韓三琪

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在城軌交通工程變形監(jiān)測中的應(yīng)用

韓三琪

摘 要：針對寧波軌道交通某新建車站基坑近接既有車站施工的情況，研究提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市軌道交通工程變形監(jiān)測系統(tǒng)，闡述了變形監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的3層技術(shù)架構(gòu)，給出了物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層與變形監(jiān)測過程的對應(yīng)關(guān)系。經(jīng)工程實(shí)際監(jiān)測應(yīng)用，取得了良好效果。

關(guān)鍵詞：軌道交通工程；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；變形監(jiān)測

1　變形監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，基于互聯(lián)網(wǎng)或局部網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代電子信息通信技術(shù)，把人、物、傳感器、控制器及機(jī)器等通過新的方式聯(lián)在一起，形成人與物、物與物之間的信息化、智能化網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理控制。由于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的，因此，物聯(lián)網(wǎng)能夠包含互聯(lián)網(wǎng)上所有的資源及應(yīng)用，這將形成其發(fā)展的優(yōu)勢和基礎(chǔ)。感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最關(guān)鍵的3個(gè)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1　變形監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)3層技術(shù)架構(gòu)圖

2　變形監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

2.1變形監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)感知層的數(shù)據(jù)采集設(shè)備

采集傳感器及其之間的連通管、采集單元、通電電纜、通信電纜等與數(shù)據(jù)采集單元共同構(gòu)成了變形監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)感知層數(shù)據(jù)采集的主要設(shè)備。

圖2　RJ-S型電容式靜力水準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)示意圖 （單位：mm）

（1）采集傳感器。采集傳感器為RJ-S型智能電容式靜力水準(zhǔn)儀，安裝在建（構(gòu)）筑物的基礎(chǔ)和測點(diǎn)上，用于測量建（構(gòu)）筑物的基礎(chǔ)及各測點(diǎn)間相對垂直方向的變形沉降（圖2）。

（2）數(shù)據(jù)采集單元。設(shè)置在現(xiàn)場的單片機(jī)是本設(shè)備的數(shù)據(jù)采集單元，一方面控制軟件發(fā)出的相關(guān)指令能夠被單片機(jī)接受，另一方面?zhèn)鞲衅鲉卧鼙締纹瑱C(jī)控制進(jìn)而執(zhí)行指令。

2.2變形監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)傳輸

有線傳輸和無線傳輸是變形監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)及指令傳輸采用的2種主要方式。有線傳輸由于受到傳輸距離的限制，其應(yīng)用范圍有限；無線傳輸目前主要采用基于GPRS／CDMA的無線數(shù)據(jù)通信方式，GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務(wù))和CDMA（Code Division Multiple Access，碼分多址）是在GSM系統(tǒng)上發(fā)展起來的新的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，其特點(diǎn)與優(yōu)勢就是將移動(dòng)通信與因特網(wǎng)這兩大熱門技術(shù)聯(lián)合了起來，帶動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域向全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展，為遠(yuǎn)程監(jiān)測、區(qū)域大、布線困難、數(shù)據(jù)流量小的應(yīng)用場合提供了很好的應(yīng)用機(jī)會(huì)。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是通過CDMA 或GPRS DTU (Data Transfer Unit，數(shù)據(jù)傳輸單元) 的無線終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。一般地，常常采用2種工作模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，一是傳輸兩端均為DTU設(shè)備的點(diǎn)對點(diǎn)模式；二是一端為DTU、一端為無線數(shù)據(jù)服務(wù)中心的中心對多點(diǎn)模式，此時(shí)僅需保證現(xiàn)場具有良好、強(qiáng)烈的信號(hào)，保證傳輸效果即可，故對現(xiàn)場設(shè)備并無特殊要求。考慮到城市軌道交通內(nèi)不同區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度不同，通信信息覆蓋范圍也有差別等情況，中心對多點(diǎn)的工作模式被確定為本系統(tǒng)的工作模式，而現(xiàn)場的CDMA或GPRS DTU則通過設(shè)置于采集計(jì)算機(jī)的無線數(shù)據(jù)服務(wù)中心實(shí)行集中管理。

2.3變形監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的軟件配置

DAMS-IV型智能分布式工程安全監(jiān)測系統(tǒng)是本系統(tǒng)的應(yīng)用層，該系統(tǒng)是在Windows NT網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，基于Windows 98/NT工作平臺(tái)開發(fā)的一款工程安全自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，具有較廣泛的使用功能，例如，演示學(xué)習(xí)系統(tǒng)、在線安全評估、輔助工具、文檔資料、測值的離線性態(tài)分析、報(bào)表制作、監(jiān)控模型／分析模型／預(yù)報(bào)模型管理和幫助系統(tǒng)等日常工程安全管理的所有常規(guī)內(nèi)容。

3　靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理

靜力水準(zhǔn)儀利用連通液的原理，多支通過連通管連接在一起的儲(chǔ)液罐的液面總是在同一水平面，通過測量不同儲(chǔ)液罐的液面高度，經(jīng)過計(jì)算可以得出各個(gè)靜力水準(zhǔn)儀的相對差異沉降。假設(shè)共有觀測點(diǎn)1 …n，各個(gè)觀測點(diǎn)之間已用連通管連通，各測點(diǎn)的安裝高程分別為Y01…Y0i…Y0j…Y0n，相應(yīng)各測點(diǎn)的液面高度分別為h01…h(huán)0i…h(huán)0j…h(huán)0n（圖3a）。

對于初始狀態(tài)，顯然有：

當(dāng)?shù)趉次發(fā)生不均勻沉降后，各測點(diǎn)由于沉降而引起的變化量分別為Δhk1…Δhki…Δhkj…Δhkn，各測點(diǎn)的液面高度變化為hk1…h(huán)ki…h(huán)kj…h(huán)kn（圖3b）。

由于液面的高度還是相同的，因此有：第j個(gè)觀測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)i的相對沉降量為：

由式（2）可以得出：

由式（1）可以得出：

將式（5）代入式（4），即可得出第j個(gè)觀測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)i的相對沉降量：

由式（6）可以看出，只要能夠測出各點(diǎn)不同時(shí)間的液面高度值，即可計(jì)算出各點(diǎn)在不同時(shí)刻的相對差異沉降值。

圖3　靜力水準(zhǔn)測量原理示意圖

4　工程應(yīng)用

本工程為寧波軌道交通某新建車站基坑近接某既有車站開挖工程，新建車站為明挖地下4層島式車站，設(shè)計(jì)埋深為32.22 m，覆土厚度3 m，與既有線車站主體建筑的水平距離約16～24 m。

新建車站基坑埋深大，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)大，為實(shí)時(shí)掌握新建車站基坑施工對既有線車站線路變形的影響情況，保障既有線路安全運(yùn)營，對本工程采用變形監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行線路變形沉降靜力水準(zhǔn)監(jiān)測。

4.1測點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)新路變形沉降監(jiān)測需要，分別在既有運(yùn)營線路車站的左、右線路中線各布設(shè)1條監(jiān)測線，每條監(jiān)測線布設(shè)10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)間隔12 m，共布設(shè)20個(gè)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)。每條監(jiān)測線對應(yīng)1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)采用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，布設(shè)在離最外側(cè)監(jiān)測點(diǎn)40 m左右的軌道結(jié)構(gòu)外側(cè)，遠(yuǎn)離變形區(qū)域。監(jiān)測點(diǎn)的平面布設(shè)位置如圖4所示。

圖4　監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

圖5　上行線累計(jì)沉降量-時(shí)間變化曲線圖

圖6　下行線累計(jì)沉降量-時(shí)間變化曲線圖

4.2數(shù)據(jù)通信

信號(hào)通信設(shè)備由通信電纜、供電電纜、標(biāo)準(zhǔn)RS-485現(xiàn)場總線、電源箱等組成，現(xiàn)場R J-S型智能電容式靜力水準(zhǔn)儀通過RS-485現(xiàn)場總線與標(biāo)準(zhǔn)型模塊化智能數(shù)據(jù)采集單元DAU2000實(shí)現(xiàn)通信，DAU2000數(shù)據(jù)采集單元通過GPRS DTU通信模塊實(shí)現(xiàn)與因特網(wǎng)的連接。DTU的基本用法是在DTU中放入1張開通GPRS/ CDMA功能的SIM卡，D T U上電后先注冊到G P R S/ C D M A網(wǎng)絡(luò)，然后通過G P R S/ CDMA網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理中心建立連接，將數(shù)據(jù)采集單元獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行牡腜C機(jī)上。

4.3數(shù)據(jù)采集及分析

本工程的監(jiān)測工作從2011年3月24日至2011年6月24日結(jié)束，歷時(shí)3個(gè)月時(shí)間。整個(gè)監(jiān)測周期從淺坑開挖開始至下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工結(jié)束，共進(jìn)行33次監(jiān)測。在基坑開挖過程中，每3天自動(dòng)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)1次。沉降監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)沉降量-時(shí)間變化曲線如圖5、6所示。

由圖5、6可知，上、下行線累計(jì)沉降量隨時(shí)間的變化趨勢基本上一致，上行線監(jiān)測第1天（2011年3月24日）到第55天，沉降速率相對較大，從第55天開始，沉降基本趨于穩(wěn)定，一直到第91天監(jiān)測結(jié)束，下行線也呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律。上下行線累計(jì)沉降最大值均小于4 mm，小于設(shè)計(jì)給定的預(yù)警值10 mm。從總體上看，新建車站基坑開挖施工對既有線車站線路變形沉降的影響較小，其原因是新建車站基坑開挖過程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工，且采用必要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支護(hù)施工，有效控制了周圍土體和地下水的移動(dòng)，使土體應(yīng)力的釋放得到了有效控制，因而開挖過程中對既有線車站線路變形沉降的影響較小，隧道變形不大，在可控范圍內(nèi)，都未超出預(yù)警值，變形趨勢較為正常、合理。

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責(zé)任編輯 朱開明

Application of Internet of Ting in Deformation Monitoring in Transit Engineering

Han Sanqi

Abstract:Aiming at the construction situation for a new station near existing station of Ningbo urban transit, the study puts forward deformation monitoring system of urban transit engineering based on Internet of Ting technology, and the paper describes the 3-layer architecture of Internet of Ting technology for deformation monitoring system, the perception layer, network layer and application layer and the corresponding relation of deformation monitoring. With the practical application of the monitoring system, good results are achieved.

Keywords:urban transit engineering, Internet of Ting technology, deformation monitoring

收稿日期2015-01-20

中圖分類號(hào)：U456.3