基于物聯網的隧道智能安全監測系統研究現狀分析

黃富禹 劉 春* 李 萌

（重慶科技學院，重慶401331）

1 概述

隨著科技的發展和城市的需求，隧道行業得到了空前的發展。對隧道工程進行監測能夠及時發現結構安全隱患，達到預防事故發生的目的。但是目前的監測模式需要進一步提高，滿足工程實際需求。

物聯網技術能夠很大程度上滿足隧道智能安全監測的要求。隨著物聯網核心技術的逐步成熟（RFID 技術、傳感器技術、遠程通信技術），物聯網技術在隧道智能安全監測領域逐步得到了廣泛的應用。

針對已建隧道進行的智能安全監測，能夠及時的了解隧道的損傷劣化情況及其安全狀態。高效、實時的監測與分析反饋是確保隧道安全運營的關鍵技術[2]。隨著信息化時代的發展，傳感器、智能全站儀和互聯網等技術的全面普及，為工程監測帶來了改變，實現了監測數據和監測終端實時同步的目的，形成了在線同步，實時監測的物聯網智能安全監測系統。

2 物聯網智能安全監測技術的研究進展

隨著物聯網技術的飛速發展，其在地質災害、橋梁健康、大壩安全等領域的監控測量已得到廣泛應用，但在隧道工程領域仍處于探索階段[3]。

2.1 國外研究進展

英國劍橋大學的Soga 教授團隊將WSN 技術應用于倫敦地鐵變形監測項目[6]。WSN 技術在布拉格地鐵監測項目、巴塞羅那地鐵監測項目等也得到了應用[2]。Akyildiz 等對物聯網監測的研究現狀及挑戰做了闡述。

2.2 國內研究進展

王亞瓊在2015 年研究并提出了基于物聯網的隧道施工監測技術，并成功應用于大寶山隧道工程[3]。

尚金光在2012 年設計了基于物聯網技術的變形監測預警系統，開發了數據中心軟件，進一步解決了物聯網技術在變形監測中的數據處理能力不足的問題[1]。

李福健在2017 年以隧道圍巖量測自動化監測技術為基礎結合GIS+BIM技術設計了監測管理平臺。實現了隧道監測數據的立體化、可視化，有效的提高了監測的可靠性[4]。

姜晨光等人設計并提出了基于物聯網的隧道智能監測技術體系，借助物聯網技術將監測數據通過網絡傳輸至數據處理中心，以實現對隧道損傷劣化情況的實時監測和遠程控制[5]。

3 物聯網技術在隧道智能監測中的應用

物聯網技術是物聯網技術的延伸，其核心仍是互聯網技術，其意義在于能夠實現數字信息和物理空間的無縫銜接。

3.1 物聯網感知技術

感知技術是物聯網隧道智能安全監測系統的關鍵技術。WSN（無線傳感網絡技術）作為感知技術的代表，已經廣泛應用于工程監測當中。

隨著物聯網技術的發展，傳感器已經具備了微型化、智能化等特點，實現了傳感器設備的信息化、網絡化。目前，在物聯網隧道智能安全監測系統的實際應用中，不同的傳感器系統還面臨著不兼容的問題。

3.2 物聯網體系架構

物聯網技術主要由三部分組成，其分別為：感知層、傳輸層、應用層。

（1）感知層

感知層主要有傳感器技術和RFID（射頻識別技術）；傳感器技術是將壓力、濕度、變形、位移等隧道物理信息轉化為電信號或者其他形式的信號然后進行數據輸出的技術。RFID（射頻識別技術）是非接觸的自動識別技術，在不用人工干預的情況下，能正常的通過對目標發射信號來獲取數據。

（2）傳輸層

傳輸技術是物聯網隧道智能安全監測系統能得到應用的關鍵所在。傳輸技術功能在于能夠把數據有效、快速的傳輸到下一層，其包括短距離傳輸技術和遠距離傳輸技術。這兩個技術能夠在物聯網復雜的處理過程中增加運用數據率。使數據傳輸和處理達到安全、穩定的目的。

（3）應用層

物聯網體系架構圖

應用層的功能是對數據進行計算和處理，從而能夠達到對物體進行實時監控和管理的目的，實現決策的科學化、及時化。在物聯網隧道智能安全監測系統中，應用層在傳感器對隧道進行數據采集后通過傳輸層網絡發送到監控中心。監控中心就屬于應用層，他將對隧道的信息進行匯總，并自動根據不同情況進行自動分析和采取相關措施。

3.3 物聯網技術在隧道監測中的應用

物聯網隧道智能安全監測系統的應用分為兩類：一類是在隧道運營期的安全監測，另一類是在隧道施工期的安全監測。

該系統主要功能主要有：

（1）對數據進行實時采集，傳輸和分析；

（2）直觀顯示監測數據、數據變化情況及隧道當前狀態；

（3）一旦出線緊急情況，系統能及時的發出預警信息。

4 智能監測存在的缺陷及發展趨勢

4.1 存在的缺陷

（1）監控量測意識不高

在進行監測的過程中，少作或不作監控量測，對既有的安全隱患不能及時處理，最后導致隧道安全事故的發生。

（2）數據可靠性較低

儀器精度、環境適應力、自動化程度及操作性都是監測儀器的重要指標。目前部分監測儀器在物聯網智能安全監測系統的使用中會出現數據紊亂、儀器破損等問題，導致數據的可靠性較低。

（3）特殊路段的監測方法較少

在河流、海洋、戈壁等特殊路段，由于監測技術不夠成熟，導致隧道安全不能得到保障。尤其在河流、海洋等地段修建隧道，由于突水、涌水等原因造成的圍巖損傷劣化很難做到實時監控。

（4）數據處理與分析技術有待提高

數據處理與分析基本采用回歸分析法、BP 神經網絡、時間序列分析法等進行預測分析，但這些方法在實際工程中的應用仍處于研究階段，可靠性還需要進一步的研究。

4.2 發展趨勢

（1）利用物聯網技術可以實現物聯網隧道智能安全監測系統進行實時全面的監測，并準確的傳輸、反饋結構變形情況，提升隧道施工與運營的安全性。

（2）改善監測模式，傳感器、無線傳輸網絡、數據儲存分析等技術和方法的改善，對現有的監測方法、監測模式都將產生影響。

（3）利用物聯網技術能夠實現安全性高、功能完善、實用性強的隧道監測體系。

5 結論

5.1 物聯網技術能夠對隧道智能安全監測系統提供技術支持，達到保障隧道安全運營的目的；

5.2 降低物聯網技術應用能夠降低工程造價，隨著物聯網快速規?；l展、相關產業的良性循環，物聯網隧道智能安全監測系統各個環節的成本會逐步降低；

5.3 隧道工程屬于公共設施，物聯網隧道智能安全監測系統的網絡信號會逐步實現網絡加密。數據泄漏會給包括隧道在內的公共設施帶來安全隱患，因此對物聯網隧道智能安全監測系統實施網絡加密必不可少。

5.4 隧道在不同的環境有著不同的安全隱患，使得隧道監測各成體系并會對應急指揮帶來難度。所以需要有一套集安全監測與應急指揮于一體的標準體系，實現兩者的統一。