基于物联网的隧道智能监测系统设计

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1、ShanghaiLand&Resources上海国土资源doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2013.01.021基于物联网的隧道智能监测系统设计12233姜晨光，刘冠林，王纪明，詹旭东，黄浩俊（1.江南大学环境与土木工程学院，无锡214122；2.华仁建设集团有限公司，无锡214072；3.梅奥传感有限公司重庆办事处，重庆400073）摘　要：隧道监测是确保隧道施工安全及运营安全的关键技术之一，目前国内外的隧道监测尚无法全面掌握隧道的真实健康状态。本文提出基于物联网的隧道智能监测系统设计思路并构建相应的技术体系，通过传感器技术获得隧道的各种健康信息，借助物联网技术将各种

2、传感信息无线传输至隧道管理中心，以实现对隧道的远程、实时、动态管理与控制。其可密切监视隧道内各种不良现象的发生及发展情况，从而为各种隧道灾害的防范提供技术支撑。关键词：隧道工程；监测技术；智能系统；光纤光栅传感器；物联网中图分类号：U456.3文章标识码：A文章编号：2095-1329(2013)01-0085-05隧道工程是地下空间开发利用的重要方面。隧道在本文以重庆万州南峪隧道为例，阐述基于物联网的施工和使用过程中，因地质条件变化、结构失稳及退化隧道智能监测系统的设计与实施。等问题可能会引起安全隐患，因此隧道的健康监测受到1光纤传感技术及其特点高度重视，但目前的监测工作无法全面掌握隧道的真

3、实光纤传感以其抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面健康状态。在隧道智能监测领域，部分发达国家虽已有的优势，已迅速成长为一个新兴产业。当前，世界光纤长足进展，但仍有很多改进完善之处；而国内则还相对传感领域的发展主要有两个方向，即基础研究和应用开滞后，除上海在地铁的建设施工与交通运营中研制并应[1]发。光纤传感器的开发是以取代传统机电传感系统为目用智能管理系统以外，尚少成功应用范例。因此，设的，现主要集中于光纤光栅（FBG和LPG）型传感器和计合理完善、自动化程度高、易扩充的智能化隧道监测分布式光纤传感系统两大方面。从长远看，光纤传感技体系，不仅具有实践指导意义，也有科研学术作用。术的原理性研究仍是非常

4、关键和重要的工作。目前FBG笔者及科研组提出基于物联网的隧道智能监测系统已形成批量生产能力，其研究焦点已转移到解决高精度设计思想，并构建相应的技术体系。其核心是物联网技应用、完善解调和复用技术以及降低成本等方面。由于术和传感器技术，通过传感器技术获得隧道的各种健康光纤传感器具有将传输与传感媒质合二为一的特性，因信息（比如应力、应变、温度等），再通过物联网技术此可使沿布设路径上的光纤全部成为敏感元件，故分布将各种传感信息无线传输至隧道管理中心，以实现对隧式传感是光纤传感器与生俱来的优点。道的远程、实时、动态管理与控制。基于物联网的隧道光纤传感技术的应用研究主要包括：光（纤）层智能监测系统可以为隧

5、道的施工安全及运营安全提供第析成像技术（OCT、OPT）、智能材料（SmartMateri-一手基础资料，可密切监视隧道内各种不良现象（比如als）、光纤陀螺与惯导系统（IFOG、IMIU）和常规工隧道变形、渗水、火警等）的发生及发展情况，从而为[2~6]业工程传感器。光纤布拉格光栅（FBG）1978年问各种隧道灾害（或事故）的防范提供基本技术支撑，是世，这种简单的固有传感元件可利用硅光纤的紫外光敏隧道施工安全及运营安全的重要技术保障手段。性写入光纤芯内。常见的FBG传感器通过测量布拉格波收稿日期：2012-07-31长的漂移实现对被测量的检测，光栅布拉格波长（λB）修订日期：2012-09-

6、06作者简介：姜晨光(1964-),男,教授,主要研究条件为：方向岩土工程及土木工程结构检测与监测.λB=2nΛ(1)!电子邮箱：jiangcg999@yahoo.cn式中：Λ为光栅周期，n为折射率。联系电话：0510-85910067基金项目：国家自然科学基金(79160173)当宽谱光源入射到光纤中后，光栅将反射其中以布拉格波长λB为中心波长的窄谱分量。在透射谱中，这一2013年第34卷第1期85上海国土资源ShanghaiLand&Resources部分分量将消失，λB随应力与温度的漂移为：随着世界范围内对工民建和工业设施安全性和效益2ΔλB=2nΛ{[1-n(P12-vP11-vP12

7、)/2]ε+[α+(1/n)(dn)/(dT)ΔT}(2)要求的不断提高，对集成的安全检测系统的需求越来越式中：ε为外加应力，Pi,j为光纤的光弹张量系数，ν热，从而为具备可连续、无间断、长距离测量并与被测为泊松比，α为光纤材料（如石英）的热膨胀系数，ΔF量介质有极强亲和性的分布式光纤传感系统提供了广阔为温度变化量。舞台。目前分布式光纤传感系统大致有3种类型，即拉2式（2）中n(P12-vP11-