黃富禹 劉 春

（重慶科技學(xué)院，重慶401331）

近些年來(lái)隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加速，城市建設(shè)快速發(fā)展，人口增長(zhǎng)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(wèn)題。許多城市開(kāi)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(lái)了快速發(fā)展時(shí)期，同時(shí)隧道施工及隧道運(yùn)營(yíng)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(wèn)題,將給周圍建筑和基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)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(duì)工程進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)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(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)體壽命的目的[2]。

目前，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)已成為監(jiān)測(cè)手段的主要發(fā)展方向,能夠有效地對(duì)隧道施工和運(yùn)營(yíng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道安全隱患并進(jìn)行控制和消除的目的。通過(guò)監(jiān)測(cè)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(duì)監(jiān)測(cè)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(duì)隧道進(jìn)行智能化監(jiān)測(cè)對(duì)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(lè)公司的網(wǎng)絡(luò)可樂(lè)販?zhǔn)蹤C(jī)Networked Coke Machine[3]，在1999 年，美國(guó)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(shù)，互聯(lián)網(wǎng)就類似于根部。樹(shù)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(guò)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(jì)算機(jī)。而計(jì)算機(jī)中的運(yùn)用程序，不外乎是對(duì)得到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和傳輸，而這整個(gè)過(guò)程之中，不涉及除計(jì)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(gè)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(guò)終端延伸達(dá)到信息和通信的交換的目的[4]。

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

1.2 儀器設(shè)備硬件及相應(yīng)參數(shù)

監(jiān)測(cè)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(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

隨著隧道工程用途的多樣化，采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)手段具有監(jiān)測(cè)頻率較低、局限性較大的缺點(diǎn)。隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠高效、準(zhǔn)確地獲得隧道的變形數(shù)據(jù)，并對(duì)隧道進(jìn)行及時(shí)分析處理，從而得到隧道結(jié)構(gòu)的安全狀況，隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)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(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（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(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，一個(gè)工作基點(diǎn)組成基準(zhǔn)網(wǎng)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，2 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)布置在遠(yuǎn)離變形區(qū)域的大里程方向，2 個(gè)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(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程圖

（2）通訊架構(gòu)

自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通訊模式設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)程無(wú)線控制，現(xiàn)場(chǎng)配置GPRS 模塊，而控制機(jī)房需要擁有固定IP 地址或者申請(qǐng)動(dòng)態(tài)域名以完成手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通訊。

（3）監(jiān)測(cè)斷面設(shè)計(jì)及供電系統(tǒng)

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

2.3 自動(dòng)化隧道監(jiān)測(cè)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(jì)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(tái)建立無(wú)線通訊鏈路；可以通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)GPRS 數(shù)據(jù)形式互相傳送；也可以通過(guò)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(wú)線方式；支持同時(shí)控制多臺(tái)全站儀。

（2）自由設(shè)站

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

（3）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

結(jié)合全站儀的ATR 自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，自動(dòng)照準(zhǔn)棱鏡中心并自動(dòng)測(cè)量。根據(jù)用戶設(shè)定的時(shí)間周期和時(shí)間間隔，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、記錄及超差報(bào)警等。

（4）監(jiān)測(cè)進(jìn)度圖形化顯示

動(dòng)態(tài)圖形化顯示及指示全站的測(cè)量進(jìn)度和測(cè)量目標(biāo)，查看全站儀的當(dāng)前監(jiān)測(cè)點(diǎn)、下一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一個(gè)周期內(nèi)剩余監(jiān)測(cè)點(diǎn)、下一個(gè)周期開(kāi)始日期時(shí)間以及超差超限提示信息等。并且軟件支持多臺(tái)全站儀同時(shí)顯示。

（5）分析圖表數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

測(cè)量的同時(shí)可以通過(guò)分析模塊實(shí)時(shí)得到變形分析走勢(shì)圖，如點(diǎn)位橫向變化趨勢(shì)及變形速度、縱向變化趨勢(shì)及變形速度、高程變化趨勢(shì)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(jì)算機(jī)上將原始觀測(cè)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(cè)值和報(bào)警信息自定義地選擇輸出，并可定制報(bào)表輸出格式，利于第三方軟件接口。

3 隧道監(jiān)測(cè)預(yù)警

根據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)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(jí)，分別用黃色、橙色、紅色表示，紅色為最高級(jí)別，根據(jù)不同隧道具體設(shè)計(jì)、施工技術(shù)并結(jié)合隧道具體情況監(jiān)測(cè)預(yù)警分級(jí)及預(yù)警響應(yīng)如表2。

表2 監(jiān)測(cè)預(yù)警分級(jí)及預(yù)警響應(yīng)表

4 結(jié)論

隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、遙測(cè)、遙控、預(yù)警等功能，可以對(duì)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(shí)監(jiān)測(cè)，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(cè)數(shù)據(jù)并傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、驗(yàn)證。借助相關(guān)配套軟件，可迅速對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，對(duì)隧道安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)反饋到施工、設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)單位。