多源融合的綜合管廊典型結構監測系統的搭建

王寶泉，楊劍，李靜毅，上官士青

（中交公路規劃設計院有限公司，北京100000）

1 引言

城市綜合管廊被喻為城市的“生命線”，用于容納電力、通信、給水、雨水、污水、燃氣、熱力等市政公共管線，它具有保障市政管線安全、提高地下空間利用率、美化城市環境、避免路面重復開挖等優點，是新型城鎮化發展的需要。

管廊監測是城市綜合管廊發展的一個重要方向，良好合理的管廊監測有利于綜合管廊持續運營。其中，梅魯海[1]、張可佳等[2]、張忠軍等[3]分別研究了城市綜合管廊監測監控中的信息智能體和消息主動觸發技術、基于GPRS 網絡的綜合管廊煤氣管道實時監測系統、城市綜合管廊智能井蓋監測系統與移動特征提取模型，另外，王仁駒[4]又對海口市某地下綜合管廊基坑監測進行分析，齊寶欣[5]對基于壓電傳感器的混凝土損傷檢測數值進行模擬，吳超仲[6]對信息融合技術進行研究。上述研究針對具體問題進行了很好的研究及解決方案，但較少采用多種先進傳感器來構建一種多源融合的綜合管廊監測系統。

本文面向地下綜合管廊系統監測和安全運維需求，圍繞多類型傳感器網絡、多源信息融合技術、結構健康監測與無損監測等技術領域展開充分調研，嘗試搭建了典型的結構監測系統，以供參考。

2 多源融合監測的概念

地下工程的固有特點及多種類型的管廊進入管廊運營后的相互制約和影響，對管廊的可靠性設計、使用過程中的狀態評價及初始問題后的安全性評估提出更高要求。鑒于此，有必要在地下管廊設計和使用過程中，利用先進的監測和檢測技術手段。基于多類型傳感器網絡和多源信息融合技術，進行實時狀態監測和安全性評估，是目前結構健康監測和健康度評估的主流方法，具有為維修維護策略制訂、節約運維成本、降低安全風險提供重要的技術、工具與數據支撐等特點。

在結構健康監測領域，基于多源傳感器的信息融合就是一個信息綜合處理過程，它充分利用多個傳感器資源，通過對這些傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，把多個傳感器在時間或空間上的冗余或互補信息依據某種準則進行組合，以獲得被測對象的一致性解釋或描述，使該信息系統由此而獲得比它的各組成部分的子集所構成的系統更優越的性能。

3 傳感器的應用

管廊土建結構的日常監測是采用專業儀器設備，對綜合管廊主體結構沉降、伸縮縫寬度、應力應變、外水壓力等進行實時監測，以及時發現異常情況并預警。

1）主體結構沉降監測。通過位移傳感器實現對廊體結構的絕對沉降和相對沉降進行實時監測數據的采集。常見做法是采用水準儀、全站儀測量后人工錄入。

2）伸縮縫寬度監測。為滿足地下綜合管廊結構設計規范要求，管廊沿長度方向每隔一定距離設置變形縫即結構伸縮縫，此變形縫的寬度對于管廊整體結構至關重要，使用過程中應嚴密監測伸縮縫的發展，防止在伸縮縫處產生滲水等不利現象，伸縮縫的寬度監測可直接在伸縮縫處布設表面測縫計，進而監測伸縮縫的發展。

3）應力應變監測。通過應變計監測結構應變情況。振弦式應變計具有抗高壓、抗徑向力、二次密封、零點穩定等特點，適用于長期埋設在地下的混凝土結構，通過黏接或使用一段錨桿的方式將2 個端塊固定在混凝土上，實現混凝土結構應變的監測。

4）外水壓力監測。通過滲壓計對管廊外水壓力進行監測。滲壓計適用于長期埋設在地下的混凝土結構，可將振弦式滲壓計埋設在襯砌混凝土外側，滲壓計通過感知壓力變化反映外水壓力對管廊的壓力變化，其測量方法簡單而精準。

本文總結了綜合管廊結構監測傳感器的種類，如表1 所示。

表1 綜合管廊結構監測常用傳感器

表1 中所列傳感器均為當前結構健康監測中常見傳感器，其中，BOTDA 光纖傳感器為近幾年興起的新型結構應變傳感器。除此之外，應用于鋼結構的較為先進的結構監測傳感器有壓電傳感器、對比真空監測傳感器、智能涂層傳感器等。為實現多源融合管廊結構監測，本文特意研究了采用主動壓電傳感器進行鋼結構（管廊內支架或球墨鑄鐵給水管等）監測的實驗設備。

4 典型健康監測設備研制

本文僅以結構超聲導波為理論基礎的主動壓電結構健康監測設備為例，介紹典型結構健康監測系統設備的研制思路。

壓電傳感器是利用某些電介質受力后產生的壓電效應制成的傳感器。所謂壓電效應是指某些電介質在受到某一方向的外力作用而發生形變（包括彎曲和伸縮形變）時，由于內部電荷的極化現象，會在其表面產生電荷的現象。

結構健康監控常用的壓電元件主要有壓電陶瓷、壓電薄膜以及其他類型的大應變單晶壓電材料、壓電纖維元件等。

4.1 硬件系統選型設計

基于超聲導波的結構健康監測系統由傳感器、電荷放大器、功率放大器以及數據采集系統組成。為提高系統的可靠性和節省開發時間，采取購買成熟貨架產品和自主研發的開發策略，即對于信號發生卡和數據采集系統，采取市場上成熟的NI 產品，對于前置電荷放大器、功率放大器以及矩陣開關，采取自主研發。采取該策略，一是降低成本；二是定制化設計可使系統小型化。

數據采集系統采用NI 的PXI 機箱架構，機箱選用PXIe-1071，配備i5 CPU、win7 的64 位操作系統的PXIe-8840，通過DP 總線外接到定制機箱上的觸摸屏顯示器上，實現LabView軟件的編程和運行。選用PXI-5412 的14 位的波形發生器，4通道的示波器采集卡PXIe-5170R，以及4×64 路的兩線雙向的矩陣卡PXIe-2532B 與其連接件PXI-2643B。

通過波形發生器產生頻率小于700kHz 的正弦載波信號，但其幅值最大只能有10V 多，而PZT-51 壓電傳感器的激勵電壓為70V，故而信號需要經過功率放大器放大為-70～+70V 的激勵信號，激勵信號接入4×64 路的矩陣式切換開關的4 路通道中的其中一路。

給一個傳感器發出激勵信號后，通過飛行器大型鋁板傳導至其他傳感器，壓電傳感器接收到信號后，將其轉換為電荷，而示波器采集卡采集的是電壓信號，故需將電荷轉換為電壓信號，而信號電壓幅值很小，故需將其放大，采用電荷放大器將信號轉換為電壓信號并將其放大。在發出激勵信號的同時，通過PXI 的背板總線，觸發示波器采集卡的同步采集，這樣就能保證沒有信號數據的丟失。系統的硬件連接示意圖如圖1 所示。

圖1 硬件系統原理圖

本項目提出的硬件系統不同于現有的超聲導波監測系統的一個特點是能同時三路采集。4×64 路矩陣卡的64 通道口分別連接64 個PZT-51 壓電傳感器，4 通道口中一路接波形發生器，另外3 路接示波器采集卡。R0 作為激勵信號通道，連接至PXI-5412 波形發生卡的波形輸出通道，R1、R2、R3 作為采集信號通道，連接至PXIe-5170 示波器采集卡的三路采集通道，可實現同時采集三路信號。

通過LabView 編程對矩陣開關卡進行控制，接通波形發生器與1 個傳感器，然后，通過3 路示波器采集其周圍8 個傳感器的反饋信號，由于3 路采集通道1 次只能采集3 個傳感器的數據，故需要采集3 次。采集完后切換波形發生器至下一個傳感器，重復以上采集過程，直至全部傳感器完成，如圖2 所示。

圖2 一發三收模式示意圖

相比較于傳統的單發單收模式，一發三收模式的優勢在于速度快，大大減少1 次測試采集的時間。且1 次激勵，3 路同時采集，能夠同時獲得更大范圍的區域信息，提高了系統的運行速率和準確率。

但3 路同時采集的時候，采集1 次的數據量將顯著增大，因此，選擇的示波器采集卡的緩存必須經過計算，選型滿足要求的采集卡，如果選擇的采集卡的緩存較小，則會出現一次采集尚未采集到完整的信號時，緩存已經溢出的情況。經過計算，選用的PXIe-5170R 示波器采集卡750MB 緩存，在14 位的采集精度下，完全能滿足要求。而且在采集完成后，可立即將緩存中的數據保存至本地硬盤，選用的二進制保存格式保存速度快，不占用額外的存儲空間，能達到要求。

4.2 外部信號處理單元設計

4.2.1 矩陣開關卡的設計

根據前面的串擾測試可知矩陣開關卡的串擾較大，且其價格昂貴，故需自主設計一款性能良好且性價比高的矩陣開關卡。矩陣卡對其繼電器的要求高，故選用與PXI-2532B 同款的繼電器，選用MAX4820 串行口的繼電器控制芯片，其具有鎖存功能，能實現單個繼電器的控制。由于繼電器需通過軟件控制其開閉，需要與系統進行通信，而MAX4820 的通信方式為SPI，此處選擇USB-SPI 的方式，實現系統與矩陣卡的通信。設計為4×64 路單線的矩陣卡，在未改變使用的性能的情況下，相比于PXI-2532B，節省了一半的繼電器，成本大大減小。

使用USB-SPI 與MAX4820 通信時，由于MAX4820 數量較多，有32 個，故如果不加緩沖器，那么通信時數據波形會有失真，影響通信質量，嚴重時可能會導致誤操作，故還需要在各MAX4820 前加一個緩沖器，以使得通信穩定。而32 個MAX4820 還需要有片選信號，以達到單個芯片控制的目的，因此又設計了一個5-32 路譯碼器。

4.2.2 USB-SPI 卡的設計

USB-SPI 使用緯圖虛擬儀器的USB 轉SPI 適配器。其內部為單片機通過USB 協議與計算機交互，并且將接收到的數據通過SPI 協議發送出去，被MAX4820 接收，以控制繼電器，并且通過其GPIO 口接入設計的5-32 路譯碼器，實現片選MAX4820 的功能。

4.3 整體硬件系統組裝

將整體硬件系統進行組裝連接，并測試，整體圖如圖3所示。

圖3 硬件系統組裝圖

經過測試以后，整體系統性能良好，測得的數據波形穩定。

在結構健康監測領域構造多主體系統時，共享信息管理主體實現的基本思想同黑板方法類似，從本質上來說也是一種結果共享的協同解決問題求解方法。系統支持子系統之間共享信息管理主體的連接和信息交換。各子系統間在各自的評估過程中會不斷交換中間結果，通過其他子系統的幫助參考完成本地子系統的損傷評估工作。

上述主體構建方法，針對大型鋁板，構建了大型鋁板結構的多主體協作結構健康監測系統。

5 結語

綜上所述，本文對地下綜合管廊的監測內容和監測需求進行詳細闡述，并介紹了多源融合技術的概念。針對地下綜合管廊的管廊內支架或球墨鑄鐵給水管等，應用壓電傳感器搭建了典型的多源融合健康監測系統。