無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在隧道變形與防災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

嵇 中

(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，上海 200125)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在隧道變形與防災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

嵇 中

(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，上海 200125)

針對(duì)當(dāng)前隧道結(jié)構(gòu)變形與防災(zāi)監(jiān)測(cè)手段存在的不足，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在隧道工程應(yīng)用的可行性進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出一種基于材料力學(xué)的新型監(jiān)測(cè)位移方法，結(jié)合不同的監(jiān)測(cè)位置，建立相應(yīng)的位移-傾角變化量的量測(cè)方程。通過室內(nèi)管片加載試驗(yàn)，驗(yàn)證了新型位移監(jiān)測(cè)方法的可行性和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，借助軟件Smartfire進(jìn)行了隧道火災(zāi)數(shù)值模擬試驗(yàn)，針對(duì)火災(zāi)溫度場(chǎng)的分布情況，提出合理的監(jiān)測(cè)距離和監(jiān)測(cè)精度。通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的硬件及布置方案均提出相關(guān)指標(biāo)，以滿足工程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；隧道變形監(jiān)測(cè)；隧道防災(zāi)模擬；監(jiān)測(cè)距離與精度

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，交通問題日益突出，隧道的開發(fā)和利用由此變得越來(lái)越迫切。然而，隧道在給人們生活和交通出行帶來(lái)便利的同時(shí)，也存在著安全隱患。特別是長(zhǎng)大隧道，因其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(如對(duì)外出口少、空間相對(duì)封閉、自然排煙困難等)，一旦發(fā)生災(zāi)害會(huì)十分危險(xiǎn)，尤其是火災(zāi)，一旦發(fā)生將會(huì)給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)極大威脅。在100年的設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)，隧道結(jié)構(gòu)能否健康服役越來(lái)越受到社會(huì)的廣泛關(guān)注[1]。

為保證隧道運(yùn)營(yíng)安全，建立了防災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將采集到的傳感器數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)管理。為確保能夠準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)，防災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要將傳感器用傳輸設(shè)備(如電纜、集線器等)聯(lián)接，這種方式雖然能夠保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但安裝、維護(hù)和擴(kuò)展卻很困難，并且價(jià)格昂貴。據(jù)統(tǒng)計(jì)25%的系統(tǒng)費(fèi)用為安裝費(fèi)用，75%的系統(tǒng)安裝時(shí)間用在安裝電纜上[2]。隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的增加，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總費(fèi)用會(huì)以超線性方式增加。

為了克服傳統(tǒng)防災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)瓶頸，研究人員不斷嘗試采用新的監(jiān)測(cè)技術(shù)。1998年，Straser &Kiremidjian率先提出了在土木工程中采用無(wú)線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以降低系統(tǒng)造價(jià)、簡(jiǎn)化安裝過程及增強(qiáng)系統(tǒng)功能。由于WSN不需要鋪設(shè)電纜，因此一定程度上降低了安裝和維護(hù)成本。不僅如此，無(wú)線傳感結(jié)點(diǎn)本身具有計(jì)算能力和存儲(chǔ)功能，無(wú)線傳感結(jié)點(diǎn)之間還具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信能力，這顛覆了傳統(tǒng)傳感器采集數(shù)據(jù)的概念。在WSN中，每個(gè)傳感結(jié)點(diǎn)是自組織的，具有采集結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)的智能感知單元，最大優(yōu)勢(shì)在于自身具有數(shù)據(jù)處理和分析能力。2007年，John E. Fernández[3]闡述了具有自感知能力的智能結(jié)構(gòu)是當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)。近年來(lái)，許多學(xué)者利用WSN在土木工程監(jiān)測(cè)中進(jìn)行了試驗(yàn)研究[4-8]，初步驗(yàn)證了其可行性和優(yōu)越性。

雖然該技術(shù)在很多領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，但在隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)性能、智能感知方面的研究和應(yīng)用相對(duì)較少。2010年，Soga在英國(guó)倫敦部分隧道結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了WSN的應(yīng)用嘗試；2011年，Chang.D在臺(tái)灣觀音山公路隧道內(nèi)安裝了無(wú)線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行防災(zāi)監(jiān)控。隨著大量隧道建設(shè)投入運(yùn)營(yíng)，為了使其健康服役且災(zāi)害監(jiān)測(cè)處在可知、可控狀態(tài)，進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)性能感知方法研究具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。本文將深入研究無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在隧道應(yīng)用的可行性，為今后大規(guī)模應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，具有感知、計(jì)算、存儲(chǔ)和通信能力的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)對(duì)象的各種信息，并加以處理，完成對(duì)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)任務(wù)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)包括：傳感器節(jié)點(diǎn) (Sensor Node)、匯聚節(jié)點(diǎn) (Sink Node)和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域 (Sensor Field)，負(fù)責(zé)采集信息，并通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測(cè)資料可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過Internet連接到遠(yuǎn)程終端用戶的局域網(wǎng)內(nèi)，或者通過串口直接連接到用戶計(jì)算機(jī)。通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，并發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)、收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 無(wú)線傳感器

本文所涉及的無(wú)線傳感器產(chǎn)品分別是：Crossbow公司的網(wǎng)關(guān)MIB520、射頻板MPR2400CA、傳感器板MDA300CA(自帶溫濕度傳感模塊)、傾角傳感器CXTLA02和位移傳感器DCTH4000，如圖2—6所示。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

圖2 USB網(wǎng)關(guān)

圖3 射頻板

圖4 傳感器板

圖5 傾角傳感器

圖6 位移傳感器

1.3 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee協(xié)議，使用2.4 GHz的免費(fèi)頻段，具有低能耗、低成本、高測(cè)量精度、高抗干擾、高保密性和自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)且布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，具有傳統(tǒng)有線傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。尤其在隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)，無(wú)線傳感器能自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)、處理。通過無(wú)線通信模塊將所處理后的數(shù)據(jù)傳遞給遠(yuǎn)程終端，無(wú)需人工進(jìn)隧道監(jiān)測(cè)，這樣既能保證工程技術(shù)人員的安全，又能自動(dòng)實(shí)時(shí)記錄隧道的動(dòng)態(tài)變化，解決了只能依靠人工定期進(jìn)隧道檢查的問題，能夠較大地提高隧道的養(yǎng)護(hù)效率，保證隧道的使用壽命。

2 隧道變形監(jiān)測(cè)方法研究

2.1 基于材料力學(xué)的位移與傾角關(guān)系法

結(jié)構(gòu)受力后，其轉(zhuǎn)角和撓度符合材料力學(xué)中彎曲變形規(guī)律。當(dāng)需要監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的拱頂沉降時(shí)，可以從轉(zhuǎn)角變化推算撓度變化，如圖7所示。在彎曲變形很小且材料服從胡克定律的情況下，撓曲線的微分方程是線性的，不同荷載可以疊加。

wmax為跨中最大撓度；F為拱頂集中力/kN；x為距A點(diǎn)距離/mm；l為全跨長(zhǎng)度/mm；θ為任意一點(diǎn)在受力后的傾角值。

圖7結(jié)構(gòu)受力變形圖
Fig. 7 Structure deformation under loadings

AC:(0≤x1≤l/2)

BC:(l/2≤x2≤l)

通過公式推導(dǎo)，得：

因?yàn)镃處轉(zhuǎn)角為0，所以跨中C的撓度最大。

wmax=F(l/2)3/12-l2F/16·l/2=-Fl3/(48EI)。

推導(dǎo)出跨中的位移與任意一點(diǎn)傾角變化值(除中點(diǎn))關(guān)系如下：

2.2 室內(nèi)加載試驗(yàn)

在管片上貼上傾角計(jì)，通過反復(fù)加卸載試驗(yàn)，記錄某一位置的角度變化，同時(shí)記錄跨中位置的實(shí)際位移值，其目的在于驗(yàn)證提出材料力學(xué)方法監(jiān)測(cè)公式是否合理，并指出該公式在地下結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用范圍。室內(nèi)加載試驗(yàn)傳感器布置如圖8所示。

(a)

(b)

將表1不同測(cè)點(diǎn)的跨中位移實(shí)測(cè)值與公式推導(dǎo)值繪制成隨加載力大小變化的關(guān)系曲線，如圖9所示。

表1 跨中和傾角測(cè)點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)與推導(dǎo)值Table 1 Experiment results

由位移-傾角公式可看出：位移與傾角成線性關(guān)系，在每個(gè)時(shí)刻只要能測(cè)出該時(shí)刻的傾角變化值，就能計(jì)算出相關(guān)位置的位移相對(duì)變化值。對(duì)于傾角計(jì)(WSN傳感器)的布置位置也是本文研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，選取合適的測(cè)點(diǎn)使得測(cè)量誤差最小。上述結(jié)果表明：隨著傾角計(jì)距跨中距離的增加，實(shí)測(cè)的位移值與傾角推導(dǎo)的位移值誤差越來(lái)越小。因此，不能將傾角計(jì)布置在太靠近結(jié)構(gòu)頂部中央位置，應(yīng)保持一定距離。圖9(a)中傳感器距跨中為550 mm，約0.22跨度時(shí)，測(cè)量誤差值較小，滿足監(jiān)測(cè)要求。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中建議距離為1/4跨度，該位置所得結(jié)果較為理想。

通過對(duì)上述4種測(cè)點(diǎn)隨加載力變化的曲線分析(見圖10)，認(rèn)為當(dāng)加載力的大小控制在100～150 kN時(shí)，實(shí)測(cè)位移值和公式推導(dǎo)值的差值較小，而實(shí)際地下結(jié)構(gòu)埋深不深，頂部受荷按每延米計(jì)算在100 kN/m左右。因此，100～150 kN加載力對(duì)位移傳感器的影響有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

(a) 傳感器距接縫550 mm的試驗(yàn)曲線

(b) 傳感器距接縫450 mm的試驗(yàn)曲線

(c) 傳感器距接縫400 mm的試驗(yàn)曲線

(d) 傳感器距接縫350 mm的試驗(yàn)曲線

圖10 加載力100～150 kN時(shí)實(shí)測(cè)值與理論值相對(duì)誤差分析Fig. 10 Difference value between measured results and calculated results

在整個(gè)試驗(yàn)中，實(shí)測(cè)位移值與公式推導(dǎo)值的平均誤差僅為4.94%，證明該材料力學(xué)推導(dǎo)方法可行，能夠滿足工程應(yīng)用條件。

3 隧道防災(zāi)監(jiān)控研究

采用SmartFire軟件模擬隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生全過程，通過監(jiān)測(cè)不同時(shí)間間隔、不同監(jiān)測(cè)距離測(cè)點(diǎn)溫度變化，提出實(shí)際無(wú)線溫度傳感器的最大布置間距和最小測(cè)溫精度，得到既經(jīng)濟(jì)又高效的火災(zāi)監(jiān)測(cè)方案。5 MW火源尺寸大小：長(zhǎng)×寬×高 = 4.5 m×2.0 m×1.5 m。隧道長(zhǎng)取100 m，火源距隧道其中一端口30 m處，如圖11所示，紅色即為火源。

(a) 火災(zāi)模擬尺寸

(b) 火災(zāi)位置分布

采取2種不同升溫方式。工況1：瞬時(shí)爆炸模型，當(dāng)t=0，Q=5 MW時(shí)。工況2：燃燒升溫模型，當(dāng)火災(zāi)按t2發(fā)展時(shí)，時(shí)間常數(shù)為0.188，即Q=0.188t2。2種工況的溫度變化如圖12所示，隧道縱截面溫度變化曲線如圖13和圖14所示。

(a) 工況1(15 s)溫度變化云圖

(b) 工況2(60 s)溫度變化云圖

圖13 工況1：隧道縱截面溫度變化曲線圖Fig. 13 Curves of temperature changes in explosion mode along tunnel alignment

圖14 工況2 隧道縱截面溫度變化曲線圖Fig. 14 Curves of temperature changes in combustion mode along tunnel alignment

從圖13和圖14可看出：1)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，火源正上方拱頂處溫度變化最快、最靈敏，所以一般將溫度傳感器安裝在拱頂處。 2)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)且瞬間爆炸后(工況1)，周圍環(huán)境溫度上升特別快，火源上方在5 s后就能達(dá)到數(shù)百攝氏度，且影響范圍也非常大；而工況2的升溫比較緩慢，60 s后火源上方溫度才幾十度，且影響范圍較小。3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出可行性指標(biāo)。傳感器精度、最大布置間距、報(bào)警時(shí)間以及報(bào)警指標(biāo)如表2所示。

表2傳感器精度、最大布置間距和報(bào)警時(shí)間關(guān)系
Table 2 Relationship among precision,maximum distance and alarming values of sensors

火災(zāi)類型報(bào)警時(shí)間/s傳感精度/(°)報(bào)警值/℃最大布置間距/m瞬時(shí)爆炸緩慢升溫153030600．11．533+33=660．34．531+31=620．57．530+30=601．01528+28=560．13．058+58=1160．39．056+56=1120．51554．5+54．5=1091．03051．5+51．5=1030．13．09+9=180．39．04．5+4．5=90．5154．51．0303．00．16．021+21=420．31811+11=220．5305+5=101．0601+1=2

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

通過室內(nèi)管片加載試驗(yàn)，驗(yàn)證基于變形-傾角監(jiān)測(cè)方法的有效性以及適用范圍，并通過不同測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，建議將無(wú)線傳感器安裝在結(jié)構(gòu)1/4跨度處較為理想；分析加載力與監(jiān)測(cè)數(shù)值關(guān)系可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)受荷控制在100～150 kN/m時(shí)，公式推導(dǎo)值與實(shí)測(cè)值的平均誤差僅為4.94%，滿足工程監(jiān)測(cè)要求，有效證明無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在隧道變形監(jiān)測(cè)中的可行性。

采用數(shù)值模擬方法，共模擬了2種不同工況的火災(zāi)情況，通過分析火災(zāi)發(fā)展過程，給出傳感器精度、傳感器布置間距以及報(bào)警時(shí)間之間的關(guān)系。在實(shí)際通道環(huán)境中，上述2種火災(zāi)類型都有可能發(fā)生。當(dāng)發(fā)生瞬時(shí)爆炸時(shí)，要求報(bào)警時(shí)間≤15 s，傳感器精度≤1°，溫度傳感器的最大布置間距為60 m(小于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最遠(yuǎn)傳感距離)；當(dāng)發(fā)生緩慢燃燒時(shí)，要求報(bào)警時(shí)間≤60 s，對(duì)于精度為0.1°的傳感器，最大間距為20～40 m；對(duì)于精度為0.3°的傳感器，最大間距為10～20 m；對(duì)于精度是0.5°的傳感器，最大間距為3～5 m；對(duì)于精度為1°的傳感器，最大間距為2m。在緩慢燃燒的情況下，傳感器的精度對(duì)傳感器的最大布置間距影響較大，建議選用0.1°精度的傳感器。

4.2 建議

在今后的研究中，還需進(jìn)一步開展以下幾方面工作：

1)采用不同傳感頻率的無(wú)線傳感器在地下結(jié)構(gòu)中進(jìn)行通信距離及障礙物影響的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。

2)進(jìn)行圓形隧道的整環(huán)模型試驗(yàn)，驗(yàn)證監(jiān)測(cè)位移方法的準(zhǔn)確性和應(yīng)用范圍，需進(jìn)一步在盾構(gòu)隧道中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

3)繼續(xù)深入研究火源大小、風(fēng)速等因素對(duì)隧道火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的影響，提出更加合理的火情監(jiān)控系統(tǒng)。

[1]嵇中，吳儼，朱合華，等. 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在地鐵隧道中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用探究[C]//張建民.巖土力學(xué)與工程研究新進(jìn)展：第7屆全國(guó)青年巖土力學(xué)與工程會(huì)議論文集. 北京：人民交通出版社，2011: 324-329.

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ApplicationofWirelessSensorNetworkTechnologyinTunnelDeformationMonitoringandDisasterPrevention

JI Zhong

(ShanghaiUrbanConstructionDesign&ResearchInstitute,Shanghai,200125,China)

The applicability of wireless sensor network technology in tunnel works is studied,and a new displacement monitoring technology based on material mechanics is proposed.Meanwhile,displacement-dip angle monitoring equation is established by combining the different monitoring positions. The applicability and stability of the wireless sensor network technology are testified by indoor segment loading tests. Rational monitoring distance and monitoring precision are decided by using fire disaster simulation test by means of Smartfire. In the end,related indexes of hardware and layout of wireless sensor network are proposed.

wireless sensor network;tunnel deformation monitoring;tunnel disaster prevention simulation;monitoring distance;monitoring precision

2013-09-13;

2013-12-04

嵇中(1986—)，男，浙江長(zhǎng)興人，2012年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，隧道及地下建筑工程專業(yè)，碩士，助理工程師，主要從事隧道及地下工程方面的設(shè)計(jì)與研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.02.008

U 456.3

A

1672-741X(2014)02-0134-06