物聯網技術在工程監測中的應用與研究

物聯網技術在工程監測中的應用與研究

作者：吳旭森

【摘要】現代地鐵施工、運營不斷向智能化、數據化方向發展，對地鐵安全監測方法和技術也提出了新的要求，高效、準確、實時正成為時代的方向，采用傳統的人工監測模式顯然是無法滿足這方面的需求的。本文主要以物爾物在線智能位移監測儀為例，以智能平差分析軟件為依托，構建一套自動化、智能化、及時性強的地鐵安全監測系統，并基于此展望物聯網技術在工程監測行業中的發展前景。

【關鍵字】地鐵；物聯網；在線位移監測儀；監測

一、 概述

近些年來，隨著經濟飛速發展，建筑業的日新月異，各類建筑市政工程投資不斷擴大，設計結構越來越復雜，各種科學技術大量運用于建設中，這就對工程的科學智能化提出了更高的要求。物聯網技術具備極強的綜合性，在國防、建筑、醫療等眾多領域都有突出的作用。

物聯網是在互聯網概念的基礎上，將用戶端延伸和擴展到某個物品上，是物品與物品之間進行信息交換和通信的一種網絡概念。其主要使用各種信息傳感設備把全球定位系統、激光掃描器等裝置與互聯網結合起來形成一個巨大的網絡，是系統可以自動、實時對物體進行識別、定位、追蹤、監控等事件。隨著科技的發展，物聯網技術有著十分廣闊的發展空間

目前，在我國已有地鐵的城市中，地鐵沿線的深基坑、兩條地鐵線路相互交

叉、下穿等工況越來越多，如何在地鐵隧道開挖盾構過程中以及地鐵運營過程中高效的監測隧道變化是一個十分現實的問題。目前的解決方案是人工利用全站儀等儀器設備進行現場檢測，其會因人為主觀因素影響導致觀測結果不實，同時兩次測量間隔較長，留有重大安全隱患。其次，現有觀測方法需要大量人力資源，成本較高。地鐵采用物聯網技術、自動化監測手段，對隧道結構進行24小時無線安全監測，系統將可以讓自動化監測工程變得更加安全和方便，并且可以及早預防事故的發生，減少人員和財產的損失。

二、在線智能位移監測儀

在線位移監測系統由合肥物爾物信息科技有限公司攜手清華信息科學與技術國家實驗室物聯網技術中心聯合研發，并得到中國科學技術大學、合肥工業大學和中科院微電子所和的大力支持。系統運用最前沿的多傳感器融合、物聯網大數據和智能處理技術，致力于為地鐵隧道、高層建筑、橋梁等建筑結構安全維護提供智慧、安全、高效的解決方案。該系統主要特點有：

1、數據真實可靠性

由于該儀器能自動剔除原始測值中的假點（干擾值/粗大誤差），對密集的多數數據取均值。監測頻率高，數據量大,監測儀在1分鐘之內向被測點發出10次測試信號，對同一點獲取10個測試位移，每小時重復三次，每天對同一點將獲取720個被測點的測試位移數據，將其傳至后臺管理中心,能準確地判斷建筑物位移變化的發展趨勢。

2、數據實時有效性

對同一被測點，每次測量獲得的10組原始數據傳至后臺即刻進行處理，平均處理時間小于5秒，能夠有效地反應測量被測點的實時位移。工作效率高，克服了人為因素造成的干擾。

3、數據查詢即時性       

后臺分析處理后的數據，可通過網頁瀏覽器或微信公眾號等終端軟件平臺及時反饋至客戶。相關技術人員能夠通過客戶終端及時了解被測物體的實時位移和變形等。

三、 基本原理

物爾物在線位移監測系統是以自主研發的智能位移監測儀作為基準點，通過監測儀和被監測點之間的相對位移數據來判斷位移/位置變動數值。如：在地鐵隧道內，每個測量斷面安裝一臺位移監測儀，單臺位移監測儀可同時對該斷面中6個測點的位移變動進行監測，也可以檢測自身相對于測量基準的三維位置變動和三維角度姿態變動，通過測量基準傳遞的方式，實現長隧道的變形測量。

監測時，監測儀周期性地向無線感知接收器發射無線信號，無線感知接收器內芯片對接收到的信號進行處理后返回監測儀，系統根據信號相位特征變化和測量參量矩陣，融合距離、角度、地磁、重力場等多源傳感信息，運用高維度模糊聚類等智能數據分析算法，計算觀察目標的位移變動數據，并通過模式學習、趨勢分析等技術進行數據校準。各監測點測得位移數據通過物聯網系統上傳至后臺管理中心，根據其監測場景模型對初測進行分析處理后，形成監測數據報告反饋至客戶終端。

在多設備組網時，每個測量斷面設置一個基準點安裝一臺監測儀器，發射信號進行被測目標的位移監測。

相鄰的測量斷面之間，可以本斷面基準為準，測量上一斷面基準的坐標變動來形成統一基準。

比如以初始基準點B0為準，測量下一斷面基準點B1的變動，那么B1安裝三個位移信號發射源測量B1相對于B0的三維位置變動（dx,dy,dz)

同時B1自身安裝有檢測自身方位變動的三軸轉角測量傳感器，測得自身的角度變化（θx, θy, θz)

消除B1自身旋轉引起的測量值變化后，B1的實際坐標變動，

R為B0和B1之間的距離

上式計算中已消去小角度轉動情況下的高階小量

這樣就測出了B1相對于B0的坐標變化。通過逐測量基準傳遞的方式，可以是多個斷面的測量值都統一到相同的基準B0之上。任意一個斷面的絕對坐標變動量Di

四、 實際應用

1. HF市軌道3號線天水路站～岱河路站盾構區間左線全長為1291.147米，右線1292.073米,下穿HF東站8股貨運股道。鐵路列車的運行對地表沉降、地表隆起影響較大。物爾物在線位移監測儀在此工程中每20分鐘一次數據實時更新，完成了監測盾構施工區域內的地面沉降、鐵路路基沉降、鐵路軌道變形、接觸網立柱變形，采用三級報警機制針對異常數據自動報警、完成實時數據上傳并統計報表等工作。

2. HF市地鐵5號線文忠路橋站應用于因312國道改建穿越軌道1、5號線區間隧道保護監測。主要對隧道拱頂、收斂、軌道位移以及路基沉降進行了監測。

此外在線智能位移監測儀還應用于2號線蜀山西路站及界首路站HZ市地鐵1號線濱康路站等在線位移的監測數值與傳統人工及徠卡監測數值對比的最大誤差0.5mm，得到省內外知名建筑設計院及監測單位的一致認可。

五、 展望

土木建設是一個綜合性的大工程，對安全性有著較高的要求，因為這聯系著人們的生命財產安全。同時在施工過程中仍存在大量隱患，如無法及時獲取位移變化等。想要解決這些問題，其中一個重要的問題就是如何得到物體真實可靠、實時有效的變形（位移），大力發展物聯網技術，將物聯網技術應用到工程實踐中將是解決此問題的一個很好途徑�？梢灶A計，建設智慧城市，物聯網技術的運用勢必有長足的發展和廣闊的空間。

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參考文獻

[1] 城市軌道交通工程監測技術規范 GB 50911-2013

[2] 城市軌道交通結構安全保護技術規范 CJJ/T 202-2013

[3]朱洪波 . 物聯網的技術思想與應用策略 研究 [J]. 通信學報，2010(11) ： 2-9.

[4]彭瑜 . 物聯網技術的發展及其工業應用的方向 [J].自動化儀表，2011 （1） ： 1-7.

[5]工程測量規范 GB 50026-2007

通訊作者：合肥物爾物信息科技有限公司副總經理 

吳旭森（Tel:15055106721）