(diǎn)。隧道自動化監(jiān)測系統(tǒng)能夠高效、準(zhǔn)確地獲得隧道的變形數(shù)據(jù)，并對隧道進(jìn)行及時分析處理，從而得到隧道結(jié)構(gòu)的安全狀況，隧道自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理分析等部分組成。

2.2 自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

（1）布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)

在隧道內(nèi)穩(wěn)定的區(qū)域布設(shè)四個基準(zhǔn)點(diǎn)，一個工作基點(diǎn)組成基準(zhǔn)網(wǎng)。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，2 個基準(zhǔn)點(diǎn)布置在遠(yuǎn)離變形區(qū)域的大里程方向，2 個基準(zhǔn)點(diǎn)布置在遠(yuǎn)離變形區(qū)域的小里程方向，工作基點(diǎn)為儀器架設(shè)點(diǎn)，固定在隧道的側(cè)壁，儀器架設(shè)點(diǎn)上同軸安棱鏡。

圖1 隧道自動化監(jiān)測系統(tǒng)流程圖

（2）通訊架構(gòu)

自動變形監(jiān)測系統(tǒng)通訊模式設(shè)計為遠(yuǎn)程無線控制，現(xiàn)場配置GPRS 模塊，而控制機(jī)房需要擁有固定IP 地址或者申請動態(tài)域名以完成手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通訊。

（3）監(jiān)測斷面設(shè)計及供電系統(tǒng)

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

2.3 自動化隧道監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能

（1）設(shè)備聯(lián)機(jī)

設(shè)備聯(lián)機(jī)包括計算機(jī)與傳感器的聯(lián)接和初始化，聯(lián)機(jī)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(wǎng)絡(luò)GPRS 數(shù)據(jù)形式互相傳送；也可以通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成通訊連接，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shè)站

自由設(shè)站又稱為后方交會，當(dāng)測站點(diǎn)坐標(biāo)未知時可以采用自由設(shè)站方法，以便建立統(tǒng)一的測量坐標(biāo)系，或者測站處于變形區(qū)域，定期需要修正測站數(shù)。

（3）自動化監(jiān)測

結(jié)合全站儀的ATR 自動目標(biāo)識別技術(shù)，自動照準(zhǔn)棱鏡中心并自動測量。根據(jù)用戶設(shè)定的時間周期和時間間隔，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測、記錄及超差報警等。

（4）監(jiān)測進(jìn)度圖形化顯示

動態(tài)圖形化顯示及指示全站的測量進(jìn)度和測量目標(biāo)，查看全站儀的當(dāng)前監(jiān)測點(diǎn)、下一個監(jiān)測點(diǎn)，一個周期內(nèi)剩余監(jiān)測點(diǎn)、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(shù)據(jù)實(shí)時顯示

測量的同時可以通過分析模塊實(shí)時得到變形分析走勢圖，如點(diǎn)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(shù)據(jù)定制輸出

按照用戶的實(shí)際工作需求，可以在計算機(jī)上將原始觀測值進(jìn)行任意排序分析，既可以部分選擇輸出數(shù)據(jù)，也可以一次性全部輸出數(shù)據(jù)，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(jiān)測預(yù)警

根據(jù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，能夠?qū)F(xiàn)場可能發(fā)生安全事故的緊急程度及事故嚴(yán)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(jù)不同隧道具體設(shè)計、施工技術(shù)并結(jié)合隧道具體情況監(jiān)測預(yù)警分級及預(yù)警響應(yīng)如表2。

表2 監(jiān)測預(yù)警分級及預(yù)警響應(yīng)表

4 結(jié)論

隧道自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、遙測、遙控、預(yù)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(yīng)力和典型裂縫寬度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)隧道安全隱患。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)并傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、查詢、驗(yàn)證。借助相關(guān)配套軟件，可迅速對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，對隧道安全狀態(tài)進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)異常及時反饋到施工、設(shè)計、運(yùn)營單位。