多源融合的综合管廊典型结构监测系统的搭建

2020-03-29王宝泉杨剑李静毅上官士青

工程建设与设计 2020年3期

王宝泉，杨剑，李静毅，上官士青

（中交公路规划设计院有限公司，北京100000）

1 引言

城市综合管廊被喻为城市的“生命线”，用于容纳电力、通信、给水、雨水、污水、燃气、热力等市政公共管线，它具有保障市政管线安全、提高地下空间利用率、美化城市环境、避免路面重复开挖等优点，是新型城镇化发展的需要。

管廊监测是城市综合管廊发展的一个重要方向，良好合理的管廊监测有利于综合管廊持续运营。其中，梅鲁海[1]、张可佳等[2]、张忠军等[3]分别研究了城市综合管廊监测监控中的信息智能体和消息主动触发技术、基于GPRS 网络的综合管廊煤气管道实时监测系统、城市综合管廊智能井盖监测系统与移动特征提取模型，另外，王仁驹[4]又对海口市某地下综合管廊基坑监测进行分析，齐宝欣[5]对基于压电传感器的混凝土损伤检测数值进行模拟，吴超仲[6]对信息融合技术进行研究。上述研究针对具体问题进行了很好的研究及解决方案，但较少采用多种先进传感器来构建一种多源融合的综合管廊监测系统。

本文面向地下综合管廊系统监测和安全运维需求，围绕多类型传感器网络、多源信息融合技术、结构健康监测与无损监测等技术领域展开充分调研，尝试搭建了典型的结构监测系统，以供参考。

2 多源融合监测的概念

地下工程的固有特点及多种类型的管廊进入管廊运营后的相互制约和影响，对管廊的可靠性设计、使用过程中的状态评价及初始问题后的安全性评估提出更高要求。鉴于此，有必要在地下管廊设计和使用过程中，利用先进的监测和检测技术手段。基于多类型传感器网络和多源信息融合技术，进行实时状态监测和安全性评估，是目前结构健康监测和健康度评估的主流方法，具有为维修维护策略制订、节约运维成本、降低安全风险提供重要的技术、工具与数据支撑等特点。

在结构健康监测领域，基于多源传感器的信息融合就是一个信息综合处理过程，它充分利用多个传感器资源，通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多个传感器在时间或空间上的冗余或互补信息依据某种准则进行组合，以获得被测对象的一致性解释或描述，使该信息系统由此而获得比它的各组成部分的子集所构成的系统更优越的性能。

3 传感器的应用

管廊土建结构的日常监测是采用专业仪器设备，对综合管廊主体结构沉降、伸缩缝宽度、应力应变、外水压力等进行实时监测，以及时发现异常情况并预警。

1）主体结构沉降监测。通过位移传感器实现对廊体结构的绝对沉降和相对沉降进行实时监测数据的采集。常见做法是采用水准仪、全站仪测量后人工录入。

2）伸缩缝宽度监测。为满足地下综合管廊结构设计规范要求，管廊沿长度方向每隔一定距离设置变形缝即结构伸缩缝，此变形缝的宽度对于管廊整体结构至关重要，使用过程中应严密监测伸缩缝的发展，防止在伸缩缝处产生渗水等不利现象，伸缩缝的宽度监测可直接在伸缩缝处布设表面测缝计，进而监测伸缩缝的发展。

3）应力应变监测。通过应变计监测结构应变情况。振弦式应变计具有抗高压、抗径向力、二次密封、零点稳定等特点，适用于长期埋设在地下的混凝土结构，通过黏接或使用一段锚杆的方式将2 个端块固定在混凝土上，实现混凝土结构应变的监测。

4）外水压力监测。通过渗压计对管廊外水压力进行监测。渗压计适用于长期埋设在地下的混凝土结构，可将振弦式渗压计埋设在衬砌混凝土外侧，渗压计通过感知压力变化反映外水压力对管廊的压力变化，其测量方法简单而精准。

本文总结了综合管廊结构监测传感器的种类，如表1 所示。

表1 综合管廊结构监测常用传感器

表1 中所列传感器均为当前结构健康监测中常见传感器，其中，BOTDA 光纤传感器为近几年兴起的新型结构应变传感器。除此之外，应用于钢结构的较为先进的结构监测传感器有压电传感器、对比真空监测传感器、智能涂层传感器等。为实现多源融合管廊结构监测，本文特意研究了采用主动压电传感器进行钢结构（管廊内支架或球墨铸铁给水管等）监测的实验设备。

4 典型健康监测设备研制

本文仅以结构超声导波为理论基础的主动压电结构健康监测设备为例，介绍典型结构健康监测系统设备的研制思路。

压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。

结构健康监控常用的压电元件主要有压电陶瓷、压电薄膜以及其他类型的大应变单晶压电材料、压电纤维元件等。

4.1 硬件系统选型设计

基于超声导波的结构健康监测系统由传感器、电荷放大器、功率放大器以及数据采集系统组成。为提高系统的可靠性和节省开发时间，采取购买成熟货架产品和自主研发的开发策略，即对于信号发生卡和数据采集系统，采取市场上成熟的NI 产品，对于前置电荷放大器、功率放大器以及矩阵开关，采取自主研发。采取该策略，一是降低成本；二是定制化设计可使系统小型化。

数据采集系统采用NI 的PXI 机箱架构，机箱选用PXIe-1071，配备i5 CPU、win7 的64 位操作系统的PXIe-8840，通过DP 总线外接到定制机箱上的触摸屏显示器上，实现LabView软件的编程和运行。选用PXI-5412 的14 位的波形发生器，4通道的示波器采集卡PXIe-5170R，以及4×64 路的两线双向的矩阵卡PXIe-2532B 与其连接件PXI-2643B。

通过波形发生器产生频率小于700kHz 的正弦载波信号，但其幅值最大只能有10V 多，而PZT-51 压电传感器的激励电压为70V，故而信号需要经过功率放大器放大为-70～+70V 的激励信号，激励信号接入4×64 路的矩阵式切换开关的4 路通道中的其中一路。

给一个传感器发出激励信号后，通过飞行器大型铝板传导至其他传感器，压电传感器接收到信号后，将其转换为电荷，而示波器采集卡采集的是电压信号，故需将电荷转换为电压信号，而信号电压幅值很小，故需将其放大，采用电荷放大器将信号转换为电压信号并将其放大。在发出激励信号的同时，通过PXI 的背板总线，触发示波器采集卡的同步采集，这样就能保证没有信号数据的丢失。系统的硬件连接示意图如图1 所示。

图1 硬件系统原理图

本项目提出的硬件系统不同于现有的超声导波监测系统的一个特点是能同时三路采集。4×64 路矩阵卡的64 通道口分别连接64 个PZT-51 压电传感器，4 通道口中一路接波形发生器，另外3 路接示波器采集卡。R0 作为激励信号通道，连接至PXI-5412 波形发生卡的波形输出通道，R1、R2、R3 作为采集信号通道，连接至PXIe-5170 示波器采集卡的三路采集通道，可实现同时采集三路信号。

通过LabView 编程对矩阵开关卡进行控制，接通波形发生器与1 个传感器，然后，通过3 路示波器采集其周围8 个传感器的反馈信号，由于3 路采集通道1 次只能采集3 个传感器的数据，故需要采集3 次。采集完后切换波形发生器至下一个传感器，重复以上采集过程，直至全部传感器完成，如图2 所示。

图2 一发三收模式示意图

相比较于传统的单发单收模式，一发三收模式的优势在于速度快，大大减少1 次测试采集的时间。且1 次激励，3 路同时采集，能够同时获得更大范围的区域信息，提高了系统的运行速率和准确率。

但3 路同时采集的时候，采集1 次的数据量将显著增大，因此，选择的示波器采集卡的缓存必须经过计算，选型满足要求的采集卡，如果选择的采集卡的缓存较小，则会出现一次采集尚未采集到完整的信号时，缓存已经溢出的情况。经过计算，选用的PXIe-5170R 示波器采集卡750MB 缓存，在14 位的采集精度下，完全能满足要求。而且在采集完成后，可立即将缓存中的数据保存至本地硬盘，选用的二进制保存格式保存速度快，不占用额外的存储空间，能达到要求。

4.2 外部信号处理单元设计

4.2.1 矩阵开关卡的设计

根据前面的串扰测试可知矩阵开关卡的串扰较大，且其价格昂贵，故需自主设计一款性能良好且性价比高的矩阵开关卡。矩阵卡对其继电器的要求高，故选用与PXI-2532B 同款的继电器，选用MAX4820 串行口的继电器控制芯片，其具有锁存功能，能实现单个继电器的控制。由于继电器需通过软件控制其开闭，需要与系统进行通信，而MAX4820 的通信方式为SPI，此处选择USB-SPI 的方式，实现系统与矩阵卡的通信。设计为4×64 路单线的矩阵卡，在未改变使用的性能的情况下，相比于PXI-2532B，节省了一半的继电器，成本大大减小。

使用USB-SPI 与MAX4820 通信时，由于MAX4820 数量较多，有32 个，故如果不加缓冲器，那么通信时数据波形会有失真，影响通信质量，严重时可能会导致误操作，故还需要在各MAX4820 前加一个缓冲器，以使得通信稳定。而32 个MAX4820 还需要有片选信号，以达到单个芯片控制的目的，因此又设计了一个5-32 路译码器。

4.2.2 USB-SPI 卡的设计

USB-SPI 使用纬图虚拟仪器的USB 转SPI 适配器。其内部为单片机通过USB 协议与计算机交互，并且将接收到的数据通过SPI 协议发送出去，被MAX4820 接收，以控制继电器，并且通过其GPIO 口接入设计的5-32 路译码器，实现片选MAX4820 的功能。