同步休眠機(jī)制MESH網(wǎng)絡(luò)在長邊坡監(jiān)測中運(yùn)用的研究

江世好 單海年 羅孝兵 丁小闖 華濤

【摘要】? ? 針對傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測信號(hào)有線傳輸方式無法滿足長邊坡監(jiān)測需求，提出利用同步休眠機(jī)制MESH網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)，通過時(shí)隙的劃分，實(shí)現(xiàn)分時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對長邊坡的監(jiān)測，從而擴(kuò)大邊坡監(jiān)測范圍，達(dá)到對邊坡穩(wěn)定性的預(yù)判、預(yù)防，避免重大的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。

【關(guān)鍵詞】? ? 同步休眠? ? MESH網(wǎng)絡(luò)? ? 邊坡監(jiān)測

引言

近十年來，隨著邊坡地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生，邊坡穩(wěn)定性越來越被重視，并進(jìn)行了大量的理論及實(shí)際研究[1][2]。目前的監(jiān)測手段主要是在坡體中安裝各類有線傳感器，如變形監(jiān)測儀器，水位監(jiān)測儀器等。儀器安裝完畢后，通過將線纜的集中在某處，采用MCU自動(dòng)化采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過458線將數(shù)據(jù)發(fā)送至中控室[3][4]。此常規(guī)的監(jiān)測方式在長距離邊坡運(yùn)用中，受電纜長度限制，信號(hào)傳輸不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)處理及分析任務(wù)重，且容易出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。

本文提出將各類傳感器就近集中至無線適配器中，各無線適配器利用同步休眠機(jī)制MESH網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)機(jī)制，通過跨周期應(yīng)答方式將傳感器信號(hào)傳輸至中控室，進(jìn)一步提高信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性，更好的實(shí)現(xiàn)邊坡監(jiān)測工作。

一、邊坡監(jiān)測

邊坡監(jiān)測工作主要包含巡視巡查、變形監(jiān)測、水穩(wěn)監(jiān)測、錨桿監(jiān)測、錨索力監(jiān)測等。各監(jiān)測項(xiàng)目能夠互相校核，互相印證。一個(gè)項(xiàng)目多種用途，在不同時(shí)期能反映出不同重點(diǎn)。

變形監(jiān)測包括地表水平位移和垂直位移，裂縫、錯(cuò)位，邊坡深部變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。需要采用測斜儀、應(yīng)力計(jì)等儀器對以上項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測。

水文監(jiān)測包括降雨監(jiān)測、地表水監(jiān)測和地下水監(jiān)測。長時(shí)間降雨等自然因素會(huì)加大滑坡發(fā)生可能性，如尾礦壩，會(huì)因?yàn)閹焖怀^安全線發(fā)生潰壩事故，因此需要對水文進(jìn)行監(jiān)測。

邊坡工程監(jiān)測應(yīng)符合下列規(guī)定：1 坡頂位移觀測，應(yīng)在每一典型邊坡段的支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置不少于3 個(gè)觀測點(diǎn)的觀測網(wǎng)，觀測位移量、移動(dòng)速度和方向;2 錨桿拉力和預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測，應(yīng)選擇有代表性的錨桿，測定錨桿（索）應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力損失;3 非頂應(yīng)力錨桿的應(yīng)力監(jiān)測根數(shù)不宜少于錨桿總數(shù)的5%，預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)力監(jiān)測根數(shù)不應(yīng)少于錨索總數(shù)的10%，且不應(yīng)少于3根;4 監(jiān)測方案可根據(jù)設(shè)計(jì)要求、邊坡穩(wěn)定性、周邊環(huán)境和施工進(jìn)程等因素確定。當(dāng)出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測;5 一級(jí)邊坡工程竣工后的監(jiān)測時(shí)間不應(yīng)少于二年。

二、同步休眠機(jī)制的MESH網(wǎng)絡(luò)

同步休眠機(jī)制的MESH網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都具有路由功能，所有節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)[5][6]，當(dāng)某一路由中斷時(shí)，可自動(dòng)修改路由鏈路，具有較強(qiáng)的自愈能力[7][8]。在同步休眠的MESH網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部通過RTC實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步休眠，并按設(shè)定時(shí)間間隔同步蘇醒，并通過其狀態(tài)引腳同步喚醒無線傳感器中的數(shù)據(jù)采集MCU，響應(yīng)遠(yuǎn)程控制或進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸通信，盡可能地減少無線傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗。

三、同步休眠機(jī)制MESH網(wǎng)絡(luò)在長邊坡監(jiān)測中運(yùn)用

某船閘上游設(shè)有5級(jí)馬道邊坡邊，3個(gè)監(jiān)測斷面，最遠(yuǎn)的監(jiān)測斷面距離中控室1200m。下游設(shè)有4級(jí)馬道邊坡共，1個(gè)監(jiān)測斷面，距離中控室約700m。每個(gè)監(jiān)測斷面左右選擇2-3個(gè)馬道布置監(jiān)測傳感器，總計(jì)75支傳感器，主要為底下水位監(jiān)測和坡體位移監(jiān)測。若采用傳統(tǒng)的有線信號(hào)傳輸方式，則需要約10KM電纜。電纜量大，敷設(shè)任務(wù)中，信號(hào)傳輸不穩(wěn)。因此采用無線傳輸成為了該邊坡工程監(jiān)測的最佳信號(hào)傳輸手段。

我公司研發(fā)了針對各類型性傳感器的無線適配器，將邊坡各監(jiān)測傳感器就近集中至無線采集適配器中，各無線適配器利用同步休眠機(jī)制MESH網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)機(jī)制，通過跨周期應(yīng)答方式將傳感器信號(hào)傳輸至中控室服務(wù)器中。上游設(shè)置9個(gè)無線適配器，1個(gè)網(wǎng)關(guān)，下游設(shè)置6個(gè)無線適配器，1個(gè)網(wǎng)關(guān)。

在該邊坡工程運(yùn)用中，各類型無線適配器就是一個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)，每個(gè)無線適配器都具有路由功能，相互之間可實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)，且可以全網(wǎng)同步休眠，并按設(shè)定時(shí)間間隔同步喚醒。

將無線適配器的每一個(gè)通信周期分為蘇醒期和休眠期，將網(wǎng)關(guān)的蘇醒期從起始時(shí)刻依次劃分為發(fā)送時(shí)隙、延遲時(shí)隙、接收時(shí)隙，將無線適配器的蘇醒期從起始時(shí)刻依次劃分為接收時(shí)隙、延遲時(shí)隙、發(fā)送時(shí)隙和路由時(shí)隙[9]。網(wǎng)關(guān)的發(fā)送時(shí)隙、延遲時(shí)隙與無線適配器發(fā)送時(shí)隙、延遲時(shí)隙時(shí)間相同。網(wǎng)關(guān)的接收時(shí)隙為無線適配器的發(fā)送時(shí)隙之和。通過時(shí)隙的劃分，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的分時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，有效降低網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)沖突，提高通信成功概率，降低數(shù)據(jù)重傳次數(shù)，降低節(jié)點(diǎn)能耗。同時(shí)網(wǎng)關(guān)的發(fā)送時(shí)隙設(shè)置在每個(gè)通信周期的蘇醒期起始階段，不會(huì)因?yàn)樯漕l模塊進(jìn)入休眠而丟失上一周期內(nèi)未完成的信息通信，從而減少數(shù)據(jù)重傳次數(shù)，進(jìn)而減少通信數(shù)據(jù)量，可最大化縮短通信時(shí)隙，降低無線適配器的能耗。

則需要邊坡共布置15套測斜儀，15支滲壓計(jì)對邊坡臨空方向位移及地下水位進(jìn)行監(jiān)測，共布置15個(gè)無線適配器，對整個(gè)邊坡4個(gè)監(jiān)測斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，中控室布置2個(gè)無線網(wǎng)關(guān)，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收匯總。

四、邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1邊坡地下水位監(jiān)測

該船閘邊坡監(jiān)測系統(tǒng)自投運(yùn)以來，工作穩(wěn)定正常，尤其在主汛期及時(shí)的采集到水位數(shù)據(jù)，有利于工程管理人員及時(shí)掌握邊坡工作狀態(tài)。

如圖3所示，該邊坡工程字2018年至2020年，地下水位測值主要受降雨影響較大。每年的7月-10月主汛期期間，水位測值明顯增大，枯水期水位測值比較平穩(wěn)，其中汛期地下水位變幅最高能達(dá)到4m左右。

4.2邊坡位移監(jiān)測

該船閘邊坡位移監(jiān)測主要采用測斜儀對坡體向臨空方向的水平位移進(jìn)行監(jiān)測。自投運(yùn)以來，監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)，完整，可靠。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，邊坡水平位移主要發(fā)生在邊坡土建施工初期，且邊坡的上部位移變形大于下部位移變形。隨著邊坡應(yīng)力的釋放，邊坡框格梁，排水溝，草皮綠化的工作陸續(xù)完成，位移變形趨于穩(wěn)定，自2018年以來，最大變幅基本維持在8mm以內(nèi)，未出現(xiàn)過明顯的異?，F(xiàn)象，表明該邊坡目前已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

五、結(jié)論

針對某船閘長邊坡的監(jiān)測，通過無線適配器對各傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后利用同步休眠機(jī)制MESH網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)機(jī)制，通過跨周期應(yīng)答方式將傳感器信號(hào)傳輸至中控室服務(wù)器中，有效的實(shí)現(xiàn)了對邊坡穩(wěn)定性的實(shí)施監(jiān)測。通過傳輸后的數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該采集-傳輸系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)能夠真實(shí)的反應(yīng)出邊坡的實(shí)時(shí)狀態(tài)，成為了工程管理人員掌握邊坡狀態(tài)的有效手段。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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