基于GPRS的山区库岸公路路基无线远程健康监测

阎宗岭，杨 静，栗海涛，蒋中明

（1.国家山区公路工程技术研究中心，重庆 400067;2.云南省公路科学技术研究院，云南昆明 650051;3.长沙理工大学，湖南长沙 410004）

基于GPRS的山区库岸公路路基无线远程健康监测

阎宗岭1，杨 静2，栗海涛2，蒋中明3

（1.国家山区公路工程技术研究中心，重庆 400067;2.云南省公路科学技术研究院，云南昆明 650051;3.长沙理工大学，湖南长沙 410004）

针对公路路基是线形工程，监测点空间分布广且分散特点，确定了库岸路基健康监测重点内容、指标;建立了基于GPRS数据传输的山区库岸路基远程健康监测系统;实现了库岸路基安全监测数据的无线远程传输，可掌握路基健康状况并及时发现路基病害，为公路施工决策和安全运营、路基病害防治提供依据。

库岸路基;无线远程健康监测;GPRS技术

山区公路库岸路基健康监测的目的是从变形失稳等病害特点出发，对影响库岸路基变形稳定的主要因素及表现形式进行综合分析，对变形量、变形速率、孔隙水压力、支挡结构承受的荷载等进行监测，以评价路基健康状况。主要体现在以下几方面:

1）作为路基工程监控、优化设计手段的健康观测，其目的在于了解路基变形的动态变化过程，特别是陡斜坡、软弱地基或不良地质体上的高填方库岸路基，监测路基及地基变形的动态变化过程，控制地基与路基的稳定性。

2）掌握路基施工及运营过程变形稳定演变过程，及时捕捉路基变形失稳的特征信息，为路基病害防治及预防性养护提供技术依据。

3）对已经发生病害并治理后的库岸路基，监测结果也是检验库岸路基病害治理工程效果的手段。

4）为进行有关位移反分析及数值模拟计算提供参数，进行有关反分析计算，从而验证新的路基结构设计。

1 山区库岸公路路基健康监测的特点

公路路基是线性工程，延伸区域大，山区库岸公路路基按岩土介质可分为土质路基与岩质路基两大类，而岩土介质具有复杂性和特殊性，因而库岸路基监测具有以下特点:

1）岩土体介质的复杂性，且受水影响较大。对于某一具体工程而言整个监测区域范围较大，路基填筑材料也不同，并且分布不均匀，且经常受到库水及地下位变化的影响，因此其监测工作也较复杂。

2）监测的内容相对较多，包括路基变形，支挡与防护工程受力，路基内部应力、水压力等。

3）监测的周期较长，一般不少于1年或更长时问，有时是贯穿于整个工程建设与运营期。

2 山区库岸公路路基健康监测内容

对于存在潜在病害的库岸路基，主要是对库岸路基失稳病害致灾条件、灾变过程、治理效果进行监测。常规健康监测项目有:路基外部及内部变形（x、y二方向位移）、倾斜;相关物理参数如应力应变;支挡与防护工程所受荷载;环境因素（降雨量、地下水、孔隙水压力、水位等。

3 路基健康监测及数据无线传输系统

山区库岸公路路基健康监测需要安装有多种类型的监测传感器，如位移计、土压力盒、孔隙水压力计等。这些传感器在安装后，由于地势偏远、险要，现场大多无法提供便利、安全的人行通道及配套供电设施，特别是在汛期或梅雨季节需要加密或全天候实时监测时，现场塌方、落石及滑坡将会威胁到监测人员的生命安全。为适应路基工程的发展，提高工作效率，有必要建立库岸路基无线远程自动化健康监测系统，实现其数据采集、传输、处理、分析以及决策的一体化。无线远程监测技术就是将计算机技术、通信技术与健康诊断技术相结合的一种全新的监控监测模式，也是大型结构健康监测的发展方向［1-2］。

安装在山区库岸公路路基现场的远程监测数据采集与传输设备是整个自动化监测系统的核心部件，设备的选择优劣也决定了整个监测系统的性能与品质。远程监测数据采集与传输系统一般由数据采集系统、数据传输终端、供电系统等组成，其核心是监测数据的无线远程传输和数据采集两个模块。

3.1 基于GPRS无线网络的监测数据传输系统

GPRS（General Packet Radio Service）即通用分组无线业务，是现阶段解决移动通信信息服务的一种较完善的技术方案，较完美地结合了移动通信技术和数据通信技术，几乎可以应用于所有中低速率的数据传输业务［3］。将GPRS数据业务连接internet用作路基健康监测终端的通信线路，具有网络覆盖范围广、终端实时在线、接入速度快、传输速率高、费用低等特点。而且采用GPRS进行路基远程健康监控，开辟了远程监测监控的新领域。

构建山区库岸公路路基健康监测无线传感器网络系统时，需要考虑以下几个方面［4-5］:

1）稳定与可靠性:库岸路基所在区域的环境复杂且变化性大，因此要求各个模块、部件能够适应环境变化，并能稳定可靠的工作。

2）实时性:要求系统监测到的信息能实时传送到监控终端，使用户能实时掌握库岸路基监测量变化情况。

3）精度:山区库岸公路路基远程健康监测系统的数据传输精度需能满足要求。监测系统的整体精度主要取决于采用的传感器，所以要根据要求达到的数据精度进行监测传感器的选择。

4）低功耗:山区库岸公路的地理条件比较特殊，大多路段沿线一般不可能有供电系统，所以在监测系统中只能采用太阳能或普通蓄电池供电，太阳能电池板受天气影响较大，蓄电池供电电量受到较大的限制，所以要求监测系统的功耗较低，以保证监测工作的正常运行。

3.2 无线监测系统体系结构

招商局重庆交通科研设计院有限公司开发了基于GPRS技术的DST1-16无线远程监测系统，可广泛用于公路路基桥梁、隧道健康以及地质灾害监测及预警。该无线远程监测系统由传感器模块、网络协调器（数据通信与传输）和监控终端3部分等组成，不同类型的传感器根据设计部署在路基监测区域。监测系统总体设计方案如图1。

图1 DST1-16无线远程监测系统网络结构Fig.1 Network structure of DST1-16 wireless remote monitor system

3.2.1 传感器模块

传感器是远程监测系统的基本模块，它的稳定运行是整个系统可靠性的基本保证。传感器是是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件。库岸路基健康监测中，根据路基所处具体场地条件和监测内容，从传感器的技术性能、埋设条件、测读方式和仪器的经济性等几方面加以考虑。在库岸路基远程监测传感器时应注意以下几点:

1）可靠性与稳定性:在满足精度要求前提，应以光学，机械和电子为先后顺序进行传感器选择，并且应优先选择使用简单测量方法的仪器。

2）传感器的精度:测量结果用于定性分析的，选用重复精度高的传感器;如果是定量分析，选用精度等级能满足要求的传感器即可。

3）灵敏度和量程:应首先满足量程要求，比如在对路基变形较大的部位，宜采用量程较大的仪器;反之，宜采用分辨力较高的仪器。

4）适于野外的电源性能:采集系统的整体能耗越小越好，应优先考虑具有“定时监测”、“休眠”等低功耗工作模式的仪器设备，并且应具备自供电源的能力。

5）远程通讯功能:远程监测采集设备应满足现代多通讯模式接口的需求，传输距离最好不受限制，一般应具RS232接口、网络接口等，并可以利用GPRS、CDMA网或无线数据传输设备进行无线数据传输［6］。

6）仪器使用寿命:要求各种仪器能从路基施工开始，直到公路建成后一段运营期内都能正常工作。对于埋设后不能置换的传感器，其工作寿命应与工程使用年限或要求的观测时间相当或超过要求的观测年限。

3.2.2 数据采集与传输模块

数据采集与传输单模块主要负责对监测信息的采集和处理，并发送己采集的数据给转发给相信的基站或主机。它是一个微型的嵌入式系统，一般都由处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成。负责中转主机与现场监测设备之间的通信，实现数据的实时采集和传输，如图2。

图2 数据采集与传输模块工作流程Fig.2 Work flow of data collection and transmission module

3.2.3 系统电力供应单元

山区库岸公路路基健康监测数据测量站点大多处于地形环境复杂、交通不便、无电网供电的地方，采用太阳能对蓄电池进行浮充的电源方案就是常用的解决方案［7］，可采用如下方法进行太阳能光伏电板的选择与安装:

1）根据监测系统额定功率并考虑到平均日照时间及阴雨天的影响，确定发电板发电功率。

2）考虑当地平均最长阴雨天天数，确定蓄电池的容量。

3）根据当太阳能板所处位置的纬度粗略确定太阳能电池板的安装倾斜角［8］:纬度为0～25°时，倾斜角等于纬度;纬度为25～40°时，倾斜角等于纬度加上5～10°;纬度为40 ～55°时，倾斜角等于纬度加上10 ～15°;纬度为55°以上时，倾斜角等于纬度加上15～20°。

3.3 无线远程监测系统工作流程

用户通过监控终端（主机，图3右）对数据采集和传感器模块（分机，图3左）进行配置和管理，发布监测指令及收集监测数据。

图3 无线远程监测系统主机和分机Fig.3 Host and tributary station of wireless remote monitor system

通过在监测区域部署传感器模块来完成数据的采集，从而完成了对路基的实时监测。监测系统的工作流程如图 4［9］:

图4 无线远程监测系统工作流程Fig.4 Work flow of wireless remote monitor system

1）传感器模块部署后，加电启动主机，等待加入无线传感器网络的命令;

2）主机发送启动命令到网络内每个数据采集模块（分机）;

3）分机接收到启动命令后加入网络，获取网络的地址信息，配置本地链接地址，建立路由;

4）启动传感器模块，分机根据事先设定好的数据采集周期来采集数据，并且将数据信息以数据包的形式传送到主机。

4 工程应用

某二级公路K78+300～K80+460段靠近库容为1 109×105m3的中型水库，附近金属矿和煤矿较多，在公路运营期间，产生不均匀沉降，路面破损较为严重。经分析，路基病害成因主要有3点:①水库水位的变化，使路基填土含水量不断经历干湿循环，强度下降;②路基下伏透镜状软弱土层，承载力较低，稳定性差，在水库水和车辆荷载长期作用下，使路基产生不均匀沉降;③交通流中重载车辆较多，致使路基路面产生破损。

通过综合工程地质勘察、病害成因分析，提出了开挖换填、夯扩碎石桩、灌浆3种处治方案，通过综合比较分析，最终采用压力灌浆法进行了该路基病害治理。为了评价处治工程的长期效果，结合施工在路基中埋设了沉降计、水位计和孔隙水压计等传感器进行路基长期健康监测，传感器布设如图5、图6。观测系统采用前述的无线远程监测系统，承担数据采集与传输作用的现场观测的分机见图7。

图5 传感器布置Fig.5 Layout of the sensor

图6 传感器的安装与埋设Fig.6 Installation and burying of sensor

图7 库岸路基健康监测现场分机Fig.7 Tributary station of health monitor of reservoir bank subgrade

5 结论

根据山区库岸公路路基健康监测的目的、特点和主要监测内容，并针对山区库岸路基监测点分布广且分散及监测工作量大的特点，提出了基于GPRS网络的库岸路基健康监测数据通信解决方案，建立了采用GRPS数据传输网络的无线远程监测系统。利用GPRS的Internet接入功能，在Internet上设置一个通信服务器，负责中转主机与监测终端设备之间的通信，实现数据的实时采集和传输，可为公路施工决策和安全运营、路基病害防治提供依据，具有良好的应用前景。

（References）:

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Ou Jinping，Guan Xinchun.State of the art of smart structural systems in civil engineering［J］.Earthquake Engineering and Engineering Vibration，1999，19（2）:21-28.

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Li Aiguo，Yue Zhongqi，Tan Guohuan，et al.Design and installation of comprehensive instrumentation system for slope in Hong Kong［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（5）:790-796.

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［6］ 张爱玲，仇润鹤.无线数传模块在远程环境监测系统中的应用［J］.微型计算机信息，2004，20（10）:58-62.

Zhang Ailing，Qiu Runhe.Application of wireless data transfer in the remote environment inspection system［J］.Microcomputer Information，2004，20（10）:58-62.

［7］ 罗玉峰，陈裕先，李玲.太阳能光伏发电技术［M］.南昌:江西高校出版社，2009.

［8］ 李安定.太阳能光伏发电系统工程［M］.北京:北京工业大学出版社，2001.

［9］ 招商局重庆交通科研设计院有限公司.库岸路基变形、稳定监测与病害处治技术［R］.重庆:招商局重庆交通科研设计院有限公司，2011.

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

交通运输部西部交通建设科技项目（200831674006，2011318740240）;云南省交通科技项目（2010（A）03-b）

阎宗岭（1976—），男，河南郑州人，副研究员，博士，主要从事道路工程方面的研究。E-mail:yanzongling@yahoo.com.cn。