基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道管片接頭轉(zhuǎn)角感知裝置研究

朱雨晨，李 忠，2

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海 201620；2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

針對(duì)地下隧道在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)受到地質(zhì)條件變化、圍巖結(jié)構(gòu)損傷劣化而導(dǎo)致的各種病害問(wèn)題，隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。雖然在隧道變形監(jiān)測(cè)方面取得了較大的進(jìn)展，但是也存在相應(yīng)的缺陷或者不足，如傳感器重復(fù)利用率低、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、監(jiān)測(cè)儀器（如全站儀、三維激光掃描儀等）費(fèi)用昂貴且不能達(dá)到實(shí)時(shí)性要求。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在服役壽命內(nèi)，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、環(huán)境相關(guān)參數(shù)，如位移、應(yīng)變、濕度和溫度等進(jìn)行長(zhǎng)周期性的監(jiān)測(cè)、檢查、維護(hù)及維修，以提供可用于相關(guān)耐久性的建議及判斷結(jié)果[1]。結(jié)合管片襯砌結(jié)構(gòu)一般采用錯(cuò)縫拼裝的方式，由于管片接頭缺乏來(lái)自相鄰管片的約束，比較容易張開(kāi)，不利于長(zhǎng)期防水[2]，因此，需要對(duì)管片接頭處進(jìn)行實(shí)時(shí)健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。文中采用接觸式測(cè)量的方法，以高精度、低成本、可維護(hù)、實(shí)時(shí)性為目標(biāo)，進(jìn)行盾構(gòu)隧道管片接頭處轉(zhuǎn)角感知裝置的設(shè)計(jì)和研究。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)技術(shù)，以更加方便、直觀、可靠的傳輸方式進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，內(nèi)容綜合了工程數(shù)學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)、電子通信等諸多學(xué)科，形成優(yōu)勢(shì)功能互補(bǔ)，旨在更加廣泛且可靠地運(yùn)用在隧道工程領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)之中。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)信息產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的革命性創(chuàng)新成果[3]，目前在各個(gè)領(lǐng)域都有快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。在隧道變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，物聯(lián)網(wǎng)也具備廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在隧道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[4]也越來(lái)越多。何斌等[5]研究無(wú)線傾角傳感器所采用的溫度補(bǔ)償和數(shù)字濾波算法，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傾角傳感器來(lái)檢測(cè)地下隧道的結(jié)構(gòu)變形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合隧道變形檢測(cè)的功能需求。王亞瓊等[6]分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與隧道施工之間的契合度關(guān)系，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道施工監(jiān)控量測(cè)技術(shù)，并成功應(yīng)用于大寶山隧道工程。彭毅弘等[7]設(shè)計(jì)了一套采用新型傳感器和ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并驗(yàn)證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。黃富禹等[8]闡述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的架構(gòu)體系及在隧道智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。借鑒以上研究，文中提出一種管片接頭轉(zhuǎn)角處位移感知裝置設(shè)計(jì)方案，根據(jù)電位器可變電阻的性質(zhì)介紹了裝置實(shí)現(xiàn)測(cè)量的原理和過(guò)程，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)盾構(gòu)隧道管片轉(zhuǎn)角處的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并驗(yàn)證了該監(jiān)測(cè)方法的可行性。

1 感知裝置設(shè)計(jì)

1.1 裝置原理分析

根據(jù)管片拼接結(jié)構(gòu)，將感知裝置固定在管片上，在考慮張開(kāi)角未發(fā)生錯(cuò)臺(tái)階段的小范圍角度變化情況下，對(duì)兩塊相鄰的管片在空間結(jié)構(gòu)中接頭處的節(jié)點(diǎn)[9]可能會(huì)發(fā)生的上凸、下凹的變化情況進(jìn)行模擬，結(jié)合空間幾何位移關(guān)系可以通過(guò)轉(zhuǎn)角角度得到管片位移變化的情況，其空間幾何角度模擬分析圖如圖1所示，可進(jìn)一步對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行判斷。

圖1 空間幾何角度模擬分析圖

假設(shè)裝置連接管片的臂長(zhǎng)為x，裝置導(dǎo)桿長(zhǎng)度為y，位移角α可由感知裝置檢測(cè)得知，在管片發(fā)生位移后有傾角θ，可通過(guò)已知條件x、y、α推導(dǎo)得到傾角θ：

1.2 裝置設(shè)計(jì)分析

電位式轉(zhuǎn)角感知裝置所采用的硬件包括Arduino UNO 開(kāi)發(fā)板、ESP8266 串口Wi-Fi 無(wú)線模塊、碳膜電位器、9 V 碳性電池、貝殼物聯(lián)網(wǎng)、固定導(dǎo)桿、轉(zhuǎn)向桿等。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖2 所示。圖2 中，1 為主控盒，內(nèi)置Arduino UNO 開(kāi)發(fā)板、ESP8266-01S 和電源裝置，預(yù)留電池殼、USB 接口、DC 插頭；2 為固定環(huán)，由頂部固定銷(xiāo)鎖住電位器，連接主控盒和固定導(dǎo)桿；3 為固定導(dǎo)桿，由長(zhǎng)導(dǎo)桿和連接件組成，主要有固定和支撐的作用；4 為轉(zhuǎn)向桿，一端用于鎖緊電位器旋鈕，另一端由連接件固定和支撐；5 為連接件，用于裝置與拼接塊的固定和整體的支撐。

圖2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

此裝置一側(cè)由固定導(dǎo)桿連接固定環(huán)，另一側(cè)的轉(zhuǎn)向桿采用固定銷(xiāo)鎖緊電位器旋鈕固定在裝置外殼上，使其軸心與旋鈕中心保持同心軸關(guān)系，轉(zhuǎn)向桿和旋鈕始終保持同步轉(zhuǎn)動(dòng)，最后將兩根導(dǎo)桿的連接件固定在管片上，由此完成裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在主控盒可以有效保護(hù)裝置內(nèi)部電路元件，并且具有防灰防塵的作用，能適應(yīng)地下隧道的惡劣環(huán)境。

1.3 安裝原理分析

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槟车罔F隧道管片結(jié)構(gòu)，每環(huán)管片采用管片分塊的形式，其中封頂管片的圓心角為22.5°，3 塊標(biāo)準(zhǔn)管片的圓心角均為67.5°，封頂管片兩端鄰接管片的圓心角均為67.5°。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎?∶10 的幾何相似比進(jìn)行制作，其接頭轉(zhuǎn)角測(cè)試空間模型示意圖如圖3 所示，在兩塊相鄰的管片接頭處安裝感知裝置。其監(jiān)測(cè)位置不局限于環(huán)向管片之間的測(cè)量，也可以對(duì)管片縱向的位移偏差進(jìn)行測(cè)量，真正意義上實(shí)現(xiàn)錯(cuò)縫管片拼裝結(jié)構(gòu)的靈活監(jiān)測(cè)。

圖3 管片接頭轉(zhuǎn)角測(cè)試模型示意圖

在完成盾構(gòu)隧道管片的設(shè)備安裝后，其整體監(jiān)測(cè)裝置的模塊框架示意圖如圖4 所示。N個(gè)感知裝置組成感知裝置模塊系統(tǒng)，根據(jù)管片所處不同位置在其接頭處安裝設(shè)備，對(duì)當(dāng)前定位的點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)模塊完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸[10]，以上部分均由電池提供電源，最后由物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和分析，生成曲線圖并且設(shè)定預(yù)警范圍，最終完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的感知裝置的模塊設(shè)計(jì)。

圖4 模塊框架示意圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電位器

電位器具有3 個(gè)引出端、兩個(gè)固定端和一個(gè)滑動(dòng)觸點(diǎn)，其阻值可按照某種線性變化規(guī)律調(diào)節(jié)，若改變滑動(dòng)觸點(diǎn)在電阻體上的位置，則改變了滑動(dòng)觸點(diǎn)與任一個(gè)固定端之間的電阻值，從而改變了電壓與電流的大小。電位器常用于收音機(jī)上調(diào)節(jié)音量的大小，其實(shí)質(zhì)上是對(duì)可變電阻器的調(diào)節(jié)，家用電器和儀器儀表常用碳膜電位器，電位器的主要使用要求是壽命長(zhǎng)、故障率低。故選擇單圈碳膜電位器（單聯(lián)），其標(biāo)準(zhǔn)阻值為10 kΩ，阻值公允誤差為±10%，機(jī)械轉(zhuǎn)角為300°（連續(xù)），工作溫度范圍為-20～85 ℃，旋轉(zhuǎn)壽命為15 000 轉(zhuǎn)。電位器是一種可以把線位移和角位移轉(zhuǎn)換成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件[11]，圖5 所示為單圈碳膜電位器原理示意圖。假定全長(zhǎng)為amax的電位器總電阻為Rmax，電阻沿長(zhǎng)度的分布是均勻的，電阻與角度、電壓與角度的關(guān)系分別為：

圖5 電位器原理示意圖

2.2 Arduino UNO

Arduino UNO實(shí)質(zhì)是基于ATmega328P的Arduino開(kāi)發(fā)板，其幾乎具備了微控制器所需的一切功觸，僅需要把它連接到計(jì)算機(jī)的USB 接口，或者選擇ACDC 適配器，或使用電池，就可以驅(qū)動(dòng)這塊開(kāi)發(fā)板。Arduino UNO 的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境使用的是Arduino IDE，是具有類(lèi)似Java、C 語(yǔ)言的Processing/Wiring 開(kāi)發(fā)環(huán)境。Arduino UNO 有自己的編程語(yǔ)言，是簡(jiǎn)化的編寫(xiě)代碼流程。Arduino UNO 的程序語(yǔ)法結(jié)構(gòu)包含以下兩個(gè)函數(shù)：Set up()與Loop()。Set up()在程序流程中只會(huì)執(zhí)行一次，用于定義所有需要設(shè)定、初始化的參數(shù)和函數(shù)，或者是引腳功能的指定，都會(huì)在這部分先定義完成[12]。Loop()是主程序的執(zhí)行內(nèi)容，保證電源不中斷時(shí)，函數(shù)內(nèi)的程序會(huì)處于一直執(zhí)行的狀態(tài)。

2.3 ESP8266-01S

ESP8266系列Wi-Fi模塊一共有01～14多款模塊，其中ESP8266-01 簡(jiǎn)稱(chēng)ESP-01，網(wǎng)上售價(jià)在7～8 元左右，在ESP8266系列中具有較高的性?xún)r(jià)比。ESP-01 需要上拉電阻10 kΩ，而ESP-01S板已經(jīng)有上拉電阻，其他參數(shù)幾乎相同，故選擇ESP-01S，圖6 所示為ESP-01S示意圖。ESP-01S模塊是由一顆ESP8266作為主控和一顆flash作為存儲(chǔ)芯片組成的，帶有板載芯片，供電采用3.3 V電壓，使用串口進(jìn)行燒寫(xiě)程序和AT指令集調(diào)試。ESP8266集成的Wi-Fi芯片可以工作在3種模式下，分別是AP模式，STA模式和STA+AP模式，支持TCP/IP，其傳輸速率穩(wěn)定在10 Mbps[13]，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 ESP-01S示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 貝殼物聯(lián)

貝殼物聯(lián)云平臺(tái)主要以TCP 協(xié)議為主要通信方式，同時(shí)輔以UDP 協(xié)議，兩種協(xié)議之間的信息可以互通。進(jìn)入貝殼物聯(lián)官網(wǎng)，免費(fèi)注冊(cè)一個(gè)賬號(hào)，添加智能設(shè)備和設(shè)置接口，記錄下設(shè)備ID、對(duì)應(yīng)的APIKEY和接口ID。當(dāng)設(shè)備通電連接上客戶端時(shí)，智能設(shè)備即處于在線狀態(tài)。

3.2 程序設(shè)計(jì)

進(jìn)入Arduino IDE，點(diǎn)擊工具選擇開(kāi)發(fā)板型號(hào)和端口，注意填寫(xiě)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，即在代碼中填寫(xiě)無(wú)線網(wǎng)名稱(chēng)和密碼，點(diǎn)擊上傳到開(kāi)發(fā)板，得到調(diào)試結(jié)果。下一步進(jìn)行斷電重啟，拔掉USB 接口再重新接上，在完成重啟步驟后，打開(kāi)IDE的串口監(jiān)視器，調(diào)整波特率為9 600位/s，執(zhí)行程序AT 指令，直到出現(xiàn){"L":"WELCOME TO BIGIOT"}，則表示設(shè)置成功。

根據(jù)程序要求填寫(xiě)貝殼物聯(lián)中添加的設(shè)備ID、APIKEY 和接口ID，即完成代碼的修改。等待程序上傳成功之后，打開(kāi)串口監(jiān)視器，調(diào)整波特率為115 200 位/s，電位器旋鈕的當(dāng)前數(shù)據(jù)即上傳到貝殼物聯(lián)預(yù)設(shè)的接口上。

3.3 監(jiān)測(cè)模式設(shè)計(jì)

在完成電路搭建和程序設(shè)計(jì)后，其系統(tǒng)執(zhí)行的流程圖如圖7 所示。設(shè)備通過(guò)USB 接口連接電腦開(kāi)始提供電源，上傳AT 指令完成透?jìng)髂Ｊ剑晒B接上貝殼物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。下一步通過(guò)電位器的電壓轉(zhuǎn)化為模擬量輸入到開(kāi)發(fā)板上，再由已連接上Wi-Fi 的ESP-01S 完成數(shù)據(jù)的傳輸，在程序中輸入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)備和數(shù)據(jù)接口，則完成數(shù)據(jù)的輸出端設(shè)計(jì)[14]。此時(shí)，打開(kāi)貝殼物聯(lián)，設(shè)備在線，數(shù)據(jù)同步或以曲線圖呈現(xiàn)，若在基準(zhǔn)范圍內(nèi)波動(dòng)，則視為穩(wěn)定狀態(tài)；若波動(dòng)范圍超過(guò)預(yù)警條件，則向客戶端發(fā)送警告，完成系統(tǒng)流程圖循環(huán)。

圖7 系統(tǒng)流程圖

4 系統(tǒng)運(yùn)行及分析

登錄貝殼物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站，此時(shí)設(shè)備已顯示在線狀態(tài)，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)查看，轉(zhuǎn)動(dòng)電位器上的旋鈕，效果同初始測(cè)試結(jié)果相同，其數(shù)值變化范圍為0～1 023，串口監(jiān)視器上的數(shù)據(jù)波動(dòng)在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上同步呈現(xiàn)，每間隔5 s 上傳一次數(shù)據(jù)，沒(méi)有數(shù)據(jù)延時(shí)，則表明該方案具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步上傳的可行性。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試調(diào)查，電子元件表面粗糙會(huì)使電刷觸點(diǎn)與電阻元件表面接觸不良，因此，在沿碳膜長(zhǎng)度方向上接觸電阻會(huì)發(fā)生突變而不連續(xù)[15]。即在電位器保持靜止的情況下，其數(shù)值仍會(huì)有小范圍波動(dòng)，由圖8可知，數(shù)據(jù)波動(dòng)在±2 V 的范圍內(nèi)，滿足阻值公允誤差的10%以?xún)?nèi)，即視為正常狀態(tài)。若數(shù)據(jù)波動(dòng)超過(guò)誤差的10%，則判斷該處發(fā)生位移，進(jìn)行預(yù)警反饋。

圖8 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)數(shù)據(jù)

此次測(cè)試的是盾構(gòu)隧道管片模型，對(duì)管片接頭處進(jìn)行模擬位移實(shí)驗(yàn)[16]，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集為2020 年4月14 日13:30～14:30 時(shí)間段內(nèi)PC 客戶端生成的數(shù)據(jù)，同時(shí)某一時(shí)間段在手機(jī)微信端打開(kāi)貝殼物聯(lián)小程序，點(diǎn)擊在線設(shè)備，得到圖9 所示手機(jī)客戶端同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)為480 V（2020 年4 月14 日13：34 瞬時(shí)變化），在對(duì)應(yīng)的時(shí)間，其數(shù)據(jù)更新與PC 客戶端保持一致，符合數(shù)據(jù)同步更新的條件。

圖9 貝殼物聯(lián)小程序

5 結(jié)束語(yǔ)

文中結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)進(jìn)行拓展，為解決隧道管片接頭處轉(zhuǎn)角變化的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的電位式轉(zhuǎn)角感知裝置。依據(jù)電位器可變電阻的原理，結(jié)合空間幾何位移關(guān)系，通過(guò)Arduino 技術(shù)分別從硬件和軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后對(duì)系統(tǒng)裝置進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)同步顯示在貝殼物聯(lián)及手機(jī)客戶端上，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)時(shí)健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。