基于物聯網的隧道管片接頭轉角感知裝置研究

朱雨晨，李 忠，2

（1.上海工程技術大學城市軌道交通學院，上海 201620；2.蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050）

針對地下隧道在長期運營過程中會受到地質條件變化、圍巖結構損傷劣化而導致的各種病害問題，隧道結構安全狀態的實時監測技術得到了廣泛應用。雖然在隧道變形監測方面取得了較大的進展，但是也存在相應的缺陷或者不足，如傳感器重復利用率低、開發周期長、監測儀器（如全站儀、三維激光掃描儀等）費用昂貴且不能達到實時性要求。盾構隧道結構在服役壽命內，需要根據結構運營狀態、環境相關參數，如位移、應變、濕度和溫度等進行長周期性的監測、檢查、維護及維修，以提供可用于相關耐久性的建議及判斷結果[1]。結合管片襯砌結構一般采用錯縫拼裝的方式，由于管片接頭缺乏來自相鄰管片的約束，比較容易張開，不利于長期防水[2]，因此，需要對管片接頭處進行實時健康狀態的監測。文中采用接觸式測量的方法，以高精度、低成本、可維護、實時性為目標，進行盾構隧道管片接頭處轉角感知裝置的設計和研究。結合物聯網平臺技術，以更加方便、直觀、可靠的傳輸方式進行實時遠程監測，內容綜合了工程數學、物聯網、電子通信等諸多學科，形成優勢功能互補，旨在更加廣泛且可靠地運用在隧道工程領域的監測之中。

物聯網技術是網絡信息產業化發展的革命性創新成果[3]，目前在各個領域都有快速的發展和廣泛的應用。在隧道變形監測領域中，物聯網也具備廣闊的應用前景，同時針對物聯網技術在隧道監測中的應用研究[4]也越來越多。何斌等[5]研究無線傾角傳感器所采用的溫度補償和數字濾波算法，設計了一種無線傾角傳感器來檢測地下隧道的結構變形，實驗結果符合隧道變形檢測的功能需求。王亞瓊等[6]分析物聯網技術與隧道施工之間的契合度關系，提出基于物聯網的隧道施工監控量測技術，并成功應用于大寶山隧道工程。彭毅弘等[7]設計了一套采用新型傳感器和ZigBee 無線網絡的監測系統，并驗證了系統運行的可靠性。黃富禹等[8]闡述了物聯網技術的架構體系及在隧道智能安全監測系統中的應用，設計了基于物聯網技術的隧道自動化變形監測系統。借鑒以上研究，文中提出一種管片接頭轉角處位移感知裝置設計方案，根據電位器可變電阻的性質介紹了裝置實現測量的原理和過程，結合物聯網平臺實現了對盾構隧道管片轉角處的實時監測，并驗證了該監測方法的可行性。

1 感知裝置設計

1.1 裝置原理分析

根據管片拼接結構，將感知裝置固定在管片上，在考慮張開角未發生錯臺階段的小范圍角度變化情況下，對兩塊相鄰的管片在空間結構中接頭處的節點[9]可能會發生的上凸、下凹的變化情況進行模擬，結合空間幾何位移關系可以通過轉角角度得到管片位移變化的情況，其空間幾何角度模擬分析圖如圖1所示，可進一步對隧道結構安全進行判斷。

圖1 空間幾何角度模擬分析圖

假設裝置連接管片的臂長為x，裝置導桿長度為y，位移角α可由感知裝置檢測得知，在管片發生位移后有傾角θ，可通過已知條件x、y、α推導得到傾角θ：

1.2 裝置設計分析

電位式轉角感知裝置所采用的硬件包括Arduino UNO 開發板、ESP8266 串口Wi-Fi 無線模塊、碳膜電位器、9 V 碳性電池、貝殼物聯網、固定導桿、轉向桿等。整體結構設計示意圖如圖2 所示。圖2 中，1 為主控盒，內置Arduino UNO 開發板、ESP8266-01S 和電源裝置，預留電池殼、USB 接口、DC 插頭；2 為固定環，由頂部固定銷鎖住電位器，連接主控盒和固定導桿；3 為固定導桿，由長導桿和連接件組成，主要有固定和支撐的作用；4 為轉向桿，一端用于鎖緊電位器旋鈕，另一端由連接件固定和支撐；5 為連接件，用于裝置與拼接塊的固定和整體的支撐。

圖2 整體結構設計示意圖

此裝置一側由固定導桿連接固定環，另一側的轉向桿采用固定銷鎖緊電位器旋鈕固定在裝置外殼上，使其軸心與旋鈕中心保持同心軸關系，轉向桿和旋鈕始終保持同步轉動，最后將兩根導桿的連接件固定在管片上，由此完成裝置的整體結構設計。其設計優勢體現在主控盒可以有效保護裝置內部電路元件，并且具有防灰防塵的作用，能適應地下隧道的惡劣環境。

1.3 安裝原理分析

實驗模型為某地鐵隧道管片結構，每環管片采用管片分塊的形式，其中封頂管片的圓心角為22.5°，3 塊標準管片的圓心角均為67.5°，封頂管片兩端鄰接管片的圓心角均為67.5°。實驗模型采用1∶10 的幾何相似比進行制作，其接頭轉角測試空間模型示意圖如圖3 所示，在兩塊相鄰的管片接頭處安裝感知裝置。其監測位置不局限于環向管片之間的測量，也可以對管片縱向的位移偏差進行測量，真正意義上實現錯縫管片拼裝結構的靈活監測。

圖3 管片接頭轉角測試模型示意圖

在完成盾構隧道管片的設備安裝后，其整體監測裝置的模塊框架示意圖如圖4 所示。N個感知裝置組成感知裝置模塊系統，根據管片所處不同位置在其接頭處安裝設備，對當前定位的點進行實時監測，通過無線網模塊完成數據的采集和傳輸[10]，以上部分均由電池提供電源，最后由物聯網平臺進行數據的整理和分析，生成曲線圖并且設定預警范圍，最終完成實時監測的感知裝置的模塊設計。

圖4 模塊框架示意圖

2 硬件設計

2.1 電位器

電位器具有3 個引出端、兩個固定端和一個滑動觸點，其阻值可按照某種線性變化規律調節，若改變滑動觸點在電阻體上的位置，則改變了滑動觸點與任一個固定端之間的電阻值，從而改變了電壓與電流的大小。電位器常用于收音機上調節音量的大小，其實質上是對可變電阻器的調節，家用電器和儀器儀表常用碳膜電位器，電位器的主要使用要求是壽命長、故障率低。故選擇單圈碳膜電位器（單聯），其標準阻值為10 kΩ，阻值公允誤差為±10%，機械轉角為300°（連續），工作溫度范圍為-20～85 ℃，旋轉壽命為15 000 轉。電位器是一種可以把線位移和角位移轉換成一定函數關系的電阻或電壓輸出的傳感元件[11]，圖5 所示為單圈碳膜電位器原理示意圖。假定全長為amax的電位器總電阻為Rmax，電阻沿長度的分布是均勻的，電阻與角度、電壓與角度的關系分別為：

圖5 電位器原理示意圖

2.2 Arduino UNO

Arduino UNO實質是基于ATmega328P的Arduino開發板，其幾乎具備了微控制器所需的一切功觸，僅需要把它連接到計算機的USB 接口，或者選擇ACDC 適配器，或使用電池，就可以驅動這塊開發板。Arduino UNO 的軟件開發環境使用的是Arduino IDE，是具有類似Java、C 語言的Processing/Wiring 開發環境。Arduino UNO 有自己的編程語言，是簡化的編寫代碼流程。Arduino UNO 的程序語法結構包含以下兩個函數：Set up()與Loop()。Set up()在程序流程中只會執行一次，用于定義所有需要設定、初始化的參數和函數，或者是引腳功能的指定，都會在這部分先定義完成[12]。Loop()是主程序的執行內容，保證電源不中斷時，函數內的程序會處于一直執行的狀態。

2.3 ESP8266-01S

ESP8266系列Wi-Fi模塊一共有01～14多款模塊，其中ESP8266-01 簡稱ESP-01，網上售價在7～8 元左右，在ESP8266系列中具有較高的性價比。ESP-01 需要上拉電阻10 kΩ，而ESP-01S板已經有上拉電阻，其他參數幾乎相同，故選擇ESP-01S，圖6 所示為ESP-01S示意圖。ESP-01S模塊是由一顆ESP8266作為主控和一顆flash作為存儲芯片組成的，帶有板載芯片，供電采用3.3 V電壓，使用串口進行燒寫程序和AT指令集調試。ESP8266集成的Wi-Fi芯片可以工作在3種模式下，分別是AP模式，STA模式和STA+AP模式，支持TCP/IP，其傳輸速率穩定在10 Mbps[13]，滿足設計要求。

圖6 ESP-01S示意圖

3 軟件設計

3.1 貝殼物聯

貝殼物聯云平臺主要以TCP 協議為主要通信方式，同時輔以UDP 協議，兩種協議之間的信息可以互通。進入貝殼物聯官網，免費注冊一個賬號，添加智能設備和設置接口，記錄下設備ID、對應的APIKEY和接口ID。當設備通電連接上客戶端時，智能設備即處于在線狀態。

3.2 程序設計

進入Arduino IDE，點擊工具選擇開發板型號和端口，注意填寫網絡環境，即在代碼中填寫無線網名稱和密碼，點擊上傳到開發板，得到調試結果。下一步進行斷電重啟，拔掉USB 接口再重新接上，在完成重啟步驟后，打開IDE的串口監視器，調整波特率為9 600位/s，執行程序AT 指令，直到出現{"L":"WELCOME TO BIGIOT"}，則表示設置成功。

根據程序要求填寫貝殼物聯中添加的設備ID、APIKEY 和接口ID，即完成代碼的修改。等待程序上傳成功之后，打開串口監視器，調整波特率為115 200 位/s，電位器旋鈕的當前數據即上傳到貝殼物聯預設的接口上。

3.3 監測模式設計

在完成電路搭建和程序設計后，其系統執行的流程圖如圖7 所示。設備通過USB 接口連接電腦開始提供電源，上傳AT 指令完成透傳模式，成功連接上貝殼物聯網平臺。下一步通過電位器的電壓轉化為模擬量輸入到開發板上，再由已連接上Wi-Fi 的ESP-01S 完成數據的傳輸，在程序中輸入物聯網平臺的設備和數據接口，則完成數據的輸出端設計[14]。此時，打開貝殼物聯，設備在線，數據同步或以曲線圖呈現，若在基準范圍內波動，則視為穩定狀態；若波動范圍超過預警條件，則向客戶端發送警告，完成系統流程圖循環。

圖7 系統流程圖

4 系統運行及分析

登錄貝殼物聯網網站，此時設備已顯示在線狀態，點擊數據查看，轉動電位器上的旋鈕，效果同初始測試結果相同，其數值變化范圍為0～1 023，串口監視器上的數據波動在物聯網平臺上同步呈現，每間隔5 s 上傳一次數據，沒有數據延時，則表明該方案具備實時數據同步上傳的可行性。

經實驗測試調查，電子元件表面粗糙會使電刷觸點與電阻元件表面接觸不良，因此，在沿碳膜長度方向上接觸電阻會發生突變而不連續[15]。即在電位器保持靜止的情況下，其數值仍會有小范圍波動，由圖8可知，數據波動在±2 V 的范圍內，滿足阻值公允誤差的10%以內，即視為正常狀態。若數據波動超過誤差的10%，則判斷該處發生位移，進行預警反饋。

圖8 物聯網平臺數據

此次測試的是盾構隧道管片模型，對管片接頭處進行模擬位移實驗[16]，實驗數據采集為2020 年4月14 日13:30～14:30 時間段內PC 客戶端生成的數據，同時某一時間段在手機微信端打開貝殼物聯小程序，點擊在線設備，得到圖9 所示手機客戶端同一時刻的數據為480 V（2020 年4 月14 日13：34 瞬時變化），在對應的時間，其數據更新與PC 客戶端保持一致，符合數據同步更新的條件。

圖9 貝殼物聯小程序

5 結束語

文中結合物聯網技術的發展，對無線遠程監測進行拓展，為解決隧道管片接頭處轉角變化的問題，設計了一套基于物聯網的電位式轉角感知裝置。依據電位器可變電阻的原理，結合空間幾何位移關系，通過Arduino 技術分別從硬件和軟件對系統進行設計，最后對系統裝置進行測試。測試結果表明，系統運行可靠，數據可實時同步顯示在貝殼物聯及手機客戶端上，從而實現物聯網平臺實時健康狀態的監測。