基于物联网的隧道智能监测系统设计

姜晨光，刘冠林，王纪明，詹旭东，黄浩俊

（1. 江南大学环境与土木工程学院，无锡 214122；2. 华仁建设集团有限公司，无锡 214072；3. 梅奥传感有限公司重庆办事处，重庆 400073）

隧道工程是地下空间开发利用的重要方面。隧道在施工和使用过程中，因地质条件变化、结构失稳及退化等问题可能会引起安全隐患，因此隧道的健康监测受到高度重视，但目前的监测工作无法全面掌握隧道的真实健康状态。在隧道智能监测领域，部分发达国家虽已有长足进展，但仍有很多改进完善之处；而国内则还相对滞后，除上海在地铁的建设施工与交通运营中研制并应用智能管理系统以外[1]，尚少成功应用范例。因此，设计合理完善、自动化程度高、易扩充的智能化隧道监测体系，不仅具有实践指导意义，也有科研学术作用。

笔者及科研组提出基于物联网的隧道智能监测系统设计思想，并构建相应的技术体系。其核心是物联网技术和传感器技术，通过传感器技术获得隧道的各种健康信息（比如应力、应变、温度等），再通过物联网技术将各种传感信息无线传输至隧道管理中心，以实现对隧道的远程、实时、动态管理与控制。基于物联网的隧道智能监测系统可以为隧道的施工安全及运营安全提供第一手基础资料，可密切监视隧道内各种不良现象（比如隧道变形、渗水、火警等）的发生及发展情况，从而为各种隧道灾害（或事故）的防范提供基本技术支撑，是隧道施工安全及运营安全的重要技术保障手段。

本文以重庆万州南峪隧道为例，阐述基于物联网的隧道智能监测系统的设计与实施。

1 光纤传感技术及其特点

光纤传感以其抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面的优势，已迅速成长为一个新兴产业。当前，世界光纤传感领域的发展主要有两个方向，即基础研究和应用开发。光纤传感器的开发是以取代传统机电传感系统为目的，现主要集中于光纤光栅（FBG和LPG）型传感器和分布式光纤传感系统两大方面。从长远看，光纤传感技术的原理性研究仍是非常关键和重要的工作。目前FBG已形成批量生产能力，其研究焦点已转移到解决高精度应用、完善解调和复用技术以及降低成本等方面。由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合二为一的特性，因此可使沿布设路径上的光纤全部成为敏感元件，故分布式传感是光纤传感器与生俱来的优点。

光纤传感技术的应用研究主要包括：光（纤）层析成像技术（OCT、OPT）、智能材料（Smart Materials）、光纤陀螺与惯导系统（ΙFOG、ΙMΙU）和常规工业工程传感器[2～6]。光纤布拉格光栅（FBG）1978年问世，这种简单的固有传感元件可利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内。常见的FBG传感器通过测量布拉格波长的漂移实现对被测量的检测，光栅布拉格波长（λB）条件为：

式中：Λ为光栅周期，n为折射率。

当宽谱光源入射到光纤中后，光栅将反射其中以布拉格波长λB为中心波长的窄谱分量。在透射谱中，这一部分分量将消失，λB随应力与温度的漂移为：

式中：ε为外加应力，Pi,j为光纤的光弹张量系数，ν为泊松比，α为光纤材料（如石英）的热膨胀系数，ΔF为温度变化量。

式（2）中n2(P12-vP11-vP12)/2因子典型值为0.22。因此，可推导得出常温和常应力条件下的FBG应力、温度响应条件，即(1/λB)(δλB/δε)=0.78×10-6με-1、(1/λB)(δλB/δT)=6.67×10-6℃-1。

当一束宽光谱光λ（即入射光谱）经过光纤Bragg光栅时会被光栅反射回一单色光λB（即反射光谱，相当于一个窄带反射镜），反射光的中心波长λB与光栅的折射率变化周期Λ和纤芯有效折射率neff有关。当光纤光栅的应变或温度发生变化时，将导致光栅周期Λ和有效纤芯折射率neff产生变化，从而产生光栅Bragg信号的波长漂移ΔλB。通过监测Bragg波长λB的变化情况，即可获得测点上光纤光栅的应变或温度的变化状况。通常当温度和应变同时变化时，光纤光栅波长漂移ΔλB与应变和温度的关系服从式（3）的规律（即光纤光栅Bragg波长的变化与应变或环境温度的变化呈线性变化关系，通过检测光纤光栅Bragg波长即可测得应变或环境温度。当温度发生变化时，可通过附在光路上的温度传感器将温度变化ΔT剔除，这样就可通过检测波长变化量ΔλB来推算出被测结构的绝对应变），即：

式中：pe为有效弹光常数，α为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤光栅的热光系数，ΔT为温度的变化量，εzz为光纤光栅所受的应变量。

光纤光栅除具有光纤传感器的全部优点外，还具有自定标和易于在同一根光纤内集成多个传感器复用的特点。光栅传感器可拓展的应用领域许多，比如可将分布式光纤光栅传感器嵌入材料中形成智能材料，可对大型构件的载荷、应力、温度和振动等参数进行实时安全监测（实际监测结果显示，传统阻抗计与FBG传感器测试结果间具有极高的吻合度），可代替其它类型结构的光纤传感器用于化学、压力和加速度传感中。美国Micron-Optics公司研制的FBG应用系统Si425，可同时测量多达4路512个FBG传感器，扫描范围50nm、分辨率1pm（1pm的波长分辨率大致对应于1.3nm处0.1℃或1nm的温度和应力测量精度）、测量频率可达244Hz。长周期光栅（周期大于100nm的光栅）是继FBG之后光纤光栅型传感器的另一个重要分支，由于其利用包层膜耦合原理，故使其同时具备灵敏度优良和制作简便的优势。

随着世界范围内对工民建和工业设施安全性和效益要求的不断提高，对集成的安全检测系统的需求越来越热，从而为具备可连续、无间断、长距离测量并与被测量介质有极强亲和性的分布式光纤传感系统提供了广阔舞台。目前分布式光纤传感系统大致有3种类型，即拉曼型、布里渊型和FBG型。拉曼型分布式光纤传感系统是基于光纤拉曼散射效应的连续型传感器，已被成功装载在A340运输机上。FBG型分布式传感系统在应力多点分布式测量中具有独特优势，可同时完成温度和应力的双参量测量，可采用WDM/TDM解调好的FBG阵列的拓扑结构。FBG应变传感器具有安全防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等特点，且容易实现远距离信号传输和测量控制，并能适用于各种恶劣环境，以实现真正意义上的多点线式分布测量。利用光纤的弹光效应和FBG器件的应力传感器已被广泛应用于应力监测中[7]。

2 物联网技术及其特点

物联网（Ιnternet of Things，ΙOT）是继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮。ΙOT源于美国麻省理工学院自动识别实验室（Auto ΙD-LabS）提出的无线射频识别（RFΙD）系统，是通信、嵌入式及微电子技术快速发展的结果。狭义物联网是指连接物与物的网络（可实现物品的智能识别与跟踪管理），广义物联网则可视为信息空间与物理空间的融合（可将一切事物数字化、网络化并建立物与物、人与物、人与人之间的内在联系，以实现高效信息交互，且通过新的服务模式将各种信息技术融入社会行为）。物联网的实质是拥有感知、计算和通信能力的微型智能传感器及以其为节点形成的传感网，是传感网技术在社会生产与生活过程中的具体实现。目前，组建物联网系统的主流技术是美国Texas Ιnstruments Ιncorporated的ZigBee技术，其应用领域非常广泛，核心装备也日趋完备[8,9]。

3 隧道智能监测控制系统总体设计

重庆万州南峪隧道监测控制系统设计的基本思想，是根据隧道各种传感器的实际情况建立最佳的控制方案，以实现数据集中管理、分散控制、无线组网等功能。系统的工作流程是通过传感器，采集各种监测信息（比如应力、应变、温度、车流量、光照情况以及灯具的运行参数等信息），以ZigBee模块自组无线网络，将采集到的信息统一汇总到以ARM9为核心的控制模块上，控制模块再通过Ιnternet与远程监控平台进行数据通信（其中维修及管理人员不但可在监控平台观察到隧道的各种情况，也能随时随地通过PDA或手机等移动设备上网获得隧道监测的相关信息）。

系统硬件模块主要由ARM9控制器和ZigBee无线收发模块两部分组成，系统内部可以存储各种数据标准、各种设施运行状况、检测报警等参考信息，并通过与传感器采集到的数据进行比较判断，以发出调控命令实现实时监控目的。系统采集模块主要由ZigBee无线通信模块和相应传感器构成（ZigBee是一种新兴的无线控制技术，具有可靠性高、抗干扰性能好、功耗低等特点。一般情况下，芯片自身的信号发射强度可传递的有效距离为40～100m。由于隧道相邻传感器间的间隔很小且相互间无任何障碍物，故不会对无线信号造成阻挡，这就使得ZigBee技术非常适合在隧道智能监测管理中使用，将其与光敏、声音、振动、电流等传感器配合使用可方便、高效地采集到车流量、光照强度、应力、应变、温度等信息），无线通信芯片选用TΙ公司的CC2530芯片（该芯片提供了改进的RF性能，具有优异的收发灵敏度和稳定的抗干扰性；具有增强型8051MCU内核，可更好地支持低功耗无线通信并具有强大的地址识别和数据包处理引擎以高效地匹配RF前端。该模块负责将各种传感器所采集的信息发送至节点控制模块。数据采集部分通过芯片上12位ADC转换模块，从传感器采集各个信号参数并存入存储器中，通过MCU对这些信号进行处理，并发送至节点控制模块，由节点控制模块来完成对数据的分析和统计）。节点控制模块是由S3C2440的ARM9和CC2530的ZigBee芯片搭建而成，主要用于接收采集模块的数据和远程监控中心的命令。当隧道灯具节点和传感器节点数量增多时，网络的复杂程度也越高，故对节点控制模块的处理速度就有更高要求，选用32位的S3C2440芯片可实现运行速度快、存储空间大、易与网络互联目的（该芯片不仅提高了系统的运行处理速度且更便于网络间数据传递）。

系统主程序流程如下：首先初始化各个模块并启动各处无线传感器模块以采集隧道综合信息且将信息通过ZigBee无线通信节点发送给控制模块，此时系统会判断其控制状态，若处于手动控制状态（系统出现故障或检修维护）则程序结束而改由现场控制器调节隧道相关设备（比如照明）；若处于自动控制状态则检测隧道的运行情况（若运行不正常则报警并调用特殊状态程序进行处理；若运行正常则继续检测GPRS模块的状况）；若网络正常则与远程计算机通信（否则则调用本地控制器进行控制），系统会在网络正常状态下将隧道状态信息集中反馈给远程监控计算机。

隧道监测控制系统的体系结构中因传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱并通过携带能量有限的电池供电（从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点终端和路由器双重功能，除进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时还要与其他节点协作完成一些特定任务），根据以上传感器特点，该系统中节点分为普通节点、簇头节点和汇聚节点三类（根据传感器节点自组织成簇，可有效进行数据融合，减少能量消耗）。

隧道监测控制系统基于ZigBee无线通信协议，在保证ZigBee网络覆盖范围内，通过RTRA原理部署多个以簇头节点为中心的ZigBee网络，从而组成一个更大的以汇聚节点为中心（或网关）的无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN），最后由汇聚节点通过Ιnternet或GPRS等无线通信方式负责将隧道的各种监测信息传输给远程监控中心，以实现对隧道的实时监测与管理。节点硬件结构功能模块与普通节点和簇头节点硬件结构的设计方法相同，汇聚节点设计时，既可采用一个具有足够能量供给和更多内存与计算资源的增强功能型传感器节点，也可采用没有监测功能而仅带无线通信接口的特殊网关设备。处理器模块是无线传感器节点的计算核心（所有的设备控制、任务调度、计算和功能协调、通信协议、数据整合和数据转储程序都将在这个模块的支持下完成），因此微处理器的选择在传感器节点设计中至关重要。鉴于上述要求，考虑到隧道监测采用的是组件结构（是一个基于事件的系统，其代码量小、耗能少、并发性高、鲁棒性好，可以适应不同的应用），故该系统选用NESC语言编写RTRA及传感器数据采集与处理应用程序且将其嵌入隧道监测系统，然后再植入传感器节点中以确保节点软件正常运行。系统的实时阈值由算法设计（综合考虑簇头能量阈值法则、等概率选取簇头阈值法则、硬阈值法则）。实时路由原理RTRA由簇头的产生、簇的形成和簇间路由三部分组成，RTRA按照汇聚节点发布监测命令、网络根据簇头能量阈值和等概率选取簇头阈值法则自组织选取簇头等步骤进行。

4 光纤传感隧道应力应变监测子系统设计

基于物联网的重庆万州南峪隧道智能监测系统的应力应变监测子系统，借助光纤传感技术实现。光纤Bragg光栅隧道应力监测系统主要包括传感部分、传输光纤和光纤光栅解调仪三大部分。由于光纤光栅可以制作成不同的中心波长，故多个光栅可方便地串接在同一条光路上而形成分布式应力测量链，在每一条光路上安装一个温度补偿传感器就能有效剔除温度对该光路各应力传感器的影响。光纤光栅信号处理器内置超辐射宽带光源，通过光机模块将光源耦合到现场光纤光栅传感器，现场光纤光栅传感器所反射的各中心波长再次反射回光机模块，光机模块将反射信号送入波长检测单元，在波长检测单元中通过FP扫描技术感知各传感器反射的中心波长值，比较各传感器中心波长的变化量后即可推算出被测物理量（光纤光栅信号处理器最后将被测物理量数值输出并显示）。

借助光纤传感的隧道应力应变监测子系统设计设计工艺流程分五步，即：在监测隧道内表面标定出需贴应变片的位置、布设应变片、将应变片分组联接、根据设定的监测周期对隧道进行整体监测（采集及处理数据）、根据数据分析结果判断隧道健康状况。为了确保监测工作万无一失，在每个光纤Bragg光栅应力传感器旁还安装了钢弦式传感器以作对比（钢弦系统由数字频率仪进行测频后导入微机进行数据处理、记录存储），隧道内每10m设置一个监测断面并在混凝土表面均匀布设传感器，隧道监测系统光纤Bragg光栅应变传感器接头采用通用的光纤FC/APC跳线头（波长范围≥40nm，量程±1500～±6000με），采用的Bragg中心波长识别系统是基于F-P（Fabry-Perrot）干涉原理对Bragg反射谱中心波长进行解调的（其波长分辨率为1pm，扫描范围为1525～1565nm，扫描频率1Hz），隧道每个断面布设一条光路（每条光路由7个应变传感器和一个温度补偿传感器组成，每条光路中各传感器串接的波长间隔大于3nm），所有光纤Bragg光栅传感器采用一根八芯光缆连接。

重庆万州南峪隧道智能监测系统的布设断面与获得的施工期间隧道累计变形情况见图1、图2。

图1 隧道断面监测点布置Fig.1 Distribution of monitoring points of tunnel section

图2 施工期隧道累计变形Fig.2 Accumulative deformation of Nanyu tunnel during construction

5 隧道智能监测系统功能模块设计

系统功能模块设计中以隧道监测数据为主线，面向隧道监测点进行管理，以隧道监测日常工作内容、性质及辅助管理决策为中心来组织数据和实现其相应的计算机数字化管理模式。监测信息系统划分为7个子系统，分别是监测信息的查询、检测预报警展示、监测数据分析决策、检测数据报表和图表生成、用户权限管理、文档资料管理、监测点布置和数据展示。每个子系统分别完成各自功能，同时各子系统之间又有一定联系。原则上是一种松散的、高内聚低耦合的、数据层次上的关系。每个子系统按照其内部功能和业务逻辑的相对独立性再划分为若干模块，每个模块执行一系列相互关联的具体功能。系统的主要功能包括监测点布置和监测数据展示导入（系统依监测设计方案，提供在工点图上自动布置测点，根据不同监测点类型显示不同图形，并添加测点信息，同时系统提供测点的监测数据录入和上传功能。系统进行检查后，上传到中心数据库服务器中）、监测信息的查询与地图操作、各种监测类型数据报表和图表生成、报警（系统会依据预先设定的各监测项目和各测点的控制指标结合监测基准，判断当前监测项目和各测点的安全状态，并以不同颜色在图上动态发布，使用户可非常方便地看到报警的测点空间位置和监测项目的空间分布信息以及报警值）、监测数据分析决策（系统可对监测数据进行分析，以预测数据的变化趋势来指导实际施工）、文档资料管理（系统可把所有监测项目中以Word、Excel、JPG、PDF、DWG等格式存在的设计文档、设计图纸、监测方案、实时图像等资料信息一起上传服务器，以便用户查询访问）、用户权限设置。通过系统功能模块设计，达到及时发现问题，有效预防施工及运营事故的目的。除监测信息系统外，还设置隧道照明控制与隧道环境监测子系统。

隧道环境监测子系统具有隧道内交通监控、环境监控、温度和火情报警监控等功能，各功能模块采用多线程编程技术，线程之间相互消息驱动。针对DTS的温度和火情报警模块又分为系统设置、温度分布显示、温度梯度分析、报警和预警设置等子模块。DTS控制单元能连接几千米长的光纤进行温度测量，系统将分布式光纤温度传感与计算机网络技术相结合，从而构建隧道火情监控网络，可有效地实现温度火情监测。

6 结语

基于物联网的隧道智能监测系统可直观、有效地对隧道施工及运营中的各监控对象实施远程、实时、动态管理与控制，实现隧道施工与管理的信息化、网络化、集成化，具有较高的实用价值。通过与其它传统方法监测数据的比较，基于物联网的隧道智能监测系统的各项监测数据可靠且精度高，完全可以替代各种传统方法。其缺陷是设备成本较高，且系统的集成度也有待进一步提升，而系统的模态识别水平还需继续提高。随着技术进步与研发工作的深入，隧道智能监测系统将日趋完善和优化，并发挥更大作用。

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