閻宗嶺，楊 靜，栗海濤，蔣中明

（1.國家山區(qū)公路工程技術研究中心，重慶 400067;2.云南省公路科學技術研究院，云南昆明 650051;3.長沙理工大學，湖南長沙 410004）

基于GPRS的山區(qū)庫岸公路路基無線遠程健康監(jiān)測

閻宗嶺1，楊 靜2，栗海濤2，蔣中明3

（1.國家山區(qū)公路工程技術研究中心，重慶 400067;2.云南省公路科學技術研究院，云南昆明 650051;3.長沙理工大學，湖南長沙 410004）

針對公路路基是線形工程，監(jiān)測點空間分布廣且分散特點，確定了庫岸路基健康監(jiān)測重點內容、指標;建立了基于GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳絽^(qū)庫岸路基遠程健康監(jiān)測系統(tǒng);實現(xiàn)了庫岸路基安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線遠程傳輸，可掌握路基健康狀況并及時發(fā)現(xiàn)路基病害，為公路施工決策和安全運營、路基病害防治提供依據(jù)。

庫岸路基;無線遠程健康監(jiān)測;GPRS技術

山區(qū)公路庫岸路基健康監(jiān)測的目的是從變形失穩(wěn)等病害特點出發(fā)，對影響庫岸路基變形穩(wěn)定的主要因素及表現(xiàn)形式進行綜合分析，對變形量、變形速率、孔隙水壓力、支擋結構承受的荷載等進行監(jiān)測，以評價路基健康狀況。主要體現(xiàn)在以下幾方面:

1）作為路基工程監(jiān)控、優(yōu)化設計手段的健康觀測，其目的在于了解路基變形的動態(tài)變化過程，特別是陡斜坡、軟弱地基或不良地質體上的高填方庫岸路基，監(jiān)測路基及地基變形的動態(tài)變化過程，控制地基與路基的穩(wěn)定性。

2）掌握路基施工及運營過程變形穩(wěn)定演變過程，及時捕捉路基變形失穩(wěn)的特征信息，為路基病害防治及預防性養(yǎng)護提供技術依據(jù)。

3）對已經發(fā)生病害并治理后的庫岸路基，監(jiān)測結果也是檢驗庫岸路基病害治理工程效果的手段。

4）為進行有關位移反分析及數(shù)值模擬計算提供參數(shù)，進行有關反分析計算，從而驗證新的路基結構設計。

1 山區(qū)庫岸公路路基健康監(jiān)測的特點

公路路基是線性工程，延伸區(qū)域大，山區(qū)庫岸公路路基按巖土介質可分為土質路基與巖質路基兩大類，而巖土介質具有復雜性和特殊性，因而庫岸路基監(jiān)測具有以下特點:

1）巖土體介質的復雜性，且受水影響較大。對于某一具體工程而言整個監(jiān)測區(qū)域范圍較大，路基填筑材料也不同，并且分布不均勻，且經常受到庫水及地下位變化的影響，因此其監(jiān)測工作也較復雜。

2）監(jiān)測的內容相對較多，包括路基變形，支擋與防護工程受力，路基內部應力、水壓力等。

3）監(jiān)測的周期較長，一般不少于1年或更長時問，有時是貫穿于整個工程建設與運營期。

2 山區(qū)庫岸公路路基健康監(jiān)測內容

對于存在潛在病害的庫岸路基，主要是對庫岸路基失穩(wěn)病害致災條件、災變過程、治理效果進行監(jiān)測。常規(guī)健康監(jiān)測項目有:路基外部及內部變形（x、y二方向位移）、傾斜;相關物理參數(shù)如應力應變;支擋與防護工程所受荷載;環(huán)境因素（降雨量、地下水、孔隙水壓力、水位等。

3 路基健康監(jiān)測及數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)

山區(qū)庫岸公路路基健康監(jiān)測需要安裝有多種類型的監(jiān)測傳感器，如位移計、土壓力盒、孔隙水壓力計等。這些傳感器在安裝后，由于地勢偏遠、險要，現(xiàn)場大多無法提供便利、安全的人行通道及配套供電設施，特別是在汛期或梅雨季節(jié)需要加密或全天候實時監(jiān)測時，現(xiàn)場塌方、落石及滑坡將會威脅到監(jiān)測人員的生命安全。為適應路基工程的發(fā)展，提高工作效率，有必要建立庫岸路基無線遠程自動化健康監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)其數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析以及決策的一體化。無線遠程監(jiān)測技術就是將計算機技術、通信技術與健康診斷技術相結合的一種全新的監(jiān)控監(jiān)測模式，也是大型結構健康監(jiān)測的發(fā)展方向［1-2］。

安裝在山區(qū)庫岸公路路基現(xiàn)場的遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與傳輸設備是整個自動化監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件，設備的選擇優(yōu)劣也決定了整個監(jiān)測系統(tǒng)的性能與品質。遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸終端、供電系統(tǒng)等組成，其核心是監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線遠程傳輸和數(shù)據(jù)采集兩個模塊。

3.1 基于GPRS無線網(wǎng)絡的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

GPRS（General Packet Radio Service）即通用分組無線業(yè)務，是現(xiàn)階段解決移動通信信息服務的一種較完善的技術方案，較完美地結合了移動通信技術和數(shù)據(jù)通信技術，幾乎可以應用于所有中低速率的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務［3］。將GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務連接internet用作路基健康監(jiān)測終端的通信線路，具有網(wǎng)絡覆蓋范圍廣、終端實時在線、接入速度快、傳輸速率高、費用低等特點。而且采用GPRS進行路基遠程健康監(jiān)控，開辟了遠程監(jiān)測監(jiān)控的新領域。

構建山區(qū)庫岸公路路基健康監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)時，需要考慮以下幾個方面［4-5］:

1）穩(wěn)定與可靠性:庫岸路基所在區(qū)域的環(huán)境復雜且變化性大，因此要求各個模塊、部件能夠適應環(huán)境變化，并能穩(wěn)定可靠的工作。

2）實時性:要求系統(tǒng)監(jiān)測到的信息能實時傳送到監(jiān)控終端，使用戶能實時掌握庫岸路基監(jiān)測量變化情況。

3）精度:山區(qū)庫岸公路路基遠程健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸精度需能滿足要求。監(jiān)測系統(tǒng)的整體精度主要取決于采用的傳感器，所以要根據(jù)要求達到的數(shù)據(jù)精度進行監(jiān)測傳感器的選擇。

4）低功耗:山區(qū)庫岸公路的地理條件比較特殊，大多路段沿線一般不可能有供電系統(tǒng)，所以在監(jiān)測系統(tǒng)中只能采用太陽能或普通蓄電池供電，太陽能電池板受天氣影響較大，蓄電池供電電量受到較大的限制，所以要求監(jiān)測系統(tǒng)的功耗較低，以保證監(jiān)測工作的正常運行。

3.2 無線監(jiān)測系統(tǒng)體系結構

招商局重慶交通科研設計院有限公司開發(fā)了基于GPRS技術的DST1-16無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)，可廣泛用于公路路基橋梁、隧道健康以及地質災害監(jiān)測及預警。該無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器模塊、網(wǎng)絡協(xié)調器（數(shù)據(jù)通信與傳輸）和監(jiān)控終端3部分等組成，不同類型的傳感器根據(jù)設計部署在路基監(jiān)測區(qū)域。監(jiān)測系統(tǒng)總體設計方案如圖1。

圖1 DST1-16無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡結構Fig.1 Network structure of DST1-16 wireless remote monitor system

3.2.1 傳感器模塊

傳感器是遠程監(jiān)測系統(tǒng)的基本模塊，它的穩(wěn)定運行是整個系統(tǒng)可靠性的基本保證。傳感器是是自動檢測系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)中不可缺少的元件。庫岸路基健康監(jiān)測中，根據(jù)路基所處具體場地條件和監(jiān)測內容，從傳感器的技術性能、埋設條件、測讀方式和儀器的經濟性等幾方面加以考慮。在庫岸路基遠程監(jiān)測傳感器時應注意以下幾點:

1）可靠性與穩(wěn)定性:在滿足精度要求前提，應以光學，機械和電子為先后順序進行傳感器選擇，并且應優(yōu)先選擇使用簡單測量方法的儀器。

2）傳感器的精度:測量結果用于定性分析的，選用重復精度高的傳感器;如果是定量分析，選用精度等級能滿足要求的傳感器即可。

3）靈敏度和量程:應首先滿足量程要求，比如在對路基變形較大的部位，宜采用量程較大的儀器;反之，宜采用分辨力較高的儀器。

4）適于野外的電源性能:采集系統(tǒng)的整體能耗越小越好，應優(yōu)先考慮具有“定時監(jiān)測”、“休眠”等低功耗工作模式的儀器設備，并且應具備自供電源的能力。

5）遠程通訊功能:遠程監(jiān)測采集設備應滿足現(xiàn)代多通訊模式接口的需求，傳輸距離最好不受限制，一般應具RS232接口、網(wǎng)絡接口等，并可以利用GPRS、CDMA網(wǎng)或無線數(shù)據(jù)傳輸設備進行無線數(shù)據(jù)傳輸［6］。

6）儀器使用壽命:要求各種儀器能從路基施工開始，直到公路建成后一段運營期內都能正常工作。對于埋設后不能置換的傳感器，其工作壽命應與工程使用年限或要求的觀測時間相當或超過要求的觀測年限。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊

數(shù)據(jù)采集與傳輸單模塊主要負責對監(jiān)測信息的采集和處理，并發(fā)送己采集的數(shù)據(jù)給轉發(fā)給相信的基站或主機。它是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，一般都由處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成。負責中轉主機與現(xiàn)場監(jiān)測設備之間的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸，如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊工作流程Fig.2 Work flow of data collection and transmission module

3.2.3 系統(tǒng)電力供應單元

山區(qū)庫岸公路路基健康監(jiān)測數(shù)據(jù)測量站點大多處于地形環(huán)境復雜、交通不便、無電網(wǎng)供電的地方，采用太陽能對蓄電池進行浮充的電源方案就是常用的解決方案［7］，可采用如下方法進行太陽能光伏電板的選擇與安裝:

1）根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)額定功率并考慮到平均日照時間及陰雨天的影響，確定發(fā)電板發(fā)電功率。

2）考慮當?shù)仄骄铋L陰雨天天數(shù)，確定蓄電池的容量。

3）根據(jù)當太陽能板所處位置的緯度粗略確定太陽能電池板的安裝傾斜角［8］:緯度為0～25°時，傾斜角等于緯度;緯度為25～40°時，傾斜角等于緯度加上5～10°;緯度為40 ～55°時，傾斜角等于緯度加上10 ～15°;緯度為55°以上時，傾斜角等于緯度加上15～20°。

3.3 無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

用戶通過監(jiān)控終端（主機，圖3右）對數(shù)據(jù)采集和傳感器模塊（分機，圖3左）進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測指令及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖3 無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)主機和分機Fig.3 Host and tributary station of wireless remote monitor system

通過在監(jiān)測區(qū)域部署傳感器模塊來完成數(shù)據(jù)的采集，從而完成了對路基的實時監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程如圖 4［9］:

圖4 無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)工作流程Fig.4 Work flow of wireless remote monitor system

1）傳感器模塊部署后，加電啟動主機，等待加入無線傳感器網(wǎng)絡的命令;

2）主機發(fā)送啟動命令到網(wǎng)絡內每個數(shù)據(jù)采集模塊（分機）;

3）分機接收到啟動命令后加入網(wǎng)絡，獲取網(wǎng)絡的地址信息，配置本地鏈接地址，建立路由;

4）啟動傳感器模塊，分機根據(jù)事先設定好的數(shù)據(jù)采集周期來采集數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)信息以數(shù)據(jù)包的形式傳送到主機。

4 工程應用

某二級公路K78+300～K80+460段靠近庫容為1 109×105m3的中型水庫，附近金屬礦和煤礦較多，在公路運營期間，產生不均勻沉降，路面破損較為嚴重。經分析，路基病害成因主要有3點:①水庫水位的變化，使路基填土含水量不斷經歷干濕循環(huán)，強度下降;②路基下伏透鏡狀軟弱土層，承載力較低，穩(wěn)定性差，在水庫水和車輛荷載長期作用下，使路基產生不均勻沉降;③交通流中重載車輛較多，致使路基路面產生破損。

通過綜合工程地質勘察、病害成因分析，提出了開挖換填、夯擴碎石樁、灌漿3種處治方案，通過綜合比較分析，最終采用壓力灌漿法進行了該路基病害治理。為了評價處治工程的長期效果，結合施工在路基中埋設了沉降計、水位計和孔隙水壓計等傳感器進行路基長期健康監(jiān)測，傳感器布設如圖5、圖6。觀測系統(tǒng)采用前述的無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)，承擔數(shù)據(jù)采集與傳輸作用的現(xiàn)場觀測的分機見圖7。

圖5 傳感器布置Fig.5 Layout of the sensor

圖6 傳感器的安裝與埋設Fig.6 Installation and burying of sensor

圖7 庫岸路基健康監(jiān)測現(xiàn)場分機Fig.7 Tributary station of health monitor of reservoir bank subgrade

5 結論

根據(jù)山區(qū)庫岸公路路基健康監(jiān)測的目的、特點和主要監(jiān)測內容，并針對山區(qū)庫岸路基監(jiān)測點分布廣且分散及監(jiān)測工作量大的特點，提出了基于GPRS網(wǎng)絡的庫岸路基健康監(jiān)測數(shù)據(jù)通信解決方案，建立了采用GRPS數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)。利用GPRS的Internet接入功能，在Internet上設置一個通信服務器，負責中轉主機與監(jiān)測終端設備之間的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸，可為公路施工決策和安全運營、路基病害防治提供依據(jù)，具有良好的應用前景。

（References）:

［1］ Lynch J P.Decent Tralization of Wireless Monitoring and Control Technologies for Smart Civil Structures［D］.California:Department of Civil and Environmental Engineering，Stanford University，2002.

［2］ 歐進萍，關新春.土木工程智能結構體系的研究與發(fā)展［J］.地震工程與工程振動，1999，19（2）:21-28.

Ou Jinping，Guan Xinchun.State of the art of smart structural systems in civil engineering［J］.Earthquake Engineering and Engineering Vibration，1999，19（2）:21-28.

［3］ 呂捷.GPRS技術［M］.北京:北京郵電大學出版社，2001.

［4］ 李愛國，岳中奇，譚國煥，等.香港某邊坡綜合自動監(jiān)測系統(tǒng)的設計和安裝［J］.巖石力學與工程學報，2003，22（5）:790-796.

Li Aiguo，Yue Zhongqi，Tan Guohuan，et al.Design and installation of comprehensive instrumentation system for slope in Hong Kong［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（5）:790-796.

［5］ 張會林，李軍才，劉賢信.邊坡無線監(jiān)測系統(tǒng)的應用［J］.礦冶，2003，12（3）:5-8.

Zhang Huilin，Li Juncai，Liu Xianxin.Application of slope wireless monitoring system［J］.Mining ＆ Metallurgy，2003，12（3）:5-8.

［6］ 張愛玲，仇潤鶴.無線數(shù)傳模塊在遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用［J］.微型計算機信息，2004，20（10）:58-62.

Zhang Ailing，Qiu Runhe.Application of wireless data transfer in the remote environment inspection system［J］.Microcomputer Information，2004，20（10）:58-62.

［7］ 羅玉峰，陳裕先，李玲.太陽能光伏發(fā)電技術［M］.南昌:江西高校出版社，2009.

［8］ 李安定.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程［M］.北京:北京工業(yè)大學出版社，2001.

［9］ 招商局重慶交通科研設計院有限公司.庫岸路基變形、穩(wěn)定監(jiān)測與病害處治技術［R］.重慶:招商局重慶交通科研設計院有限公司，2011.

Wireless Remote Health Monitoring of Mountainous Highway Subgrade along Reservoir Bank Based on GPRS

Yan Zongling1，Yang Jing2，Li Haitao2，Jiang Zhongming3
（1.National Engineering＆ Research Center for Highways in Mountain Area，Chongqing 400067，China;
2.Yunnan Research Institute of Highway Science＆ Technology，Kunming 650051，Yunan，China;
3.Changsha University of Science＆ Technology，Changsha 410004，Hunan，China）

The key parameters are chosen since highway subgrade is linear engineering，and monitoring points are distributed widely and dispersively.A remote health monitoring system is set up based on GPRS technique which provides long distance wireless transmission of health monitoring data for mountainous highway subgrade along reservoir bank.Health of subgrade along reservoir bank is analyzed and potential disease is discovered timely which provide scientific basis for construction decision，safety operation and subgrade disease preneention and control.

subgrade along reservoir bank;wireless remote health monitor;general packet radio service（GPRS）

U416.1

A

1674-0696（2012）04-0803-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.17

2011-09-05;

2012-01-11

交通運輸部西部交通建設科技項目（200831674006，2011318740240）;云南省交通科技項目（2010（A）03-b）

閻宗嶺（1976—），男，河南鄭州人，副研究員，博士，主要從事道路工程方面的研究。E-mail:yanzongling@yahoo.com.cn。