基于GPRS的山區庫岸公路路基無線遠程健康監測

閻宗嶺，楊 靜，栗海濤，蔣中明

（1.國家山區公路工程技術研究中心，重慶 400067;2.云南省公路科學技術研究院，云南昆明 650051;3.長沙理工大學，湖南長沙 410004）

基于GPRS的山區庫岸公路路基無線遠程健康監測

閻宗嶺1，楊 靜2，栗海濤2，蔣中明3

（1.國家山區公路工程技術研究中心，重慶 400067;2.云南省公路科學技術研究院，云南昆明 650051;3.長沙理工大學，湖南長沙 410004）

針對公路路基是線形工程，監測點空間分布廣且分散特點，確定了庫岸路基健康監測重點內容、指標;建立了基于GPRS數據傳輸的山區庫岸路基遠程健康監測系統;實現了庫岸路基安全監測數據的無線遠程傳輸，可掌握路基健康狀況并及時發現路基病害，為公路施工決策和安全運營、路基病害防治提供依據。

庫岸路基;無線遠程健康監測;GPRS技術

山區公路庫岸路基健康監測的目的是從變形失穩等病害特點出發，對影響庫岸路基變形穩定的主要因素及表現形式進行綜合分析，對變形量、變形速率、孔隙水壓力、支擋結構承受的荷載等進行監測，以評價路基健康狀況。主要體現在以下幾方面:

1）作為路基工程監控、優化設計手段的健康觀測，其目的在于了解路基變形的動態變化過程，特別是陡斜坡、軟弱地基或不良地質體上的高填方庫岸路基，監測路基及地基變形的動態變化過程，控制地基與路基的穩定性。

2）掌握路基施工及運營過程變形穩定演變過程，及時捕捉路基變形失穩的特征信息，為路基病害防治及預防性養護提供技術依據。

3）對已經發生病害并治理后的庫岸路基，監測結果也是檢驗庫岸路基病害治理工程效果的手段。

4）為進行有關位移反分析及數值模擬計算提供參數，進行有關反分析計算，從而驗證新的路基結構設計。

1 山區庫岸公路路基健康監測的特點

公路路基是線性工程，延伸區域大，山區庫岸公路路基按巖土介質可分為土質路基與巖質路基兩大類，而巖土介質具有復雜性和特殊性，因而庫岸路基監測具有以下特點:

1）巖土體介質的復雜性，且受水影響較大。對于某一具體工程而言整個監測區域范圍較大，路基填筑材料也不同，并且分布不均勻，且經常受到庫水及地下位變化的影響，因此其監測工作也較復雜。

2）監測的內容相對較多，包括路基變形，支擋與防護工程受力，路基內部應力、水壓力等。

3）監測的周期較長，一般不少于1年或更長時問，有時是貫穿于整個工程建設與運營期。

2 山區庫岸公路路基健康監測內容

對于存在潛在病害的庫岸路基，主要是對庫岸路基失穩病害致災條件、災變過程、治理效果進行監測。常規健康監測項目有:路基外部及內部變形（x、y二方向位移）、傾斜;相關物理參數如應力應變;支擋與防護工程所受荷載;環境因素（降雨量、地下水、孔隙水壓力、水位等。

3 路基健康監測及數據無線傳輸系統

山區庫岸公路路基健康監測需要安裝有多種類型的監測傳感器，如位移計、土壓力盒、孔隙水壓力計等。這些傳感器在安裝后，由于地勢偏遠、險要，現場大多無法提供便利、安全的人行通道及配套供電設施，特別是在汛期或梅雨季節需要加密或全天候實時監測時，現場塌方、落石及滑坡將會威脅到監測人員的生命安全。為適應路基工程的發展，提高工作效率，有必要建立庫岸路基無線遠程自動化健康監測系統，實現其數據采集、傳輸、處理、分析以及決策的一體化。無線遠程監測技術就是將計算機技術、通信技術與健康診斷技術相結合的一種全新的監控監測模式，也是大型結構健康監測的發展方向［1-2］。

安裝在山區庫岸公路路基現場的遠程監測數據采集與傳輸設備是整個自動化監測系統的核心部件，設備的選擇優劣也決定了整個監測系統的性能與品質。遠程監測數據采集與傳輸系統一般由數據采集系統、數據傳輸終端、供電系統等組成，其核心是監測數據的無線遠程傳輸和數據采集兩個模塊。

3.1 基于GPRS無線網絡的監測數據傳輸系統

GPRS（General Packet Radio Service）即通用分組無線業務，是現階段解決移動通信信息服務的一種較完善的技術方案，較完美地結合了移動通信技術和數據通信技術，幾乎可以應用于所有中低速率的數據傳輸業務［3］。將GPRS數據業務連接internet用作路基健康監測終端的通信線路，具有網絡覆蓋范圍廣、終端實時在線、接入速度快、傳輸速率高、費用低等特點。而且采用GPRS進行路基遠程健康監控，開辟了遠程監測監控的新領域。

構建山區庫岸公路路基健康監測無線傳感器網絡系統時，需要考慮以下幾個方面［4-5］:

1）穩定與可靠性:庫岸路基所在區域的環境復雜且變化性大，因此要求各個模塊、部件能夠適應環境變化，并能穩定可靠的工作。

2）實時性:要求系統監測到的信息能實時傳送到監控終端，使用戶能實時掌握庫岸路基監測量變化情況。

3）精度:山區庫岸公路路基遠程健康監測系統的數據傳輸精度需能滿足要求。監測系統的整體精度主要取決于采用的傳感器，所以要根據要求達到的數據精度進行監測傳感器的選擇。

4）低功耗:山區庫岸公路的地理條件比較特殊，大多路段沿線一般不可能有供電系統，所以在監測系統中只能采用太陽能或普通蓄電池供電，太陽能電池板受天氣影響較大，蓄電池供電電量受到較大的限制，所以要求監測系統的功耗較低，以保證監測工作的正常運行。

3.2 無線監測系統體系結構

招商局重慶交通科研設計院有限公司開發了基于GPRS技術的DST1-16無線遠程監測系統，可廣泛用于公路路基橋梁、隧道健康以及地質災害監測及預警。該無線遠程監測系統由傳感器模塊、網絡協調器（數據通信與傳輸）和監控終端3部分等組成，不同類型的傳感器根據設計部署在路基監測區域。監測系統總體設計方案如圖1。

圖1 DST1-16無線遠程監測系統網絡結構Fig.1 Network structure of DST1-16 wireless remote monitor system

3.2.1 傳感器模塊

傳感器是遠程監測系統的基本模塊，它的穩定運行是整個系統可靠性的基本保證。傳感器是是自動檢測系統和自動控制系統中不可缺少的元件。庫岸路基健康監測中，根據路基所處具體場地條件和監測內容，從傳感器的技術性能、埋設條件、測讀方式和儀器的經濟性等幾方面加以考慮。在庫岸路基遠程監測傳感器時應注意以下幾點:

1）可靠性與穩定性:在滿足精度要求前提，應以光學，機械和電子為先后順序進行傳感器選擇，并且應優先選擇使用簡單測量方法的儀器。

2）傳感器的精度:測量結果用于定性分析的，選用重復精度高的傳感器;如果是定量分析，選用精度等級能滿足要求的傳感器即可。

3）靈敏度和量程:應首先滿足量程要求，比如在對路基變形較大的部位，宜采用量程較大的儀器;反之，宜采用分辨力較高的儀器。

4）適于野外的電源性能:采集系統的整體能耗越小越好，應優先考慮具有“定時監測”、“休眠”等低功耗工作模式的儀器設備，并且應具備自供電源的能力。

5）遠程通訊功能:遠程監測采集設備應滿足現代多通訊模式接口的需求，傳輸距離最好不受限制，一般應具RS232接口、網絡接口等，并可以利用GPRS、CDMA網或無線數據傳輸設備進行無線數據傳輸［6］。

6）儀器使用壽命:要求各種儀器能從路基施工開始，直到公路建成后一段運營期內都能正常工作。對于埋設后不能置換的傳感器，其工作壽命應與工程使用年限或要求的觀測時間相當或超過要求的觀測年限。

3.2.2 數據采集與傳輸模塊

數據采集與傳輸單模塊主要負責對監測信息的采集和處理，并發送己采集的數據給轉發給相信的基站或主機。它是一個微型的嵌入式系統，一般都由處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成。負責中轉主機與現場監測設備之間的通信，實現數據的實時采集和傳輸，如圖2。

圖2 數據采集與傳輸模塊工作流程Fig.2 Work flow of data collection and transmission module

3.2.3 系統電力供應單元

山區庫岸公路路基健康監測數據測量站點大多處于地形環境復雜、交通不便、無電網供電的地方，采用太陽能對蓄電池進行浮充的電源方案就是常用的解決方案［7］，可采用如下方法進行太陽能光伏電板的選擇與安裝:

1）根據監測系統額定功率并考慮到平均日照時間及陰雨天的影響，確定發電板發電功率。

2）考慮當地平均最長陰雨天天數，確定蓄電池的容量。

3）根據當太陽能板所處位置的緯度粗略確定太陽能電池板的安裝傾斜角［8］:緯度為0～25°時，傾斜角等于緯度;緯度為25～40°時，傾斜角等于緯度加上5～10°;緯度為40 ～55°時，傾斜角等于緯度加上10 ～15°;緯度為55°以上時，傾斜角等于緯度加上15～20°。

3.3 無線遠程監測系統工作流程

用戶通過監控終端（主機，圖3右）對數據采集和傳感器模塊（分機，圖3左）進行配置和管理，發布監測指令及收集監測數據。

圖3 無線遠程監測系統主機和分機Fig.3 Host and tributary station of wireless remote monitor system

通過在監測區域部署傳感器模塊來完成數據的采集，從而完成了對路基的實時監測。監測系統的工作流程如圖 4［9］:

圖4 無線遠程監測系統工作流程Fig.4 Work flow of wireless remote monitor system

1）傳感器模塊部署后，加電啟動主機，等待加入無線傳感器網絡的命令;

2）主機發送啟動命令到網絡內每個數據采集模塊（分機）;

3）分機接收到啟動命令后加入網絡，獲取網絡的地址信息，配置本地鏈接地址，建立路由;

4）啟動傳感器模塊，分機根據事先設定好的數據采集周期來采集數據，并且將數據信息以數據包的形式傳送到主機。

4 工程應用

某二級公路K78+300～K80+460段靠近庫容為1 109×105m3的中型水庫，附近金屬礦和煤礦較多，在公路運營期間，產生不均勻沉降，路面破損較為嚴重。經分析，路基病害成因主要有3點:①水庫水位的變化，使路基填土含水量不斷經歷干濕循環，強度下降;②路基下伏透鏡狀軟弱土層，承載力較低，穩定性差，在水庫水和車輛荷載長期作用下，使路基產生不均勻沉降;③交通流中重載車輛較多，致使路基路面產生破損。

通過綜合工程地質勘察、病害成因分析，提出了開挖換填、夯擴碎石樁、灌漿3種處治方案，通過綜合比較分析，最終采用壓力灌漿法進行了該路基病害治理。為了評價處治工程的長期效果，結合施工在路基中埋設了沉降計、水位計和孔隙水壓計等傳感器進行路基長期健康監測，傳感器布設如圖5、圖6。觀測系統采用前述的無線遠程監測系統，承擔數據采集與傳輸作用的現場觀測的分機見圖7。

圖5 傳感器布置Fig.5 Layout of the sensor

圖6 傳感器的安裝與埋設Fig.6 Installation and burying of sensor

圖7 庫岸路基健康監測現場分機Fig.7 Tributary station of health monitor of reservoir bank subgrade

5 結論

根據山區庫岸公路路基健康監測的目的、特點和主要監測內容，并針對山區庫岸路基監測點分布廣且分散及監測工作量大的特點，提出了基于GPRS網絡的庫岸路基健康監測數據通信解決方案，建立了采用GRPS數據傳輸網絡的無線遠程監測系統。利用GPRS的Internet接入功能，在Internet上設置一個通信服務器，負責中轉主機與監測終端設備之間的通信，實現數據的實時采集和傳輸，可為公路施工決策和安全運營、路基病害防治提供依據，具有良好的應用前景。

（References）:

［1］ Lynch J P.Decent Tralization of Wireless Monitoring and Control Technologies for Smart Civil Structures［D］.California:Department of Civil and Environmental Engineering，Stanford University，2002.

［2］ 歐進萍，關新春.土木工程智能結構體系的研究與發展［J］.地震工程與工程振動，1999，19（2）:21-28.

Ou Jinping，Guan Xinchun.State of the art of smart structural systems in civil engineering［J］.Earthquake Engineering and Engineering Vibration，1999，19（2）:21-28.

［3］ 呂捷.GPRS技術［M］.北京:北京郵電大學出版社，2001.

［4］ 李愛國，岳中奇，譚國煥，等.香港某邊坡綜合自動監測系統的設計和安裝［J］.巖石力學與工程學報，2003，22（5）:790-796.

Li Aiguo，Yue Zhongqi，Tan Guohuan，et al.Design and installation of comprehensive instrumentation system for slope in Hong Kong［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（5）:790-796.

［5］ 張會林，李軍才，劉賢信.邊坡無線監測系統的應用［J］.礦冶，2003，12（3）:5-8.

Zhang Huilin，Li Juncai，Liu Xianxin.Application of slope wireless monitoring system［J］.Mining ＆ Metallurgy，2003，12（3）:5-8.

［6］ 張愛玲，仇潤鶴.無線數傳模塊在遠程環境監測系統中的應用［J］.微型計算機信息，2004，20（10）:58-62.

Zhang Ailing，Qiu Runhe.Application of wireless data transfer in the remote environment inspection system［J］.Microcomputer Information，2004，20（10）:58-62.

［7］ 羅玉峰，陳裕先，李玲.太陽能光伏發電技術［M］.南昌:江西高校出版社，2009.

［8］ 李安定.太陽能光伏發電系統工程［M］.北京:北京工業大學出版社，2001.

［9］ 招商局重慶交通科研設計院有限公司.庫岸路基變形、穩定監測與病害處治技術［R］.重慶:招商局重慶交通科研設計院有限公司，2011.

Wireless Remote Health Monitoring of Mountainous Highway Subgrade along Reservoir Bank Based on GPRS

Yan Zongling1，Yang Jing2，Li Haitao2，Jiang Zhongming3
（1.National Engineering＆ Research Center for Highways in Mountain Area，Chongqing 400067，China;
2.Yunnan Research Institute of Highway Science＆ Technology，Kunming 650051，Yunan，China;
3.Changsha University of Science＆ Technology，Changsha 410004，Hunan，China）

The key parameters are chosen since highway subgrade is linear engineering，and monitoring points are distributed widely and dispersively.A remote health monitoring system is set up based on GPRS technique which provides long distance wireless transmission of health monitoring data for mountainous highway subgrade along reservoir bank.Health of subgrade along reservoir bank is analyzed and potential disease is discovered timely which provide scientific basis for construction decision，safety operation and subgrade disease preneention and control.

subgrade along reservoir bank;wireless remote health monitor;general packet radio service（GPRS）

U416.1

A

1674-0696（2012）04-0803-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.17

2011-09-05;

2012-01-11

交通運輸部西部交通建設科技項目（200831674006，2011318740240）;云南省交通科技項目（2010（A）03-b）

閻宗嶺（1976—），男，河南鄭州人，副研究員，博士，主要從事道路工程方面的研究。E-mail:yanzongling@yahoo.com.cn。