無線傳感網(wǎng)絡技術在隧道變形與防災監(jiān)測中的應用研究

嵇 中

(上海市城市建設設計研究總院，上海 200125)

無線傳感網(wǎng)絡技術在隧道變形與防災監(jiān)測中的應用研究

嵇 中

(上海市城市建設設計研究總院，上海 200125)

針對當前隧道結構變形與防災監(jiān)測手段存在的不足，對無線傳感網(wǎng)絡在隧道工程應用的可行性進行試驗研究，提出一種基于材料力學的新型監(jiān)測位移方法，結合不同的監(jiān)測位置，建立相應的位移-傾角變化量的量測方程。通過室內管片加載試驗，驗證了新型位移監(jiān)測方法的可行性和無線傳感網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，借助軟件Smartfire進行了隧道火災數(shù)值模擬試驗，針對火災溫度場的分布情況，提出合理的監(jiān)測距離和監(jiān)測精度。通過室內試驗和數(shù)值模擬，對無線傳感網(wǎng)絡的硬件及布置方案均提出相關指標，以滿足工程實時監(jiān)測要求。

無線傳感器網(wǎng)絡；隧道變形監(jiān)測；隧道防災模擬；監(jiān)測距離與精度

0 引言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，交通問題日益突出，隧道的開發(fā)和利用由此變得越來越迫切。然而，隧道在給人們生活和交通出行帶來便利的同時，也存在著安全隱患。特別是長大隧道，因其自身結構特點(如對外出口少、空間相對封閉、自然排煙困難等)，一旦發(fā)生災害會十分危險，尤其是火災，一旦發(fā)生將會給人民的生命財產(chǎn)安全帶來極大威脅。在100年的設計壽命期內，隧道結構能否健康服役越來越受到社會的廣泛關注[1]。

為保證隧道運營安全，建立了防災監(jiān)測系統(tǒng)，將采集到的傳感器數(shù)據(jù)集中存儲管理。為確保能夠準確獲取數(shù)據(jù)，防災監(jiān)測系統(tǒng)需要將傳感器用傳輸設備(如電纜、集線器等)聯(lián)接，這種方式雖然能夠保證數(shù)據(jù)準確，但安裝、維護和擴展卻很困難，并且價格昂貴。據(jù)統(tǒng)計25%的系統(tǒng)費用為安裝費用，75%的系統(tǒng)安裝時間用在安裝電纜上[2]。隨著監(jiān)測點數(shù)量的增加，監(jiān)測系統(tǒng)的總費用會以超線性方式增加。

為了克服傳統(tǒng)防災監(jiān)測技術瓶頸，研究人員不斷嘗試采用新的監(jiān)測技術。1998年，Straser &Kiremidjian率先提出了在土木工程中采用無線自組織傳感器網(wǎng)絡(WSN)進行監(jiān)測，以降低系統(tǒng)造價、簡化安裝過程及增強系統(tǒng)功能。由于WSN不需要鋪設電纜，因此一定程度上降低了安裝和維護成本。不僅如此，無線傳感結點本身具有計算能力和存儲功能，無線傳感結點之間還具有點對點通信能力，這顛覆了傳統(tǒng)傳感器采集數(shù)據(jù)的概念。在WSN中，每個傳感結點是自組織的，具有采集結構性能數(shù)據(jù)的智能感知單元，最大優(yōu)勢在于自身具有數(shù)據(jù)處理和分析能力。2007年，John E. Fernández[3]闡述了具有自感知能力的智能結構是當前發(fā)展趨勢。近年來，許多學者利用WSN在土木工程監(jiān)測中進行了試驗研究[4-8]，初步驗證了其可行性和優(yōu)越性。

雖然該技術在很多領域受到廣泛關注，但在隧道火災監(jiān)測和結構性能、智能感知方面的研究和應用相對較少。2010年，Soga在英國倫敦部分隧道結構上進行了WSN的應用嘗試；2011年，Chang.D在臺灣觀音山公路隧道內安裝了無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡，并進行防災監(jiān)控。隨著大量隧道建設投入運營，為了使其健康服役且災害監(jiān)測處在可知、可控狀態(tài)，進行隧道結構性能感知方法研究具有非常重要的應用價值。本文將深入研究無線傳感網(wǎng)絡在隧道應用的可行性，為今后大規(guī)模應用提供指導。

1 無線傳感器網(wǎng)絡

1.1 網(wǎng)絡結構

隨著半導體技術、傳感器技術、嵌入式技術以及通信技術的飛速發(fā)展，具有感知、計算、存儲和通信能力的無線傳感器網(wǎng)絡的應用越來越廣泛。傳感器節(jié)點通過自組織的方式構成無線傳感器網(wǎng)絡，能夠實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內監(jiān)測對象的各種信息，并加以處理，完成對環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測任務。

無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點包括：傳感器節(jié)點 (Sensor Node)、匯聚節(jié)點 (Sink Node)和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域 (Sensor Field)，負責采集信息，并通過自組織方式構成網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測資料可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過Internet連接到遠程終端用戶的局域網(wǎng)內，或者通過串口直接連接到用戶計算機。通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡進行配置和管理，并發(fā)布監(jiān)測任務、收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡體系結構如圖1所示。

1.2 無線傳感器

本文所涉及的無線傳感器產(chǎn)品分別是：Crossbow公司的網(wǎng)關MIB520、射頻板MPR2400CA、傳感器板MDA300CA(自帶溫濕度傳感模塊)、傾角傳感器CXTLA02和位移傳感器DCTH4000，如圖2—6所示。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡體系結構

圖2 USB網(wǎng)關

圖3 射頻板

圖4 傳感器板

圖5 傾角傳感器

圖6 位移傳感器

1.3 無線傳感網(wǎng)絡的優(yōu)越性

無線傳感網(wǎng)絡采用ZigBee協(xié)議，使用2.4 GHz的免費頻段，具有低能耗、低成本、高測量精度、高抗干擾、高保密性和自動動態(tài)組網(wǎng)且布置靈活等優(yōu)點，具有傳統(tǒng)有線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢。尤其在隧道內監(jiān)測，無線傳感器能自動采集數(shù)據(jù)并進行存儲、處理。通過無線通信模塊將所處理后的數(shù)據(jù)傳遞給遠程終端，無需人工進隧道監(jiān)測，這樣既能保證工程技術人員的安全，又能自動實時記錄隧道的動態(tài)變化，解決了只能依靠人工定期進隧道檢查的問題，能夠較大地提高隧道的養(yǎng)護效率，保證隧道的使用壽命。

2 隧道變形監(jiān)測方法研究

2.1 基于材料力學的位移與傾角關系法

結構受力后，其轉角和撓度符合材料力學中彎曲變形規(guī)律。當需要監(jiān)測結構的拱頂沉降時，可以從轉角變化推算撓度變化，如圖7所示。在彎曲變形很小且材料服從胡克定律的情況下，撓曲線的微分方程是線性的，不同荷載可以疊加。

wmax為跨中最大撓度；F為拱頂集中力/kN；x為距A點距離/mm；l為全跨長度/mm；θ為任意一點在受力后的傾角值。

圖7結構受力變形圖
Fig. 7 Structure deformation under loadings

AC:(0≤x1≤l/2)

BC:(l/2≤x2≤l)

通過公式推導，得：

因為C處轉角為0，所以跨中C的撓度最大。

wmax=F(l/2)3/12-l2F/16·l/2=-Fl3/(48EI)。

推導出跨中的位移與任意一點傾角變化值(除中點)關系如下：

2.2 室內加載試驗

在管片上貼上傾角計，通過反復加卸載試驗，記錄某一位置的角度變化，同時記錄跨中位置的實際位移值，其目的在于驗證提出材料力學方法監(jiān)測公式是否合理，并指出該公式在地下結構中的應用范圍。室內加載試驗傳感器布置如圖8所示。

(a)

(b)

將表1不同測點的跨中位移實測值與公式推導值繪制成隨加載力大小變化的關系曲線，如圖9所示。

表1 跨中和傾角測點位移監(jiān)測與推導值Table 1 Experiment results

由位移-傾角公式可看出：位移與傾角成線性關系，在每個時刻只要能測出該時刻的傾角變化值，就能計算出相關位置的位移相對變化值。對于傾角計(WSN傳感器)的布置位置也是本文研究的一項重要內容，選取合適的測點使得測量誤差最小。上述結果表明：隨著傾角計距跨中距離的增加，實測的位移值與傾角推導的位移值誤差越來越小。因此，不能將傾角計布置在太靠近結構頂部中央位置，應保持一定距離。圖9(a)中傳感器距跨中為550 mm，約0.22跨度時，測量誤差值較小，滿足監(jiān)測要求。在實際監(jiān)測中建議距離為1/4跨度，該位置所得結果較為理想。

通過對上述4種測點隨加載力變化的曲線分析(見圖10)，認為當加載力的大小控制在100～150 kN時，實測位移值和公式推導值的差值較小，而實際地下結構埋深不深，頂部受荷按每延米計算在100 kN/m左右。因此，100～150 kN加載力對位移傳感器的影響有一定的工程應用價值。

(a) 傳感器距接縫550 mm的試驗曲線

(b) 傳感器距接縫450 mm的試驗曲線

(c) 傳感器距接縫400 mm的試驗曲線

(d) 傳感器距接縫350 mm的試驗曲線

圖10 加載力100～150 kN時實測值與理論值相對誤差分析Fig. 10 Difference value between measured results and calculated results

在整個試驗中，實測位移值與公式推導值的平均誤差僅為4.94%，證明該材料力學推導方法可行，能夠滿足工程應用條件。

3 隧道防災監(jiān)控研究

采用SmartFire軟件模擬隧道內火災發(fā)生全過程，通過監(jiān)測不同時間間隔、不同監(jiān)測距離測點溫度變化，提出實際無線溫度傳感器的最大布置間距和最小測溫精度，得到既經(jīng)濟又高效的火災監(jiān)測方案。5 MW火源尺寸大?。洪L×寬×高 = 4.5 m×2.0 m×1.5 m。隧道長取100 m，火源距隧道其中一端口30 m處，如圖11所示，紅色即為火源。

(a) 火災模擬尺寸

(b) 火災位置分布

采取2種不同升溫方式。工況1：瞬時爆炸模型，當t=0，Q=5 MW時。工況2：燃燒升溫模型，當火災按t2發(fā)展時，時間常數(shù)為0.188，即Q=0.188t2。2種工況的溫度變化如圖12所示，隧道縱截面溫度變化曲線如圖13和圖14所示。

(a) 工況1(15 s)溫度變化云圖

(b) 工況2(60 s)溫度變化云圖

圖13 工況1：隧道縱截面溫度變化曲線圖Fig. 13 Curves of temperature changes in explosion mode along tunnel alignment

圖14 工況2 隧道縱截面溫度變化曲線圖Fig. 14 Curves of temperature changes in combustion mode along tunnel alignment

從圖13和圖14可看出：1)隧道內發(fā)生火災后，火源正上方拱頂處溫度變化最快、最靈敏，所以一般將溫度傳感器安裝在拱頂處。 2)隧道內發(fā)生火災且瞬間爆炸后(工況1)，周圍環(huán)境溫度上升特別快，火源上方在5 s后就能達到數(shù)百攝氏度，且影響范圍也非常大；而工況2的升溫比較緩慢，60 s后火源上方溫度才幾十度，且影響范圍較小。3)根據(jù)試驗結果提出可行性指標。傳感器精度、最大布置間距、報警時間以及報警指標如表2所示。

表2傳感器精度、最大布置間距和報警時間關系
Table 2 Relationship among precision,maximum distance and alarming values of sensors

火災類型報警時間/s傳感精度/(°)報警值/℃最大布置間距/m瞬時爆炸緩慢升溫153030600．11．533+33=660．34．531+31=620．57．530+30=601．01528+28=560．13．058+58=1160．39．056+56=1120．51554．5+54．5=1091．03051．5+51．5=1030．13．09+9=180．39．04．5+4．5=90．5154．51．0303．00．16．021+21=420．31811+11=220．5305+5=101．0601+1=2

4 結論與建議

4.1 結論

通過室內管片加載試驗，驗證基于變形-傾角監(jiān)測方法的有效性以及適用范圍，并通過不同測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，建議將無線傳感器安裝在結構1/4跨度處較為理想；分析加載力與監(jiān)測數(shù)值關系可知，當結構受荷控制在100～150 kN/m時，公式推導值與實測值的平均誤差僅為4.94%，滿足工程監(jiān)測要求，有效證明無線傳感器網(wǎng)絡在隧道變形監(jiān)測中的可行性。

采用數(shù)值模擬方法，共模擬了2種不同工況的火災情況，通過分析火災發(fā)展過程，給出傳感器精度、傳感器布置間距以及報警時間之間的關系。在實際通道環(huán)境中，上述2種火災類型都有可能發(fā)生。當發(fā)生瞬時爆炸時，要求報警時間≤15 s，傳感器精度≤1°，溫度傳感器的最大布置間距為60 m(小于無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的最遠傳感距離)；當發(fā)生緩慢燃燒時，要求報警時間≤60 s，對于精度為0.1°的傳感器，最大間距為20～40 m；對于精度為0.3°的傳感器，最大間距為10～20 m；對于精度是0.5°的傳感器，最大間距為3～5 m；對于精度為1°的傳感器，最大間距為2m。在緩慢燃燒的情況下，傳感器的精度對傳感器的最大布置間距影響較大，建議選用0.1°精度的傳感器。

4.2 建議

在今后的研究中，還需進一步開展以下幾方面工作：

1)采用不同傳感頻率的無線傳感器在地下結構中進行通信距離及障礙物影響的監(jiān)測試驗。

2)進行圓形隧道的整環(huán)模型試驗，驗證監(jiān)測位移方法的準確性和應用范圍，需進一步在盾構隧道中進行現(xiàn)場試驗。

3)繼續(xù)深入研究火源大小、風速等因素對隧道火災發(fā)生、發(fā)展的影響，提出更加合理的火情監(jiān)控系統(tǒng)。

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ApplicationofWirelessSensorNetworkTechnologyinTunnelDeformationMonitoringandDisasterPrevention

JI Zhong

(ShanghaiUrbanConstructionDesign&ResearchInstitute,Shanghai,200125,China)

The applicability of wireless sensor network technology in tunnel works is studied,and a new displacement monitoring technology based on material mechanics is proposed.Meanwhile,displacement-dip angle monitoring equation is established by combining the different monitoring positions. The applicability and stability of the wireless sensor network technology are testified by indoor segment loading tests. Rational monitoring distance and monitoring precision are decided by using fire disaster simulation test by means of Smartfire. In the end,related indexes of hardware and layout of wireless sensor network are proposed.

wireless sensor network;tunnel deformation monitoring;tunnel disaster prevention simulation;monitoring distance;monitoring precision

2013-09-13;

2013-12-04

嵇中(1986—)，男，浙江長興人，2012年畢業(yè)于同濟大學，隧道及地下建筑工程專業(yè)，碩士，助理工程師，主要從事隧道及地下工程方面的設計與研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.02.008

U 456.3

A

1672-741X(2014)02-0134-06