工程建設(shè)遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)的研究

唐建陽,王 亮,賀躍光

(1.湖南省電子產(chǎn)品檢測分析所,湖南長沙 410001；2.長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院,湖南長沙 410076)

0 前言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,各項工程建設(shè)不斷開展,各種安全事故也伴隨著不斷出現(xiàn)。嚴(yán)重威脅國家和人民財產(chǎn)和生命安全。因此,建設(shè)工程安全監(jiān)測就顯得尤為重要。

目前,工程建設(shè)中安全監(jiān)測大多采用傳統(tǒng)的方式,即將傳感器埋設(shè)于需要監(jiān)測的位置,監(jiān)測人員間隔一段時間必須到現(xiàn)場取得相關(guān)數(shù)據(jù)。人工測量存在多方面的問題,不能實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化；由于監(jiān)測的位置一般是結(jié)構(gòu)特殊部位,測量人員的安全也不能得到保障；測量勞動強度大；人員不可到達(dá)的地點不能測量,關(guān)鍵的數(shù)據(jù)難以獲取；數(shù)據(jù)處理難度大。遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以有效地解決這些問題。

文章對遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)的組成及其使用方法進(jìn)行分析。

1 遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)的組成

如圖1所示,遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要由采集模塊、無線傳輸系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件3個部分組成,見圖1。

1.1 采集模塊

采集模塊分為傳感器和數(shù)據(jù)采集單元兩個部分。

1)應(yīng)力傳感器

應(yīng)力傳感器主要監(jiān)測工程建設(shè)中鋼筋混凝土應(yīng)力的變化。應(yīng)力的變化是導(dǎo)致工程事故的主要的原因。通常采用了振弦式應(yīng)力傳感器,當(dāng)壓力改變時,安設(shè)于傳感器體內(nèi)的鋼弦頻率會產(chǎn)生變化,不同的頻率對應(yīng)不同的壓力值。

圖1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2)溫度傳感器

可廣泛應(yīng)用于石油、化工、能源、交通、鐵路、建筑等行業(yè)中的溫度測量。

3)土壓力盒

用于各種工程土體壓力的測量,包括：

a隧道襯砌壓力、邊坡抗滑樁、深基坑、支擋樁、各類擋土墻土體側(cè)壓力的測量；

b軟基深層垂直向、水平向土壓力的測量；

c各類路基、路堤、大壩壩體內(nèi)部壓力的測量。

分單模和雙模兩種。

4)沉降計

沉降計是由沉降板、錨固板、測桿和位移計組成,是一種埋入式測量巖土和混凝土等結(jié)構(gòu)工程中沉降板與錨固板之間相對位移形變的傳感器。廣泛應(yīng)用于隧道、路基、大壩及邊坡等巖土工程中,監(jiān)測結(jié)構(gòu)工程中位移、沉降、滑移各種基礎(chǔ)的沉降情況。分單點和多點沉降計兩種。

5)錨索測力計

錨索測力計時一種多弦式壓力傳感器。中空結(jié)構(gòu),主要是用于各種錨桿、斜拉索錨索、巖石螺旋支柱、隧道和地下結(jié)構(gòu)的支撐,以及大型預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土(橋梁、堤、壩)中的荷載和預(yù)應(yīng)力測量,邊坡、隧道、橋梁及地下工程等錨桿(索)的張力測量等。

數(shù)據(jù)采集單元安置在現(xiàn)場,盡量靠近傳感器,與監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器相連。承擔(dān)該區(qū)域內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和發(fā)送。

1.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

指在傳感器、采集模塊、遙控主機之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令傳輸?shù)姆绞絒2]。在傳感器與采集器之間由電纜線連接(電纜線埋在地下或工程結(jié)構(gòu)中較為合適,要注意防水和防破壞)。在采集模塊與監(jiān)控主站之間可根據(jù)工程的實際的具體情況選擇數(shù)據(jù)傳輸方式 ,包括：

1)485總線；

2)無線載波(距離3～5 km)；

3)手機無線 GPRS(手機模塊通訊范圍中國移動網(wǎng)信號覆蓋區(qū)域)；

4)聯(lián)通CDMA手機無線(手機模塊通訊范圍中國聯(lián)通網(wǎng)信號覆蓋區(qū)域)；

5)光纖。光電轉(zhuǎn)換器將傳感器的電信號轉(zhuǎn)換為光信號后,即可進(jìn)行長距離的傳輸。其優(yōu)點是傳輸距離大,受環(huán)境干擾小,傳輸穩(wěn)定。缺點是光纖價格比較高,安裝時相對困難。

以上幾種傳輸方式也可以混合使用,從而提高系統(tǒng)的靈活性。

1.3 系統(tǒng)軟件

遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)是針對工程安全監(jiān)測而開發(fā)的綜合處理軟件系統(tǒng)[3]。該軟件能夠完成從原始觀測數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)解算、數(shù)據(jù)入庫以及成果提交的整個流程功能。

系統(tǒng)主要有5個功能模塊：系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)管理、下位機系統(tǒng)控制、實時數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)管理等,見圖2。

圖2 遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)的組成

1)系統(tǒng)設(shè)置

系統(tǒng)提供有線和無線兩種通訊方式,在無線通訊方式下,計算機接無線收發(fā)主機；在有線通訊方式下,計算機直接連接采集箱。

系統(tǒng)設(shè)置模塊主要由串口設(shè)置、GPRS設(shè)置和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置組成,如圖3。

圖3 系統(tǒng)設(shè)置

2)系統(tǒng)管理

模塊管理：能夠增加和刪除所需要的下位機,并對儀器的編號和名稱進(jìn)行修改、刪除和保存。

通道設(shè)置：對當(dāng)前的儀器編號與所使用的通道進(jìn)行設(shè)置。并可以把傳感器在現(xiàn)場安裝的位置信息輸入到軟件中。同時根據(jù)具體工程和所需要監(jiān)測的項目設(shè)置預(yù)警值。

實時測量點設(shè)置：增加和刪除測量點,并添加測量點所對應(yīng)的傳感器信息。

3)下位機數(shù)據(jù)控制

下位機控制：選擇所連接的下位機,設(shè)置正確的時間。設(shè)置所需定時測量的時間間隔。設(shè)置成功后,即向下位機發(fā)出指令從當(dāng)前時間起每間隔設(shè)定的時間采集傳感器的量測值。

下位機的數(shù)據(jù)獲取可以選擇全部機器或單臺機器查詢某一時間段數(shù)據(jù),即可顯示在當(dāng)前的計算機中,并可以進(jìn)行保存,同時可以通過WORD和 EXCEL的形式導(dǎo)出數(shù)據(jù),可自定義文件名稱和途徑,見圖4。

圖4 系統(tǒng)管理

4)實時數(shù)據(jù)

可選擇當(dāng)前單個或多個傳感器,測量實時測量值。

5)歷史數(shù)據(jù)

存儲在計算機中得數(shù)據(jù)可根據(jù)輸入查詢條件,可查詢測量點在某一時間段的數(shù)據(jù)。同時可顯示測量點在這一時間段的變化曲線,顯示監(jiān)測點的變化趨勢。

2 遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)的特點

為了確保工程建設(shè)中的安全,監(jiān)測點的數(shù)據(jù)需連續(xù)不間斷采集,這就要求監(jiān)測系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠而又要長期實時地工作。另一方面,為了節(jié)省人力物力,提高監(jiān)測效率,監(jiān)測系統(tǒng)還需實現(xiàn)無人值守的遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控。因此,遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備以下幾個主要特點：

1)實時監(jiān)測功能。能實現(xiàn)對監(jiān)測點進(jìn)行全天候連續(xù)觀測,同時能夠及時將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回主控中心,進(jìn)行實時解算分析；

2)數(shù)據(jù)通信功能。根據(jù)實際情況采用可靠有效的通信介質(zhì),實現(xiàn)遠(yuǎn)程海量數(shù)據(jù)的采集和傳輸,并實現(xiàn)現(xiàn)場工控機與控制中心的遠(yuǎn)程通信；

3)遠(yuǎn)程控制功能。監(jiān)控中心能夠遠(yuǎn)程響應(yīng)現(xiàn)場工控機的數(shù)據(jù)指令,了解設(shè)備的運行情況,并作回應(yīng)以控制其數(shù)據(jù)的采集與傳輸；

4)數(shù)據(jù)綜合處理功能。對接收的數(shù)據(jù)能夠快速進(jìn)行解算分析,報告實時測值狀態(tài),結(jié)果信息的顯示、打印、進(jìn)庫；

5)系統(tǒng)的故障自診斷功能。中心監(jiān)控軟件能夠判別系統(tǒng)故障原因；

6)具有預(yù)警功能。此系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)定初始參數(shù)定義預(yù)警界限,當(dāng)信號發(fā)射裝置到達(dá)并超過預(yù)警界限時進(jìn)行報警提示。

3 結(jié)語

工程建設(shè)遠(yuǎn)程自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究和開發(fā)是一個多學(xué)科、多分支且綜合程度高的課題,涉及到測繪、力學(xué)、電子、數(shù)學(xué)、控制學(xué)、計算機技術(shù)等多個學(xué)科[4],且針對不同的具體工程實際和監(jiān)測項,涉及到不同的方式和方法。對某一條具體的實際工程項目,首先應(yīng)該根據(jù)該工程建設(shè)的安全級別和程度,確定該工程的安全監(jiān)測項目和警戒值,選用相應(yīng)的監(jiān)測儀器、配件和系統(tǒng)軟件建立遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控系統(tǒng)。

為滿足“實時、連續(xù)、遠(yuǎn)程、非接觸”[5]現(xiàn)代工程建設(shè)安全監(jiān)測的要求,系統(tǒng)涉及到傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、信號的發(fā)射和接受、數(shù)模轉(zhuǎn)換的配置、系統(tǒng)軟件開發(fā)等多項技術(shù)。

[1]程芳.水電站大壩實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].成都：西華大學(xué),2009.

[2]周小文,包偉力.現(xiàn)代化堤防安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)模式研究[J].水利學(xué)報,2002(6)：113-117.

[3]伍佑倫.遠(yuǎn)程地壓監(jiān)控技術(shù)在地下礦山中的應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007,7(26)：2815-2819.

[4]馬廷霞.長輸管道應(yīng)力應(yīng)變自動化監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].石油機械 ,2007,12(36) ：55-57.

[5]許明情.巖土工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的研究[D].長沙：中南大學(xué),2008.