基于物联网技术的隧道自动化变形监测系统设计

黄富禹 刘 春

（重庆科技学院，重庆401331）

近些年来随着我国城市化进程加速，城市建设快速发展，人口增长及城市规模的持续扩大。为了解决大城市人口集聚、空间狭小、交通拥挤等问题。许多城市开始兴建市政公路、高速铁路、地铁和其他基础设施。隧道工程迎来了快速发展时期，同时隧道施工及隧道运营期间结构坍塌、渗水、山体滑坡、结构裂缝和基坑坍塌等各种隧道事故也频繁发生[1]。隧道地质环境较为复杂，一旦出现沉降、变形、坍塌等结构问题,将给周围建筑和基础设施带来影响。

随着物联网技术日益成熟，利用物联网技术对工程进行智能监测逐渐被广泛应用，逐渐成为当前保障基础设施施工安全的重要技术之一，也是隧道安全建设和长期运营发展不可或缺的重要技术支撑。借用人工智能物联网技术的“感、传、知、用”手段，达到智慧管养、延长结构体寿命的目的[2]。

目前，自动化监测已成为监测手段的主要发展方向,能够有效地对隧道施工和运营进行实时监测，达到及时发现隧道安全隐患并进行控制和消除的目的。通过监测机器人、全站仪等设备及数字照相、激光扫描等技术,我们可以直观地看到隧道三维情况，并对监测所得的数据进行分析、处理。因此如何应用物联网技术对隧道进行智能化监测对隧道安全具有重要意义。

1 物联网技术在系统中的架构与硬件实现

1.1 物联网架构

物联网在实际生活中的应用远在物联网这概念被提出之前，最早可以追溯到1990 年施乐公司的网络可乐贩售机Networked Coke Machine[3]，在1999 年，美国麻省理工学院的Kevin Ash-ton 教授提出了现代物联网的雏形。

物联网实际上是互联网的一种由上而下的、全面性延伸的技术。类似于一棵树，互联网就类似于根部。树根是有选择性的汲取所需养分，物联网获取信息的方式则是通过传感器，数据经处理后汇总到互联网。互联网的终端是计算机。而计算机中的运用程序，不外乎是对得到的各种数据进行加工和传输，而这整个过程之中，不涉及除计算机之外的任何信息接收、发出终端。物联网的英文名字是“IOT（Internet of Things）”。由物联网的英文名不难得知，物联网实际上是事物与事物交换信息的互联网。从而不难得出它的几个特点：

（1）物联网的核心是互联网、基于互联网的网络；

（2）物联网技术可以进行横向和纵向的延伸；

（3）获取的信息经过终端延伸达到信息和通信的交换的目的[4]。

经过多年来的发展，物联网已经成为了一个聚合性复杂系统，整个系统涉及到信息技术的每一个模块，具体分为感知模块、网络模块、应用模块三个模块。

1.2 仪器设备硬件及相应参数

监测采用的主要设备如表1：

表1 仪器设备清单

2 隧道自动化监测系统设计

2.1 自动化变形监测系统简介

随着隧道工程用途的多样化，采用传统的人工监测手段具有监测频率较低、局限性较大的缺点。隧道自动化监测系统能够高效、准确地获得隧道的变形数据，并对隧道进行及时分析处理，从而得到隧道结构的安全状况，隧道自动化监测系统主要由数据采集、数据传输、数据处理分析等部分组成。

2.2 自动化变形监测系统设计

（1）布设基准点

在隧道内稳定的区域布设四个基准点，一个工作基点组成基准网。结合现场实际情况，2 个基准点布置在远离变形区域的大里程方向，2 个基准点布置在远离变形区域的小里程方向，工作基点为仪器架设点，固定在隧道的侧壁，仪器架设点上同轴安棱镜。

图1 隧道自动化监测系统流程图

（2）通讯架构

自动变形监测系统通讯模式设计为远程无线控制，现场配置GPRS 模块，而控制机房需要拥有固定IP 地址或者申请动态域名以完成手机网络的通讯。

（3）监测断面设计及供电系统

在隧道受影响区域共布置监测断面，在受荷载较大区域及岩层变化对应裂缝宽度较宽区域间隔5 米布置一个监测断面，其余区域间隔10～20 米布置一个监测断面。在断面的顶部和底部各自布设一个沉降监测点。供电系统采用就近原则，取220V交流电对现场设备进行供电。为了避免现场断电的影响，配置一台小型的UPS 电源，在防隧道内短时间断电时，系统仍然能够工作。

2.3 自动化隧道监测系统的主要功能

（1）设备联机

设备联机包括计算机与传感器的联接和初始化，联机通讯模块可以使用光纤电缆有线连接，也可以使用UHF 电台建立无线通讯链路；可以通过通信网络GPRS 数据形式互相传送；也可以通过互联网技术完成通讯连接，互联网技术可分为有线方式和无线方式；支持同时控制多台全站仪。

（2）自由设站

自由设站又称为后方交会，当测站点坐标未知时可以采用自由设站方法，以便建立统一的测量坐标系，或者测站处于变形区域，定期需要修正测站数。

（3）自动化监测

结合全站仪的ATR 自动目标识别技术，自动照准棱镜中心并自动测量。根据用户设定的时间周期和时间间隔，系统可以实现自动监测、记录及超差报警等。

（4）监测进度图形化显示

动态图形化显示及指示全站的测量进度和测量目标，查看全站仪的当前监测点、下一个监测点，一个周期内剩余监测点、下一个周期开始日期时间以及超差超限提示信息等。并且软件支持多台全站仪同时显示。

（5）分析图表数据实时显示

测量的同时可以通过分析模块实时得到变形分析走势图，如点位横向变化趋势及变形速度、纵向变化趋势及变形速度、高程变化趋势及变化速度等。

（6）成果数据定制输出

按照用户的实际工作需求，可以在计算机上将原始观测值进行任意排序分析，既可以部分选择输出数据，也可以一次性全部输出数据，可以将任何原始观测值和报警信息自定义地选择输出，并可定制报表输出格式，利于第三方软件接口。

3 隧道监测预警

根据对监测数据的分析，能够将现场可能发生安全事故的紧急程度及事故严重程度由小到大分为三级，分别用黄色、橙色、红色表示，红色为最高级别，根据不同隧道具体设计、施工技术并结合隧道具体情况监测预警分级及预警响应如表2。

表2 监测预警分级及预警响应表

4 结论

隧道自动化监测系统具有数据远程传输、遥测、遥控、预警等功能，可以对隧道拱顶沉降、隧底隆起、隧底水平收敛变形、表面应力和典型裂缝宽度进行实时监测，发现隧道安全隐患。利用物联网技术获取监测数据并传输到监测中心，进行数据存储、查询、验证。借助相关配套软件，可迅速对数据进行分析处理，对隧道安全状态进行评估，发现异常及时反馈到施工、设计、运营单位。