张　磊　崔新壮　王忠啸

(山东大学土建与水利学院，山东 济南　250061)

0　引言

随着我国高速公路的迅猛发展，公路隧道的数量和里程都在不断增加，然而目前我国运营隧道普遍存在着衬砌裂缝、破损、渗漏水等病害，甚至有的造成了塌方[1]。有学者[2]将这些病害出现的原因大致分为以下几个方面：围岩蠕变变形等地质作用；隧道漏水导致的围岩不稳定；失控车辆撞击导致的衬砌结构损伤；地震等偶然荷载造成的隧道损伤或失稳。隧道结构健康隐患严重影响了隧道的安全运营，已引起工程人员的高度重视。传统的隧道监测手段不能对运营状态进行实时监测，使得人们不能准确把握养护时机，甚至导致了重大安全事故的发生。为此学者们[3-5]开始寻求隧道结构健康实时监测和预警技术，并在一些隧道中进行了应用，取得了良好效果。本文将依托济莱高速公路隧道群，在对病害机理进行现场调查基础上，自主研发隧道衬砌变形实时监测与预警系统软件，为济莱高速公路隧道群的安全运营提供保障。

1　系统概况

本系统可以实现就地采集数据和远程采集数据。就地采集数据依赖于串口通信技术，只支持对一台采集设备的操作；远程采集数据以通信网络为基础，可以支持对多台采集设备的操作。本系统基于C/S(Client/Server)结构，采用模块化设计，针对远程数据采集存储与监视控制，分别设计系统的服务器端和客户端。通过这种体系结构可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现，降低了系统的通讯开销。

2　系统服务器端

服务器端应主要实现对数据的采集、处理和存储。但本系统将服务器端高度集成化，将各种功能集成于服务器端，使得服务器端具备全面、强大的功能。系统按照模块化设计，即在需求分析的基础上，以功能块为单位进行程序设计。系统服务器端功能可划分为系统基本参数设置、系统总体参数管理、仪器各项指标查询、仪器数据采集和查询、实时数据采集和显示、历史数据查询。

2.1　系统基本参数设置

系统基本参数设置下可选择系统的通信方式。本系统可通过两种通信方式进行通信——串口通信方式、GPRS通信方式，实现就地现场采集数据和通过GPRS模块远程采集数据。其后各功能分别对这两种通信方式实现了相应的功能。

若选择串口通信方式，则需要配置串口的基本参数，只有正确配置串口参数才能与基于串口通信的数据采集仪进行数据的通信。软件在后台对配置的串口参数设置到实际串口中，并实现串口的打开、写入、读取、数据处理，即完成串口通信。

若选择GPRS通信方式，则需要配置服务端口。各主机间通过TCP/IP协议发送和接收数据包，各个数据包根据其目的主机的IP地址来选择互联网络中的路由。但是大多数操作系统都支持多程序(进程)同时运行，为让目的主机把接收到的数据包传送给众多同时运行的进程中正确的一个，便需要引入端口来解决这个问题。一般情况下我们可以将端口设置为1024以上的端口号。

系统基本参数设置下还可以对预警进行一些参数设置，这些参数主要为预警数据源步距和应变加速度阈值。

2.2　系统总体参数管理

系统总体参数管理主要对与数据处理相关的参数进行管理，分为模块配置、通道配置和数据类型配置。其相互关系如图1所示。此项参数配置数据量大、配置复杂，又相互关联，故采用数据库技术。用户可以导出系统参数统一配置，也可以通过操作界面配置参数，灵活性高。

模块配置，即是对各GPRS模块进行配置。每一个GPRS模块都有一个对应的ID号，用于辨识每一个模块；每一个GPRS模块都有一个号码和临时动态IP地址；每一个GPRS模块都与一个特定机器号的数据采集仪相对应；系统需同时获取多个GPRS的传输数据，应能正确分辨是来自哪个数据采集仪的传输数据。基于以上种种，需要对每一个GPRS模块进行相应参数配置，以实现正确获取、处理数据，保证系统的可靠性。

通道配置，即对数据采集仪的每一个通道及对应的传感器的各项参数进行配置。通过数据采集仪获取的原始数据为各通道的频率数据，需要通过公式及参数将原始频率数据转换为应变数据。故需要配置正确的通道参数，才可以得到正确的应变值，实现有效数据分析。

数据类型配置，即是对采集的数据的类型及单位进行配置。

2.3　仪器各项指标查询

仪器指数据采集仪，其内部有一些指标和设置，通过仪器的各项指标查询可以查询到仪器内部的时间及设置时间、通道连接传感器编号查询、清空仪器内部数据。

每一个传感器都拥有一个编号，用以区别传感器，通过此项功能可查询每个通道对应的传感器编号。仪器内部可以进行短时间的数据存储，若希望释放内存空间，则可以清空仪器内部数据。

2.4　仪器数据采集和查询

仪器数据采集和查询功能实现了对数据采集仪的单次测量、最新测量数据的查询和仪器内部数据查询。

对数据采集仪进行单次测量可以获取一次测量的有用数据。每一次测量都将获得32个通道的全部数据，这些数据包括时间(为仪器内部基准时间)，各通道连接的传感器编号、频率和温度。应变值受温度的影响，故将获取温度值以对应变值进行修正。

通过查询最新测量数据，可以查询到仪器内部存储的最新测量获取到的数据。为了保证系统出现故障(如网络中断)时仍然可以获取到故障期间的数据，需依据时间查询仪器内部数据，获取故障期间仪器内部存储的数据。查询完仪器内部数据后，数据将被存入数据库，以备分析，保障了系统的可靠性。

2.5　实时数据采集和显示

系统可以在串口通信方式下对单个的数据采集仪实现实时数据采集、存储和显示，同时可以在GPRS方式下通过GPRS模块对多个数据采集仪实现数据采集、存储、传输和显示。

串口方式下，选择相应的数据采集仪的机器号，并设置相应的数据采集间隔，打开自动测量后，即可以实现对单个机器的连续自动测量。

GPRS方式下，需先启动侦听，待各GPRS模块连接上线后，才可以同时设置多个仪器的数据采集间隔、同时打开多个仪器的自动测量，然后同时获取多个仪器的实时数据。系统将在后台对数据进行处理，包括原始数据的模块分离、通道分离，数据库参数的模块选择、通道选择，相应参数匹配和计算。GPRS方式下，数据处理过程如图2所示。

最终将以分析后的正确结果以数据列表和数据曲线的形式显示到界面上。数据列表将帮助用户对数据有直观、准确的感知，而数据曲线将帮助用户对数据有整体趋势的感知。两者相辅相成，增加了系统的可视化。

2.6　历史数据查询

通过实时测量采集到的有效数据被存入数据库，成为历史数据。在数据库中的大量历史数据中，可以通过历史数据查询功能依据时间访问本地数据来查询数据库某时间段内的数据，依据时间查询还可以帮助快速定位历史数据，增加了查询的便利性。查询到的历史数据将通过列表和曲线两种形式进行显示。

为方便对数据的分析，系统还可以依据时间导出数据库内某时间段的数据。开始时间和结束时间决定了查询数据的时间段，并通过数据库内部各表之间的相互关系和相互依赖便可以查询到各种数据信息。

3　系统客户端

系统客户端主要实现对实时数据的监控、超限报警和对历史数据的查询。因此客户端的功能主要分为报警参数设置、实时数据监控和显示、历史数据查询、隧道端面传感器安装示意图。

3.1　报警参数设置

报警参数设置主要设定应变加速度阈值和预警数据源步距。

3.2　实时数据监控和显示

此功能下，通过获取服务器端的数据资源，达到对于实时数据的监控和显示。显示分为数据列表显示和数据曲线显示。当数据发生异常时，系统将发出报警警告。

3.3　历史数据查询

客户端为进行历史数据查询需要访问网络数据库，依据时间来查询网络数据库某时间段内的数据，并通过列表和曲线两种形式进行显示。为方便对数据的分析，客户端也可以依据时间导出数据库内某时间段的数据。

4　结语

本文结合蟠龙隧道衬砌结构损伤，开发了隧道衬砌变形实时监测与预警系统软件，并介绍了其系统架构、系统服务器端和客户端的主要功能。对隧道结构损伤的发生机理和规律进行系统深入研究，为隧道健康状态实时监测、诊断和预警提供理论支撑，同时对我国隧道的设计与养护有一定指导意义。