隧道健康監測中無線通信技術研究綜述與前景展望

蒲玲玲 楊柳 劉恒 李帥

摘要：我國公路覆蓋面積廣闊，其中有很多公路隧道。截至2019年，我國公路隧道總長度達到18 966.6 km。在隧道健康問題的監測方面，常采用傳感器自動監測隧道健康信息;在數據傳輸方面采用有線傳輸時，有布線困難、會限制傳感器的布置范圍、電線使用壽命有限和能耗大等缺點，故采用無線通信的方法來避免這些缺點。在公路隧道無線通信系統中傳感器通常采用電池供電，使傳感器的布局范圍更加廣且布局更加自由。考慮在隧道內無線通信技術運用較廣泛的有ZigBee、WiFi和LoRa。文章基于這3種無線通信技術在公路隧道內的通信方案做介紹和對比，對其節能性和可靠性做出簡述，并分析了現今公路隧道內無線通信現狀，探討了公路隧道內無線通信的不足和未來發展的展望。

[基金項目]軌道交通工程信息化國家重點實驗室（中鐵一院）開放基金項目（項目編號：SKLK18-05、SKLK18-06）;四川省科技計劃項目（項目編號：2020YFG0303、NO.2020YFH0111）;成都市科技項目（項目編號：2019-YF05-02657-SN）

[作者簡介]蒲玲玲（1998—），女，在讀碩士，研究方向為邊緣計算;劉恒（1983—），男，博士，講師，碩士生導師，研究方向為移動通信與工程信息化;李帥（1997—），男，在讀碩士，研究方向為大數據技術。

[通信作者]楊柳（1978—），女，博士，高級實驗師，碩士生導師，研究方向為移動通信與工程信息化。

隨著經濟發展，人們對生活質量要求越來越高，各地迅速城市化，使得交通發展迅速，公路建設規模也隨之擴大。現今我國已經是世界上公路發展最快，擁有公路隧道數量最多的國家[1-3]。由于隧道環境的特殊性，隧道健康問題成了公路運維的重要問題。引起隧道健康問題的因素有很多，如當地的地質條件、地下積水情況、地面建筑物的開發以及隧道自身的負荷能力等。這些都將會對隧道結構產生影響，從而影響到隧道的健康。對于那些變形嚴重或對變形監測要求高的地段，如果不能對其進行自動的、連續的、長期的變形監測，則很難及時發現險情，將會對隧道安全造成嚴重的威脅[4]。隧道安全管理問題成為了公路和地鐵建設和運營管理單位關注的焦點[5]。

為了預防隧道內危險事故發生，對隧道進行定期的健康監測是必要的。而引起隧道健康問題的原因多種多樣，故對隧道內可能存在的健康問題的監測也相對其他公路復雜且繁多。如果使用傳統的人工方法對隧道健康狀況進行檢測，存在觀測周期過長、投入人力物力多、影響隧道內車輛正常行駛等諸多問題。因為隧道健康問題是一個長期存在的問題，所以對隧道健康的監測也具有長期性。采用傳感器自動監測隧道的健康狀況可以避免人工檢測的缺點。傳感器采集到數據后，將數據發送給收集采集數據的數據中心，數據中心將這些數據進行處理后發送給管理員查看。處理后的數據可以直接判斷隧道的健康是否出了問題，是否需要維護，管理員可以查看反饋的內容做出相應反應。

在將傳感器監測的數據進行傳輸時，因為隧道內有窄且障礙物較多的特點，常有積水等問題，若采用有線傳輸方式，存在布線復雜，會限制傳感器在隧道內的布局，線路使用壽命短且耗電量大的問題，并且需要投資財力較多。故大多采用無線傳感器網絡來進行數據傳輸，可有效的避免有線傳輸的不足。將傳感器監測到的數據用無線傳輸的方式進行傳輸，既可以節約電耗，也可以使傳感器的布局更加自由，防止監測死角的出現。

本文就公路隧道內運用較廣泛的無線通信方案進行介紹和對比，并探討當下無線通信的不足和對未來無線通信的展望。

1 公路隧道無線通信方案

現有的無線局域網組網技術比較成熟的數據傳輸方案包括： WiFi、藍牙、ZigBee和LoRa等技術，各個無線通信方式適用于不同應用場合，各種無線通信數據傳輸方案特性見表1。

在評判公路隧道內通信技術的好壞時，低功耗和高穿透力是較重要的指標。由表1可見，LoRa無線通信技術具有較其他3種無線通信技術都低的功耗和更強的穿透力。而WiFi的帶寬是其它3種通信技術遠比不上的。WiFi、藍牙和ZigBee所處頻段均為2.4 GHz，而LoRa所處頻段為423～510 MHz，長期看來可以避免2.4 GHz頻段擁堵造成的數據傳輸延遲問題。藍牙有著距離近、功耗大、組網復雜、連接數受限制的天生弱點，已逐步被用戶廢棄[6]。

現如今隧道內運用較廣泛的傳輸方案為ZigBee、WiFi和LoRa，故本文主要對基于ZigBee、WiFi和LoRa 3種通信技術設計做出介紹。

1.1 基于ZigBee的無線通信方法

1.1.1 ZigBee簡介

ZigBee的名字源于蜂群使用的賴以生存的通信方式，蜜蜂通過跳Zigzag形狀舞蹈來分享新發現的食物源位置、距離和方向。該技術是一種近距離、低復雜度、低速率、低成本的雙向無線通信技術。它通過采用休眠模式達到低功耗的效果?？汕度敫鞣N設備，支持地理定位功能，具有喚醒時延短、通信時延短、網絡容量大、采用碰撞避免策略和AES-128的加密算法等特點。它工作在2.4 GHz的ISM頻段，傳輸速率20～250 kb/s，距離為10～75 m。主要用于工業控制、傳感和遠程控制技術。它根據IEEE 802.15.4標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。

1.1.2 基于ZigBee的無線通信系統設計

使用ZigBee方式通信，功耗低且布設方便[7]。ZigBee通過串口與主控器連接，主控器上同時也連接著其它傳感器，傳感器監測到信息后，將信息傳輸給主控器，主控器再傳輸給ZigBee進行發送。當功能較少時，主控芯片常用CC2530，功能較為龐大時，除了使用CC2530外還需添加其它主控芯片。使用ZigBee建立無線傳輸網絡，通常需要3類節點，這3類節點包括：采集節點、路由器節點、協調器節點[8]。此外還有一個匯聚節點。采集節點常為傳感器節點，主要負責采集數據;路由節點負責收集傳感器節點采集的數據，然后發送給匯聚節點;匯聚節點再統一將數據發送到數據管理中心;協調器節點負責管理整個網絡的信息。

潘國榮等[9]設計了一種對隧道內機器人通信的系統，系統設計見圖1，此系統中ZigBee的拓撲結構為星狀拓撲結構，即組建星狀的局域網。其中節點的類型包括中心節點，中繼節點和終端節點。計算機控制中心只需要和中心節點連接，從中心節點接收數據和發送命令。隧道內只有最后一個機器人與終端節點連接，其它都直接與中繼節點連接。機器人接收或者發送數據均一路通過中繼節點到達中心節點。

ZigBee的星狀網絡拓撲結構中各節點只能直接與中心節點通信。在該網絡中使用中繼器，可以使終端節點先將數據發送到中繼節點，然后再將數據一起匯聚到中心節點，以此增大傳輸距離。但此種方法僅適用于較短的隧道，且中繼節點接入太多，不能保證數據傳輸的可靠性，系統具有不穩定性。

為更方便地管理隧道，將隧道內監測的數據遠距離的傳輸到客戶端，然后管理者可以直接通過手機查看監測數據并管理隧道內終端的工作。曾熙鴻等[4]設計了一個遠程地鐵隧道斷面監測與預警系統。系統主要由監測點和云服務器監控中心組成。監測點以CC2530作為主控芯片。在數據傳輸方面采用ZigBee與GPRS相結合的無線傳輸方案，在隧道內采用ZigBee通信技術作為近距離無線通信方式，在靠近地鐵站處連接GPRS網絡作為遠距離通信方式。系統結構設計如圖2所示。傳感器采集到的數據先經ZigBee網絡傳輸到地鐵站處，再經過協調器將數據封裝為GPRS數據包，最后經GPRS傳輸到云端，供讀取和存儲。

公路隧道內一般會設有隧道照明系統，但是常會出現燈具損壞的問題，且出現燈具損壞后，很久才會有工作人員發現并進行更換。為解決燈具損壞不能及時更換的問題，可將燈具添加故障自動監測和定位功能，實現自監測，自定位。工作人員只需要收到信息后更換新的燈具即可。隧道照明消耗了很大一部分隧道內電能源，故節約電能源也是改進隧道照明的一個方向。周華妹等[10]設計了一個智能照明控制系統，系統通過ZigBee實現燈具0～10V的智能調光、故障監測和定位。在該系統中，將ZigBee網絡的拓撲結構設置為樹狀網絡結構，協調節點安裝在隧道中間，每一個樹的支路控制一段隧道內的燈具。系統的主控制器與隧道內多個ZigBee協調器通過RS485有線連接，主控器為工業控制計算機或者PLC控制器，ZigBee協調器再以無線的方式連接ZigBee路由器和ZigBee終端設備。主控器通過協調器收集的隧道環境信息，再建立模糊算法計算出當前隧道需要的亮度值，然后控制ZigBee網絡進行調光，與傳統隧道相比，節能率達到55 %。

為解決隧道內調光系統光色單一，滿足人眼視覺效應，張軍朝等[11]等設計了一套基于LED的光色動態可調的隧道照明系統。結合調光技術推導出三通道光色動態調節模型。系統總體架構如圖3所示，同樣采用ZigBee結合GPRS通信方式來實現遠距離傳輸。其中ZigBee無線通信網絡采用星狀網絡拓撲結構，每個LED都有一個ZigBee終端節點。光色調節程序在上位機控制平臺，控制系統收集到隧道內環境，算出不同路段的色溫值和亮度值，再經GPRS和ZigBee網絡將數據傳輸到分控制器，由分控制器控制LED燈組的色溫和亮度值。

1.1.3 ZigBee技術中的節能設計

在隧道內采用無線傳感器網絡對數據進行監測代替人工檢測數據，將有線傳輸方式進一步發展為無線傳輸方式，均極大程度上節約了人力財力。雖然無線傳感器網絡可以替代人工檢測隧道健康的情況，但是無線傳感器節點往往由電池供電，由于電池只能存儲有限的能量，使得無線傳感器注定壽命很短[12]，當電能耗盡，還是需要人工更換電池。故為減少電池更換頻率，需在節點節能方面做出改進。

彭毅弘等[13]設計了軟件算法來控制節點的睡眠模式，從而延長節點的壽命。考慮不同的需求，在軟件上設置了2種監測模式，一種是被本地控制中心喚醒，然后監測數據，第二種是周期性的自我喚醒，然后采集數據。相比正常工作模式下的節點，降低了電能消耗。廖凱等[14]在ZigBee網絡的低功耗上做出設計。網絡內節點采用3種喚醒方式：心跳模式喚醒、采樣模式喚醒、突發模式喚醒。心跳模式周期短可用于時間同步和突發模式網絡喚醒;采樣模式周期較心跳模式長，以保證數據可靠傳輸到匯聚節點;突發模式是用于工作人員攜帶其它傳感器采集信息，在終端節點上設置硬件開關喚醒網絡，通過ZigBee網絡將數據傳輸到匯聚節點。經過功耗測試發現，采用低功耗策略的ZigBee網絡工作的時間是正常模式節點工作時間的3倍。在很大程度上節約了電能消耗。

1.1.4 ZigBee技術的傳輸可靠性設計

雖然ZigBee是一種高可靠的無線數據傳輸網絡[15]，信號傳輸的可靠性有一定保證，但在隧道通信系統中除了ZigBee網絡通信還可增加其它通信方式，如進行長距離傳輸的GPRS，傳感器采集的模擬信號經有線傳輸到主控芯片。為使其它設備也能可靠的處理數據或傳輸數據。對于GPRS傳輸的可靠性方面，可以自定義通信協議以減少GPRS的丟包率[4]。對于傳感器采集模擬信號方面，可以將模擬信號接入電路進行放大和濾波，再用主控芯片將模擬信號轉換為數字信號[14]，從而提高了系統信號傳輸的準確性和可靠性。

1.1.5 隧道場景下應用ZigBee技術的優劣性

ZigBee具有低功耗，短時延和網絡容量大等優點，同時具有出色的自組網能力和自愈能力。當網絡內出現不能運作的節點時，可以自動進行網絡修復，不影響整個網絡運行。

但ZigBee的穿透能力較弱，在窄且障礙物多的隧道可能會出現通信困難的情況，可以利用ZigBee網絡容量大的特點，將特殊障礙位置部署ZigBee設備，從而避免出現通信困難的情況。

1.2 基于WiFi的無線通信方法

1.2.1 WiFi簡介

WiFi是Wireless Fideuty的縮寫，是一種短距離的無線局域網數據傳輸技術。WiFi的網絡拓撲結構主要由無線網卡和許多基站AP（Access Point）組成，能夠在其覆蓋范圍內形成蜂窩小區，并且基站在各蜂窩小區內可以實現全網覆蓋[16]。WiFi的組網系統主要包括無線站點、AP節點。站點和節點間可以實現級聯連接或組建局域網，站點可以實現幾乎Hub的所有功能[17]。

1.2.2 基于WiFi的無線通信系統設計

WiFi是最常見的近距離無線通信技術，傳輸速率快，在地鐵隧道應用較多[18]。為了使設備能在隧道內連入網絡，常隔一段距離就會設置一個AP節點。在這種方式下，若要定位隧道內的工作人員，可以讓工作人員手持終端設備，通過判斷終端連接的AP節點的位置和信號強度來確定工作人員所處位置[19]。通常還可以使用中繼器來實現WiFi覆蓋。使最前面的WiFi節點盡可能的以最大速率向后面的節點發送數據，再由中繼節點轉發，經測試這種無線傳輸的距離達到1.5 km[20]。

田青等[21]基于WiFi多級橋接技術設計了隧道內通信系統。主要通信設計如圖4所示，信號傳輸結合了4G網與WiFi多級橋接技術。WiFi多級橋接模塊分為3部分，后端為4G信號接收器，采用AP接入點模式對周圍的4G信號進行接收;中端為中繼器，負責傳輸和接收WiFi信號;前端為WiFi覆蓋器，為現場提供WiFi網絡。該方法可通過WiFi的高帶寬實現現場可視化。但是此通信技術僅適合在地鐵隧道中或者隧道施工過程中電能源有保障的時候使用。普通的公路隧道在經費有限的情況下難以提供充足的電源設施。

WiFi網絡定位系統最早采用射頻指紋匹配方法，該方法用最近K個鄰居的平均坐標作為坐標估計。然后再利用接收信號強度作為進一步的坐標估計。陳菁菁等[22]基于WiFi探針設計了地鐵內人員定位方式。讓地鐵內人員攜帶打開WiFi的設備，WiFi探針可以識別到一定區域內的設備的MAC地址，多個WiFi探針將收集到的數據融合處理，就能得出地鐵內人員的運動軌跡。該技術可以運用在地鐵隧道工作人員的運動軌跡追蹤，從而保障工作人員的人身安全。但是WiFi探針技術還不是很完善，可能會出現重復上報同一個設備的MAC地址，或者漏報設備的MAC地址等情況，在運動軌跡追蹤上還具有一定時間的延遲。要在隧道內大范圍使用該技術，還需要進一步的發展。曹文超等[23]對地鐵內WiFi探針監測到數據有重復和缺失等問題給出改進方法：如果5 min內產生了重復數據，則不記錄重復數據;根據探針的監測距離，網格化布局探針;對監測到的數據進行平滑處理。使用改進后的方法較改進前的誤差小，精確度也得到了提高，可以提供參考。

1.2.3 WiFi技術中的節能設計

WiFi耗能相對于ZigBee和LoRa都高，若要將WiFi技術運用在隧道內，必須對WiFi的低功耗做更進一步研究。目前大部分研究都從硬件和軟件方面考慮降低能耗。硬件方面選取合適元件是節能關鍵，軟件設計不同的通信協議和優秀的路由算法來達到節能目的。李秀鳳等[24]從通信層面提出改進的節能方案。建立模型估算出數據在WiFi接入點和服務器之間傳輸的往返時延，使終端可以動態地判斷傳輸數據的間隔時間，以減少不必要的喚醒，從而降低功耗。實驗仿真結果顯示，該方法可以顯著的提高能耗使用率，降低能耗的浪費。

1.2.4 隧道場景下應用WiFi技術的優劣性

WiFi可以很方便的讓人和人或設備之間進行通信，且傳輸帶寬大，但其耗能高，需要視現場情況與需求判斷是否需要使用WiFi來進行通信。若在隧道修建時需要監測其狀況，因修建時工作人員較多，且部署WiFi設備的要求容易達到，故可以使用WiFi來進行無線通信。而在平常的隧道健康監測中，由于成本和功耗均較高，采用該方式需要謹慎判斷。

1.3 基于LoRa的無線通信方法

1.3.1 LoRa簡介

LoRa是LPWAN通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。LoRa技術的網絡架構是一個典型的星形拓撲結構，在其拓撲架構中，LoRa網關與服務器通過標準IP連接，而終端設備采用單跳與一個或多個網關通信，所有的節點均是雙向通信[16]。LoRa技術因低功耗、自組網、通信距離遠、抗干擾能力強等特點而逐漸應用到傳感器通信領域[25]。

1.3.2 基于LoRa的無線通信系統設計

LoRa無線通信技術也是隧道內常用的通信技術。在隧道內通過傳感器監測隧道的健康信息，然后將數據發送給LoRa模塊，LoRa模塊再發送到由LoRa組成的傳感器網絡，最終將數據匯總于匯聚節點[26]，匯聚節點再發送給管理端，讓工作人員查看隧道健康數據。

LoRa具有極低耗電量的優點，并且可以將其設置休眠模式，在電耗方面，非常適合在隧道內使用。王大濤等[27]提出了一種低功耗供電的隧道健康監測系統。系統根據環境搭建了適宜的隧道監測傳感器無線局域網，并且制定了監測中心節點與終端節點的通信協議。系統如下圖5所示主要由監測終端節點和監測中心節點組成，監測中心節點負責對該項目監測區域內各個監測終端節點統一進行調度。為了實現低功耗的目標，當節點不工作時將節點設置為睡眠模式，延長電池壽命，需要工作時，設置主動周期喚醒和被動喚醒方式。此系統功耗低，可提供長達6個月的數據采集時間。

LoRa設備如果部署太密集，會出現頻譜干擾。林華彬等[28]設計了一個基于LoRa無線技術的隧道照明系統，可根據天氣狀態、車流量等實時信息，自適應的完成隧道照明系統的控制。系統主要分為LoRa無線協調器、LoRa無線單燈控制器、LED照明燈具等。該LoRa無線網絡的拓撲結構采用星型網絡結構如圖6所示。無線協調器采用廣播的方式將數據發送給無線單燈控制器，當單燈控制器驗證到命令中是自己的地址，就執行命令，否則不予執行。該方式可以有效防止數據傳輸擁堵。對LoRa之間的通信方式進行設計，可以在一定情況下避免干擾的發生。

LoRa設備在使用前，為區分彼此常需要進行ID配置?，F今沒有相應的自動配置設備，所以只能靠人工用調試助手完成ID的配置。這種方式存在效率低、錯誤率高等問題，嚴重制約LoRa技術在隧道內的推廣應用。周華安等[29]等設計了一款可以一次性完成1臺協調器和15臺單燈控制器的ID配置系統。該系統投入運行后可實現0錯誤率配置ID，使得配置15臺LoRa設備時間僅需要10 min。相比于兩人配合所需時間至少30 min，減少了配置時間和難度。

1.3.3 LoRa技術中的節能設計

LoRa本身就具有超低功耗的特點，在此基礎上還可以通過軟件設計休眠模式進一步節能。處于休眠模式下LoRa設備的喚醒方式，常設置自身周期喚醒和被動喚醒兩種方式。戴楊等[30]在使用軟件設計節點休眠和喚醒的基礎上還進行了進一步的設計。如ADR自動調整通信速率，提高能量利用率;多次采集的數據壓縮為一條信息進行傳輸，從而減少傳輸的次數，降低能源消耗;同時也設計了緊急數據幀，當異常情況發生，緊急數據幀可以直接喚醒節點進行數據采集或者發送。經設計出來的系統已經穩定運行一年之久。

1.3.4 LoRa技術的傳輸可靠性設計

為避免LoRa設備之間信號相互干擾，可自定義傳輸協議，設備之間針對性的進行數據傳輸，避免或減小干擾情況。為將采集的數據及時傳輸到管理端，MAC層的協議是網絡可靠性和穩定性的關鍵。梅大成等[31]將MAC層內已有的固定TDMA時隙分配策略改進為差異性的TDMA時隙分配策略，使實時性要求較高的數據可以分得較多的時間傳輸，以提高系統的實時性。

1.3.5 隧道場景下應用LoRa技術的優劣性

LoRa具有低功耗、高傳輸范圍和穿透能力強等優點。在隧道內采用無線傳輸方式進行數據傳輸，要想系統能夠長期穩定和在較少人工干擾的情況下運作，節能是關鍵。LoRa具有極低的功耗，能夠極大的節省人力財力。并且具有較強的穿透能力，在隧道這種窄且障礙物多的情況下，使用LoRa進行數據傳輸能提高數據傳輸的準確性和可靠性。

但如果在一定范圍內LoRa設備部署太多，則相互之間會出現一定的頻譜干擾，影響信息傳播的準確性。且在使用LoRa技術通信時必須要新建信號塔或工業基站，前期投入工程量較大。

1.4 公路隧道無線通信面臨的挑戰

通過設計無線網絡通信技術，能有效的避免使用有線傳輸的布線復雜、線路易損壞、靈活性不高等問題。但是無線通信方式是利用電磁波信號在自由空間中進行信息交換的通信方式，其通信可靠性始終還是會受到隧道狹窄的影響。隧道內空間的幾何特征和隧道內壁表面平整度會對無線信號的傳輸產生影響，且每天大部分時間都有列車或者車輛在隧道內頻繁運行，會對信號的傳播造成阻隔[32]。所以，要保障節點和節點之間信號準確的傳輸，需要對節點的部署位置進行測試和判斷，避免發生信號傳播被阻隔的情況。

由于大量公路隧道都是處于地下或者山下，隧道內會有很多積水，影響采集終端的健康和壽命。在有列車隧道內，除了有地下積水影響外，列車通過時產生的震動也會對監測節點造成影響，所以對設備的防水性、防潮性和耐震性也有要求。

修建在不同地方的隧道土質不一樣，隧道修建完投入使用后，在不同土質處可能會有不同的健康損傷。應分析土質和隧道健康損傷的關系，對每個地方監測節點的具體部署位置和部署數量進行專門的研究，以達到最優的部署形式。

在地鐵隧道內，列車運行時間長，頻率高，維修工人進入隧道的時間和人員數量都有嚴格的限制。傳感器布置后，電池難于更換，且由于在隧道內，無法使用太陽能供電，當電量消耗殆盡，節點就失去作用，因此，傳感器節點硬件、軟件、工作模式和通信協議的設計都要以節能為前提，最大限度延長節點壽命。

2 結論

在公路隧道內，為了節省人力財力，將數據的傳輸方式設計為無線傳輸方式。本文就目前在公路隧道內運用較多的無線通信技術做出介紹。對ZigBee、WiFi、LoRa 3種通信技術在公路隧道內的對比：

（1）LoRa兼備低功耗和高傳輸范圍的優點，且LoRa的穿透能力較ZigBee和WiFi強，對于窄且障礙物較多的隧道具有比較靠譜的傳輸能力。WiFi、ZigBee等組網傳輸方式需要依靠有線串接的無線網關設備作為終端接入點，無法徹底擺脫對有線傳輸方式的依賴[33]，而LoRa可以實現無線傳輸。但需要新建信號塔或者基站，前期人力財力投入都較大。如果需要密集的部署通信設備，使用LoRa會出現頻譜干擾的情況。

（2）當部署較多的ZigBee設備時，不會出現同LoRa一樣的頻譜干擾情況，且在此情況下不僅安全可靠，還能靈活的自組網，以保證系統正常的運行。但是ZigBee也存在收發單元間傳輸能力與適應性差等無線自組網技術通常存在的問題。

（3）WiFi的帶寬是其它兩種通信方式遠遠比不上的。并且WiFi可以做到除了傳感器以外的其他設備，比如手機等設備的接入。但其成本和耗電都相對其它兩種方式較高，應視情況選擇是否需要用WiFi作為傳輸工具。

鑒于現今存在的問題，公路隧道內對于無線通信技術的進一步研究應該在幾個方面：

（1）因為隧道內情況復雜，障礙物較多且常有車輛或者列車經過，為了信息傳輸時不受上述等問題影響。應考慮設計一個可靠的設備部署拓撲結構，保證數據在公路隧道內的傳輸可靠性。

（2）因為公路隧道常常在地下或者山下，所以不可避免隧道內常有積水。應考慮將監測節點進行安全封裝，對封裝方式進行研究，以保證節點可以在隧道內長期準確的工作。

（3）為了把鋼用在刀刃上，應對隧道的物理結構進行分析，利用模型分析出其最易損壞的地方，在該地方部署適當數量的監測節點，更有效、高效的進行健康監測。

（4）應考慮結合大量隧道監測到的健康數據進行總體分析，設計一個模型或者算法，根據以往監測到的健康數據來預測以后隧道的健康情況，進而判斷隧道健康年限，及時進行健康維護。

（5）應在終端低功耗技術上進行更進一步的研究。因為如果要將所有公路隧道都用傳感器終端來監測健康數據的話，必定會有海量的傳感器通過無線網絡進行數據傳輸。如果功耗太大，終端耗電迅速，需要耗費大量人力物力來更換傳感器終端的電池，采用低功耗的終端，可以節省很多繁雜的工作。

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