工程建设远程自动化监测系统的研究

唐建阳,王 亮,贺跃光

(1.湖南省电子产品检测分析所,湖南长沙 410001；2.长沙理工大学交通运输工程学院,湖南长沙 410076)

0 前言

随着国家经济的飞速发展,各项工程建设不断开展,各种安全事故也伴随着不断出现。严重威胁国家和人民财产和生命安全。因此,建设工程安全监测就显得尤为重要。

目前,工程建设中安全监测大多采用传统的方式,即将传感器埋设于需要监测的位置,监测人员间隔一段时间必须到现场取得相关数据。人工测量存在多方面的问题,不能实时监测数据的变化；由于监测的位置一般是结构特殊部位,测量人员的安全也不能得到保障；测量劳动强度大；人员不可到达的地点不能测量,关键的数据难以获取；数据处理难度大。远程自动化监测系统可以有效地解决这些问题。

文章对远程自动化监测系统的组成及其使用方法进行分析。

1 远程自动化监测系统的组成

如图1所示,远程自动化监测系统主要由采集模块、无线传输系统和系统软件3个部分组成,见图1。

1.1 采集模块

采集模块分为传感器和数据采集单元两个部分。

1)应力传感器

应力传感器主要监测工程建设中钢筋混凝土应力的变化。应力的变化是导致工程事故的主要的原因。通常采用了振弦式应力传感器,当压力改变时,安设于传感器体内的钢弦频率会产生变化,不同的频率对应不同的压力值。

图1 自动化监测系统结构

2)温度传感器

可广泛应用于石油、化工、能源、交通、铁路、建筑等行业中的温度测量。

3)土压力盒

用于各种工程土体压力的测量,包括：

a隧道衬砌压力、边坡抗滑桩、深基坑、支挡桩、各类挡土墙土体侧压力的测量；

b软基深层垂直向、水平向土压力的测量；

c各类路基、路堤、大坝坝体内部压力的测量。

分单模和双模两种。

4)沉降计

沉降计是由沉降板、锚固板、测杆和位移计组成,是一种埋入式测量岩土和混凝土等结构工程中沉降板与锚固板之间相对位移形变的传感器。广泛应用于隧道、路基、大坝及边坡等岩土工程中,监测结构工程中位移、沉降、滑移各种基础的沉降情况。分单点和多点沉降计两种。

5)锚索测力计

锚索测力计时一种多弦式压力传感器。中空结构,主要是用于各种锚杆、斜拉索锚索、岩石螺旋支柱、隧道和地下结构的支撑,以及大型预应力钢筋混凝土(桥梁、堤、坝)中的荷载和预应力测量,边坡、隧道、桥梁及地下工程等锚杆(索)的张力测量等。

数据采集单元安置在现场,尽量靠近传感器,与监测区域内的传感器相连。承担该区域内监测数据采集和发送。

1.2 远程数据传输系统

指在传感器、采集模块、遥控主机之间进行数据和命令传输的方式[2]。在传感器与采集器之间由电缆线连接(电缆线埋在地下或工程结构中较为合适,要注意防水和防破坏)。在采集模块与监控主站之间可根据工程的实际的具体情况选择数据传输方式 ,包括：

1)485总线；

2)无线载波(距离3～5 km)；

3)手机无线 GPRS(手机模块通讯范围中国移动网信号覆盖区域)；

4)联通CDMA手机无线(手机模块通讯范围中国联通网信号覆盖区域)；

5)光纤。光电转换器将传感器的电信号转换为光信号后,即可进行长距离的传输。其优点是传输距离大,受环境干扰小,传输稳定。缺点是光纤价格比较高,安装时相对困难。

以上几种传输方式也可以混合使用,从而提高系统的灵活性。

1.3 系统软件

远程自动化监测系统是针对工程安全监测而开发的综合处理软件系统[3]。该软件能够完成从原始观测数据的接收、数据转化、数据解算、数据入库以及成果提交的整个流程功能。

系统主要有5个功能模块：系统设置、系统管理、下位机系统控制、实时数据、数据管理等,见图2。

图2 远程自动化监测系统的组成

1)系统设置

系统提供有线和无线两种通讯方式,在无线通讯方式下,计算机接无线收发主机；在有线通讯方式下,计算机直接连接采集箱。

系统设置模块主要由串口设置、GPRS设置和系统参数设置组成,如图3。

图3 系统设置

2)系统管理

模块管理：能够增加和删除所需要的下位机,并对仪器的编号和名称进行修改、删除和保存。

通道设置：对当前的仪器编号与所使用的通道进行设置。并可以把传感器在现场安装的位置信息输入到软件中。同时根据具体工程和所需要监测的项目设置预警值。

实时测量点设置：增加和删除测量点,并添加测量点所对应的传感器信息。

3)下位机数据控制

下位机控制：选择所连接的下位机,设置正确的时间。设置所需定时测量的时间间隔。设置成功后,即向下位机发出指令从当前时间起每间隔设定的时间采集传感器的量测值。

下位机的数据获取可以选择全部机器或单台机器查询某一时间段数据,即可显示在当前的计算机中,并可以进行保存,同时可以通过WORD和 EXCEL的形式导出数据,可自定义文件名称和途径,见图4。

图4 系统管理

4)实时数据

可选择当前单个或多个传感器,测量实时测量值。

5)历史数据

存储在计算机中得数据可根据输入查询条件,可查询测量点在某一时间段的数据。同时可显示测量点在这一时间段的变化曲线,显示监测点的变化趋势。

2 远程自动化监测系统的特点

为了确保工程建设中的安全,监测点的数据需连续不间断采集,这就要求监测系统能够稳定、可靠而又要长期实时地工作。另一方面,为了节省人力物力,提高监测效率,监测系统还需实现无人值守的远程自动化监控。因此,远程自动化监测系统应具备以下几个主要特点：

1)实时监测功能。能实现对监测点进行全天候连续观测,同时能够及时将监测数据传回主控中心,进行实时解算分析；

2)数据通信功能。根据实际情况采用可靠有效的通信介质,实现远程海量数据的采集和传输,并实现现场工控机与控制中心的远程通信；

3)远程控制功能。监控中心能够远程响应现场工控机的数据指令,了解设备的运行情况,并作回应以控制其数据的采集与传输；

4)数据综合处理功能。对接收的数据能够快速进行解算分析,报告实时测值状态,结果信息的显示、打印、进库；

5)系统的故障自诊断功能。中心监控软件能够判别系统故障原因；

6)具有预警功能。此系统可以根据现场实际情况设定初始参数定义预警界限,当信号发射装置到达并超过预警界限时进行报警提示。

3 结语

工程建设远程自动化安全监测系统的研究和开发是一个多学科、多分支且综合程度高的课题,涉及到测绘、力学、电子、数学、控制学、计算机技术等多个学科[4],且针对不同的具体工程实际和监测项,涉及到不同的方式和方法。对某一条具体的实际工程项目,首先应该根据该工程建设的安全级别和程度,确定该工程的安全监测项目和警戒值,选用相应的监测仪器、配件和系统软件建立远程自动化监控系统。

为满足“实时、连续、远程、非接触”[5]现代工程建设安全监测的要求,系统涉及到传感器、数据采集仪、信号的发射和接受、数模转换的配置、系统软件开发等多项技术。

[1]程芳.水电站大坝实时监测系统的研究[D].成都：西华大学,2009.

[2]周小文,包伟力.现代化堤防安全监测与预警系统模式研究[J].水利学报,2002(6)：113-117.

[3]伍佑伦.远程地压监控技术在地下矿山中的应用研究[J].岩石力学与工程学报,2007,7(26)：2815-2819.

[4]马廷霞.长输管道应力应变自动化监测系统研究[J].石油机械 ,2007,12(36) ：55-57.

[5]许明情.岩土工程安全监测自动化系统的研究[D].长沙：中南大学,2008.