物聯網技術在城軌交通工程變形監測中的應用

韓三琪

物聯網技術在城軌交通工程變形監測中的應用

韓三琪

摘 要：針對寧波軌道交通某新建車站基坑近接既有車站施工的情況，研究提出了基于物聯網技術的城市軌道交通工程變形監測系統，闡述了變形監測物聯網系統的3層技術架構，給出了物聯網的感知層、網絡層和應用層與變形監測過程的對應關系。經工程實際監測應用，取得了良好效果。

關鍵詞：軌道交通工程；物聯網技術；變形監測

1　變形監測物聯網技術架構

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，基于互聯網或局部網絡等現代電子信息通信技術，把人、物、傳感器、控制器及機器等通過新的方式聯在一起，形成人與物、物與物之間的信息化、智能化網絡，并實現遠程管理控制。由于物聯網系統的開發是基于互聯網技術的，因此，物聯網能夠包含互聯網上所有的資源及應用，這將形成其發展的優勢和基礎。感知層、網絡層和應用層是物聯網系統最關鍵的3個架構，如圖1所示。

圖1　變形監測物聯網3層技術架構圖

2　變形監測物聯網系統

2.1變形監測物聯網感知層的數據采集設備

采集傳感器及其之間的連通管、采集單元、通電電纜、通信電纜等與數據采集單元共同構成了變形監測物聯網感知層數據采集的主要設備。

圖2　RJ-S型電容式靜力水準儀結構示意圖 （單位：mm）

（1）采集傳感器。采集傳感器為RJ-S型智能電容式靜力水準儀，安裝在建（構）筑物的基礎和測點上，用于測量建（構）筑物的基礎及各測點間相對垂直方向的變形沉降（圖2）。

（2）數據采集單元。設置在現場的單片機是本設備的數據采集單元，一方面控制軟件發出的相關指令能夠被單片機接受，另一方面傳感器單元受本單片機控制進而執行指令。

2.2變形監測物聯網網絡層的數據傳輸

有線傳輸和無線傳輸是變形監測物聯網數據及指令傳輸采用的2種主要方式。有線傳輸由于受到傳輸距離的限制，其應用范圍有限；無線傳輸目前主要采用基于GPRS／CDMA的無線數據通信方式，GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業務)和CDMA（Code Division Multiple Access，碼分多址）是在GSM系統上發展起來的新的數據通信技術，其特點與優勢就是將移動通信與因特網這兩大熱門技術聯合了起來，帶動了物聯網領域向全IP網絡的方向發展，為遠程監測、區域大、布線困難、數據流量小的應用場合提供了很好的應用機會。

本系統的數據傳輸是通過CDMA 或GPRS DTU (Data Transfer Unit，數據傳輸單元) 的無線終端設備實現的。一般地，常常采用2種工作模式實現數據傳輸，一是傳輸兩端均為DTU設備的點對點模式；二是一端為DTU、一端為無線數據服務中心的中心對多點模式，此時僅需保證現場具有良好、強烈的信號，保證傳輸效果即可，故對現場設備并無特殊要求。考慮到城市軌道交通內不同區域信號強度不同，通信信息覆蓋范圍也有差別等情況，中心對多點的工作模式被確定為本系統的工作模式，而現場的CDMA或GPRS DTU則通過設置于采集計算機的無線數據服務中心實行集中管理。

2.3變形監測物聯網應用層的軟件配置

DAMS-IV型智能分布式工程安全監測系統是本系統的應用層，該系統是在Windows NT網絡環境下，基于Windows 98/NT工作平臺開發的一款工程安全自動化監測系統，具有較廣泛的使用功能，例如，演示學習系統、在線安全評估、輔助工具、文檔資料、測值的離線性態分析、報表制作、監控模型／分析模型／預報模型管理和幫助系統等日常工程安全管理的所有常規內容。

3　靜力水準系統工作原理

靜力水準儀利用連通液的原理，多支通過連通管連接在一起的儲液罐的液面總是在同一水平面，通過測量不同儲液罐的液面高度，經過計算可以得出各個靜力水準儀的相對差異沉降。假設共有觀測點1 …n，各個觀測點之間已用連通管連通，各測點的安裝高程分別為Y01…Y0i…Y0j…Y0n，相應各測點的液面高度分別為h01…h0i…h0j…h0n（圖3a）。

對于初始狀態，顯然有：

當第k次發生不均勻沉降后，各測點由于沉降而引起的變化量分別為Δhk1…Δhki…Δhkj…Δhkn，各測點的液面高度變化為hk1…hki…hkj…hkn（圖3b）。

由于液面的高度還是相同的，因此有：第j個觀測點相對于基準點i的相對沉降量為：

由式（2）可以得出：

由式（1）可以得出：

將式（5）代入式（4），即可得出第j個觀測點相對于基準點i的相對沉降量：

由式（6）可以看出，只要能夠測出各點不同時間的液面高度值，即可計算出各點在不同時刻的相對差異沉降值。

圖3　靜力水準測量原理示意圖

4　工程應用

本工程為寧波軌道交通某新建車站基坑近接某既有車站開挖工程，新建車站為明挖地下4層島式車站，設計埋深為32.22 m，覆土厚度3 m，與既有線車站主體建筑的水平距離約16～24 m。

新建車站基坑埋深大，地質條件復雜，施工風險大，為實時掌握新建車站基坑施工對既有線車站線路變形的影響情況，保障既有線路安全運營，對本工程采用變形監測物聯網系統進行線路變形沉降靜力水準監測。

4.1測點布設

根據新路變形沉降監測需要，分別在既有運營線路車站的左、右線路中線各布設1條監測線，每條監測線布設10個監測點，監測點間隔12 m，共布設20個靜力水準監測點。每條監測線對應1個基準點，基準點采用獨立坐標系統，布設在離最外側監測點40 m左右的軌道結構外側，遠離變形區域。監測點的平面布設位置如圖4所示。

圖4　監測點布置示意圖

圖5　上行線累計沉降量-時間變化曲線圖

圖6　下行線累計沉降量-時間變化曲線圖

4.2數據通信

信號通信設備由通信電纜、供電電纜、標準RS-485現場總線、電源箱等組成，現場R J-S型智能電容式靜力水準儀通過RS-485現場總線與標準型模塊化智能數據采集單元DAU2000實現通信，DAU2000數據采集單元通過GPRS DTU通信模塊實現與因特網的連接。DTU的基本用法是在DTU中放入1張開通GPRS/ CDMA功能的SIM卡，D T U上電后先注冊到G P R S/ C D M A網絡，然后通過G P R S/ CDMA網絡和數據處理中心建立連接，將數據采集單元獲取的數據傳輸到控制中心的PC機上。

4.3數據采集及分析

本工程的監測工作從2011年3月24日至2011年6月24日結束，歷時3個月時間。整個監測周期從淺坑開挖開始至下部基礎結構施工結束，共進行33次監測。在基坑開挖過程中，每3天自動采集監測數據1次。沉降監測點的累計沉降量-時間變化曲線如圖5、6所示。

由圖5、6可知，上、下行線累計沉降量隨時間的變化趨勢基本上一致，上行線監測第1天（2011年3月24日）到第55天，沉降速率相對較大，從第55天開始，沉降基本趨于穩定，一直到第91天監測結束，下行線也呈現類似的變化規律。上下行線累計沉降最大值均小于4 mm，小于設計給定的預警值10 mm。從總體上看，新建車站基坑開挖施工對既有線車站線路變形沉降的影響較小，其原因是新建車站基坑開挖過程中嚴格按照設計要求施工，且采用必要的圍護結構和支護施工，有效控制了周圍土體和地下水的移動，使土體應力的釋放得到了有效控制，因而開挖過程中對既有線車站線路變形沉降的影響較小，隧道變形不大，在可控范圍內，都未超出預警值，變形趨勢較為正常、合理。

參考文獻

[1] 包歡，衛建東，徐忠陽，等. 智能全站儀網絡監測系統在城市軌道交通監測中的應用[J]. 北京測繪，2005（3）.

[2] 張杰. 地質災害監測預警預報系統研制與開發[D]. 陜西西安：長安大學，2011．

[3] 陳亮，陳壽根. 地下結構遠程實時監測預警系統研究[J]. 吉林水利，2010，355（4）.

[4] 徐忠陽. 智能全站儀變形監測系統及其在城市軌道交通結構變形監測中的應用[D]. 河南鄭州：中國人民解放軍信息工程大學，2002．

[5] 余文坤,戴吾蛟，曾凡河，等. 多傳感器滑坡監測遠程數據采集軟件設計與實現[J]. 工程勘察，2011 （7）.

[6] 朱星，許強，周建斌. 基于GPS/ GPRS滑坡位移監測系統的研制及應用[J]. 計算機測量與控制，201l，19（10）.

[7] 姚建榮，洪濤. 自動監測系統在城市軌道交通穿越既有線施工中的研究與應用[J]. 都市快軌交通，2006，19（3）.

[8] 尚金光. 基于物聯網模式的隧道變形監測預警系統研究[D]. 四川成都： 西南交通大學， 2012.

責任編輯 朱開明

Application of Internet of Ting in Deformation Monitoring in Transit Engineering

Han Sanqi

Abstract:Aiming at the construction situation for a new station near existing station of Ningbo urban transit, the study puts forward deformation monitoring system of urban transit engineering based on Internet of Ting technology, and the paper describes the 3-layer architecture of Internet of Ting technology for deformation monitoring system, the perception layer, network layer and application layer and the corresponding relation of deformation monitoring. With the practical application of the monitoring system, good results are achieved.

Keywords:urban transit engineering, Internet of Ting technology, deformation monitoring

收稿日期2015-01-20

中圖分類號：U456.3