基于GPRS的山區(qū)庫岸公路路基無線遠(yuǎn)程健康監(jiān)測

閻宗嶺，楊 靜，栗海濤，蔣中明

（1.國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心，重慶 400067;2.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，云南昆明 650051;3.長沙理工大學(xué)，湖南長沙 410004）

基于GPRS的山區(qū)庫岸公路路基無線遠(yuǎn)程健康監(jiān)測

閻宗嶺1，楊 靜2，栗海濤2，蔣中明3

（1.國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心，重慶 400067;2.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，云南昆明 650051;3.長沙理工大學(xué)，湖南長沙 410004）

針對公路路基是線形工程，監(jiān)測點(diǎn)空間分布廣且分散特點(diǎn)，確定了庫岸路基健康監(jiān)測重點(diǎn)內(nèi)容、指標(biāo);建立了基于GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳絽^(qū)庫岸路基遠(yuǎn)程健康監(jiān)測系統(tǒng);實(shí)現(xiàn)了庫岸路基安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸，可掌握路基健康狀況并及時(shí)發(fā)現(xiàn)路基病害，為公路施工決策和安全運(yùn)營、路基病害防治提供依據(jù)。

庫岸路基;無線遠(yuǎn)程健康監(jiān)測;GPRS技術(shù)

山區(qū)公路庫岸路基健康監(jiān)測的目的是從變形失穩(wěn)等病害特點(diǎn)出發(fā)，對影響庫岸路基變形穩(wěn)定的主要因素及表現(xiàn)形式進(jìn)行綜合分析，對變形量、變形速率、孔隙水壓力、支擋結(jié)構(gòu)承受的荷載等進(jìn)行監(jiān)測，以評價(jià)路基健康狀況。主要體現(xiàn)在以下幾方面:

1）作為路基工程監(jiān)控、優(yōu)化設(shè)計(jì)手段的健康觀測，其目的在于了解路基變形的動(dòng)態(tài)變化過程，特別是陡斜坡、軟弱地基或不良地質(zhì)體上的高填方庫岸路基，監(jiān)測路基及地基變形的動(dòng)態(tài)變化過程，控制地基與路基的穩(wěn)定性。

2）掌握路基施工及運(yùn)營過程變形穩(wěn)定演變過程，及時(shí)捕捉路基變形失穩(wěn)的特征信息，為路基病害防治及預(yù)防性養(yǎng)護(hù)提供技術(shù)依據(jù)。

3）對已經(jīng)發(fā)生病害并治理后的庫岸路基，監(jiān)測結(jié)果也是檢驗(yàn)庫岸路基病害治理工程效果的手段。

4）為進(jìn)行有關(guān)位移反分析及數(shù)值模擬計(jì)算提供參數(shù)，進(jìn)行有關(guān)反分析計(jì)算，從而驗(yàn)證新的路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 山區(qū)庫岸公路路基健康監(jiān)測的特點(diǎn)

公路路基是線性工程，延伸區(qū)域大，山區(qū)庫岸公路路基按巖土介質(zhì)可分為土質(zhì)路基與巖質(zhì)路基兩大類，而巖土介質(zhì)具有復(fù)雜性和特殊性，因而庫岸路基監(jiān)測具有以下特點(diǎn):

1）巖土體介質(zhì)的復(fù)雜性，且受水影響較大。對于某一具體工程而言整個(gè)監(jiān)測區(qū)域范圍較大，路基填筑材料也不同，并且分布不均勻，且經(jīng)常受到庫水及地下位變化的影響，因此其監(jiān)測工作也較復(fù)雜。

2）監(jiān)測的內(nèi)容相對較多，包括路基變形，支擋與防護(hù)工程受力，路基內(nèi)部應(yīng)力、水壓力等。

3）監(jiān)測的周期較長，一般不少于1年或更長時(shí)問，有時(shí)是貫穿于整個(gè)工程建設(shè)與運(yùn)營期。

2 山區(qū)庫岸公路路基健康監(jiān)測內(nèi)容

對于存在潛在病害的庫岸路基，主要是對庫岸路基失穩(wěn)病害致災(zāi)條件、災(zāi)變過程、治理效果進(jìn)行監(jiān)測。常規(guī)健康監(jiān)測項(xiàng)目有:路基外部及內(nèi)部變形（x、y二方向位移）、傾斜;相關(guān)物理參數(shù)如應(yīng)力應(yīng)變;支擋與防護(hù)工程所受荷載;環(huán)境因素（降雨量、地下水、孔隙水壓力、水位等。

3 路基健康監(jiān)測及數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)

山區(qū)庫岸公路路基健康監(jiān)測需要安裝有多種類型的監(jiān)測傳感器，如位移計(jì)、土壓力盒、孔隙水壓力計(jì)等。這些傳感器在安裝后，由于地勢偏遠(yuǎn)、險(xiǎn)要，現(xiàn)場大多無法提供便利、安全的人行通道及配套供電設(shè)施，特別是在汛期或梅雨季節(jié)需要加密或全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測時(shí)，現(xiàn)場塌方、落石及滑坡將會(huì)威脅到監(jiān)測人員的生命安全。為適應(yīng)路基工程的發(fā)展，提高工作效率，有必要建立庫岸路基無線遠(yuǎn)程自動(dòng)化健康監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析以及決策的一體化。無線遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)就是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與健康診斷技術(shù)相結(jié)合的一種全新的監(jiān)控監(jiān)測模式，也是大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展方向［1-2］。

安裝在山區(qū)庫岸公路路基現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備是整個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件，設(shè)備的選擇優(yōu)劣也決定了整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的性能與品質(zhì)。遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸終端、供電系統(tǒng)等組成，其核心是監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸和數(shù)據(jù)采集兩個(gè)模塊。

3.1 基于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

GPRS（General Packet Radio Service）即通用分組無線業(yè)務(wù)，是現(xiàn)階段解決移動(dòng)通信信息服務(wù)的一種較完善的技術(shù)方案，較完美地結(jié)合了移動(dòng)通信技術(shù)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)，幾乎可以應(yīng)用于所有中低速率的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)［3］。將GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連接internet用作路基健康監(jiān)測終端的通信線路，具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、終端實(shí)時(shí)在線、接入速度快、傳輸速率高、費(fèi)用低等特點(diǎn)。而且采用GPRS進(jìn)行路基遠(yuǎn)程健康監(jiān)控，開辟了遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控的新領(lǐng)域。

構(gòu)建山區(qū)庫岸公路路基健康監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)方面［4-5］:

1）穩(wěn)定與可靠性:庫岸路基所在區(qū)域的環(huán)境復(fù)雜且變化性大，因此要求各個(gè)模塊、部件能夠適應(yīng)環(huán)境變化，并能穩(wěn)定可靠的工作。

2）實(shí)時(shí)性:要求系統(tǒng)監(jiān)測到的信息能實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控終端，使用戶能實(shí)時(shí)掌握庫岸路基監(jiān)測量變化情況。

3）精度:山區(qū)庫岸公路路基遠(yuǎn)程健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸精度需能滿足要求。監(jiān)測系統(tǒng)的整體精度主要取決于采用的傳感器，所以要根據(jù)要求達(dá)到的數(shù)據(jù)精度進(jìn)行監(jiān)測傳感器的選擇。

4）低功耗:山區(qū)庫岸公路的地理?xiàng)l件比較特殊，大多路段沿線一般不可能有供電系統(tǒng)，所以在監(jiān)測系統(tǒng)中只能采用太陽能或普通蓄電池供電，太陽能電池板受天氣影響較大，蓄電池供電電量受到較大的限制，所以要求監(jiān)測系統(tǒng)的功耗較低，以保證監(jiān)測工作的正常運(yùn)行。

3.2 無線監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司開發(fā)了基于GPRS技術(shù)的DST1-16無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，可廣泛用于公路路基橋梁、隧道健康以及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測及預(yù)警。該無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器模塊、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（數(shù)據(jù)通信與傳輸）和監(jiān)控終端3部分等組成，不同類型的傳感器根據(jù)設(shè)計(jì)部署在路基監(jiān)測區(qū)域。監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1。

圖1 DST1-16無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Network structure of DST1-16 wireless remote monitor system

3.2.1 傳感器模塊

傳感器是遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的基本模塊，它的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)系統(tǒng)可靠性的基本保證。傳感器是是自動(dòng)檢測系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的元件。庫岸路基健康監(jiān)測中，根據(jù)路基所處具體場地條件和監(jiān)測內(nèi)容，從傳感器的技術(shù)性能、埋設(shè)條件、測讀方式和儀器的經(jīng)濟(jì)性等幾方面加以考慮。在庫岸路基遠(yuǎn)程監(jiān)測傳感器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

1）可靠性與穩(wěn)定性:在滿足精度要求前提，應(yīng)以光學(xué)，機(jī)械和電子為先后順序進(jìn)行傳感器選擇，并且應(yīng)優(yōu)先選擇使用簡單測量方法的儀器。

2）傳感器的精度:測量結(jié)果用于定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器;如果是定量分析，選用精度等級能滿足要求的傳感器即可。

3）靈敏度和量程:應(yīng)首先滿足量程要求，比如在對路基變形較大的部位，宜采用量程較大的儀器;反之，宜采用分辨力較高的儀器。

4）適于野外的電源性能:采集系統(tǒng)的整體能耗越小越好，應(yīng)優(yōu)先考慮具有“定時(shí)監(jiān)測”、“休眠”等低功耗工作模式的儀器設(shè)備，并且應(yīng)具備自供電源的能力。

5）遠(yuǎn)程通訊功能:遠(yuǎn)程監(jiān)測采集設(shè)備應(yīng)滿足現(xiàn)代多通訊模式接口的需求，傳輸距離最好不受限制，一般應(yīng)具RS232接口、網(wǎng)絡(luò)接口等，并可以利用GPRS、CDMA網(wǎng)或無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸［6］。

6）儀器使用壽命:要求各種儀器能從路基施工開始，直到公路建成后一段運(yùn)營期內(nèi)都能正常工作。對于埋設(shè)后不能置換的傳感器，其工作壽命應(yīng)與工程使用年限或要求的觀測時(shí)間相當(dāng)或超過要求的觀測年限。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊

數(shù)據(jù)采集與傳輸單模塊主要負(fù)責(zé)對監(jiān)測信息的采集和處理，并發(fā)送己采集的數(shù)據(jù)給轉(zhuǎn)發(fā)給相信的基站或主機(jī)。它是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，一般都由處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成。負(fù)責(zé)中轉(zhuǎn)主機(jī)與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備之間的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊工作流程Fig.2 Work flow of data collection and transmission module

3.2.3 系統(tǒng)電力供應(yīng)單元

山區(qū)庫岸公路路基健康監(jiān)測數(shù)據(jù)測量站點(diǎn)大多處于地形環(huán)境復(fù)雜、交通不便、無電網(wǎng)供電的地方，采用太陽能對蓄電池進(jìn)行浮充的電源方案就是常用的解決方案［7］，可采用如下方法進(jìn)行太陽能光伏電板的選擇與安裝:

1）根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)額定功率并考慮到平均日照時(shí)間及陰雨天的影響，確定發(fā)電板發(fā)電功率。

2）考慮當(dāng)?shù)仄骄铋L陰雨天天數(shù)，確定蓄電池的容量。

3）根據(jù)當(dāng)太陽能板所處位置的緯度粗略確定太陽能電池板的安裝傾斜角［8］:緯度為0～25°時(shí)，傾斜角等于緯度;緯度為25～40°時(shí)，傾斜角等于緯度加上5～10°;緯度為40 ～55°時(shí)，傾斜角等于緯度加上10 ～15°;緯度為55°以上時(shí)，傾斜角等于緯度加上15～20°。

3.3 無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

用戶通過監(jiān)控終端（主機(jī)，圖3右）對數(shù)據(jù)采集和傳感器模塊（分機(jī)，圖3左）進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測指令及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖3 無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)和分機(jī)Fig.3 Host and tributary station of wireless remote monitor system

通過在監(jiān)測區(qū)域部署傳感器模塊來完成數(shù)據(jù)的采集，從而完成了對路基的實(shí)時(shí)監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程如圖 4［9］:

圖4 無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)工作流程Fig.4 Work flow of wireless remote monitor system

1）傳感器模塊部署后，加電啟動(dòng)主機(jī)，等待加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的命令;

2）主機(jī)發(fā)送啟動(dòng)命令到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊（分機(jī)）;

3）分機(jī)接收到啟動(dòng)命令后加入網(wǎng)絡(luò)，獲取網(wǎng)絡(luò)的地址信息，配置本地鏈接地址，建立路由;

4）啟動(dòng)傳感器模塊，分機(jī)根據(jù)事先設(shè)定好的數(shù)據(jù)采集周期來采集數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)信息以數(shù)據(jù)包的形式傳送到主機(jī)。

4 工程應(yīng)用

某二級公路K78+300～K80+460段靠近庫容為1 109×105m3的中型水庫，附近金屬礦和煤礦較多，在公路運(yùn)營期間，產(chǎn)生不均勻沉降，路面破損較為嚴(yán)重。經(jīng)分析，路基病害成因主要有3點(diǎn):①水庫水位的變化，使路基填土含水量不斷經(jīng)歷干濕循環(huán)，強(qiáng)度下降;②路基下伏透鏡狀軟弱土層，承載力較低，穩(wěn)定性差，在水庫水和車輛荷載長期作用下，使路基產(chǎn)生不均勻沉降;③交通流中重載車輛較多，致使路基路面產(chǎn)生破損。

通過綜合工程地質(zhì)勘察、病害成因分析，提出了開挖換填、夯擴(kuò)碎石樁、灌漿3種處治方案，通過綜合比較分析，最終采用壓力灌漿法進(jìn)行了該路基病害治理。為了評價(jià)處治工程的長期效果，結(jié)合施工在路基中埋設(shè)了沉降計(jì)、水位計(jì)和孔隙水壓計(jì)等傳感器進(jìn)行路基長期健康監(jiān)測，傳感器布設(shè)如圖5、圖6。觀測系統(tǒng)采用前述的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，承擔(dān)數(shù)據(jù)采集與傳輸作用的現(xiàn)場觀測的分機(jī)見圖7。

圖5 傳感器布置Fig.5 Layout of the sensor

圖6 傳感器的安裝與埋設(shè)Fig.6 Installation and burying of sensor

圖7 庫岸路基健康監(jiān)測現(xiàn)場分機(jī)Fig.7 Tributary station of health monitor of reservoir bank subgrade

5 結(jié)論

根據(jù)山區(qū)庫岸公路路基健康監(jiān)測的目的、特點(diǎn)和主要監(jiān)測內(nèi)容，并針對山區(qū)庫岸路基監(jiān)測點(diǎn)分布廣且分散及監(jiān)測工作量大的特點(diǎn)，提出了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的庫岸路基健康監(jiān)測數(shù)據(jù)通信解決方案，建立了采用GRPS數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。利用GPRS的Internet接入功能，在Internet上設(shè)置一個(gè)通信服務(wù)器，負(fù)責(zé)中轉(zhuǎn)主機(jī)與監(jiān)測終端設(shè)備之間的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，可為公路施工決策和安全運(yùn)營、路基病害防治提供依據(jù)，具有良好的應(yīng)用前景。

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Wireless Remote Health Monitoring of Mountainous Highway Subgrade along Reservoir Bank Based on GPRS

Yan Zongling1，Yang Jing2，Li Haitao2，Jiang Zhongming3
（1.National Engineering＆ Research Center for Highways in Mountain Area，Chongqing 400067，China;
2.Yunnan Research Institute of Highway Science＆ Technology，Kunming 650051，Yunan，China;
3.Changsha University of Science＆ Technology，Changsha 410004，Hunan，China）

The key parameters are chosen since highway subgrade is linear engineering，and monitoring points are distributed widely and dispersively.A remote health monitoring system is set up based on GPRS technique which provides long distance wireless transmission of health monitoring data for mountainous highway subgrade along reservoir bank.Health of subgrade along reservoir bank is analyzed and potential disease is discovered timely which provide scientific basis for construction decision，safety operation and subgrade disease preneention and control.

subgrade along reservoir bank;wireless remote health monitor;general packet radio service（GPRS）

U416.1

A

1674-0696（2012）04-0803-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.17

2011-09-05;

2012-01-11

交通運(yùn)輸部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目（200831674006，2011318740240）;云南省交通科技項(xiàng)目（2010（A）03-b）

閻宗嶺（1976—），男，河南鄭州人，副研究員，博士，主要從事道路工程方面的研究。E-mail:yanzongling@yahoo.com.cn。