城市隧道風(fēng)機(jī)綜合安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張 超，劉龍超

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

0 引 言

在隧道內(nèi)安裝風(fēng)機(jī)可輸送和調(diào)節(jié)空氣或排除煙塵，從而確保隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的安全性和舒適度。為不占用交通面積，會(huì)專門修建通風(fēng)道，將風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)懸掛在隧道頂部。 隨著風(fēng)機(jī)在城市公路隧道中的廣泛應(yīng)用，隧道風(fēng)機(jī)的安全性將直接影響后期道路行車的安全，而風(fēng)機(jī)支座鋼板的施工質(zhì)量對(duì)風(fēng)機(jī)的安全性起到?jīng)Q定性作用。如果長(zhǎng)期不對(duì)其進(jìn)行檢查，可能會(huì)存在安全隱患。但若是長(zhǎng)期進(jìn)行檢查就會(huì)產(chǎn)生工程量較大、施工成本較高、延誤工期等問(wèn)題。本文研究的重點(diǎn)在于制定一種檢測(cè)方法，能夠直觀檢測(cè)出風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；并將檢測(cè)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，降低檢查維護(hù)的成本，減少檢查維修時(shí)間。

1 課題研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 課題研究背景

隨著中國(guó)對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)的投入不斷加大，特長(zhǎng)隧道、長(zhǎng)隧道與隧道群不斷增加，為了保證隧道在運(yùn)營(yíng)中處于相對(duì)安全、健康的環(huán)境中，當(dāng)隧道中的自然通風(fēng)條件無(wú)法滿足通風(fēng)要求時(shí)，必須安裝通風(fēng)設(shè)備。城市隧道的風(fēng)機(jī)安裝在隧道頂部，當(dāng)隧道煙霧較濃或濕度較高時(shí)，會(huì)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)以調(diào)節(jié)隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，安裝焊縫存在脫落松動(dòng)的隱患，對(duì)過(guò)往車輛而言存在安全風(fēng)險(xiǎn)。振動(dòng)傳感器能夠監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)異常振動(dòng)，通過(guò)城市隧道風(fēng)機(jī)綜合安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠及時(shí)向隧道運(yùn)維管理人員預(yù)警，以減少車輛安全事故的發(fā)生，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

為保障隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全可靠，學(xué)者提出了多種方案。例如張松等人提出在風(fēng)機(jī)安裝時(shí)先鋪設(shè)一定尺寸的鋼板，鋼板通過(guò)錨栓與二次襯砌混凝土連接，以加固風(fēng)機(jī)支座預(yù)埋鋼板，實(shí)現(xiàn)隧道風(fēng)機(jī)支座鋼板加固。楊東等人設(shè)計(jì)了基于PLC控制的隧道風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，在主從站關(guān)系下，利用地感傳感器監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)車輛數(shù)判斷風(fēng)機(jī)啟停，風(fēng)力傳感器控制風(fēng)機(jī)風(fēng)向，同時(shí)在道路口配備手動(dòng)控制箱，保證隧道系統(tǒng)的安全；鐘正強(qiáng)等人設(shè)計(jì)了適用不同形式風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)的鋼絲繩反力支承系統(tǒng)，針對(duì)不同風(fēng)機(jī)鋼架采用對(duì)應(yīng)連接件，檢測(cè)其承載力，確保結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)固。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 振動(dòng)數(shù)據(jù)采集

描述振動(dòng)的量有位移、速度、加速度等。風(fēng)機(jī)異常振動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)參數(shù)會(huì)超出誤差范圍。由于加速度在高頻領(lǐng)域敏感度好，可以檢測(cè)出微小缺陷中產(chǎn)生的應(yīng)力波，因此利用加速度的變化來(lái)反映風(fēng)機(jī)狀態(tài)，并采用HWT905-485姿態(tài)角度傳感器獲取風(fēng)機(jī)振動(dòng)的加速度。借助RS 485 CAN HAT模塊使樹莓派具備RS 485、CAN通信功能，并利用RS 485通信電纜實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信。將采集的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)集傳輸至樹莓派，由此完成振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集。

2.2 聲音數(shù)據(jù)采集

當(dāng)風(fēng)機(jī)異常運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生異音。ReSpeaker Mic Array v2.0麥克風(fēng)傳感器具有遠(yuǎn)場(chǎng)語(yǔ)音捕獲、語(yǔ)音算法、波束成形、噪聲抑制、消混響、聲學(xué)回聲消除等優(yōu)點(diǎn)，因此使用ReSpeaker Mic Array v2.0麥克風(fēng)傳感器采集風(fēng)機(jī)振動(dòng)聲音。

2.3 Socket通信

采用Socket通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與客戶端的信息交互。由于數(shù)據(jù)量過(guò)大，樹莓派無(wú)法處理，因此將樹莓派中的振動(dòng)數(shù)據(jù)文件和音頻文件發(fā)送至PC機(jī)，在PC機(jī)中進(jìn)行處理。在數(shù)據(jù)上傳階段，采用Socket.I/O雙向通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)物理模型與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)虛擬模型的同步更新，以有效提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 頻譜分析

頻譜是指時(shí)域信號(hào)在頻域下的表示方式，可以針對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換。所得結(jié)果是以幅度及相位為縱軸，頻率為橫軸的圖像（有時(shí)可省略相位信息）。有時(shí)也以“幅度頻譜”表示幅度隨頻率變化的情形，“相位頻譜”表示相位隨頻率變化的情形。

經(jīng)過(guò)預(yù)處理的聲音信號(hào)在進(jìn)行特征提取之前，首先需從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域。常用的頻域分析方法分別為幅值譜分析、功率譜分析和倒頻譜分析。幅值譜分析是利用傅里葉變換后頻率的幅值對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。由于頻域信號(hào)攜帶的有用信號(hào)更多，因此這樣更有利于下一步的分析與特征提取。

3.2 傅里葉變換與小波變換

將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域的方法分為傅里葉變換和小波變換。傅里葉變換與小波變換的區(qū)別在于，傅里葉變換在進(jìn)行變換時(shí)將時(shí)域信息完全丟棄，僅體現(xiàn)信號(hào)的頻率分布情況。但聲音、振動(dòng)等信號(hào)的時(shí)域信息也是非常重要的指標(biāo)，因此，在傅里葉變換的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使用短時(shí)傅里葉變換方法，將時(shí)域信號(hào)分割成若干個(gè)小窗，分別對(duì)每一個(gè)小窗進(jìn)行傅里葉變換，從而保留部分時(shí)域信息。但短時(shí)傅里葉變換在每一個(gè)小窗的邊緣部分變換效果并不理想，因此小波變換在繼承和發(fā)展了短時(shí)傅里葉變換局部化的思想后應(yīng)運(yùn)而生。該算法不僅克服了窗口大小不隨頻率變化等缺點(diǎn)，還能夠提供一個(gè)隨頻率改變的“時(shí)間-頻率”窗口，因此該算法是進(jìn)行信號(hào)時(shí)頻分析和處理的理想工具。該算法的主要特點(diǎn)是通過(guò)變換能夠充分突出問(wèn)題某些方面的特征，對(duì)時(shí)間（空間）頻率進(jìn)行局部化分析，通過(guò)伸縮平移運(yùn)算對(duì)信號(hào)（函數(shù)）逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終實(shí)現(xiàn)高頻處時(shí)間細(xì)分，低頻處頻率細(xì)分的目的，以自動(dòng)適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)分析的要求，解決傅里葉變換中存在的難題，成為繼傅里葉變換以來(lái)在科學(xué)方法上的重大突破。

3.3 運(yùn)用MATLAB進(jìn)行處理

將采集的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)集及音頻文件導(dǎo)入MATLAB，采用快速傅里葉算法在頻域進(jìn)行濾波和積分處理，得到重要的速度和位移指標(biāo)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音頻譜和振動(dòng)頻譜的處理。

4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與框架

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)InfluxDB和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL，協(xié)議測(cè)試可以保證信息鏈中遵循同一協(xié)議的不同設(shè)備正確互聯(lián)。因此通信采用MQTT協(xié)議。

傳感器設(shè)備作為MQTT協(xié)議的發(fā)布者，將數(shù)據(jù)傳給MQTT消息代理（Broker），后端以訂閱者的身份訂閱某主題的消息，每當(dāng)發(fā)布者向代理上傳該主題的消息，此時(shí)訂閱了該主題的客戶便能收到消息內(nèi)容（負(fù)載）。消息的發(fā)布者和訂閱者均為客戶端，消息代理為服務(wù)器。

獲取到傳感器監(jiān)測(cè)、處理后的數(shù)據(jù)便能與數(shù)據(jù)庫(kù)交互，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。查詢數(shù)據(jù)時(shí)，由前端向后端發(fā)出請(qǐng)求，后端查詢語(yǔ)句訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取查詢結(jié)果返回給前端顯示。

整體數(shù)據(jù)流圖如圖1所示。

圖1 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)流圖

5 前端顯示

借助Socket通信技術(shù)將處理完成的數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)端口，在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中進(jìn)行前端展示，包括風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)可視化、管理樹莓派、定期體檢、風(fēng)機(jī)異常關(guān)斷與維護(hù)。

（1）風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)可視化：基于三維和駕駛艙可視化開發(fā)技術(shù)，將多風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)以及焊縫形變信息進(jìn)行可視化展示，能夠有效提高公共設(shè)施維保人員的處理效率；

（2）管理樹莓派：我們不僅要掌握每臺(tái)風(fēng)機(jī)的異常運(yùn)行狀態(tài)，還要掌握邊緣計(jì)算設(shè)備是否正常運(yùn)行，因此將邊緣計(jì)算設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樹莓派；

（3）定期體檢：定期報(bào)告風(fēng)機(jī)異常運(yùn)行時(shí)間、異常運(yùn)行程度、異常運(yùn)行次數(shù)及樹莓派異常運(yùn)行情況；

（4）風(fēng)機(jī)異常關(guān)斷與維護(hù)：當(dāng)監(jiān)測(cè)到風(fēng)機(jī)異常運(yùn)行，超出安全閾值時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)彈出紅色窗口預(yù)警，隧道運(yùn)維管理人員遠(yuǎn)程關(guān)斷風(fēng)機(jī)，并通知維修人員及時(shí)維修，減少車輛安全事故的發(fā)生。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)隧道風(fēng)機(jī)振動(dòng)和聲音的分析，可以較為準(zhǔn)確地得到隧道風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況。使用傳感器獲得隧道風(fēng)機(jī)聲振數(shù)據(jù)，再運(yùn)用Socket通信技術(shù)將傳感器得到的數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)，通過(guò)MATLAB進(jìn)行頻譜處理，得到重要的速度和位移指標(biāo)參數(shù)，最后將所得數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)異常運(yùn)行的監(jiān)測(cè)，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)能及時(shí)向隧道運(yùn)維管理人員預(yù)警，以減少車輛安全事故的發(fā)生，保障人民生命安全。