高速公路隧道进出口支护结构受力实时监控系统设计

黄谋分

摘要：传统监控系统在进行支护结构受力实时监控时，传感器采集数据抗干扰能力差，监控识别准确率低。针对这一问题，文章进行高速公路隧道进出口支护结构受力实时监控系统设计，通过设计型号为TB0821高性能传感器，内置MPU-N08210芯片，可忽略电缆的电阻等影响因素，具有极强的抗干扰能力。在此基础上，设计三相电调理电路，有效防止传感器由于缺相运行造成相序错乱问题的发生，先对监控数据进行特征提取，再通过设计数据库，实现对支护结构受力实时监控。实验结果表明，所设计的监控系统3个监控点的监控识别准确率均明显高于实验对照组，能够实现对支护结构受力的实时监控。

关键词：

高速公路隧道;支护结构;受力;监控系统

0 引言

高速公路隧道进出口支护结构作为保障高速公路隧道安全的重要结构，对支护结构的受力情况进行实时监控，能够有效降低大型土木工程结构事故发生的概率。为此，本文设计一种高速公路隧道进出口支护结构受力实时监控系统，致力于通过监控系统实时掌握支护结构的具体情况，判断是否存在内部損伤，如有则对其发生损伤的位置以及程度进行重点监控，从而做出及时有效的处理措施[ 1 ]。结合2002年7月在法国巴黎举办的第一届欧洲SHM国际专题研讨会中针对支护结构受力实时监控系统的研究，建议应用永久性传感器用于实时监控，尽量避免隧道进出口支护结构病害多、维修成本高的现象。支护结构受力实时监控系统的进一步优化是建筑行业发展的必然选择，通过支护结构受力实时监控可以最大限度地降低隧道潜在的风险[2]。本文设计的实时监控系统主要应用无损传感技术，通过分析支护结构受力内在结构的系统性，利用传感器对发生的变化进行实时获取，针对支护结构受力老化以及受损信息进行提取，为高速公路隧道进出口支护结构的维修工作提供理论依据。

1 硬件设计

在设计的监控系统中，首先进行硬件部分设计。本文设计的硬件在传统监控系统硬件基础上，设计高性能传感器;再通过设计三相电调理电路，将其作为高性能传感器的补充，致力于提高监控硬件综合性能。具体设计内容，如下文所述。

1.1 设计高性能传感器

考虑到高性能传感器是硬件设计的核心设备，本文设计的高性能传感器可以根据隧道进出口支护结构受力的空间特征，精准采集支护结构受力实时数据

[3]。结合隧道进出口支护结构受力实时监控的需要，本文设计的高性能传感器型号为TB0821[4]。其具体参数信息包括：0.8 MP的量程;

0.005的灵敏度;工作电压为3.0～6.8 V;最大超载能力为200%F·S;精度控制在1.5%

F·S;温度范围为-15 ℃ ～±100 ℃。通过本文设计的高性能传感器能够在采集支护结构受力实时数据的同时，获取支护结构受力实时状态变化的信息。因此，只要通过高性能传感器测量出感应电势的频率，就可以得到支护结构受力振弦的频率，从而得到振弦所受到的应力。利用高性能传感器得到振弦所受到的应力进行显示与分析，具体方法为：将采集到的振弦所受到的应力以曲线分析的方式进行显示，再通过分析其特征值判断支护结构受力的实时状态，是否存在内部损伤等安全隐患。与此同时，利用高性能传感器输出数字信号，传输过程中由于高性能传感器内置MPU-N08210芯片，可忽略电缆的电阻等影响因素，具有极强的抗干扰能力，可以实现长距离传输，进而从根本上提高隧道进出口支护结构的安全性以及有效性[5]。

1.2 设计三相电调理电路

为了防止高性能传感器由于缺相运行造成相序错乱问题的发生，本文在传感器的降噪电路基础上设计三相电调理电路[6]。三相电调理电路能够通过感知电压情况精准发现有缺相或者相序错误，从而及时断开高性能传感器内部继电器并报警。三相电调理电路的设计在最大程度上提高了本文设计监控系统硬件的可操作性，能够保证对隧道进出口支护结构受力实时监控工作的稳定性。

2 软件设计

2.1 模型构建

支护结构受力模型：

2.2 支护结构受力实时监控数据特征提取

本文在支护结构受力实时监控数据显示与分析的基础上，对支护结构受力实时监控数据进行特征提取[7]。通过多物体跟踪，进行行为特征提取，从监控数据中寻找满足预先设定的行为特征的事件，进而将支护结构受力连续性工作状态转换为用于之后处理的支护结构受力实时监控数据的数字信号。在数据特征提取阶段，能够实现监控数据的实时自动调节及自由切换的功能，判断出监控数据的异常特征，并提取异常数据。监控数据特征提取是设计监控系统软件中的重要环节，监控数据在处理过程中的精准化程度及稳定度关系着整个系统数据监控的精准化程度及稳定度。

2.3 设计支护结构受力实时监控数据库

针对上述特征提取后的监控数据，设计一个体系成熟的支护结构受力实时监控数据库作为系统的后台支撑。监控数据库的主要功能为对监控到的支护结构受力实时数据进行对应的数据存储及管理。将所有经过数据处理后的监控数据直接存储至数据库中[8]。以此可以直接通过支护结构受力实时数据与历史数据的对比，得出支护结构受力实时情况，以便做出及时有效的应对决策。

2.4 实现支护结构受力实时监控

在监控系统软件设计的整个过程中，必须严格按照以上软件设计的工作流程，直接把监控数据通过运营商基站传输，经过数据库的自动化判断，对支护结构受力数据进行实时精准化监控，从而能够获得精准监控的效果，实现对支护结构受力的实时监控，提高高速公路隧道进出口的安全性。

3 实验分析

3.1 实验准备

通过对广西43 km四车道高速公路隧道的力学性能和结构参数的分析，同时也兼顾隧道所处的环境、项目经费限制等因素，设置监控点数量为3个，本次实验内容为测试两种监控系统的识别准确率。经过实际检测，支护结构受力异常数据为55个，分别使用传统的监控系统以及本文设计的监控系统进行对比实验。监控识别异常数据个数越接近55个，证明该监控系统监控识别准确率越高，而监控识别准确率越高证明该监控系统对支护结构受力实时监控的精度越高。为保证实验的一致性，每个监控点的配置完全相同，在主数据集中部署Specrk.0.1[CD*2]bing[CD*2]keudeep2.6和Hadoop[CD*2]1.0.3稳定版，尽量避免实验结果受外界因素干扰而导致误差过大。

3.2 实验结果分析与结论

根据上述设计实验，将两种监控系统下得到的监控识别准确率进行对比，整理实验结果如图1所示。

通过图1可得出如下结论：本文设计的监控系统3个监控点的监控识别异常数据个数与实际监控识别异常数据个数更接近，因此监控识别准确率高于实验对照组，能够实现对支护结构受力的实时监控，从而说明所设计的监控系统其各项功能可以满足设计要求。

3.3 节点分布的力学性能分析

試件强度主要通过节点分布处的应力值描述，试件强度试验结果见表1。

分析表1可知，当正向加载力加载至位移延性系数是2.2时，节点分布处的应力值分别变成0.788、0.724、0.818、0.976、0.839，和其他位移延性系数下的应力值相比，此时应力值最小，承载力最低，节点分布处易受损;当正向加载至位移延性系数是1.5、反向加载至-3.3时，节点分布处的应力值高于其他位移延性系数下的应力值，节点的承载力在此时达到极限，不易出现异常。

4 结语

考虑到高速公路隧道进出口支护结构受力实时监控的作用愈发凸显，支护结构受力实时监控系统经历了从简单功能实现到精度、速度快速发展的开发过程。因此，本文进行支护结构受力实时监控系统的设计，为道路设施安全监控提供了更为有效的解决措施。通过实例分析证明该系统设计具有现实意义，可以应用在高速公路隧道进出口支护结构受力实时监控方面。

参考文献：

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