基于物联网的隧道智能安全监测系统研究现状分析

黄富禹 刘 春* 李 萌

（重庆科技学院，重庆401331）

1 概述

随着科技的发展和城市的需求，隧道行业得到了空前的发展。对隧道工程进行监测能够及时发现结构安全隐患，达到预防事故发生的目的。但是目前的监测模式需要进一步提高，满足工程实际需求。

物联网技术能够很大程度上满足隧道智能安全监测的要求。随着物联网核心技术的逐步成熟（RFID 技术、传感器技术、远程通信技术），物联网技术在隧道智能安全监测领域逐步得到了广泛的应用。

针对已建隧道进行的智能安全监测，能够及时的了解隧道的损伤劣化情况及其安全状态。高效、实时的监测与分析反馈是确保隧道安全运营的关键技术[2]。随着信息化时代的发展，传感器、智能全站仪和互联网等技术的全面普及，为工程监测带来了改变，实现了监测数据和监测终端实时同步的目的，形成了在线同步，实时监测的物联网智能安全监测系统。

2 物联网智能安全监测技术的研究进展

随着物联网技术的飞速发展，其在地质灾害、桥梁健康、大坝安全等领域的监控测量已得到广泛应用，但在隧道工程领域仍处于探索阶段[3]。

2.1 国外研究进展

英国剑桥大学的Soga 教授团队将WSN 技术应用于伦敦地铁变形监测项目[6]。WSN 技术在布拉格地铁监测项目、巴塞罗那地铁监测项目等也得到了应用[2]。Akyildiz 等对物联网监测的研究现状及挑战做了阐述。

2.2 国内研究进展

王亚琼在2015 年研究并提出了基于物联网的隧道施工监测技术，并成功应用于大宝山隧道工程[3]。

尚金光在2012 年设计了基于物联网技术的变形监测预警系统，开发了数据中心软件，进一步解决了物联网技术在变形监测中的数据处理能力不足的问题[1]。

李福健在2017 年以隧道围岩量测自动化监测技术为基础结合GIS+BIM技术设计了监测管理平台。实现了隧道监测数据的立体化、可视化，有效的提高了监测的可靠性[4]。

姜晨光等人设计并提出了基于物联网的隧道智能监测技术体系，借助物联网技术将监测数据通过网络传输至数据处理中心，以实现对隧道损伤劣化情况的实时监测和远程控制[5]。

3 物联网技术在隧道智能监测中的应用

物联网技术是物联网技术的延伸，其核心仍是互联网技术，其意义在于能够实现数字信息和物理空间的无缝衔接。

3.1 物联网感知技术

感知技术是物联网隧道智能安全监测系统的关键技术。WSN（无线传感网络技术）作为感知技术的代表，已经广泛应用于工程监测当中。

随着物联网技术的发展，传感器已经具备了微型化、智能化等特点，实现了传感器设备的信息化、网络化。目前，在物联网隧道智能安全监测系统的实际应用中，不同的传感器系统还面临着不兼容的问题。

3.2 物联网体系架构

物联网技术主要由三部分组成，其分别为：感知层、传输层、应用层。

（1）感知层

感知层主要有传感器技术和RFID（射频识别技术）；传感器技术是将压力、湿度、变形、位移等隧道物理信息转化为电信号或者其他形式的信号然后进行数据输出的技术。RFID（射频识别技术）是非接触的自动识别技术，在不用人工干预的情况下，能正常的通过对目标发射信号来获取数据。

（2）传输层

传输技术是物联网隧道智能安全监测系统能得到应用的关键所在。传输技术功能在于能够把数据有效、快速的传输到下一层，其包括短距离传输技术和远距离传输技术。这两个技术能够在物联网复杂的处理过程中增加运用数据率。使数据传输和处理达到安全、稳定的目的。

（3）应用层

物联网体系架构图

应用层的功能是对数据进行计算和处理，从而能够达到对物体进行实时监控和管理的目的，实现决策的科学化、及时化。在物联网隧道智能安全监测系统中，应用层在传感器对隧道进行数据采集后通过传输层网络发送到监控中心。监控中心就属于应用层，他将对隧道的信息进行汇总，并自动根据不同情况进行自动分析和采取相关措施。

3.3 物联网技术在隧道监测中的应用

物联网隧道智能安全监测系统的应用分为两类：一类是在隧道运营期的安全监测，另一类是在隧道施工期的安全监测。

该系统主要功能主要有：

（1）对数据进行实时采集，传输和分析；

（2）直观显示监测数据、数据变化情况及隧道当前状态；

（3）一旦出线紧急情况，系统能及时的发出预警信息。

4 智能监测存在的缺陷及发展趋势

4.1 存在的缺陷

（1）监控量测意识不高

在进行监测的过程中，少作或不作监控量测，对既有的安全隐患不能及时处理，最后导致隧道安全事故的发生。

（2）数据可靠性较低

仪器精度、环境适应力、自动化程度及操作性都是监测仪器的重要指标。目前部分监测仪器在物联网智能安全监测系统的使用中会出现数据紊乱、仪器破损等问题，导致数据的可靠性较低。

（3）特殊路段的监测方法较少

在河流、海洋、戈壁等特殊路段，由于监测技术不够成熟，导致隧道安全不能得到保障。尤其在河流、海洋等地段修建隧道，由于突水、涌水等原因造成的围岩损伤劣化很难做到实时监控。

（4）数据处理与分析技术有待提高

数据处理与分析基本采用回归分析法、BP 神经网络、时间序列分析法等进行预测分析，但这些方法在实际工程中的应用仍处于研究阶段，可靠性还需要进一步的研究。

4.2 发展趋势

（1）利用物联网技术可以实现物联网隧道智能安全监测系统进行实时全面的监测，并准确的传输、反馈结构变形情况，提升隧道施工与运营的安全性。

（2）改善监测模式，传感器、无线传输网络、数据储存分析等技术和方法的改善，对现有的监测方法、监测模式都将产生影响。

（3）利用物联网技术能够实现安全性高、功能完善、实用性强的隧道监测体系。

5 结论

5.1 物联网技术能够对隧道智能安全监测系统提供技术支持，达到保障隧道安全运营的目的；

5.2 降低物联网技术应用能够降低工程造价，随着物联网快速规模化发展、相关产业的良性循环，物联网隧道智能安全监测系统各个环节的成本会逐步降低；

5.3 隧道工程属于公共设施，物联网隧道智能安全监测系统的网络信号会逐步实现网络加密。数据泄漏会给包括隧道在内的公共设施带来安全隐患，因此对物联网隧道智能安全监测系统实施网络加密必不可少。

5.4 隧道在不同的环境有着不同的安全隐患，使得隧道监测各成体系并会对应急指挥带来难度。所以需要有一套集安全监测与应急指挥于一体的标准体系，实现两者的统一。