物联网技术在城轨交通工程变形监测中的应用

韩三琪

物联网技术在城轨交通工程变形监测中的应用

韩三琪

摘 要：针对宁波轨道交通某新建车站基坑近接既有车站施工的情况，研究提出了基于物联网技术的城市轨道交通工程变形监测系统，阐述了变形监测物联网系统的3层技术架构，给出了物联网的感知层、网络层和应用层与变形监测过程的对应关系。经工程实际监测应用，取得了良好效果。

关键词：轨道交通工程；物联网技术；变形监测

1　变形监测物联网技术架构

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，基于互联网或局部网络等现代电子信息通信技术，把人、物、传感器、控制器及机器等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物之间的信息化、智能化网络，并实现远程管理控制。由于物联网系统的开发是基于互联网技术的，因此，物联网能够包含互联网上所有的资源及应用，这将形成其发展的优势和基础。感知层、网络层和应用层是物联网系统最关键的3个架构，如图1所示。

图1　变形监测物联网3层技术架构图

2　变形监测物联网系统

2.1变形监测物联网感知层的数据采集设备

采集传感器及其之间的连通管、采集单元、通电电缆、通信电缆等与数据采集单元共同构成了变形监测物联网感知层数据采集的主要设备。

图2　RJ-S型电容式静力水准仪结构示意图 （单位：mm）

（1）采集传感器。采集传感器为RJ-S型智能电容式静力水准仪，安装在建（构）筑物的基础和测点上，用于测量建（构）筑物的基础及各测点间相对垂直方向的变形沉降（图2）。

（2）数据采集单元。设置在现场的单片机是本设备的数据采集单元，一方面控制软件发出的相关指令能够被单片机接受，另一方面传感器单元受本单片机控制进而执行指令。

2.2变形监测物联网网络层的数据传输

有线传输和无线传输是变形监测物联网数据及指令传输采用的2种主要方式。有线传输由于受到传输距离的限制，其应用范围有限；无线传输目前主要采用基于GPRS／CDMA的无线数据通信方式，GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)和CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）是在GSM系统上发展起来的新的数据通信技术，其特点与优势就是将移动通信与因特网这两大热门技术联合了起来，带动了物联网领域向全IP网络的方向发展，为远程监测、区域大、布线困难、数据流量小的应用场合提供了很好的应用机会。

本系统的数据传输是通过CDMA 或GPRS DTU (Data Transfer Unit，数据传输单元) 的无线终端设备实现的。一般地，常常采用2种工作模式实现数据传输，一是传输两端均为DTU设备的点对点模式；二是一端为DTU、一端为无线数据服务中心的中心对多点模式，此时仅需保证现场具有良好、强烈的信号，保证传输效果即可，故对现场设备并无特殊要求。考虑到城市轨道交通内不同区域信号强度不同，通信信息覆盖范围也有差别等情况，中心对多点的工作模式被确定为本系统的工作模式，而现场的CDMA或GPRS DTU则通过设置于采集计算机的无线数据服务中心实行集中管理。

2.3变形监测物联网应用层的软件配置

DAMS-IV型智能分布式工程安全监测系统是本系统的应用层，该系统是在Windows NT网络环境下，基于Windows 98/NT工作平台开发的一款工程安全自动化监测系统，具有较广泛的使用功能，例如，演示学习系统、在线安全评估、辅助工具、文档资料、测值的离线性态分析、报表制作、监控模型／分析模型／预报模型管理和帮助系统等日常工程安全管理的所有常规内容。

3　静力水准系统工作原理

静力水准仪利用连通液的原理，多支通过连通管连接在一起的储液罐的液面总是在同一水平面，通过测量不同储液罐的液面高度，经过计算可以得出各个静力水准仪的相对差异沉降。假设共有观测点1 …n，各个观测点之间已用连通管连通，各测点的安装高程分别为Y01…Y0i…Y0j…Y0n，相应各测点的液面高度分别为h01…h0i…h0j…h0n（图3a）。

对于初始状态，显然有：

当第k次发生不均匀沉降后，各测点由于沉降而引起的变化量分别为Δhk1…Δhki…Δhkj…Δhkn，各测点的液面高度变化为hk1…hki…hkj…hkn（图3b）。

由于液面的高度还是相同的，因此有：第j个观测点相对于基准点i的相对沉降量为：

由式（2）可以得出：

由式（1）可以得出：

将式（5）代入式（4），即可得出第j个观测点相对于基准点i的相对沉降量：

由式（6）可以看出，只要能够测出各点不同时间的液面高度值，即可计算出各点在不同时刻的相对差异沉降值。

图3　静力水准测量原理示意图

4　工程应用

本工程为宁波轨道交通某新建车站基坑近接某既有车站开挖工程，新建车站为明挖地下4层岛式车站，设计埋深为32.22 m，覆土厚度3 m，与既有线车站主体建筑的水平距离约16～24 m。

新建车站基坑埋深大，地质条件复杂，施工风险大，为实时掌握新建车站基坑施工对既有线车站线路变形的影响情况，保障既有线路安全运营，对本工程采用变形监测物联网系统进行线路变形沉降静力水准监测。

4.1测点布设

根据新路变形沉降监测需要，分别在既有运营线路车站的左、右线路中线各布设1条监测线，每条监测线布设10个监测点，监测点间隔12 m，共布设20个静力水准监测点。每条监测线对应1个基准点，基准点采用独立坐标系统，布设在离最外侧监测点40 m左右的轨道结构外侧，远离变形区域。监测点的平面布设位置如图4所示。

图4　监测点布置示意图

图5　上行线累计沉降量-时间变化曲线图

图6　下行线累计沉降量-时间变化曲线图

4.2数据通信

信号通信设备由通信电缆、供电电缆、标准RS-485现场总线、电源箱等组成，现场R J-S型智能电容式静力水准仪通过RS-485现场总线与标准型模块化智能数据采集单元DAU2000实现通信，DAU2000数据采集单元通过GPRS DTU通信模块实现与因特网的连接。DTU的基本用法是在DTU中放入1张开通GPRS/ CDMA功能的SIM卡，D T U上电后先注册到G P R S/ C D M A网络，然后通过G P R S/ CDMA网络和数据处理中心建立连接，将数据采集单元获取的数据传输到控制中心的PC机上。

4.3数据采集及分析

本工程的监测工作从2011年3月24日至2011年6月24日结束，历时3个月时间。整个监测周期从浅坑开挖开始至下部基础结构施工结束，共进行33次监测。在基坑开挖过程中，每3天自动采集监测数据1次。沉降监测点的累计沉降量-时间变化曲线如图5、6所示。

由图5、6可知，上、下行线累计沉降量随时间的变化趋势基本上一致，上行线监测第1天（2011年3月24日）到第55天，沉降速率相对较大，从第55天开始，沉降基本趋于稳定，一直到第91天监测结束，下行线也呈现类似的变化规律。上下行线累计沉降最大值均小于4 mm，小于设计给定的预警值10 mm。从总体上看，新建车站基坑开挖施工对既有线车站线路变形沉降的影响较小，其原因是新建车站基坑开挖过程中严格按照设计要求施工，且采用必要的围护结构和支护施工，有效控制了周围土体和地下水的移动，使土体应力的释放得到了有效控制，因而开挖过程中对既有线车站线路变形沉降的影响较小，隧道变形不大，在可控范围内，都未超出预警值，变形趋势较为正常、合理。

参考文献

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责任编辑 朱开明

Application of Internet of Ting in Deformation Monitoring in Transit Engineering

Han Sanqi

Abstract:Aiming at the construction situation for a new station near existing station of Ningbo urban transit, the study puts forward deformation monitoring system of urban transit engineering based on Internet of Ting technology, and the paper describes the 3-layer architecture of Internet of Ting technology for deformation monitoring system, the perception layer, network layer and application layer and the corresponding relation of deformation monitoring. With the practical application of the monitoring system, good results are achieved.

Keywords:urban transit engineering, Internet of Ting technology, deformation monitoring

收稿日期2015-01-20

中图分类号：U456.3