陣列式位移監(jiān)測設備在航道護岸邊坡監(jiān)測中的應用研究

摘""要：航道護岸作為關鍵的水利工程結構，其穩(wěn)定性對航運安全和河岸生態(tài)環(huán)境保護至關重要。探討了陣列式位移監(jiān)測系統(tǒng)在航道護岸邊坡監(jiān)測中的應用，與傳統(tǒng)測斜儀相比，SAA系統(tǒng)在監(jiān)測精度和實時性方面表現(xiàn)更優(yōu)。該系統(tǒng)能夠精確監(jiān)測護岸土體深層位移，有效預警地質災害，提升航道護岸穩(wěn)定性評估，對保障航運安全和河岸生態(tài)具有重要意義。

關鍵詞：航道護岸""邊坡監(jiān)測""陣列位移計""實時監(jiān)測""地質災害預警

中圖分類號：TV223

Application"of"Array"Displacement"Monitoring"Equipment"in"Monitoring"of"Channel"RevetEmbankments"Slope

NIE"Qin1""WANGH"Hao1·""WU"Chao2

1.Lianyungang"Port"and"Shipping"Development"Center，"Lianyungang，"Jiangsu"Province，"222042"China;2.Jiangsu"Dongjiao"Easttrans"Intelligent"Control"Technology"Group"Co.，"Ltd.，"Nanjing，"Jiangsu"Province，"211111"China

Abstract："As"a"key"hydraulic"engineering"structure，"the"stability"of"waterway"channel"revetments"is"crucial"for"navigationshipping"safety"and"the"protection"of"the"riverbank"ecological"environment."This"paper"dDiscusses"the"application"of"the"aArray"dDisplacement"mMonitoring"sSystem"in"the"monitoring"of"waterway"channel"revetment"slopes.，"Compared"to"traditional"inclinometers，"SAA"system"showsing"superior"performance"in"monitoring"accuracy"and"real-time"performance"compared"to"traditional"inclinometers."The"system"can"accurately"monitor"the"deep"displacement"of"revetment"soil，"effectively"warn"of"geological"disasters，"enhance"the"assessment"of"channel"revetment"stability，"and"is"of"great"significance"for"ensuring"shipping"safety"and"riverbank"ecology.

Key"Wwords："Channel"revetment;"Slope"monitoring;"Array"displacement"sensor;"Real-time"monitoring;"Geological"hazard"warning

傳統(tǒng)監(jiān)測技術依賴人工，難以實現(xiàn)自動化，工作量大、時效性差，不適惡劣氣候。隨著科技的發(fā)展，變形監(jiān)測出現(xiàn)了大量的新技術[1]，如時域反射測試、地面激光掃描、合成孔徑干涉雷達測量、數(shù)字近景攝影測量、分布式光纖傳感[2]及全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)技術等。這些方法在工程中發(fā)揮了重要作用，但也有各自的適用范圍，并不完全適用于航道護岸變形監(jiān)測。

測斜管法操作簡單，但測試精度和效率較低，無法實時獲取數(shù)據(jù)。陣列位移傳感器的測試方法基于微電子機械系統(tǒng)測試原理，具有精度高、功耗低、自動實時采集等特點。

1""位移傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

隨著科技的發(fā)展，對位移傳感器的需求也越來越大，以滿足不同環(huán)境條件的需要。具有代表性的新技術具體如下。（1）利用導電塑料制造的電阻膜傳感器，簡化了結構，提高了精度和耐用性，廣泛應用于軍事和民用領域。（2）LVDT（Linear"Variable"Differential"Transformer）線性可變差動位移傳感器因其簡單、耐用和穩(wěn)定性而受歡迎，正向集成化和智能化發(fā)展。（3）磁致伸縮位移傳感器采用先進材料和電子技術，適用于極端工業(yè)環(huán)境，越來越多地用于工業(yè)自動控制。（4）新型光纖位移傳感器的開發(fā)與適合網絡應用的光纖傳感器陣列，代表了光纖傳感技術的新趨勢[3-4]。

2""陣列式位移監(jiān)測系統(tǒng)

2.1""陣列式位移計

2.1.1""適用范圍

陣列式位移監(jiān)測系統(tǒng)集位移計、采集設備、云平臺于一體，實現(xiàn)實時采集、分類存儲、報警信息多樣化推送等功能。同時，系統(tǒng)可以兼容各類監(jiān)測設備和傳感器，滿足多種自動化監(jiān)測的需求。

2.1.2""功能介紹

陣列式位移計利用微電子機械系統(tǒng)加速度計陣列和計算算法，精確捕捉結構的二維和三維變形。安裝時須垂直對準位移方向，保證測量準確。加速度計測量節(jié)段傾斜角度，設備經校準確保軸與X、Y、Z軸正交對齊。軟件能夠進行三維計算，確定節(jié)段空間位置和方向，收集角度變化數(shù)據(jù)，并以折線圖展示變形情況。

2.1.3""環(huán)境要求

采用互聯(lián)網通信技術的監(jiān)控系統(tǒng)需要在有網絡覆蓋的區(qū)域安裝，并且結構變形不宜過大，以適應高精度傳感器。現(xiàn)場電源最佳，也可以使用太陽能。陣列式位移計防水，但干燥環(huán)境無線信號更佳。

2.2""硬件結構

2.2.1""陣列式位移傳感器

每段包含8節(jié)，每節(jié)內嵌MEMS（Micro-Electro-Mechanical"Systems）微電子機械系統(tǒng)傳感器和單片機。根據(jù)MEMS加速度傳感器的精度要求和處理器的計算能力，選擇村田公司的SCL3300傳感器和兆易半導體的GD32單片機。每節(jié)中嵌入SCL3300、GD32和電源模塊，SCL3300與GD32通過SPI連接，實現(xiàn)參數(shù)配置和數(shù)據(jù)讀取，讀取頻率可達200"Hz以上。每節(jié)長度為30"cm或50"cm，兩個接頭內嵌電源線和485線，自由度限制為2，僅支持俯仰和橫滾，不能在方位角上旋轉。

2.2.2""傳感器主機

傳感器主機電路由以下幾部分組成：以GD32作為處理中心，兩路陣列式位移傳感器、4G模塊、電壓監(jiān)控。2個通道陣列式位移傳感器每隔固定時間采集數(shù)據(jù)，4G模塊則將測量到的數(shù)據(jù)傳輸至云服務器、電源監(jiān)控模塊，監(jiān)控太陽能基站電壓。

2.2.3""太陽能基站

太陽能基站利用太陽能電池板將日照能量轉化為電能，并通過控制器存儲于蓄電池中，以供負載使用。為防止過放，須配備短路和反接保護。輸出功率應為光源總功率的3～5倍，具體倍數(shù)取決于光照條件和開燈時長。

2.3""軟件系統(tǒng)結構

2.3.1""軟件系統(tǒng)界面

三維變形分析軟件配套傳感器使用，具備參數(shù)設置、3D展示、實時數(shù)據(jù)采集與報表導出、傳感器信息查詢及初始位置校準等功能。傳感器串口默認配置如下。波特率：115200；數(shù)據(jù)位：8"bit；停止位：1"bit；校驗位：無。

2.3.2""參數(shù)配置

通過三維變形分析管理軟件可設置傳感器的全部參數(shù)，接入多只傳感器時可進行地址設置。

2.3.3""3D展示

在3D展示區(qū)域，開啟3D展示功能后，將實時展示傳感器姿態(tài)，用于傳感器性能評估，如圖1所示。3D展示區(qū)域自由拖拽，可以在三維空間任意角度觀察傳感器姿態(tài)。

3""工程應用測試

依托宿連航道（京杭運河至鹽河段）整治工程二期工程對陣列式傳感器自動化監(jiān)測，取左岸樁號K9+260斷面進行實施。利用原有單節(jié)測斜儀，剩余10"m深測孔進行測量，并給出兩者數(shù)據(jù)比較。由于未及做好頂蓋封頭，采用臨時簡易綁扎處理，各節(jié)點及底端均未及加卡，應對數(shù)據(jù)精度有所影響。

同測孔比對測斜儀采用美SINCDAT藍牙活動測斜儀，其參數(shù)為：雙MEMS，輪距為500"mm，量程為±30°，分辨率為0.005"mm，測深為300"m，溫度為-20～70"℃；所獲數(shù)據(jù)如表1所示。

WQX-01A-8M柔性測斜儀試用數(shù)據(jù)（有X、Y、Z三軸）僅列出Y軸數(shù)值，表2原始數(shù)據(jù)的計算式為：

式（1）（2）中：Δy及αy分別為傳感器位移計角度偏移值；Ay及A0分為y軸輸出及y軸傳感器靈敏度1"g時的標定值。

同一測孔與活動測斜儀數(shù)據(jù)有可比性，數(shù)據(jù)差異合乎情理。本次試驗僅證明試驗產品的一次使用可靠。以后將提高芯片測斜精度，提高耐壓防水等級，完整前端裝持結構完善，供長期設點考核。采用LORA（Long"Range"Radio）物聯(lián)網技術將較國外陣列式傳感器或國內產品具有多測點自組網，即近域內一網關可覆蓋上百測點的優(yōu)勢[5]。

4""結語

（1）陣列式位移監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測精度和實時性方面均優(yōu)于傳統(tǒng)測斜儀，能夠有效監(jiān)測護岸土體的深層位移，并準確判斷位移面的位置。（2）陣列式位移計具備良好的環(huán)境適應性，包括防水、抗惡劣氣候條件，其硬件結構包括傳感器、傳感器主機、太陽能基站等，確保了監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。（3）配套的三維變形分析管理軟件提供了全面的監(jiān)測數(shù)據(jù)管理和分析功能，包括實時數(shù)據(jù)采集、3D展示、數(shù)據(jù)導出等。（4）陣列式位移監(jiān)測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)長期自動傳輸數(shù)據(jù)，無須人工逐點逐深度操作，為地質災害監(jiān)測提供了一種高效、自動化的解決方案。

參考文獻

[1]魏祥龍，劉菁，左利欽，等.內河航道岸線守護軟體排變形監(jiān)測系統(tǒng)框架設計[J].水電能源科學，2024（9）：185-189.

[2]李曉萌，周宏磊，張建，坤，等.現(xiàn)有陣列式位移計產品驗證及適用性分析[J].城市勘測，2024（2）：109-114.

[3]計敏明，劉廷杰，鄧合一.內河航道深基坑風險源分析與安全監(jiān)測研究[J].大眾標準化，2023（14）：111-112，115.

[4]祁志君.MEMS陣列式位移計的研發(fā)及工程應用[D].宜昌：三峽大學，2023.

[5]"鐘建.邊坡變形智能監(jiān)測技術研究及應用[J].黑龍江水利科技，2024，52（7）：118-121.