嵇 中

(上海市城市建设设计研究总院，上海 200125)

无线传感网络技术在隧道变形与防灾监测中的应用研究

嵇 中

(上海市城市建设设计研究总院，上海 200125)

针对当前隧道结构变形与防灾监测手段存在的不足，对无线传感网络在隧道工程应用的可行性进行试验研究，提出一种基于材料力学的新型监测位移方法，结合不同的监测位置，建立相应的位移-倾角变化量的量测方程。通过室内管片加载试验，验证了新型位移监测方法的可行性和无线传感网络的稳定性，借助软件Smartfire进行了隧道火灾数值模拟试验，针对火灾温度场的分布情况，提出合理的监测距离和监测精度。通过室内试验和数值模拟，对无线传感网络的硬件及布置方案均提出相关指标，以满足工程实时监测要求。

无线传感器网络；隧道变形监测；隧道防灾模拟；监测距离与精度

0 引言

随着经济的不断发展，交通问题日益突出，隧道的开发和利用由此变得越来越迫切。然而，隧道在给人们生活和交通出行带来便利的同时，也存在着安全隐患。特别是长大隧道，因其自身结构特点(如对外出口少、空间相对封闭、自然排烟困难等)，一旦发生灾害会十分危险，尤其是火灾，一旦发生将会给人民的生命财产安全带来极大威胁。在100年的设计寿命期内，隧道结构能否健康服役越来越受到社会的广泛关注[1]。

为保证隧道运营安全，建立了防灾监测系统，将采集到的传感器数据集中存储管理。为确保能够准确获取数据，防灾监测系统需要将传感器用传输设备(如电缆、集线器等)联接，这种方式虽然能够保证数据准确，但安装、维护和扩展却很困难，并且价格昂贵。据统计25%的系统费用为安装费用，75%的系统安装时间用在安装电缆上[2]。随着监测点数量的增加，监测系统的总费用会以超线性方式增加。

为了克服传统防灾监测技术瓶颈，研究人员不断尝试采用新的监测技术。1998年，Straser &Kiremidjian率先提出了在土木工程中采用无线自组织传感器网络(WSN)进行监测，以降低系统造价、简化安装过程及增强系统功能。由于WSN不需要铺设电缆，因此一定程度上降低了安装和维护成本。不仅如此，无线传感结点本身具有计算能力和存储功能，无线传感结点之间还具有点对点通信能力，这颠覆了传统传感器采集数据的概念。在WSN中，每个传感结点是自组织的，具有采集结构性能数据的智能感知单元，最大优势在于自身具有数据处理和分析能力。2007年，John E. Fernández[3]阐述了具有自感知能力的智能结构是当前发展趋势。近年来，许多学者利用WSN在土木工程监测中进行了试验研究[4-8]，初步验证了其可行性和优越性。

虽然该技术在很多领域受到广泛关注，但在隧道火灾监测和结构性能、智能感知方面的研究和应用相对较少。2010年，Soga在英国伦敦部分隧道结构上进行了WSN的应用尝试；2011年，Chang.D在台湾观音山公路隧道内安装了无线温湿度传感器网络，并进行防灾监控。随着大量隧道建设投入运营，为了使其健康服役且灾害监测处在可知、可控状态，进行隧道结构性能感知方法研究具有非常重要的应用价值。本文将深入研究无线传感网络在隧道应用的可行性，为今后大规模应用提供指导。

1 无线传感器网络

1.1 网络结构

随着半导体技术、传感器技术、嵌入式技术以及通信技术的飞速发展，具有感知、计算、存储和通信能力的无线传感器网络的应用越来越广泛。传感器节点通过自组织的方式构成无线传感器网络，能够实时监测、感知和采集网络分布区域内监测对象的各种信息，并加以处理，完成对环境的数据采集和监测任务。

无线传感器网络监测系统节点包括：传感器节点 (Sensor Node)、汇聚节点 (Sink Node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域 (Sensor Field)，负责采集信息，并通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测资料可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过Internet连接到远程终端用户的局域网内，或者通过串口直接连接到用户计算机。通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，并发布监测任务、收集监测数据。无线传感器网络体系结构如图1所示。

1.2 无线传感器

本文所涉及的无线传感器产品分别是：Crossbow公司的网关MIB520、射频板MPR2400CA、传感器板MDA300CA(自带温湿度传感模块)、倾角传感器CXTLA02和位移传感器DCTH4000，如图2—6所示。

图1 无线传感器网络体系结构

图2 USB网关

图3 射频板

图4 传感器板

图5 倾角传感器

图6 位移传感器

1.3 无线传感网络的优越性

无线传感网络采用ZigBee协议，使用2.4 GHz的免费频段，具有低能耗、低成本、高测量精度、高抗干扰、高保密性和自动动态组网且布置灵活等优点，具有传统有线传感器监测系统不可比拟的优势。尤其在隧道内监测，无线传感器能自动采集数据并进行存储、处理。通过无线通信模块将所处理后的数据传递给远程终端，无需人工进隧道监测，这样既能保证工程技术人员的安全，又能自动实时记录隧道的动态变化，解决了只能依靠人工定期进隧道检查的问题，能够较大地提高隧道的养护效率，保证隧道的使用寿命。

2 隧道变形监测方法研究

2.1 基于材料力学的位移与倾角关系法

结构受力后，其转角和挠度符合材料力学中弯曲变形规律。当需要监测结构的拱顶沉降时，可以从转角变化推算挠度变化，如图7所示。在弯曲变形很小且材料服从胡克定律的情况下，挠曲线的微分方程是线性的，不同荷载可以叠加。

wmax为跨中最大挠度；F为拱顶集中力/kN；x为距A点距离/mm；l为全跨长度/mm；θ为任意一点在受力后的倾角值。

图7结构受力变形图
Fig. 7 Structure deformation under loadings

AC:(0≤x1≤l/2)

BC:(l/2≤x2≤l)

通过公式推导，得：

因为C处转角为0，所以跨中C的挠度最大。

wmax=F(l/2)3/12-l2F/16·l/2=-Fl3/(48EI)。

推导出跨中的位移与任意一点倾角变化值(除中点)关系如下：

2.2 室内加载试验

在管片上贴上倾角计，通过反复加卸载试验，记录某一位置的角度变化，同时记录跨中位置的实际位移值，其目的在于验证提出材料力学方法监测公式是否合理，并指出该公式在地下结构中的应用范围。室内加载试验传感器布置如图8所示。

(a)

(b)

将表1不同测点的跨中位移实测值与公式推导值绘制成随加载力大小变化的关系曲线，如图9所示。

表1 跨中和倾角测点位移监测与推导值Table 1 Experiment results

由位移-倾角公式可看出：位移与倾角成线性关系，在每个时刻只要能测出该时刻的倾角变化值，就能计算出相关位置的位移相对变化值。对于倾角计(WSN传感器)的布置位置也是本文研究的一项重要内容，选取合适的测点使得测量误差最小。上述结果表明：随着倾角计距跨中距离的增加，实测的位移值与倾角推导的位移值误差越来越小。因此，不能将倾角计布置在太靠近结构顶部中央位置，应保持一定距离。图9(a)中传感器距跨中为550 mm，约0.22跨度时，测量误差值较小，满足监测要求。在实际监测中建议距离为1/4跨度，该位置所得结果较为理想。

通过对上述4种测点随加载力变化的曲线分析(见图10)，认为当加载力的大小控制在100～150 kN时，实测位移值和公式推导值的差值较小，而实际地下结构埋深不深，顶部受荷按每延米计算在100 kN/m左右。因此，100～150 kN加载力对位移传感器的影响有一定的工程应用价值。

(a) 传感器距接缝550 mm的试验曲线

(b) 传感器距接缝450 mm的试验曲线

(c) 传感器距接缝400 mm的试验曲线

(d) 传感器距接缝350 mm的试验曲线

图10 加载力100～150 kN时实测值与理论值相对误差分析Fig. 10 Difference value between measured results and calculated results

在整个试验中，实测位移值与公式推导值的平均误差仅为4.94%，证明该材料力学推导方法可行，能够满足工程应用条件。

3 隧道防灾监控研究

采用SmartFire软件模拟隧道内火灾发生全过程，通过监测不同时间间隔、不同监测距离测点温度变化，提出实际无线温度传感器的最大布置间距和最小测温精度，得到既经济又高效的火灾监测方案。5 MW火源尺寸大小：长×宽×高 = 4.5 m×2.0 m×1.5 m。隧道长取100 m，火源距隧道其中一端口30 m处，如图11所示，红色即为火源。

(a) 火灾模拟尺寸

(b) 火灾位置分布

采取2种不同升温方式。工况1：瞬时爆炸模型，当t=0，Q=5 MW时。工况2：燃烧升温模型，当火灾按t2发展时，时间常数为0.188，即Q=0.188t2。2种工况的温度变化如图12所示，隧道纵截面温度变化曲线如图13和图14所示。

(a) 工况1(15 s)温度变化云图

(b) 工况2(60 s)温度变化云图

图13 工况1：隧道纵截面温度变化曲线图Fig. 13 Curves of temperature changes in explosion mode along tunnel alignment

图14 工况2 隧道纵截面温度变化曲线图Fig. 14 Curves of temperature changes in combustion mode along tunnel alignment

从图13和图14可看出：1)隧道内发生火灾后，火源正上方拱顶处温度变化最快、最灵敏，所以一般将温度传感器安装在拱顶处。 2)隧道内发生火灾且瞬间爆炸后(工况1)，周围环境温度上升特别快，火源上方在5 s后就能达到数百摄氏度，且影响范围也非常大；而工况2的升温比较缓慢，60 s后火源上方温度才几十度，且影响范围较小。3)根据试验结果提出可行性指标。传感器精度、最大布置间距、报警时间以及报警指标如表2所示。

表2传感器精度、最大布置间距和报警时间关系
Table 2 Relationship among precision,maximum distance and alarming values of sensors

火灾类型报警时间/s传感精度/(°)报警值/℃最大布置间距/m瞬时爆炸缓慢升温153030600．11．533+33=660．34．531+31=620．57．530+30=601．01528+28=560．13．058+58=1160．39．056+56=1120．51554．5+54．5=1091．03051．5+51．5=1030．13．09+9=180．39．04．5+4．5=90．5154．51．0303．00．16．021+21=420．31811+11=220．5305+5=101．0601+1=2

4 结论与建议

4.1 结论

通过室内管片加载试验，验证基于变形-倾角监测方法的有效性以及适用范围，并通过不同测点的监测数据对比，建议将无线传感器安装在结构1/4跨度处较为理想；分析加载力与监测数值关系可知，当结构受荷控制在100～150 kN/m时，公式推导值与实测值的平均误差仅为4.94%，满足工程监测要求，有效证明无线传感器网络在隧道变形监测中的可行性。

采用数值模拟方法，共模拟了2种不同工况的火灾情况，通过分析火灾发展过程，给出传感器精度、传感器布置间距以及报警时间之间的关系。在实际通道环境中，上述2种火灾类型都有可能发生。当发生瞬时爆炸时，要求报警时间≤15 s，传感器精度≤1°，温度传感器的最大布置间距为60 m(小于无线传感网络节点的最远传感距离)；当发生缓慢燃烧时，要求报警时间≤60 s，对于精度为0.1°的传感器，最大间距为20～40 m；对于精度为0.3°的传感器，最大间距为10～20 m；对于精度是0.5°的传感器，最大间距为3～5 m；对于精度为1°的传感器，最大间距为2m。在缓慢燃烧的情况下，传感器的精度对传感器的最大布置间距影响较大，建议选用0.1°精度的传感器。

4.2 建议

在今后的研究中，还需进一步开展以下几方面工作：

1)采用不同传感频率的无线传感器在地下结构中进行通信距离及障碍物影响的监测试验。

2)进行圆形隧道的整环模型试验，验证监测位移方法的准确性和应用范围，需进一步在盾构隧道中进行现场试验。

3)继续深入研究火源大小、风速等因素对隧道火灾发生、发展的影响，提出更加合理的火情监控系统。

[1]嵇中，吴俨，朱合华，等. 无线传感网络在地铁隧道中实时监测的应用探究[C]//张建民.岩土力学与工程研究新进展：第7届全国青年岩土力学与工程会议论文集. 北京：人民交通出版社，2011: 324-329.

[2]Jerome P Lynch,Kenneth J Loh. A summary review of wireless sensors and sensor networks for structural health monitoring [J].Shock and Vibration Digest,2006，38(2): 91-128.

[3]John E Fernández.Materials for aesthetic,energy-efficient,and self-diagnostic buildings[J].Science,2007，315(5820): 1807-1810.

[4]Li Hongwei,Ou Jinping. Research on the test of wireless sensor network for application in the civil engineering[J]. Computer Engineering and Applications,2005,41(15): 207-214.

[5]Jerome Peter Lynch. An overview of wireless structural health monitoring for civil structures[J].Mathematical and Physical Sciences,2007，365(1851)：345-372.

[6]Sun Z,Chang C C.A statistical wavelet-based method for structural health monitoring[J].Journal of Scructural Engineering,2004,130(7): 1055-1062.

[7]Chintalapudi K,Fu T,Peak J,et al. Monitoring civil structures with a wireless sensor network [J]. IEEE Internet Computing,2006，10(2): 26-34.

[8]Hoult N,Fidler P,Hill P,et al. Long-term wireless structural health monitoring of the ferriby road bridge[J]. ASCE Journal of Bridge Engineering，2010，15(2)：153-159.

ApplicationofWirelessSensorNetworkTechnologyinTunnelDeformationMonitoringandDisasterPrevention

JI Zhong

(ShanghaiUrbanConstructionDesign&ResearchInstitute,Shanghai,200125,China)

The applicability of wireless sensor network technology in tunnel works is studied,and a new displacement monitoring technology based on material mechanics is proposed.Meanwhile,displacement-dip angle monitoring equation is established by combining the different monitoring positions. The applicability and stability of the wireless sensor network technology are testified by indoor segment loading tests. Rational monitoring distance and monitoring precision are decided by using fire disaster simulation test by means of Smartfire. In the end,related indexes of hardware and layout of wireless sensor network are proposed.

wireless sensor network;tunnel deformation monitoring;tunnel disaster prevention simulation;monitoring distance;monitoring precision

2013-09-13;

2013-12-04

嵇中(1986—)，男，浙江长兴人，2012年毕业于同济大学，隧道及地下建筑工程专业，硕士，助理工程师，主要从事隧道及地下工程方面的设计与研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.02.008

U 456.3

A

1672-741X(2014)02-0134-06