一種隧道襯砌變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)軟件★

張　磊　崔新壯　王忠嘯

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南　250061)

0　引言

隨著我國(guó)高速公路的迅猛發(fā)展，公路隧道的數(shù)量和里程都在不斷增加，然而目前我國(guó)運(yùn)營(yíng)隧道普遍存在著襯砌裂縫、破損、滲漏水等病害，甚至有的造成了塌方[1]。有學(xué)者[2]將這些病害出現(xiàn)的原因大致分為以下幾個(gè)方面：圍巖蠕變變形等地質(zhì)作用；隧道漏水導(dǎo)致的圍巖不穩(wěn)定；失控車輛撞擊導(dǎo)致的襯砌結(jié)構(gòu)損傷；地震等偶然荷載造成的隧道損傷或失穩(wěn)。隧道結(jié)構(gòu)健康隱患嚴(yán)重影響了隧道的安全運(yùn)營(yíng)，已引起工程人員的高度重視。傳統(tǒng)的隧道監(jiān)測(cè)手段不能對(duì)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使得人們不能準(zhǔn)確把握養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)，甚至導(dǎo)致了重大安全事故的發(fā)生。為此學(xué)者們[3-5]開始尋求隧道結(jié)構(gòu)健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警技術(shù)，并在一些隧道中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好效果。本文將依托濟(jì)萊高速公路隧道群，在對(duì)病害機(jī)理進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查基礎(chǔ)上，自主研發(fā)隧道襯砌變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)軟件，為濟(jì)萊高速公路隧道群的安全運(yùn)營(yíng)提供保障。

1　系統(tǒng)概況

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)就地采集數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)。就地采集數(shù)據(jù)依賴于串口通信技術(shù)，只支持對(duì)一臺(tái)采集設(shè)備的操作；遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)以通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，可以支持對(duì)多臺(tái)采集設(shè)備的操作。本系統(tǒng)基于C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)，采用模塊化設(shè)計(jì)，針對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)與監(jiān)視控制，分別設(shè)計(jì)系統(tǒng)的服務(wù)器端和客戶端。通過這種體系結(jié)構(gòu)可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，將任務(wù)合理分配到Client端和Server端來實(shí)現(xiàn)，降低了系統(tǒng)的通訊開銷。

2　系統(tǒng)服務(wù)器端

服務(wù)器端應(yīng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲(chǔ)。但本系統(tǒng)將服務(wù)器端高度集成化，將各種功能集成于服務(wù)器端，使得服務(wù)器端具備全面、強(qiáng)大的功能。系統(tǒng)按照模塊化設(shè)計(jì)，即在需求分析的基礎(chǔ)上，以功能塊為單位進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)服務(wù)器端功能可劃分為系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)總體參數(shù)管理、儀器各項(xiàng)指標(biāo)查詢、儀器數(shù)據(jù)采集和查詢、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢。

2.1　系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)置下可選擇系統(tǒng)的通信方式。本系統(tǒng)可通過兩種通信方式進(jìn)行通信——串口通信方式、GPRS通信方式，實(shí)現(xiàn)就地現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)和通過GPRS模塊遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)。其后各功能分別對(duì)這兩種通信方式實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能。

若選擇串口通信方式，則需要配置串口的基本參數(shù)，只有正確配置串口參數(shù)才能與基于串口通信的數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。軟件在后臺(tái)對(duì)配置的串口參數(shù)設(shè)置到實(shí)際串口中，并實(shí)現(xiàn)串口的打開、寫入、讀取、數(shù)據(jù)處理，即完成串口通信。

若選擇GPRS通信方式，則需要配置服務(wù)端口。各主機(jī)間通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，各個(gè)數(shù)據(jù)包根據(jù)其目的主機(jī)的IP地址來選擇互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的路由。但是大多數(shù)操作系統(tǒng)都支持多程序(進(jìn)程)同時(shí)運(yùn)行，為讓目的主機(jī)把接收到的數(shù)據(jù)包傳送給眾多同時(shí)運(yùn)行的進(jìn)程中正確的一個(gè)，便需要引入端口來解決這個(gè)問題。一般情況下我們可以將端口設(shè)置為1024以上的端口號(hào)。

系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)置下還可以對(duì)預(yù)警進(jìn)行一些參數(shù)設(shè)置，這些參數(shù)主要為預(yù)警數(shù)據(jù)源步距和應(yīng)變加速度閾值。

2.2　系統(tǒng)總體參數(shù)管理

系統(tǒng)總體參數(shù)管理主要對(duì)與數(shù)據(jù)處理相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行管理，分為模塊配置、通道配置和數(shù)據(jù)類型配置。其相互關(guān)系如圖1所示。此項(xiàng)參數(shù)配置數(shù)據(jù)量大、配置復(fù)雜，又相互關(guān)聯(lián)，故采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。用戶可以導(dǎo)出系統(tǒng)參數(shù)統(tǒng)一配置，也可以通過操作界面配置參數(shù)，靈活性高。

模塊配置，即是對(duì)各GPRS模塊進(jìn)行配置。每一個(gè)GPRS模塊都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的ID號(hào)，用于辨識(shí)每一個(gè)模塊；每一個(gè)GPRS模塊都有一個(gè)號(hào)碼和臨時(shí)動(dòng)態(tài)IP地址；每一個(gè)GPRS模塊都與一個(gè)特定機(jī)器號(hào)的數(shù)據(jù)采集儀相對(duì)應(yīng)；系統(tǒng)需同時(shí)獲取多個(gè)GPRS的傳輸數(shù)據(jù)，應(yīng)能正確分辨是來自哪個(gè)數(shù)據(jù)采集儀的傳輸數(shù)據(jù)。基于以上種種，需要對(duì)每一個(gè)GPRS模塊進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)配置，以實(shí)現(xiàn)正確獲取、處理數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)的可靠性。

通道配置，即對(duì)數(shù)據(jù)采集儀的每一個(gè)通道及對(duì)應(yīng)的傳感器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行配置。通過數(shù)據(jù)采集儀獲取的原始數(shù)據(jù)為各通道的頻率數(shù)據(jù)，需要通過公式及參數(shù)將原始頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變數(shù)據(jù)。故需要配置正確的通道參數(shù)，才可以得到正確的應(yīng)變值，實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)分析。

數(shù)據(jù)類型配置，即是對(duì)采集的數(shù)據(jù)的類型及單位進(jìn)行配置。

2.3　儀器各項(xiàng)指標(biāo)查詢

儀器指數(shù)據(jù)采集儀，其內(nèi)部有一些指標(biāo)和設(shè)置，通過儀器的各項(xiàng)指標(biāo)查詢可以查詢到儀器內(nèi)部的時(shí)間及設(shè)置時(shí)間、通道連接傳感器編號(hào)查詢、清空儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)。

每一個(gè)傳感器都擁有一個(gè)編號(hào)，用以區(qū)別傳感器，通過此項(xiàng)功能可查詢每個(gè)通道對(duì)應(yīng)的傳感器編號(hào)。儀器內(nèi)部可以進(jìn)行短時(shí)間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，若希望釋放內(nèi)存空間，則可以清空儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)。

2.4　儀器數(shù)據(jù)采集和查詢

儀器數(shù)據(jù)采集和查詢功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)采集儀的單次測(cè)量、最新測(cè)量數(shù)據(jù)的查詢和儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)查詢。

對(duì)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行單次測(cè)量可以獲取一次測(cè)量的有用數(shù)據(jù)。每一次測(cè)量都將獲得32個(gè)通道的全部數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括時(shí)間(為儀器內(nèi)部基準(zhǔn)時(shí)間)，各通道連接的傳感器編號(hào)、頻率和溫度。應(yīng)變值受溫度的影響，故將獲取溫度值以對(duì)應(yīng)變值進(jìn)行修正。

通過查詢最新測(cè)量數(shù)據(jù)，可以查詢到儀器內(nèi)部存儲(chǔ)的最新測(cè)量獲取到的數(shù)據(jù)。為了保證系統(tǒng)出現(xiàn)故障(如網(wǎng)絡(luò)中斷)時(shí)仍然可以獲取到故障期間的數(shù)據(jù)，需依據(jù)時(shí)間查詢儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)，獲取故障期間儀器內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。查詢完儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)將被存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以備分析，保障了系統(tǒng)的可靠性。

2.5　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和顯示

系統(tǒng)可以在串口通信方式下對(duì)單個(gè)的數(shù)據(jù)采集儀實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和顯示，同時(shí)可以在GPRS方式下通過GPRS模塊對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)采集儀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸和顯示。

串口方式下，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集儀的機(jī)器號(hào)，并設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集間隔，打開自動(dòng)測(cè)量后，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)機(jī)器的連續(xù)自動(dòng)測(cè)量。

GPRS方式下，需先啟動(dòng)偵聽，待各GPRS模塊連接上線后，才可以同時(shí)設(shè)置多個(gè)儀器的數(shù)據(jù)采集間隔、同時(shí)打開多個(gè)儀器的自動(dòng)測(cè)量，然后同時(shí)獲取多個(gè)儀器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將在后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括原始數(shù)據(jù)的模塊分離、通道分離，數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)的模塊選擇、通道選擇，相應(yīng)參數(shù)匹配和計(jì)算。GPRS方式下，數(shù)據(jù)處理過程如圖2所示。

最終將以分析后的正確結(jié)果以數(shù)據(jù)列表和數(shù)據(jù)曲線的形式顯示到界面上。數(shù)據(jù)列表將幫助用戶對(duì)數(shù)據(jù)有直觀、準(zhǔn)確的感知，而數(shù)據(jù)曲線將幫助用戶對(duì)數(shù)據(jù)有整體趨勢(shì)的感知。兩者相輔相成，增加了系統(tǒng)的可視化。

2.6　歷史數(shù)據(jù)查詢

通過實(shí)時(shí)測(cè)量采集到的有效數(shù)據(jù)被存入數(shù)據(jù)庫(kù)，成為歷史數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫(kù)中的大量歷史數(shù)據(jù)中，可以通過歷史數(shù)據(jù)查詢功能依據(jù)時(shí)間訪問本地?cái)?shù)據(jù)來查詢數(shù)據(jù)庫(kù)某時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，依據(jù)時(shí)間查詢還可以幫助快速定位歷史數(shù)據(jù)，增加了查詢的便利性。查詢到的歷史數(shù)據(jù)將通過列表和曲線兩種形式進(jìn)行顯示。

為方便對(duì)數(shù)據(jù)的分析，系統(tǒng)還可以依據(jù)時(shí)間導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)某時(shí)間段的數(shù)據(jù)。開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間決定了查詢數(shù)據(jù)的時(shí)間段，并通過數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部各表之間的相互關(guān)系和相互依賴便可以查詢到各種數(shù)據(jù)信息。

3　系統(tǒng)客戶端

系統(tǒng)客戶端主要實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控、超限報(bào)警和對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢。因此客戶端的功能主要分為報(bào)警參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控和顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、隧道端面?zhèn)鞲衅靼惭b示意圖。

3.1　報(bào)警參數(shù)設(shè)置

報(bào)警參數(shù)設(shè)置主要設(shè)定應(yīng)變加速度閾值和預(yù)警數(shù)據(jù)源步距。

3.2　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控和顯示

此功能下，通過獲取服務(wù)器端的數(shù)據(jù)資源，達(dá)到對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和顯示。顯示分為數(shù)據(jù)列表顯示和數(shù)據(jù)曲線顯示。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警警告。

3.3　歷史數(shù)據(jù)查詢

客戶端為進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢需要訪問網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，依據(jù)時(shí)間來查詢網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)某時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，并通過列表和曲線兩種形式進(jìn)行顯示。為方便對(duì)數(shù)據(jù)的分析，客戶端也可以依據(jù)時(shí)間導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)某時(shí)間段的數(shù)據(jù)。

4　結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合蟠龍隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷，開發(fā)了隧道襯砌變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)軟件，并介紹了其系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)服務(wù)器端和客戶端的主要功能。對(duì)隧道結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)深入研究，為隧道健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)警提供理論支撐，同時(shí)對(duì)我國(guó)隧道的設(shè)計(jì)與養(yǎng)護(hù)有一定指導(dǎo)意義。