專利名稱：基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于巖土及地下工程監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及電子工程等技術(shù)，具體是一種基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法與系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隧道是一類重要的交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施。隨著服役年限的增長(zhǎng)，在地質(zhì)環(huán)境作用、交通荷載作用、材料老化以及人類工程活動(dòng)等影響下，隧道內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)各類工程病害，主要包括滲漏水以及結(jié)構(gòu)體開裂、壓壞、脫落、錯(cuò)臺(tái)及變形縫張開等大變形損傷。目前，對(duì)隧道病害診斷主要以人工巡視為主，耗時(shí)耗力且難以發(fā)現(xiàn)隧道病害發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢(shì)，并能夠定量或半定量的描述隧道病害或損傷的程度；無(wú)法在隧道病害發(fā)展起始階段給予及時(shí)維護(hù)。因此，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道病害信息及其發(fā)展趨勢(shì)，往往需要對(duì)隧道內(nèi)部的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行持續(xù) 一段時(shí)間的在線監(jiān)測(cè)。如果為此布置專門的大型有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅成本較高，并且布設(shè)設(shè)備線纜費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以推廣普及，這嚴(yán)重制約了隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。因此，現(xiàn)實(shí)中急需一種靈活高效并且成本不高的技術(shù)手段來(lái)滿足對(duì)隧道內(nèi)部病害的應(yīng)急監(jiān)測(cè)需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對(duì)隧道內(nèi)部病害監(jiān)測(cè)所需要解決的難題，提出一種基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道內(nèi)部病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法，將隧道內(nèi)部滲漏水與結(jié)構(gòu)體的變形量分別作為表征隧道工程病害的兩類基本指標(biāo)，采用集成多種傳感器的智能傳感器的多組節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)群)以及基站構(gòu)成的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)隧道內(nèi)部滲漏水以及結(jié)構(gòu)體開裂、壓壞、脫落、錯(cuò)臺(tái)及變形縫張開等重要的病害特征進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)，并完成對(duì)隧道病害損傷與安全及健康狀態(tài)的定量評(píng)價(jià)。進(jìn)一步，智能傳感器節(jié)點(diǎn)包括哨兵節(jié)點(diǎn)以及休眠節(jié)點(diǎn)兩種節(jié)點(diǎn)。哨兵節(jié)點(diǎn)一直處于放哨狀態(tài)，而休眠節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)以節(jié)約能量，只有接受到哨兵節(jié)點(diǎn)發(fā)出的危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)才開始工作。此種工作模數(shù)極大的降低了節(jié)點(diǎn)的能耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。進(jìn)一步，哨兵節(jié)點(diǎn)的不僅起放哨作用，而且可作為一個(gè)智能傳感器節(jié)點(diǎn)群的群首，用來(lái)對(duì)整個(gè)群進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，時(shí)間同步等。休眠節(jié)點(diǎn)可在哨兵節(jié)點(diǎn)的命令下開始工作，亦可在哨兵節(jié)點(diǎn)的命令下開始休眠以節(jié)約能量。進(jìn)一步，哨兵節(jié)點(diǎn)還可用做群內(nèi)數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)，即將群內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)處理后的結(jié)論匯集到本節(jié)點(diǎn)，并在本節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成最終隧道損傷程度與安全及健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)?；谥悄軅鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由安裝在隧道內(nèi)的多組智能傳感器節(jié)點(diǎn)群與基站共同組成。智能傳感器節(jié)點(diǎn)群是由若干智能傳感器節(jié)點(diǎn)組成，其中起碼一個(gè)智能傳感器節(jié)點(diǎn)被設(shè)置為哨兵節(jié)點(diǎn)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)的隧道安全與健康狀態(tài)并根據(jù)結(jié)論隨時(shí)喚醒其他處于休眠中的節(jié)點(diǎn)；智能傳感器節(jié)點(diǎn)可被固定在隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)體表面，用以采集隧道內(nèi)部滲漏水以及結(jié)構(gòu)體開裂、壓壞、脫落、錯(cuò)臺(tái)及變形縫張開等大變形損傷等病害信息。進(jìn)一步，智能傳感器節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后會(huì)在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行處理，處理得到的最終結(jié)果將會(huì)匯集到哨兵節(jié)點(diǎn)并以無(wú)線通信的方式發(fā)送到基站。進(jìn)一步，基站則接入本地服務(wù)器，并通過(guò)公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)端信息發(fā)布中心推送病害監(jiān)測(cè)信息。進(jìn)一步，智能傳感器節(jié)點(diǎn)是由傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊、無(wú)線通信模塊以及能量供給模塊共同組成。能量供給模塊主要采用大容量電池，用于其他模塊的能源供給。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊采用嵌入式微處理器，嵌入式軟件可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。無(wú)線通信模塊由無(wú)線收發(fā)器、外接天線以及外圍電路構(gòu)成，可將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸
到基站。所述的傳感器模塊，其特征是該模塊包含溫度傳感器、濕度傳感器、應(yīng)變傳感器以及位移傳感器等，分別用來(lái)對(duì)隧道滲漏水、結(jié)構(gòu)體開裂、壓壞、脫落、錯(cuò)臺(tái)及變形縫張開等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主要負(fù)責(zé)病害信息的采集。進(jìn)一步，信號(hào)調(diào)理模塊包括信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及抗混疊濾波器共同組成。信號(hào)經(jīng)過(guò)模塊的調(diào)理可得到放大、數(shù)字化以及濾波后的高信噪比信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)模塊的調(diào)理可得到放大、數(shù)字化以及濾波后的高信噪比信號(hào)。通過(guò)基于圖形用戶界面的設(shè)計(jì)工具可進(jìn)行完整的信號(hào)通道配置，并將相關(guān)配置信息燒寫到芯片的可編程存儲(chǔ)器中。因此，放大倍數(shù)和抗混疊濾波器的調(diào)整可通過(guò)芯片的串行外設(shè)接口二次編程實(shí)現(xiàn)，無(wú)需硬件更改。具體而言，根據(jù)待監(jiān)測(cè)病害對(duì)象不同，分別選取不同的傳感器。對(duì)于滲漏水監(jiān)測(cè)，采用溫度傳感器與濕度傳感器；對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)體局部壓壞與脫落損傷，采用應(yīng)變傳感器；對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)體開裂、錯(cuò)臺(tái)及變形縫張開等大變形損傷，則采用應(yīng)變式兩點(diǎn)位移傳感器。信號(hào)調(diào)理模塊主要包括信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及抗混疊濾波器；通常來(lái)講，傳感器采集到的模擬信號(hào)非常微弱，且混雜各種噪聲。因此，信號(hào)調(diào)理模塊將傳感器采集到的原始信號(hào)先放大再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)化器數(shù)字化，最后將混雜的噪聲濾除，提取有用的信號(hào)供后續(xù)處理分析。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊分別由大容量嵌入式存儲(chǔ)器和高性能嵌入式處理器組成。通過(guò)嵌入式軟件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理后，將處理后的結(jié)果發(fā)送到基站，保證了數(shù)據(jù)無(wú)丟包、錯(cuò)包現(xiàn)象，且最大程度地降低了能耗。無(wú)線通信模塊由無(wú)線收發(fā)器、外接天線以及外圍電路組成，負(fù)責(zé)與其他智能傳感器節(jié)點(diǎn)以及基站進(jìn)行無(wú)線通信。能量供給模塊則為智能傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用大容量電池。所述的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)包括智能傳感器節(jié)點(diǎn)以及基站。智能傳感器節(jié)點(diǎn)分為哨兵節(jié)點(diǎn)與休眠節(jié)點(diǎn)，兩種節(jié)點(diǎn)均擁有感知隧道病害信息的能力。哨兵節(jié)點(diǎn)由隧道內(nèi)直流電源供電或者由大容量電池供電，被布置在關(guān)鍵病害位置，一直處于工作狀態(tài)，對(duì)隧道體已經(jīng)出現(xiàn)的病害或即將出現(xiàn)的病害進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。休眠節(jié)點(diǎn)在大多數(shù)情況處于休眠狀態(tài)以節(jié)約能量，只有在哨兵節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)后才被喚醒?；景ɑ竟?jié)點(diǎn)以及協(xié)議轉(zhuǎn)換點(diǎn)?；竟?jié)點(diǎn)是用來(lái)接收最終的隧道病害損傷與安全及健康狀態(tài)的定量評(píng)價(jià)結(jié)論。協(xié)議轉(zhuǎn)換點(diǎn)可以將智能傳感器網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)公共移動(dòng)通信網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)端信息發(fā)布中心。
智能傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如下用于隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)的智能傳感器節(jié)點(diǎn)若干共同構(gòu)成一個(gè)智能傳感器節(jié)點(diǎn)群，每個(gè)群內(nèi)設(shè)置一個(gè)哨兵節(jié)點(diǎn)，哨兵節(jié)點(diǎn)一直處于放哨狀態(tài)，也即利用自身的感知能力實(shí)時(shí)采集隧道的病害特征信息，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。一旦監(jiān)測(cè)值達(dá)到預(yù)定的監(jiān)測(cè)指標(biāo)閾值，哨兵節(jié)點(diǎn)立刻喚醒所屬群內(nèi)的休眠節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，哨兵節(jié)點(diǎn)作為群首節(jié)點(diǎn)規(guī)劃整個(gè)群內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)布指令同時(shí)開始采集數(shù)據(jù)。所有節(jié)點(diǎn)(包括哨兵節(jié)點(diǎn))采集的原始數(shù)據(jù)都在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成數(shù)據(jù)處理(分布式數(shù)據(jù)處理)，最終結(jié)論將會(huì)匯集到哨兵節(jié)點(diǎn)。哨兵節(jié)點(diǎn)不僅要與群內(nèi)的休眠節(jié)點(diǎn)通信，而且要負(fù)責(zé)將區(qū)域內(nèi)的全面、可靠的監(jiān)測(cè)信息發(fā)送到基站。一個(gè)喚醒監(jiān)測(cè)周期完成后，組內(nèi)除哨兵節(jié)點(diǎn)外的所有節(jié)點(diǎn)再度進(jìn)入休眠狀態(tài)，以節(jié)約能量。哨兵節(jié)點(diǎn)喚醒休眠節(jié)點(diǎn)的工作模式極大的降低了節(jié)點(diǎn)消耗的能量，延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。哨兵節(jié)點(diǎn)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵病害位置，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的監(jiān)測(cè)量閾值時(shí)，立即喚醒其他處于休眠中的節(jié)點(diǎn)。智能傳感器節(jié)點(diǎn)是由傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊、無(wú)線通信模塊以及能量供給模塊共同組成。傳感器模塊可被固定在隧道結(jié)構(gòu)體內(nèi)表面，用以采集滲漏水以及結(jié)構(gòu)大變形損傷等病害信息?；窘尤氡镜胤?wù)器，并通過(guò)公共移動(dòng) 通信網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)端信息發(fā)布中心推送病害監(jiān)測(cè)信息。本發(fā)明可針對(duì)隧道重點(diǎn)病害位置進(jìn)行快速部署，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道病害狀態(tài)無(wú)人值守的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果可為運(yùn)營(yíng)管理部門對(duì)隧道病害損傷程度與安全及健康狀態(tài)做出定量評(píng)價(jià)提供依據(jù)。本發(fā)明的有益效果是I、系統(tǒng)采用無(wú)線傳輸方式，安裝便捷，避免了現(xiàn)場(chǎng)拉線、布線工作，且安裝過(guò)程不影響隧道的正常運(yùn)營(yíng)。2、采用群內(nèi)哨兵節(jié)點(diǎn)喚醒休眠節(jié)點(diǎn)模式，節(jié)約傳感器能耗，延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。3、群內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)采用分布式數(shù)據(jù)處理方式，最大程度的減少了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸量，極大地降低了節(jié)點(diǎn)消耗的能耗。4、哨兵節(jié)點(diǎn)可匯集所有群內(nèi)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，并綜合這些結(jié)果評(píng)價(jià)出監(jiān)測(cè)區(qū)域隧道損傷與安全及健康狀態(tài)。5、多尺度監(jiān)測(cè)提供全面的隧道病害信息，包括隧道內(nèi)部滲漏水以及結(jié)構(gòu)體開裂、壓壞、脫落、錯(cuò)臺(tái)及變形縫張開等重要的病害特征定量信息。6、傳感器節(jié)點(diǎn)配備大容量存儲(chǔ)器和高性能處理器，將經(jīng)過(guò)處理后的結(jié)果整包發(fā)送到基站，保證了數(shù)據(jù)無(wú)丟包、錯(cuò)包現(xiàn)象，且最大程度地降低了能耗。7、整個(gè)智能傳感器網(wǎng)絡(luò)可同時(shí)采集隧道不同位置的病害信息，綜合分析做出評(píng)價(jià)，可以更有效的對(duì)整個(gè)隧道病害損傷程度與安全及健康狀態(tài)做出定量評(píng)價(jià)，及時(shí)調(diào)整隧道維護(hù)策略。
四

圖I是本發(fā)明的系統(tǒng)工作原理圖；圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖3是隧道病害信息監(jiān)測(cè)流程圖；圖4是本發(fā)明的智能傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖5是本發(fā)明的智能傳感器節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部運(yùn)算流程圖；圖6是本發(fā)明的一個(gè)監(jiān)測(cè)結(jié)果圖例，但本發(fā)明應(yīng)用不限于此。其中，(a)是混凝土壓壞位置在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的應(yīng)變值實(shí)例；(b)是變形縫位置監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)變形實(shí)例；( c )是滲漏水位置監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)濕度變化實(shí)例。
(d)是滲漏水位置監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)溫度變化實(shí)例。
五、具體實(shí)施方案下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)闡述，但本系統(tǒng)應(yīng)用范圍不限于此例。結(jié)合圖I和圖2，隧道病害主要包括隧道內(nèi)部滲漏水以及結(jié)構(gòu)體開裂、壓壞、脫落、錯(cuò)臺(tái)及變形縫張開等大變形損傷，這些病害主要由地質(zhì)環(huán)境作用、交通荷載作用、材料老化以及人類工程活動(dòng)等引起，科學(xué)合理的定量評(píng)價(jià)隧道損傷與安全及健康狀態(tài)，并且及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息至關(guān)重要?；谥悄軅鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是將多組智能傳感器節(jié)點(diǎn)群安裝在隧道易發(fā)生病害位置或者是已經(jīng)發(fā)生病害的位置。每個(gè)群包括若干智能傳感器節(jié)點(diǎn)，其中的一個(gè)智能傳感器節(jié)點(diǎn)(位于關(guān)鍵病害位置)被設(shè)置為哨兵節(jié)點(diǎn)(也可稱為群首節(jié)點(diǎn))，時(shí)刻監(jiān)測(cè)隧道的損傷與安全健康狀態(tài)。一旦哨兵節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)量超過(guò)超閾值，立即喚醒群內(nèi)的所有處于休眠中的智能傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，對(duì)區(qū)域內(nèi)的病害信息進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)。為了保證數(shù)據(jù)無(wú)錯(cuò)報(bào)、丟包現(xiàn)象且最大程度地降低節(jié)點(diǎn)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，采集到的大量的原始數(shù)據(jù)將會(huì)在本地節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行處理，處理后的結(jié)果將會(huì)以整包的方式匯集到哨兵節(jié)點(diǎn)。完成傳送任務(wù)后，組內(nèi)除哨兵節(jié)點(diǎn)外的所有節(jié)點(diǎn)再度進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)約能量。哨兵節(jié)點(diǎn)最終將區(qū)域內(nèi)的全面的監(jiān)測(cè)信息發(fā)送到基站?；景嘶竟?jié)點(diǎn)和協(xié)議轉(zhuǎn)換點(diǎn)，數(shù)據(jù)最終將會(huì)通過(guò)公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到信息發(fā)布中心，以便高效、及時(shí)的發(fā)布預(yù)警信息和做出針對(duì)性的維護(hù)、管理措施。結(jié)合圖3和圖4，智能傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊、無(wú)線通信模塊以及能量供給模塊。傳感器模塊包括溫度傳感器、濕度傳感器、應(yīng)變傳感器以及位移傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)隧道工程主要病害。溫度傳感器采用鉬電阻PT100，通過(guò)金屬鉬的電阻值隨溫度變化而變化的物理特性來(lái)感知溫度變化。濕度變化則采用電容型濕度傳感器HM1500A來(lái)獲取，其具有線性電壓輸出、寬量程、高精度等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)變傳感器采用應(yīng)變式應(yīng)變計(jì)KD4001A，位移傳感器采用應(yīng)變式位移計(jì)KD9000A，兩者均具有量程寬、精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。具體而言，根據(jù)待監(jiān)測(cè)病害對(duì)象不同，分別選取不同的傳感器。對(duì)于滲漏水監(jiān)測(cè)，采用溫度傳感器與濕度傳感器；對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)體局部壓壞與脫落損傷，采用應(yīng)變傳感器；對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)體開裂、錯(cuò)臺(tái)及變形縫張開等大變形損傷，則采用應(yīng)變式兩點(diǎn)位移傳感器。信號(hào)調(diào)理模塊采用集成化QF4A512，其包括信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及抗混疊濾波器，用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、數(shù)字化以及濾波處理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊采用PXA271處理器，用來(lái)將大量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、信息提取并計(jì)算出隧道損傷程度與安全及健康狀態(tài)的定量評(píng)價(jià)結(jié)果。無(wú)線通信模塊采用基于IEEE 802. 15. 4的無(wú)線收發(fā)器CC2420以及外接天線與外圍電路。能量供給模塊采用大容量電池，用于其他工作模塊的電源供給。結(jié)合圖5，智能傳感器節(jié)點(diǎn)分為哨兵節(jié)點(diǎn)與休眠節(jié)點(diǎn)，兩種節(jié)點(diǎn)工作模式不同。哨兵節(jié)點(diǎn)由隧道內(nèi)直流電源供電或者由大容量電池供電，其一直處于放哨狀態(tài)。而休眠節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)以節(jié)約能量。哨兵節(jié)點(diǎn)時(shí)刻監(jiān)測(cè)隧道病害狀態(tài)，如果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未顯示異常，則繼續(xù)保持放哨狀態(tài)；如一旦發(fā)現(xiàn)隧道監(jiān)測(cè)量超閾值，則立即喚醒群內(nèi)所有處于休眠狀態(tài)的休眠節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，組內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)將會(huì)在哨兵節(jié)點(diǎn)(也稱為群首節(jié)點(diǎn))的調(diào)度下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，按照網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)定的采樣頻率，采樣時(shí)間同步采集全面的隧道病害信息。采集到的大量的原始數(shù)據(jù)將會(huì)在本地節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行處理，最終結(jié)果將會(huì)通過(guò)無(wú)線收發(fā)器匯集到哨兵節(jié)點(diǎn)，此后休眠節(jié)點(diǎn)繼續(xù)恢復(fù)休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。哨兵節(jié)點(diǎn)將根據(jù)群內(nèi)節(jié)點(diǎn)匯集過(guò)來(lái)的結(jié)論評(píng)價(jià)全面、可靠的隧道損傷程度與安全及健康狀態(tài)，并將信息實(shí)時(shí)發(fā)送到基站。結(jié)合圖6，為某隧道48小時(shí)內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果。圖6(a)是出現(xiàn)混凝土壓壞病害位置在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的應(yīng)變值實(shí)例，前25小時(shí)該壓壞位置的混凝土應(yīng)變值由最初的1100 μ ε逐漸增至2900 μ ε，達(dá)到應(yīng)變峰值后進(jìn)入下降段，應(yīng)變值降低至2100 μ ε。圖6 (b)是變形縫位置監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)變形實(shí)例，監(jiān)測(cè)剛開始的一段時(shí)間內(nèi)，變形縫位移由初始的I. 2mm增至8. 5_，隨著監(jiān)測(cè)的進(jìn)行，位移值又出現(xiàn)數(shù)次波動(dòng)并緩慢增至9. 5_。圖6 (c)是滲漏水 位置監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)濕度變化實(shí)例，隨著滲水量的增加，該滲水位置的相對(duì)濕度逐漸增加，并在42小時(shí)后達(dá)到100% RH。圖6 (d)是滲漏水位置監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)溫度變化實(shí)例，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的推移，滲水位置的溫度逐步降低，由最初的24. 8°C降到20. 5°C并趨于水溫。
權(quán)利要求
1.基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法，其特征是將隧道內(nèi)部滲漏水與結(jié)構(gòu)體的變形量分別作為表征隧道工程病害的兩類基本指標(biāo)，采用集成多種傳感器的智能傳感器的多組節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)群)以及基站構(gòu)成的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)隧道內(nèi)部滲漏水以及結(jié)構(gòu)體開裂、壓壞、脫落、錯(cuò)臺(tái)及變形縫張開等重要的病害特征進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)，并完成對(duì)隧道病害損傷與安全及健康狀態(tài)的定量評(píng)價(jià)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法，其特征是智能傳感器節(jié)點(diǎn)包括哨兵節(jié)點(diǎn)以及休眠節(jié)點(diǎn)兩種節(jié)點(diǎn)。哨兵節(jié)點(diǎn)一直處于放哨狀態(tài)，而休眠節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)以節(jié)約能量，只有接受到哨兵節(jié)點(diǎn)發(fā)出的喚醒信號(hào)時(shí)才開始工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法，其特征是哨兵節(jié)點(diǎn)不僅起到放哨作用，而且作為一個(gè)智能傳感器節(jié)點(diǎn)群的群首，用來(lái)對(duì)整個(gè)群進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，時(shí)間同步等；休眠節(jié)點(diǎn)在哨兵節(jié)點(diǎn)的指令下開始工作，或在哨兵節(jié)點(diǎn)的指令下進(jìn)入休眠以節(jié)約能量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法，其特征是哨兵節(jié)點(diǎn)還可用做群內(nèi)數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)，即將群內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)處理后的結(jié)論匯集到本節(jié)點(diǎn)，并在本節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成最終隧道損傷程度與安全及健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法，其特征是智能傳感器節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后會(huì)在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行處理，處理得到的最終結(jié)果將會(huì)匯集到哨兵節(jié)點(diǎn)并以無(wú)線通信的方式發(fā)送到基站。
6.基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是由安裝在隧道內(nèi)的多組智能傳感器節(jié)點(diǎn)群與基站共同組成；智能傳感器節(jié)點(diǎn)群是由若干智能傳感器節(jié)點(diǎn)組成，其中起碼一個(gè)智能傳感器節(jié)點(diǎn)被設(shè)置為哨兵節(jié)點(diǎn)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)的隧道安全與健康狀態(tài)并根據(jù)結(jié)論隨時(shí)喚醒其他處于休眠中的節(jié)點(diǎn)；智能傳感器節(jié)點(diǎn)可被固定在隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)體表面，用以采集隧道內(nèi)部滲漏水以及結(jié)構(gòu)體開裂、壓壞、脫落、錯(cuò)臺(tái)及變形縫張開等大變形損傷等病害信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是基站則接入本地服務(wù)器，并通過(guò)公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)端信息發(fā)布中心推送病害監(jiān)測(cè)信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是智能傳感器節(jié)點(diǎn)是由傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊、無(wú)線通信模塊以及能量供給模塊共同組成；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊采用嵌入式微處理器，嵌入式軟件可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。無(wú)線通信模塊由無(wú)線收發(fā)器、外接天線以及外圍電路構(gòu)成，可將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)交尽?br> 9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是所述的傳感器模塊，其特征是該模塊包含溫度傳感器、濕度傳感器、應(yīng)變傳感器以及位移傳感器等，分別用來(lái)對(duì)隧道滲漏水、結(jié)構(gòu)體開裂、壓壞、脫落、錯(cuò)臺(tái)及變形縫張開等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；能量供給模塊主要采用大容量電池，用于其他模塊的能源供給。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是信號(hào)調(diào)理模塊包括信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及抗混疊濾波器共同組成；信號(hào)經(jīng)過(guò)模塊的調(diào)理得到放大、數(shù)字化以及濾波后的高信噪比信號(hào)；通過(guò)基于圖形用戶界面的設(shè)計(jì)工具可進(jìn)行完整 的信號(hào)通道配置，并將相關(guān)配置信息燒寫到芯片的可編程存儲(chǔ)器中。
全文摘要
基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法，將隧道內(nèi)部滲漏水與結(jié)構(gòu)體的變形量分別作為表征隧道工程病害的兩類基本指標(biāo)，采用集成多種傳感器的智能傳感器的多組節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)群)以及基站構(gòu)成的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)隧道內(nèi)部滲漏水以及結(jié)構(gòu)體開裂、壓壞、脫落、錯(cuò)臺(tái)及變形縫張開等重要的病害特征進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)，并完成對(duì)隧道病害損傷與安全及健康狀態(tài)的定量評(píng)價(jià)。一種基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道病害應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由安裝在隧道內(nèi)的多組智能傳感器節(jié)點(diǎn)群以及基站共同組成。智能傳感器節(jié)點(diǎn)群是若干智能傳感器節(jié)點(diǎn)組成，其中的一個(gè)智能傳感器節(jié)點(diǎn)被設(shè)置為哨兵節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明具有成本低廉、可移植性強(qiáng)，易于重復(fù)使用，測(cè)試部署快捷等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G08C17/02GK102840883SQ20121034927
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月19日
發(fā)明者張巍, 丁華平, 孫可, 李慧鑫, 雷長(zhǎng)征, 王浩, 張?jiān)坡?申請(qǐng)人:南京大學(xué)