光纖傳感技術(shù)下電力隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李衛(wèi)海，陳麗佳(廣東地下管網(wǎng)工程勘測(cè)公司，廣東 廣州 510080)

電網(wǎng)是城市公共基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。隨著我國(guó)城市基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，近些年北京、廣州等大城市都不同規(guī)模地建設(shè)了電力隧道，但因電力隧道周邊環(huán)境影響、動(dòng)力荷載反復(fù)作用和結(jié)構(gòu)材料老化等原因[1]，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同形式的變形，不利于隧道的安全運(yùn)營(yíng)。為保護(hù)電力隧道的結(jié)構(gòu)安全，需對(duì)運(yùn)營(yíng)期間的電力隧道進(jìn)行自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)。采用傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以保證監(jiān)測(cè)精度，需要推進(jìn)智能化監(jiān)測(cè)[2]。針對(duì)城市電力隧道結(jié)構(gòu)多樣、截面尺寸小、走向多變、電纜設(shè)施多、電磁干擾大等特點(diǎn)[3]，采用基于光纖傳感技術(shù)的高精度、長(zhǎng)期穩(wěn)定及不間斷性的實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)是電力隧道監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

光纖傳感技術(shù)具有可分布式監(jiān)測(cè)、不受電磁等干擾、穩(wěn)定性好、監(jiān)測(cè)精度高、便于與各種管理系統(tǒng)及應(yīng)急監(jiān)視處理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。本文針對(duì)光纖傳感技術(shù)在監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)及傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的不足，設(shè)計(jì)了基于光纖傳感技術(shù)的電力隧道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并應(yīng)用于電力隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、位移、沉降、裂縫及收斂等參數(shù)的變形監(jiān)測(cè)，取得了良好的效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)電力隧道的特點(diǎn)及傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的不足，基于光纖傳感技術(shù)，在Windows環(huán)境下設(shè)計(jì)電力隧道光纖傳感技術(shù)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，代碼在C++和Matlab環(huán)境下編寫。系統(tǒng)由光纖傳感器和應(yīng)答器、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。其總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)

光纖傳感器和應(yīng)答器包括應(yīng)變傳感器、位移傳感器和溫度傳感器[5]。應(yīng)變傳感器獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)位應(yīng)變變化值，可布設(shè)成一維或二維；位移傳感器主要是監(jiān)測(cè)位移、沉降、裂縫和收斂的變化。溫度傳感器是用于采集隧道中溫度環(huán)境數(shù)據(jù)，用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的溫度改正[6]。所有傳感器用光纖串聯(lián)到應(yīng)答器。應(yīng)答器的功能是發(fā)射一定波長(zhǎng)的激光和接收并測(cè)量反射光的波長(zhǎng)，而后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到應(yīng)變、溫度和位移[7]。應(yīng)答器需放置在無(wú)線信號(hào)區(qū)域，連接通信模塊及通信單元，發(fā)送和接收監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)，再通過無(wú)線傳輸至數(shù)據(jù)處理中心[8]；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過分析和處理后發(fā)送至應(yīng)用服務(wù)器(監(jiān)控中心)，監(jiān)控中心根據(jù)監(jiān)測(cè)成果及報(bào)警值進(jìn)行隧道安全監(jiān)控。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)分析3大子系統(tǒng)組成[9]，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、通信、處理、顯示、存儲(chǔ)功能；數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)用于存儲(chǔ)采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)，包括存儲(chǔ)采集的原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)由單點(diǎn)時(shí)間系列模塊、趨勢(shì)分析模塊、報(bào)警功能模塊組成。

2 關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 光纖傳感技術(shù)自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)

通過設(shè)計(jì)合理有效的數(shù)據(jù)傳輸方案與監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電力隧道的結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力監(jiān)測(cè)、溫度變化監(jiān)測(cè)及位移等參數(shù)的變形監(jiān)測(cè)。

該系統(tǒng)由光纖光柵傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置、數(shù)據(jù)接收裝置、應(yīng)用終端5部分組成。各傳感器通過光纖線連接數(shù)據(jù)采集、傳輸單元，通過GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到Internet，經(jīng)由Internet最終進(jìn)入數(shù)據(jù)處理中心，做到了信息傳遞的及時(shí)性和廣泛性[10]。光纖光柵傳感智能解調(diào)儀具有4個(gè)數(shù)據(jù)通道，每個(gè)通道可連接8個(gè)傳感器，通過光纖連接所有傳感器，再接入數(shù)據(jù)采集單元，自動(dòng)按設(shè)定監(jiān)測(cè)周期和測(cè)量限差采集數(shù)據(jù)并暫存。監(jiān)控中心通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)信息，對(duì)隧道的安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成

2.2 自動(dòng)化遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)

通過采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，連接自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備及遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)縫接入監(jiān)控平臺(tái)[11]。通過對(duì)應(yīng)接口完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)上傳，從而確保項(xiàng)目安全信息的實(shí)時(shí)性、有效性。對(duì)最終采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)分析、變形預(yù)警、隧道監(jiān)控。

2.3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)由3個(gè)子系統(tǒng)組成：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集、顯示各傳感器數(shù)據(jù)，用戶通過顯示圖表查看異常現(xiàn)象，可設(shè)置預(yù)警值，出現(xiàn)異常情況實(shí)時(shí)報(bào)警。如圖3所示。

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)答器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，能實(shí)時(shí)顯示各傳感器數(shù)據(jù)，用戶可以通過顯示的監(jiān)測(cè)成果查看有無(wú)異常現(xiàn)象。可通過軟件數(shù)據(jù)分析的搜索功能，提取所需要的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理、讀取和顯示，然后自動(dòng)按時(shí)間格式生成的文本文檔單元進(jìn)行存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。對(duì)所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差剔除并進(jìn)行修正，可以擬合出各個(gè)傳感器動(dòng)態(tài)變化的趨勢(shì)圖，得出其變形的空間特性，如圖4所示。當(dāng)觀測(cè)的應(yīng)變超過某一極限值時(shí)要發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖4 趨勢(shì)分析

3 系統(tǒng)應(yīng)用與驗(yàn)證

系統(tǒng)的應(yīng)用選擇在廣州市潭天電力隧道進(jìn)行。該隧道建設(shè)于20世紀(jì)90年代末，位于廣州市珠江新城核心地帶花城大道，瀕臨珠江航道，周邊高樓林立、交通繁忙。監(jiān)測(cè)地段為雙子站至獵德大道與花城大道十字路口段，長(zhǎng)度約為1500 m。由于該隧道建設(shè)年代較早，結(jié)構(gòu)多樣，運(yùn)行期間內(nèi)部結(jié)構(gòu)有滲水、裂縫等現(xiàn)象。

利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該段電力隧道應(yīng)力、位移、沉降、收斂等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。同時(shí)在相應(yīng)的傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近也布設(shè)了相應(yīng)的傳統(tǒng)方法監(jiān)測(cè)點(diǎn)，使用全站儀、水準(zhǔn)儀、游標(biāo)卡尺等儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

以裂縫監(jiān)測(cè)為例，在隧道內(nèi)選取5處典型的伸縮縫、自然裂縫處安裝5個(gè)光纖光柵裂縫傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，編號(hào)為WY1—WY5，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2017年2月11日至6月26日，裂縫傳感器自動(dòng)連續(xù)測(cè)量并記錄裂縫在本段時(shí)間的變化量，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。從曲線圖可以看出，WY1至WY5位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)均有線性變化趨勢(shì)，變化量在-1.5～1.5 mm之間，5個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積位移最大值為1.88 mm(WY5)，最小值為-0.05 mm(WY2)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域隧道結(jié)構(gòu)變形均不太顯著，未超過設(shè)計(jì)及規(guī)范中的變形允許值，說明系統(tǒng)能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出電力隧道位移微小變化趨勢(shì)。

為驗(yàn)證光纖傳感技術(shù)自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及可靠性，在傳感器的位置同時(shí)安裝5個(gè)人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)L1—L5，使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(如圖6所示)，與自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。監(jiān)測(cè)時(shí)段與自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)相同。通過數(shù)據(jù)采集和分析可知，人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)果在-1.5～1.5 mm之間振蕩，裂縫累計(jì)變形量最大值為1.69 mm(L5)，最小值為-0.07 mm(L2點(diǎn))。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖如圖5、圖6所示。兩種監(jiān)測(cè)方法結(jié)果對(duì)比見表1。

圖5 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)WY1—WY5裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果曲線

圖6 人工監(jiān)測(cè)L1—L5裂縫監(jiān)測(cè)曲線

表1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比 mm

通過曲線圖及表1的分析對(duì)比，兩種方法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖呈現(xiàn)一致的變化趨勢(shì)，驗(yàn)證了自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，說明基于光纖傳感技術(shù)的電力隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)隧道變形的應(yīng)用是可行的。

4 結(jié) 語(yǔ)

在整個(gè)系統(tǒng)研發(fā)和監(jiān)測(cè)應(yīng)用期間，基于光纖傳感技術(shù)的電力隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能有效實(shí)時(shí)采集和傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而且能通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和分析隧道結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變形趨勢(shì)。數(shù)據(jù)精度、準(zhǔn)確性也得到了驗(yàn)證。通過實(shí)踐應(yīng)用，本文解決了以下幾個(gè)方面的問題：

(1) 研發(fā)了適用于針對(duì)城市電力隧道結(jié)構(gòu)形式多樣、水準(zhǔn)面起伏大、截面小、電纜設(shè)施多、電磁干擾大等特點(diǎn)的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(2) 系統(tǒng)解決了小而深隧道監(jiān)測(cè)常規(guī)方法中基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)、施測(cè)難等問題。

(3) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、無(wú)間斷、無(wú)線傳輸、高精度變形監(jiān)測(cè)，以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)、預(yù)警功能，極大地提高了工作效率，降低了運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。

隨著我國(guó)越來越重視城市建設(shè)中地下空間的規(guī)劃、開發(fā)、建設(shè)工作，地下空間的分布、形式也會(huì)越來越廣泛和多樣化，對(duì)安全監(jiān)測(cè)的需要也會(huì)有更高的要求，基于光纖傳感技術(shù)的電力隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于類似的監(jiān)測(cè)需求具有極大的應(yīng)用和參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何弼.分布式光纖傳感技術(shù)在管道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2017(1)：9-12.

[2] 羅靜，盧凌燕，任衛(wèi)波，等.淺析運(yùn)營(yíng)期間電力隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].測(cè)繪與空間地理信息，2016,39(8)：204-206.

[3] 劉志.光纖傳感技術(shù)在邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].山西建筑，2012，36(4)：112-113.

[4] 陳永奇.工程測(cè)量學(xué)[M].4版.北京：測(cè)繪出版社，2016.

[5] 趙星光，邱海濤.光纖Bragg光柵傳感技術(shù)在隧道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(3)：587-593.

[6] 閔紅,王道生，王志剛，等.電力隧道運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用研究[J].華東電力，2014,42(9)：1780-1785.

[7] 陳永奇.變形觀測(cè)數(shù)據(jù)處理[M].北京：測(cè)繪出版社，1988.

[8] 國(guó)家能源局.電力電纜隧道設(shè)計(jì)規(guī)程：DL/T 5484—2013[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

[9] CHAN T H T，YU L，TAM H Y，et al.Fiber Bragg Grating Sensors for Structural Health Monitoring of Tsing Ma Bridge：Background and Experimental Observation[J].Engineering Structures，2006，28(5)：648-659.

[10] 劉泉聲，徐光苗，張志凌.光纖測(cè)量技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(2)：310-314.

[11] 胡承軍.軟土隧道施工的自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析與安全狀態(tài)評(píng)估方法的研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[12] 宋蓓，沈剛，朱偉林.自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在我國(guó)首條大型電力隧道中的應(yīng)用[J].上海地質(zhì)，2008(2)：51-53.