基于物联网的地下工程安全监测云平台研发及系统集成

2024-01-26刘博然

价值工程 2024年2期

刘博然

（国能铁路装备有限责任公司，北京 100010）

0 引言

随着城市化进程的加速和基础设施建设的不断推进，地下工程已经成为现代城市建设的重要组成部分。从地铁、隧道到地下商城和停车场，地下工程的广泛应用不仅解决了地面空间的有限性，还为城市生活提供了更多的便利。然而，随之而来的是各种复杂的工程安全问题，如地下水侵蚀、土壤移动和结构变形等，这些都对地下工程的稳定性和安全性构成了威胁。为确保地下工程的安全稳定，传统的安全监测方法往往依赖于人工定期检查和简单的监测工具。但这种方法不仅效率低下，而且很难实时获得大量的监测数据，不能满足现代城市快速发展的需求。物联网技术，作为近年来快速发展的新型技术，其实时数据采集、远程控制和大数据分析等特点为工程安全监测提供了新的可能。基于这样的背景，本文提出了一个基于物联网的地下工程安全监测云平台的设计与研发。

1 地下工程安全监测云平台需求分析

地下工程安全监测云平台需求分析主要聚焦于工程的稳定性和安全性。监测的基本要求要求系统具备实时性、准确性、完整性和可靠性。实时性保证了系统能够即时采集、传输和处理数据，及时发现并处理潜在的安全隐患；准确性保证了监测数据的真实性，避免因误判而增加的安全风险；完整性则要求系统覆盖所有关键区域，确保没有监测盲点；而可靠性则要求系统在各种环境下稳定运行，不出现故障或中断。根据地下工程的类型、用途和地理位置，特定场景下的需求也会有所不同。例如，地铁隧道需要对其结构稳定性、温度、湿度和空气质量进行监测，而地下停车场则需要关注空气中的有毒气体浓度和火灾风险，地下商城除了要监测结构稳定性外，还需关注人员密度、消防安全和空调系统的运行状况。因此，监测系统可能需要配备不同类型的传感器，采用不同的数据处理算法和设置不同的报警机制。综合上述需求，地下工程安全监测云平台的功能需求应包括数据采集、数据传输、数据存储、数据分析、报警机制和可视化界面等，确保地下工程的全方位、全时段的安全监测[1]。

2 地下工程安全监测云平台研发及设计

2.1 系统总体架构

在设计地下工程安全监测云平台的总体架构时，考虑到系统的可扩展性、可靠性和易用性，以适应不同地下工程场景的监测需求，本云平台采用了分层架构设计，确保模块化、扩展性及高可用性。以下是系统的总体架构设计如图1 所示：①传感器层：在地下工程的关键部位部署各类传感器，如结构应变传感器、温湿度传感器、气体传感器等，实时采集工程的各类监测数据。②数据传输层：采用物联网技术，通过有线或无线网络，实时将传感器采集的数据传输至数据处理中心。该层需要考虑数据传输的安全性和实时性，确保数据的完整性和可靠性。③云平台层：主要负责数据的存储、处理和分析。数据存储模块用于安全存储来自传感器的大量数据。数据处理模块实时处理这些数据，通过预先设定的算法和模型进行数据分析，并在发现异常情况时触发报警机制。④应用层：为工程管理人员提供直观的数据可视化界面，支持实时监控和历史数据查询。同时，该层也包含报警通知模块，能够在系统检测到安全隐患时及时通知相关人员[2]。⑤安全防护层：遍布于整个架构之中，主要负责确保数据在传输和存储过程中的安全性，防止数据泄露、篡改或丢失。此外，还需要确保系统在遭受外部攻击时的稳定性和可靠性。整个系统通过以上五个层次的协同工作，实现对地下工程的实时、高效、安全的监测，确保工程安全并提供科学的数据支持。此架构设计注重各模块之间的协同性和整体的稳定性，也充分考虑了未来可能的扩展需求，为系统的进一步优化和升级提供了基础。

图1 地下工程安全监测云平台总体结构

2.2 传感器网络的设计与集成

在地下工程安全监测的核心环节——传感器网络设计与集成中，高精度电容式位移传感器被选择用于监测土壤或岩石的移动和变形，红外气体检测传感器则用于追踪潜在的有害气体（例如，甲烷和二氧化碳），并通过基于MEMS 技术的温湿度传感器准确获知地下的温度和湿度状况。每个传感器节点除包括特定的传感器外，还搭载了一个微控制器单元（MCU）、一个低功耗的无线通信模块以及电池。这些MCU 的职责不仅包括收集并初步处理从传感器传来的数据，还包括通过无线模块将数据可靠地发送至数据收集点。考虑到地下特殊的工作环境，本设计在通信拓扑设计上选定了基于Zigbee 协议的多跳网状低功耗无线网络，以确保数据能够稳定传输至上层。位于关键位置的数据收集设备或称之为网关，能够管理和收集附近数百个传感器节点的数据，进而通过有线或无线的方式将数据上传至云平台，在设计最后阶段，通过低功耗设计和节能策略，比如在数据没有发生变化时使传感器进入休眠模式，实现了对电池寿命的延长[3]。另外，每个传感器节点也被赋予了远程诊断功能，以便在出现潜在问题时能够进行远程排查和维护，从而构建起一个不仅精确稳定，而且可靠和持久的地下工程安全监测系统。

2.3 数据处理与分析模块设计

在地下工程安全监测的数据处理与分析模块设计中，首先确立了数据的预处理，包括数据清洗、标准化和归一化，确保进入分析模块的数据准确无误。随后采用了时序分析方法，对连续的数据流进行趋势预测和异常检测，从而实时捕捉可能的安全隐患。为了对大量数据进行高效处理，设计中引入了分布式计算框架，如Apache Spark，确保数据在短时间内得到处理[4]。而对于历史数据的深度分析，采用了机器学习算法，如支持向量机和随机森林，对地下工程的长期稳定性进行评估，并根据这些分析结果为工程决策者提供有力的数据支持。

3 系统实际应用

3.1 工程项目背景

本次应用案例选用了一项大型地铁隧道工程，全长约15 公里穿越多个商业区和居民区。该工程位于一个地质结构极其复杂的区域，区域地质特点包括不稳定的土壤层、频繁的地下水位变化，以及复杂的地下管线网络。历史上这一区域曾多次发生地面沉降和水管破裂事故，给工程的安全施工带来了重大挑战。此次系统应用目的是实时监控地下稳定性，及时发现潜在的危险，以确保工程的安全进行。

3.2 系统应用过程

3.2.1 初步调查与传感器部署

工程前期，进行了详细的地质调查，特别关注沿线的土壤成分、地下水位和历史沉降记录。在预计的地铁线路上和周边区域部署了超过2000 个传感器，包括500 个地面沉降监测器、800 个振动传感器和700 个土壤湿度传感器。

3.2.2 数据收集与实时监控

这些传感器每分钟收集数据并实时传输至中央监控系统。在施工期间，系统收集了约432 万条数据点，涵盖振动级别、土壤湿度和小范围内的地面移动。

3.2.3 风险分析与预警

云平台上的数据处理系统分析这些数据，使用机器学习算法来识别潜在的风险模式。当系统检测到沿线某个区域的振动水平连续三天超过预设阈值（如每分钟振动超过50 次），立即向工程团队发送预警。

3.2.4 应急响应与调整施工计划

接到预警后，工程团队在该区域暂停施工，并进行了紧急检查。例如在某个站点附近发现地下水位上升，土壤湿度增加10%。结合检查结果和监控数据，团队调整了施工方法，比如改变挖掘深度和增加支撑结构。

3.2.5 长期监控与数据分析

施工期间，持续监控数据变化，确保施工区域及其周边地区的稳定。利用长期数据（如连续六个月的数据趋势），优化施工策略，比如调整工作时间以减少对周边区域的影响。

3.3 系统应用效果

本项目通过引入基于物联网的地下工程安全监测云平台，取得了显著的成效。系统实施不仅提高了工程安全性，还大幅提升了工程效率和经济效益。如表1 所示，在系统应用前后施工效果对比数据中得出应用价值如下：一是显著减少地面沉降，系统的应用使得地面沉降次数从10次降低到了仅2 次，降低幅度达到了80%。这表明该系统能有效预测和防止可能导致地面沉降的因素，从而保障了工程施工区及周边区域的稳定性和安全。二是控制施工引起的振动，振动报警次数的减少（从15 次降至3 次，下降了80%）证明了系统在控制由施工引起的振动方面的有效性。这不仅减少了对周边建筑和居民的影响，而且降低了由振动引发的潜在结构损伤风险。三是监控土壤湿度的变化，土壤湿度异常次数的大幅减少（由12 次降至2 次，改善了83.33%）展示了系统在监控关键环境因素上的高效能力。这有助于及时调整施工策略，避免由于地下水位变化导致的潜在问题。四是提高工程进度，施工延误天数的显著减少（从8 天减少至3 天，减少了62.5%）直接体现了系统在提高工程进度和避免不必要的延误方面的重要作用。这不仅提高了工程效率，也降低了由于延期导致的额外成本。五是经济效益的提升，引入该系统后，项目在成本上节约了20%，这反映了通过提高工程效率和减少意外事件所带来的经济效益。有效的成本控制对于任何大型工程项目来说都至关重要。

表1 系统应用数据

综上所述，在本隧道项目中，本系统引入显著提升了工程的安全性、效率和经济性。这不仅减少了施工过程中的风险和延误，还优化了资源配置，为城市基础设施建设提供了一个创新且高效的解决方案。

4 系统测试

4.1 测试设计

测试的核心目标是确保地下工程安全监测云平台的稳定性、性能和安全性，本次实验进行了功能测试、性能测试、安全性测试、兼容性测试设计，所有测试用例均配备了预期结果，以供测试人员与实际结果进行对比，并通过与传统平台对比来研究本平台性能。

4.2 结果分析

如表2 所示，发现地下工程安全监测云平台在多个关键测试项目中均显示出了显著的优势。首先，云平台的用户登录成功率和数据上传成功率均比传统平台高出2-3个百分点，这意味着云平台在稳定性和可靠性上有了明显的提升。此外，云平台的数据可视化准确性达到100%，而传统平台则略低于此标准，表示云平台在数据处理和呈现上的技术进步。报警响应时间也是一个关键指标，尤其是在安全监测领域，云平台在此方面的性能显著优于传统平台，这能确保在紧急情况下，用户能够及时得到通知和反馈。在性能测试方面，云平台同样展现出了其优越性。无论是并发登录响应时间、数据上传速度还是数据查询响应时间，云平台均超越了传统平台的表现。这也从侧面反映了云计算技术的强大并发处理和数据处理能力。安全性测试是这次评估中的另一个重点。在对抗SQL 注入和XSS 攻击方面，云平台都展现出了100%的防护成功率，而传统平台的成功率则略低。这说明云平台在安全设计上采用了更先进的技术和方法。兼容性测试结果也证明了云平台的全面性和前瞻性。它不仅支持所有主流浏览器，还在各种设备上都能够提供良好的用户体验，满足了当前多设备、多环境的使用需求。总的来说，地下工程安全监测云平台在功能性、性能、安全性和兼容性方面都超越了传统安全监测平台。这些优势将为用户带来更高效、更稳定和更安全的使用体验，有助于进一步提升地下工程安全监测的水平。