基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析

黃富禹 劉 春* 李 萌

（重慶科技學(xué)院，重慶401331）

1 概述

隨著科技的發(fā)展和城市的需求，隧道行業(yè)得到了空前的發(fā)展。對(duì)隧道工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全隱患，達(dá)到預(yù)防事故發(fā)生的目的。但是目前的監(jiān)測(cè)模式需要進(jìn)一步提高，滿足工程實(shí)際需求。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠很大程度上滿足隧道智能安全監(jiān)測(cè)的要求。隨著物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的逐步成熟（RFID 技術(shù)、傳感器技術(shù)、遠(yuǎn)程通信技術(shù)），物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在隧道智能安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域逐步得到了廣泛的應(yīng)用。

針對(duì)已建隧道進(jìn)行的智能安全監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)的了解隧道的損傷劣化情況及其安全狀態(tài)。高效、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與分析反饋是確保隧道安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵技術(shù)[2]。隨著信息化時(shí)代的發(fā)展，傳感器、智能全站儀和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的全面普及，為工程監(jiān)測(cè)帶來(lái)了改變，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)終端實(shí)時(shí)同步的目的，形成了在線同步，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 物聯(lián)網(wǎng)智能安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，其在地質(zhì)災(zāi)害、橋梁健康、大壩安全等領(lǐng)域的監(jiān)控測(cè)量已得到廣泛應(yīng)用，但在隧道工程領(lǐng)域仍處于探索階段[3]。

2.1 國(guó)外研究進(jìn)展

英國(guó)劍橋大學(xué)的Soga 教授團(tuán)隊(duì)將WSN 技術(shù)應(yīng)用于倫敦地鐵變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目[6]。WSN 技術(shù)在布拉格地鐵監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、巴塞羅那地鐵監(jiān)測(cè)項(xiàng)目等也得到了應(yīng)用[2]。Akyildiz 等對(duì)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的研究現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)做了闡述。

2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

王亞瓊在2015 年研究并提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道施工監(jiān)測(cè)技術(shù)，并成功應(yīng)用于大寶山隧道工程[3]。

尚金光在2012 年設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)中心軟件，進(jìn)一步解決了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)處理能力不足的問(wèn)題[1]。

李福健在2017 年以隧道圍巖量測(cè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)結(jié)合GIS+BIM技術(shù)設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)了隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的立體化、可視化，有效的提高了監(jiān)測(cè)的可靠性[4]。

姜晨光等人設(shè)計(jì)并提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道損傷劣化情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制[5]。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在隧道智能監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的延伸，其核心仍是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其意義在于能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信息和物理空間的無(wú)縫銜接。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)

感知技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)隧道智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。WSN（無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）作為感知技術(shù)的代表，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程監(jiān)測(cè)當(dāng)中。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳感器已經(jīng)具備了微型化、智能化等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了傳感器設(shè)備的信息化、網(wǎng)絡(luò)化。目前，在物聯(lián)網(wǎng)隧道智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，不同的傳感器系統(tǒng)還面臨著不兼容的問(wèn)題。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要由三部分組成，其分別為：感知層、傳輸層、應(yīng)用層。

（1）感知層

感知層主要有傳感器技術(shù)和RFID（射頻識(shí)別技術(shù)）；傳感器技術(shù)是將壓力、濕度、變形、位移等隧道物理信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或者其他形式的信號(hào)然后進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出的技術(shù)。RFID（射頻識(shí)別技術(shù)）是非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在不用人工干預(yù)的情況下，能正常的通過(guò)對(duì)目標(biāo)發(fā)射信號(hào)來(lái)獲取數(shù)據(jù)。

（2）傳輸層

傳輸技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)隧道智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能得到應(yīng)用的關(guān)鍵所在。傳輸技術(shù)功能在于能夠把數(shù)據(jù)有效、快速的傳輸?shù)较乱粚?，其包括短距離傳輸技術(shù)和遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)。這兩個(gè)技術(shù)能夠在物聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜的處理過(guò)程中增加運(yùn)用數(shù)據(jù)率。使數(shù)據(jù)傳輸和處理達(dá)到安全、穩(wěn)定的目的。

（3）應(yīng)用層

物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)圖

應(yīng)用層的功能是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理，從而能夠達(dá)到對(duì)物體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理的目的，實(shí)現(xiàn)決策的科學(xué)化、及時(shí)化。在物聯(lián)網(wǎng)隧道智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，應(yīng)用層在傳感器對(duì)隧道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后通過(guò)傳輸層網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心就屬于應(yīng)用層，他將對(duì)隧道的信息進(jìn)行匯總，并自動(dòng)根據(jù)不同情況進(jìn)行自動(dòng)分析和采取相關(guān)措施。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在隧道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)隧道智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用分為兩類：一類是在隧道運(yùn)營(yíng)期的安全監(jiān)測(cè)，另一類是在隧道施工期的安全監(jiān)測(cè)。

該系統(tǒng)主要功能主要有：

（1）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，傳輸和分析；

（2）直觀顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)變化情況及隧道當(dāng)前狀態(tài)；

（3）一旦出線緊急情況，系統(tǒng)能及時(shí)的發(fā)出預(yù)警信息。

4 智能監(jiān)測(cè)存在的缺陷及發(fā)展趨勢(shì)

4.1 存在的缺陷

（1）監(jiān)控量測(cè)意識(shí)不高

在進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，少作或不作監(jiān)控量測(cè)，對(duì)既有的安全隱患不能及時(shí)處理，最后導(dǎo)致隧道安全事故的發(fā)生。

（2）數(shù)據(jù)可靠性較低

儀器精度、環(huán)境適應(yīng)力、自動(dòng)化程度及操作性都是監(jiān)測(cè)儀器的重要指標(biāo)。目前部分監(jiān)測(cè)儀器在物聯(lián)網(wǎng)智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用中會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)紊亂、儀器破損等問(wèn)題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的可靠性較低。

（3）特殊路段的監(jiān)測(cè)方法較少

在河流、海洋、戈壁等特殊路段，由于監(jiān)測(cè)技術(shù)不夠成熟，導(dǎo)致隧道安全不能得到保障。尤其在河流、海洋等地段修建隧道，由于突水、涌水等原因造成的圍巖損傷劣化很難做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（4）數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)有待提高

數(shù)據(jù)處理與分析基本采用回歸分析法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時(shí)間序列分析法等進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，但這些方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用仍處于研究階段，可靠性還需要進(jìn)一步的研究。

4.2 發(fā)展趨勢(shì)

（1）利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)隧道智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)全面的監(jiān)測(cè)，并準(zhǔn)確的傳輸、反饋結(jié)構(gòu)變形情況，提升隧道施工與運(yùn)營(yíng)的安全性。

（2）改善監(jiān)測(cè)模式，傳感器、無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存分析等技術(shù)和方法的改善，對(duì)現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)方法、監(jiān)測(cè)模式都將產(chǎn)生影響。

（3）利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)安全性高、功能完善、實(shí)用性強(qiáng)的隧道監(jiān)測(cè)體系。

5 結(jié)論

5.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)λ淼乐悄馨踩O(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供技術(shù)支持，達(dá)到保障隧道安全運(yùn)營(yíng)的目的；

5.2 降低物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用能夠降低工程造價(jià)，隨著物聯(lián)網(wǎng)快速規(guī)?；l(fā)展、相關(guān)產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)，物聯(lián)網(wǎng)隧道智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的成本會(huì)逐步降低；

5.3 隧道工程屬于公共設(shè)施，物聯(lián)網(wǎng)隧道智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)加密。數(shù)據(jù)泄漏會(huì)給包括隧道在內(nèi)的公共設(shè)施帶來(lái)安全隱患，因此對(duì)物聯(lián)網(wǎng)隧道智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施網(wǎng)絡(luò)加密必不可少。

5.4 隧道在不同的環(huán)境有著不同的安全隱患，使得隧道監(jiān)測(cè)各成體系并會(huì)對(duì)應(yīng)急指揮帶來(lái)難度。所以需要有一套集安全監(jiān)測(cè)與應(yīng)急指揮于一體的標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)兩者的統(tǒng)一。