高速公路隧道進(jìn)出口支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃謀分

摘要：傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)在進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，傳感器采集數(shù)據(jù)抗干擾能力差，監(jiān)控識別準(zhǔn)確率低。針對這一問題，文章進(jìn)行高速公路隧道進(jìn)出口支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)型號為TB0821高性能傳感器，內(nèi)置MPU-N08210芯片，可忽略電纜的電阻等影響因素，具有極強(qiáng)的抗干擾能力。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)三相電調(diào)理電路，有效防止傳感器由于缺相運(yùn)行造成相序錯(cuò)亂問題的發(fā)生，先對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，再通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)3個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控識別準(zhǔn)確率均明顯高于實(shí)驗(yàn)對照組，能夠?qū)崿F(xiàn)對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：

高速公路隧道;支護(hù)結(jié)構(gòu);受力;監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

高速公路隧道進(jìn)出口支護(hù)結(jié)構(gòu)作為保障高速公路隧道安全的重要結(jié)構(gòu)，對支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠有效降低大型土木工程結(jié)構(gòu)事故發(fā)生的概率。為此，本文設(shè)計(jì)一種高速公路隧道進(jìn)出口支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，致力于通過監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握支護(hù)結(jié)構(gòu)的具體情況，判斷是否存在內(nèi)部損傷，如有則對其發(fā)生損傷的位置以及程度進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，從而做出及時(shí)有效的處理措施[ 1 ]。結(jié)合2002年7月在法國巴黎舉辦的第一屆歐洲SHM國際專題研討會中針對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的研究，建議應(yīng)用永久性傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)控，盡量避免隧道進(jìn)出口支護(hù)結(jié)構(gòu)病害多、維修成本高的現(xiàn)象。支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化是建筑行業(yè)發(fā)展的必然選擇，通過支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控可以最大限度地降低隧道潛在的風(fēng)險(xiǎn)[2]。本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用無損傳感技術(shù)，通過分析支護(hù)結(jié)構(gòu)受力內(nèi)在結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性，利用傳感器對發(fā)生的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取，針對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力老化以及受損信息進(jìn)行提取，為高速公路隧道進(jìn)出口支護(hù)結(jié)構(gòu)的維修工作提供理論依據(jù)。

1 硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)中，首先進(jìn)行硬件部分設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的硬件在傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)高性能傳感器;再通過設(shè)計(jì)三相電調(diào)理電路，將其作為高性能傳感器的補(bǔ)充，致力于提高監(jiān)控硬件綜合性能。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容，如下文所述。

1.1 設(shè)計(jì)高性能傳感器

考慮到高性能傳感器是硬件設(shè)計(jì)的核心設(shè)備，本文設(shè)計(jì)的高性能傳感器可以根據(jù)隧道進(jìn)出口支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的空間特征，精準(zhǔn)采集支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

[3]。結(jié)合隧道進(jìn)出口支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要，本文設(shè)計(jì)的高性能傳感器型號為TB0821[4]。其具體參數(shù)信息包括：0.8 MP的量程;

0.005的靈敏度;工作電壓為3.0～6.8 V;最大超載能力為200%F·S;精度控制在1.5%

F·S;溫度范圍為-15 ℃ ～±100 ℃。通過本文設(shè)計(jì)的高性能傳感器能夠在采集支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同時(shí)，獲取支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)狀態(tài)變化的信息。因此，只要通過高性能傳感器測量出感應(yīng)電勢的頻率，就可以得到支護(hù)結(jié)構(gòu)受力振弦的頻率，從而得到振弦所受到的應(yīng)力。利用高性能傳感器得到振弦所受到的應(yīng)力進(jìn)行顯示與分析，具體方法為：將采集到的振弦所受到的應(yīng)力以曲線分析的方式進(jìn)行顯示，再通過分析其特征值判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的實(shí)時(shí)狀態(tài)，是否存在內(nèi)部損傷等安全隱患。與此同時(shí)，利用高性能傳感器輸出數(shù)字信號，傳輸過程中由于高性能傳感器內(nèi)置MPU-N08210芯片，可忽略電纜的電阻等影響因素，具有極強(qiáng)的抗干擾能力，可以實(shí)現(xiàn)長距離傳輸，進(jìn)而從根本上提高隧道進(jìn)出口支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性以及有效性[5]。

1.2 設(shè)計(jì)三相電調(diào)理電路

為了防止高性能傳感器由于缺相運(yùn)行造成相序錯(cuò)亂問題的發(fā)生，本文在傳感器的降噪電路基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)三相電調(diào)理電路[6]。三相電調(diào)理電路能夠通過感知電壓情況精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)有缺相或者相序錯(cuò)誤，從而及時(shí)斷開高性能傳感器內(nèi)部繼電器并報(bào)警。三相電調(diào)理電路的設(shè)計(jì)在最大程度上提高了本文設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)硬件的可操作性，能夠保證對隧道進(jìn)出口支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控工作的穩(wěn)定性。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 模型構(gòu)建

支護(hù)結(jié)構(gòu)受力模型：

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)特征提取

本文在支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示與分析的基礎(chǔ)上，對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行特征提取[7]。通過多物體跟蹤，進(jìn)行行為特征提取，從監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中尋找滿足預(yù)先設(shè)定的行為特征的事件，進(jìn)而將支護(hù)結(jié)構(gòu)受力連續(xù)性工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為用于之后處理的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的數(shù)字信號。在數(shù)據(jù)特征提取階段，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)及自由切換的功能，判斷出監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的異常特征，并提取異常數(shù)據(jù)。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)特征提取是設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)軟件中的重要環(huán)節(jié)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)在處理過程中的精準(zhǔn)化程度及穩(wěn)定度關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控的精準(zhǔn)化程度及穩(wěn)定度。

2.3 設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫

針對上述特征提取后的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一個(gè)體系成熟的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)的后臺支撐。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫的主要功能為對監(jiān)控到的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲及管理。將所有經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)直接存儲至數(shù)據(jù)庫中[8]。以此可以直接通過支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的對比，得出支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)情況，以便做出及時(shí)有效的應(yīng)對決策。

2.4 實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控

在監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，必須嚴(yán)格按照以上軟件設(shè)計(jì)的工作流程，直接把監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過運(yùn)營商基站傳輸，經(jīng)過數(shù)據(jù)庫的自動(dòng)化判斷，對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)化監(jiān)控，從而能夠獲得精準(zhǔn)監(jiān)控的效果，實(shí)現(xiàn)對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高高速公路隧道進(jìn)出口的安全性。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

通過對廣西43 km四車道高速公路隧道的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析，同時(shí)也兼顧隧道所處的環(huán)境、項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)限制等因素，設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量為3個(gè)，本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為測試兩種監(jiān)控系統(tǒng)的識別準(zhǔn)確率。經(jīng)過實(shí)際檢測，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力異常數(shù)據(jù)為55個(gè)，分別使用傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)以及本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。監(jiān)控識別異常數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)越接近55個(gè)，證明該監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控識別準(zhǔn)確率越高，而監(jiān)控識別準(zhǔn)確率越高證明該監(jiān)控系統(tǒng)對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控的精度越高。為保證實(shí)驗(yàn)的一致性，每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的配置完全相同，在主數(shù)據(jù)集中部署Specrk.0.1[CD*2]bing[CD*2]keudeep2.6和Hadoop[CD*2]1.0.3穩(wěn)定版，盡量避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果受外界因素干擾而導(dǎo)致誤差過大。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

根據(jù)上述設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，將兩種監(jiān)控系統(tǒng)下得到的監(jiān)控識別準(zhǔn)確率進(jìn)行對比，整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

通過圖1可得出如下結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)3個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控識別異常數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與實(shí)際監(jiān)控識別異常數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)更接近，因此監(jiān)控識別準(zhǔn)確率高于實(shí)驗(yàn)對照組，能夠?qū)崿F(xiàn)對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而說明所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)其各項(xiàng)功能可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 節(jié)點(diǎn)分布的力學(xué)性能分析

試件強(qiáng)度主要通過節(jié)點(diǎn)分布處的應(yīng)力值描述，試件強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1。

分析表1可知，當(dāng)正向加載力加載至位移延性系數(shù)是2.2時(shí)，節(jié)點(diǎn)分布處的應(yīng)力值分別變成0.788、0.724、0.818、0.976、0.839，和其他位移延性系數(shù)下的應(yīng)力值相比，此時(shí)應(yīng)力值最小，承載力最低，節(jié)點(diǎn)分布處易受損;當(dāng)正向加載至位移延性系數(shù)是1.5、反向加載至-3.3時(shí)，節(jié)點(diǎn)分布處的應(yīng)力值高于其他位移延性系數(shù)下的應(yīng)力值，節(jié)點(diǎn)的承載力在此時(shí)達(dá)到極限，不易出現(xiàn)異常。

4 結(jié)語

考慮到高速公路隧道進(jìn)出口支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用愈發(fā)凸顯，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了從簡單功能實(shí)現(xiàn)到精度、速度快速發(fā)展的開發(fā)過程。因此，本文進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為道路設(shè)施安全監(jiān)控提供了更為有效的解決措施。通過實(shí)例分析證明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義，可以應(yīng)用在高速公路隧道進(jìn)出口支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)監(jiān)控方面。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔智昊.山區(qū)高速公路淺埋軟巖隧道圍巖變形分析及支護(hù)對策研究[J].公路，2015，60（9）：294-297.

[2]徐俊國，馮洪波.運(yùn)營隧道襯砌變形實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及季節(jié)性變形規(guī)律研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2016（6）：261-263.

[3]劉運(yùn)明.自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分監(jiān)測技術(shù)在地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2016（1）：99-103.

[4]楊彤瑤，王 彬，李 川，等.基于改進(jìn)主元分析方法的隧道應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，33（11）：3 284-3 287.

[5]于 凱，左自波，王穎軼，等.基于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測的高烈度區(qū)沉管隧道施工可視化系統(tǒng)[J].地震工程學(xué)報(bào)，2014（3）：759-764.

[6]蒲 浩，彭 永，徐 源，等.隧道工程監(jiān)控三維實(shí)時(shí)交互可視化信息平臺研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2014，31（3）：91-96.

[7]王宜懷，黃 鑫，蔡闖華，等.基于NB-IoT和微信小程序的遠(yuǎn)程移動(dòng)實(shí)時(shí)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，39（4）：68-74.

[8]李 康，賈 超，狄勝同，等.全斷面開挖隧道支護(hù)體系力學(xué)特性監(jiān)測分析研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2018，14（S2）：372-380.