超長(zhǎng)輸水隧洞多種類傳感器數(shù)據(jù)傳輸方式

范光亞,何勇軍,李宏恩,李 錚,郭曉紅

(1.南京水利科學(xué)研究院大壩安全與管理研究所,江蘇 南京 210029; 2.南京市水利建筑工程有限公司,江蘇 南京 210001)

超長(zhǎng)輸水隧洞多種類傳感器數(shù)據(jù)傳輸方式

范光亞1,何勇軍1,李宏恩1,李 錚1,郭曉紅2

(1.南京水利科學(xué)研究院大壩安全與管理研究所,江蘇 南京 210029; 2.南京市水利建筑工程有限公司,江蘇 南京 210001)

為了解決超長(zhǎng)輸水隧洞安全監(jiān)測(cè)工程數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)以及因安裝不同類型傳感器導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)格式多樣的問(wèn)題,在對(duì)水利工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常用數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行優(yōu)劣比較的基礎(chǔ)上,提出適用于光纖傳感器和常規(guī)傳感器交叉組合監(jiān)測(cè)的GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式,探討其在超長(zhǎng)輸水隧洞工程監(jiān)測(cè)信息傳輸中的適用性和可行性,并在西南某超長(zhǎng)輸水隧洞工程中進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。根據(jù)超長(zhǎng)輸水隧洞工程通常無(wú)交流電供電的特點(diǎn),提出風(fēng)光電互補(bǔ)供電的方式,能夠滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期供電需求。

輸水隧洞;光纖傳感器;數(shù)據(jù)組合通信;信息采集;數(shù)據(jù)傳輸;GPRS

跨流域調(diào)水是為解決水資源時(shí)空分布不均及資源性短缺問(wèn)題而采取的水資源優(yōu)化配置工程?？缌饔蛘{(diào)水可緩解缺水地區(qū)的供需矛盾,從古代的京杭大運(yùn)河到1949年新中國(guó)成立后的引江濟(jì)漢工程、引灤入津工程和引灤入唐工程,以及南水北調(diào)工程等都在一定程度上緩解了這一矛盾,實(shí)現(xiàn)了缺水地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展[1-5]。跨流域遠(yuǎn)程調(diào)水是一個(gè)十分復(fù)雜、存在高度風(fēng)險(xiǎn)的工程[6]。遠(yuǎn)程調(diào)水工程中長(zhǎng)距離輸水隧洞成為輸水工程中重要的組成部分,其沿線場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜多變,同時(shí)受巖土力學(xué)理論、數(shù)值模擬及勘測(cè)技術(shù)的限制,尚不能在設(shè)計(jì)階段就準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和評(píng)估其在施工及運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此，應(yīng)用于反饋設(shè)計(jì)的長(zhǎng)距離隧洞工程的安全監(jiān)測(cè)工作顯得尤為重要[7]。傳統(tǒng)電測(cè)類監(jiān)測(cè)儀器因受傳感器傳輸距離的限制,無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸,從而使光纖傳感器在長(zhǎng)距離隧洞工程監(jiān)測(cè)中得到了應(yīng)用。由于傳統(tǒng)傳感器具有性能穩(wěn)定、精度較高和便于安裝等優(yōu)勢(shì),在輸水隧洞短洞段仍然應(yīng)用廣泛,因此,長(zhǎng)距離輸水隧洞工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常會(huì)安裝多種類型的傳感器。

針對(duì)應(yīng)用于超長(zhǎng)輸水隧洞中多種類型傳感器交叉組合布置的安全監(jiān)測(cè)工程,結(jié)合隧洞工程安全監(jiān)測(cè)特點(diǎn),筆者擬對(duì)目前常用的傳感器數(shù)據(jù)傳輸方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較,提出適用于超長(zhǎng)輸水隧洞工程光纖傳感器和常規(guī)傳感器交叉組合安全監(jiān)測(cè)的GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式,并以西南某超長(zhǎng)輸水隧洞工程為例,介紹該數(shù)據(jù)傳輸方式在該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀

為滿足水利工程安全監(jiān)測(cè)需要,通常要安裝埋設(shè)多種傳感器[8]。傳感器的主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有變形、裂縫、接縫、傾斜度、應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、位移、環(huán)境量等。隨著技術(shù)的進(jìn)步,傳感器類型也呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì),如差阻式、鋼弦式、電容式傳感器及光纖傳感器等[9]。

表1 常用數(shù)據(jù)傳輸方式比較

長(zhǎng)距離輸水隧洞工程沿途通常需要布設(shè)多個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,由于存在不同的監(jiān)測(cè)目的,監(jiān)測(cè)儀器種類和數(shù)量均較多。對(duì)百千米級(jí)超長(zhǎng)輸水線路工程而言,即使其單段隧洞間會(huì)有明渠、渡槽或倒虹吸等連接,但其單體隧洞長(zhǎng)度通常仍在10 km以上。在這些較長(zhǎng)的單體隧洞中,往往安裝有監(jiān)測(cè)圍巖變形、滲透壓力、錨桿應(yīng)力、應(yīng)變、接縫等項(xiàng)目的傳感器,若選用鋼弦式、差阻式等常規(guī)儀器,受其工作原理的限制,其信號(hào)傳輸距離多在2 km以內(nèi)。雖然采取一些信號(hào)放大措施可以傳輸更遠(yuǎn),但其傳輸距離仍然有限。所以,采用常規(guī)的電測(cè)類傳感器將大幅度制約長(zhǎng)距離隧洞安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性,長(zhǎng)距離輸水隧洞監(jiān)測(cè)工程中較長(zhǎng)單體隧洞只能選擇光纖傳感器,其具有傳輸距離長(zhǎng)、抗電磁干擾、耐水、耐高溫、保密性好、速度快、帶寬大等優(yōu)點(diǎn)。

但由于光纖傳感器施工安裝復(fù)雜,光纖光柵解調(diào)儀價(jià)格偏貴,一般只在常規(guī)電測(cè)類傳感器不能滿足監(jiān)測(cè)需要時(shí)才會(huì)選用[10]。常規(guī)電測(cè)類傳感器在單體較短的洞段仍被廣泛采用。因此,長(zhǎng)距離輸水隧洞工程不同洞段往往安裝著不同種類的傳感器。本著可靠、經(jīng)濟(jì)和合理的原則,如何保證多種類型的傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)的有效采集和穩(wěn)定傳輸,已成為超長(zhǎng)輸水隧洞工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題。

2 傳感器數(shù)據(jù)采集方式

根據(jù)單體洞段的長(zhǎng)短，超長(zhǎng)輸水隧洞工程通常安裝有常規(guī)電測(cè)類傳感器和光纖傳感器。常規(guī)電測(cè)類傳感器使用常規(guī)采集單元采集信號(hào),即將每支常規(guī)傳感器電纜直接連接到采集單元;光纖光柵采集儀負(fù)責(zé)采集光纖傳感器的信號(hào),光纖傳感器具有不同傳感器波長(zhǎng)不同的特點(diǎn),單芯光纖即可并接若干個(gè)光纖傳感器(只要在安裝時(shí)避開相同波長(zhǎng)即可)。對(duì)于超長(zhǎng)輸水隧洞工程的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),根據(jù)監(jiān)測(cè)儀器安裝斷面情況,將各種傳感器信號(hào)電纜或光纖牽引至觀測(cè)支洞或外部觀測(cè)站房,根據(jù)儀器類型分別接入相應(yīng)的采集裝置。常規(guī)電測(cè)類傳感器及光纖傳感器數(shù)據(jù)采集方式見(jiàn)圖1。

圖1 不同類型傳感器數(shù)據(jù)采集方式

3 傳感器數(shù)據(jù)傳輸方式

3.1 常用數(shù)據(jù)傳輸方式比較

各類傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)采集裝置采集后,需將采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至工程管理單位監(jiān)測(cè)中心機(jī)房,目前水利工程中安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的常用傳輸方式有RS485數(shù)據(jù)通信、超短波數(shù)據(jù)電臺(tái)、GPRS通信和光纖傳輸?shù)?。水利工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常用數(shù)據(jù)傳輸方式見(jiàn)表1。

3.2 超長(zhǎng)隧洞監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸方式選擇

通過(guò)比較安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常用通信方式可知,RS485數(shù)據(jù)通信雖然安裝簡(jiǎn)便,但距離太短,顯然不滿足長(zhǎng)距離輸水隧洞工程安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?輸水隧洞通常處于山區(qū)地帶,超短波數(shù)據(jù)電臺(tái)雖然無(wú)運(yùn)行期通信費(fèi)用,但往往因高山阻隔信號(hào)需配置中繼站,而中繼站又位于山頂,維護(hù)相對(duì)困難;光纖傳輸雖具有傳輸頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但因其投資大且必須沿隧洞內(nèi)布設(shè)導(dǎo)致維護(hù)困難。因此,監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散的輸水隧洞工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)宜采用GPRS通信方式,雖需向移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商支付一定的數(shù)據(jù)流量費(fèi),但通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,應(yīng)是當(dāng)前通信條件下最適宜的選擇。隧洞沿線各觀測(cè)站房均位于隧洞支洞出口附近地面,有移動(dòng)信號(hào)且易于維護(hù)。GPRS通信方式除可正常傳送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)外,還可傳輸圖像監(jiān)控信號(hào),便于今后根據(jù)工程實(shí)際監(jiān)測(cè)需要進(jìn)行相應(yīng)功能擴(kuò)展。

圖2 常規(guī)傳感器供電及數(shù)據(jù)采集傳輸方式

圖3 光纖傳感器供電及數(shù)據(jù)采集傳輸方式

4 工程應(yīng)用實(shí)例

本文以西南某輸水線路安全監(jiān)測(cè)工程為例,探討了超長(zhǎng)距離輸水隧洞工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息采集和數(shù)據(jù)傳輸方式。該工程由水庫(kù)水源樞紐工程、提水泵站工程及約120 km輸水線路工程組成,其中隧洞長(zhǎng)約78 km,其余部分由明渠、渡槽和倒虹吸等組成。

4.1 常規(guī)傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸

為滿足施工期及運(yùn)行期安全管理需要,該工程安裝的常規(guī)傳感器有差阻式傳感器(鋼筋計(jì)等)和鋼弦式傳感器(應(yīng)變計(jì)、滲壓計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)等)。這些監(jiān)測(cè)儀器可使用多功能通用型數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行采集,采集單元在不采集時(shí)值守電流很小,采集數(shù)據(jù)時(shí)間僅數(shù)十秒,即可通過(guò)GPRS模塊向監(jiān)測(cè)中心發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),僅需使用太陽(yáng)能電池配合蓄電池即可滿足監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)采集和傳輸供電需要,不受連續(xù)陰雨天氣影響。常規(guī)傳感器供電及數(shù)據(jù)采集傳輸方式見(jiàn)圖2。若單個(gè)測(cè)站的采集單元有2臺(tái)以上,可將RS485分地址碼并接后再通過(guò)GPRS模塊向監(jiān)測(cè)中心發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4.2 光纖傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸

圖4 光纖及常規(guī)傳感器交叉組合數(shù)據(jù)采集傳輸方式

除常規(guī)傳感器外,該隧洞工程還安裝有光纖傳感器。光纖傳感器數(shù)據(jù)使用光柵采集儀采集,其供電方式為交流220 V,光柵采集儀與常規(guī)傳感器的采集單元不同,光柵采集儀需一直開機(jī)待命,達(dá)到設(shè)定的采集時(shí)間或接收到中心站召測(cè)命令時(shí)采集數(shù)據(jù)并傳送出去。該工程輸水線路沿途無(wú)交流電源,共有7個(gè)光纖傳感器監(jiān)測(cè)站且分布相對(duì)分散,由于沿山區(qū)輸水線路布設(shè)交流電源造價(jià)很高,因此決定采用太陽(yáng)能電池加風(fēng)電組合的方式供電,結(jié)合蓄電池及逆變器給光柵采集儀提供220 V交流電源。由數(shù)傳儀下達(dá)數(shù)據(jù)采集指令,待光柵采集儀采集數(shù)據(jù)后通過(guò)GPRS模塊上傳到監(jiān)測(cè)中心站機(jī)房監(jiān)測(cè)主機(jī)。光纖傳感器供電及數(shù)據(jù)采集傳輸方式見(jiàn)圖3。若光柵采集儀數(shù)量超過(guò)1臺(tái),可并接后通過(guò)GPRS模塊向監(jiān)測(cè)中心發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4.3 組合傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸

對(duì)于由常規(guī)傳感器及光纖傳感器交叉組合監(jiān)測(cè)的隧洞段,可將常規(guī)傳感器接入觀測(cè)站采集單元,將光纖傳感器的光纖引入地面觀測(cè)站房并接入光柵采集儀。光柵采集儀和采集單元所有數(shù)據(jù)通信的RS485信號(hào)合并后由GPRS模塊將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)中心站監(jiān)測(cè)主機(jī)。光纖及常規(guī)傳感器交叉組合數(shù)據(jù)采集傳輸方式見(jiàn)圖4。觀測(cè)站采用太陽(yáng)能結(jié)合風(fēng)力發(fā)電的方式供電。

監(jiān)測(cè)中心站監(jiān)測(cè)主機(jī)接收到來(lái)自輸水隧洞各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后,由數(shù)據(jù)整編和分析評(píng)價(jià)軟件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判定、甄別和分析,并形成各種報(bào)表和過(guò)程曲線,提供輸水隧洞實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警信息,判定工程運(yùn)行性態(tài),為超長(zhǎng)輸水隧洞工程的安全運(yùn)行和科學(xué)管理服務(wù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

a. 基于超長(zhǎng)輸水隧洞工程安全監(jiān)測(cè)儀器的多樣性,在確保信息傳輸可靠性及經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上提出了光纖及常規(guī)傳感器交叉組合的數(shù)據(jù)采集傳輸方式。

b. 通過(guò)對(duì)水利工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常用數(shù)據(jù)通信方式的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比,認(rèn)為采用GPRS通信方式能滿足超長(zhǎng)距離輸水隧洞安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

c. 提出了在超長(zhǎng)隧洞工程沿線無(wú)交流電供電的工況下,因地制宜地采用風(fēng)光電互補(bǔ)方式,能夠滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行供電需求。

d. 探討了不同類型傳感器在超長(zhǎng)輸水隧洞安全監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)采集與傳輸方式,并在某輸水線路安全監(jiān)測(cè)工程中進(jìn)行了應(yīng)用,研究成果可為類似工程提供借鑒。

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Information communication method of multiple sensors for super long distance water delivery tunnel//

FAN Guangya1, HE Yongjun1, LI Hong’en1, LI Zheng1, GUO Xiaohong2

(1.DamSafetyManagementDepartment,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China; 2.NanjingWaterConstructionEngineeringCompanyLimited,Nanjing210001,China)

In this study it is introduced the general packet radio service(GPRS) information communication method, which combining fiber sensors and common sensors, for the long transmission distance of safety monitoring engineering data in super long distance water delivery tunnel and different data formats(resulted from multiple sensors). And it is compared with the common information communication methods about safety monitoring system in hydraulic engineering practice. Besides, it is discussed the applicability and feasibility of the information communication method for super long distance water delivery tunnel as well as tested in an engineering practice in the Southwest China. Due to the fact that alternating current is not available for outdoor projects of super long distance water delivery tunnel, it is proposed the power supply mode of solar, wind, and electrical energy, which are able to meet the power supply demand of monitoring system for a long time.

water delivery tunnel; fiber sensor; mixed data communication; information collection; information communication; general packet radio service(GPRS)

水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(Y714006);中央公益性科研院所基金(Y715001)

范光亞(1971—),男,江蘇泗陽(yáng)人,高級(jí)工程師,主要從事大壩安全監(jiān)測(cè)、水雨情遙測(cè)等研究。E-mail:gyfan@nhri.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.03.017

TV672+.1

A

1006-7647(2015)03-0085-04

2014-02-16 編輯：駱超)