专利名称：基于智能传感器网络的隧道病害应急监测方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明属于岩土及地下工程监测技术领域，涉及电子工程等技术，具体是一种基于智能传感器网络技术的隧道病害应急监测方法与系统。
背景技术：
隧道是一类重要的交通运输基础设施。随着服役年限的增长，在地质环境作用、交通荷载作用、材料老化以及人类工程活动等影响下，隧道内部会出现各类工程病害，主要包括渗漏水以及结构体开裂、压坏、脱落、错台及变形缝张开等大变形损伤。目前，对隧道病害诊断主要以人工巡视为主，耗时耗力且难以发现隧道病害发展历程及发展趋势，并能够定量或半定量的描述隧道病害或损伤的程度；无法在隧道病害发展起始阶段给予及时维护。因此，为了及时发现隧道病害信息及其发展趋势，往往需要对隧道内部的结构体进行持续 一段时间的在线监测。如果为此布置专门的大型有线监测系统，不仅成本较高，并且布设设备线缆费时费力，难以推广普及，这严重制约了隧道病害应急监测技术的实际应用。因此，现实中急需一种灵活高效并且成本不高的技术手段来满足对隧道内部病害的应急监测需要。
发明内容
本发明的目的在于，针对隧道内部病害监测所需要解决的难题，提出一种基于智能传感器网络的隧道内部病害应急监测方法及系统。本发明的目的是这样实现的基于智能传感器网络的隧道病害应急监测方法，将隧道内部渗漏水与结构体的变形量分别作为表征隧道工程病害的两类基本指标，采用集成多种传感器的智能传感器的多组节点(节点群)以及基站构成的智能传感器网络，对隧道内部渗漏水以及结构体开裂、压坏、脱落、错台及变形缝张开等重要的病害特征进行应急监测，并完成对隧道病害损伤与安全及健康状态的定量评价。进一步，智能传感器节点包括哨兵节点以及休眠节点两种节点。哨兵节点一直处于放哨状态，而休眠节点大部分时间处于休眠状态以节约能量，只有接受到哨兵节点发出的危险信号时才开始工作。此种工作模数极大的降低了节点的能耗，延长了网络的生命周期。进一步，哨兵节点的不仅起放哨作用，而且可作为一个智能传感器节点群的群首，用来对整个群进行网络规划，时间同步等。休眠节点可在哨兵节点的命令下开始工作，亦可在哨兵节点的命令下开始休眠以节约能量。进一步，哨兵节点还可用做群内数据汇集节点，即将群内所有节点处理后的结论汇集到本节点，并在本节点内部完成最终隧道损伤程度与安全及健康状态的评价。基于智能传感器网络的隧道病害应急监测系统，该系统是由安装在隧道内的多组智能传感器节点群与基站共同组成。智能传感器节点群是由若干智能传感器节点组成，其中起码一个智能传感器节点被设置为哨兵节点，用于实时监测与评价区域内的隧道安全与健康状态并根据结论随时唤醒其他处于休眠中的节点；智能传感器节点可被固定在隧道内部结构体表面，用以采集隧道内部渗漏水以及结构体开裂、压坏、脱落、错台及变形缝张开等大变形损伤等病害信息。进一步，智能传感器节点采集到数据后会在节点内部进行处理，处理得到的最终结果将会汇集到哨兵节点并以无线通信的方式发送到基站。进一步，基站则接入本地服务器，并通过公共移动通信网络向远端信息发布中心推送病害监测信息。进一步，智能传感器节点是由传感器模块、信号调理模块、数据存储与处理模块、无线通信模块以及能量供给模块共同组成。能量供给模块主要采用大容量电池，用于其他模块的能源供给。数据存储与处理模块采用嵌入式微处理器，嵌入式软件可对监测数据进行实时处理。无线通信模块由无线收发器、外接天线以及外围电路构成，可将数据无线传输
到基站。所述的传感器模块，其特征是该模块包含温度传感器、湿度传感器、应变传感器以及位移传感器等，分别用来对隧道渗漏水、结构体开裂、压坏、脱落、错台及变形缝张开等进行监测。主要负责病害信息的采集。进一步，信号调理模块包括信号放大器、模数转换器以及抗混叠滤波器共同组成。信号经过模块的调理可得到放大、数字化以及滤波后的高信噪比信号。信号经过模块的调理可得到放大、数字化以及滤波后的高信噪比信号。通过基于图形用户界面的设计工具可进行完整的信号通道配置，并将相关配置信息烧写到芯片的可编程存储器中。因此，放大倍数和抗混叠滤波器的调整可通过芯片的串行外设接口二次编程实现，无需硬件更改。具体而言，根据待监测病害对象不同，分别选取不同的传感器。对于渗漏水监测，采用温度传感器与湿度传感器；对于隧道结构体局部压坏与脱落损伤，采用应变传感器；对于隧道结构体开裂、错台及变形缝张开等大变形损伤，则采用应变式两点位移传感器。信号调理模块主要包括信号放大器、模数转换器以及抗混叠滤波器；通常来讲，传感器采集到的模拟信号非常微弱，且混杂各种噪声。因此，信号调理模块将传感器采集到的原始信号先放大再通过模数转化器数字化，最后将混杂的噪声滤除，提取有用的信号供后续处理分析。数据存储与处理模块分别由大容量嵌入式存储器和高性能嵌入式处理器组成。通过嵌入式软件对监测数据进行实时处理后，将处理后的结果发送到基站，保证了数据无丢包、错包现象，且最大程度地降低了能耗。无线通信模块由无线收发器、外接天线以及外围电路组成，负责与其他智能传感器节点以及基站进行无线通信。能量供给模块则为智能传感器节点提供运行所需的能量，通常采用大容量电池。所述的智能传感器网络包括智能传感器节点以及基站。智能传感器节点分为哨兵节点与休眠节点，两种节点均拥有感知隧道病害信息的能力。哨兵节点由隧道内直流电源供电或者由大容量电池供电，被布置在关键病害位置，一直处于工作状态，对隧道体已经出现的病害或即将出现的病害进行实时监测。休眠节点在大多数情况处于休眠状态以节约能量，只有在哨兵节点发出信号后才被唤醒。基站包括基站节点以及协议转换点。基站节点是用来接收最终的隧道病害损伤与安全及健康状态的定量评价结论。协议转换点可以将智能传感器网络转换为公共移动通信网络，并将数据通过公共移动通信网发送到远端信息发布中心。
智能传感器网络构成如下用于隧道病害应急监测的智能传感器节点若干共同构成一个智能传感器节点群，每个群内设置一个哨兵节点，哨兵节点一直处于放哨状态，也即利用自身的感知能力实时采集隧道的病害特征信息，并进行实时处理。一旦监测值达到预定的监测指标阈值，哨兵节点立刻唤醒所属群内的休眠节点。此时，哨兵节点作为群首节点规划整个群内网络，并发布指令同时开始采集数据。所有节点(包括哨兵节点)采集的原始数据都在节点内部完成数据处理(分布式数据处理)，最终结论将会汇集到哨兵节点。哨兵节点不仅要与群内的休眠节点通信，而且要负责将区域内的全面、可靠的监测信息发送到基站。一个唤醒监测周期完成后，组内除哨兵节点外的所有节点再度进入休眠状态，以节约能量。哨兵节点唤醒休眠节点的工作模式极大的降低了节点消耗的能量，延长了整个网络的生命周期。哨兵节点用于实时监测关键病害位置，当达到预设的监测量阈值时，立即唤醒其他处于休眠中的节点。智能传感器节点是由传感器模块、信号调理模块、数据存储与处理模块、无线通信模块以及能量供给模块共同组成。传感器模块可被固定在隧道结构体内表面，用以采集渗漏水以及结构大变形损伤等病害信息。基站接入本地服务器，并通过公共移动 通信网络向远端信息发布中心推送病害监测信息。本发明可针对隧道重点病害位置进行快速部署，实现对隧道病害状态无人值守的远程在线监测，监测结果可为运营管理部门对隧道病害损伤程度与安全及健康状态做出定量评价提供依据。本发明的有益效果是I、系统采用无线传输方式，安装便捷，避免了现场拉线、布线工作，且安装过程不影响隧道的正常运营。2、采用群内哨兵节点唤醒休眠节点模式，节约传感器能耗，延长了整个网络的生命周期。3、群内所有节点采用分布式数据处理方式，最大程度的减少了无线数据传输量，极大地降低了节点消耗的能耗。4、哨兵节点可汇集所有群内节点的计算结果，并综合这些结果评价出监测区域隧道损伤与安全及健康状态。5、多尺度监测提供全面的隧道病害信息，包括隧道内部渗漏水以及结构体开裂、压坏、脱落、错台及变形缝张开等重要的病害特征定量信息。6、传感器节点配备大容量存储器和高性能处理器，将经过处理后的结果整包发送到基站，保证了数据无丢包、错包现象，且最大程度地降低了能耗。7、整个智能传感器网络可同时采集隧道不同位置的病害信息，综合分析做出评价，可以更有效的对整个隧道病害损伤程度与安全及健康状态做出定量评价，及时调整隧道维护策略。
四
图I是本发明的系统工作原理图；图2是本发明的系统结构图；图3是隧道病害信息监测流程图；图4是本发明的智能传感器节点结构图5是本发明的智能传感器节点的内部运算流程图；图6是本发明的一个监测结果图例，但本发明应用不限于此。其中，(a)是混凝土压坏位置在监测时段内的应变值实例；(b)是变形缝位置监测时段内变形实例；( c )是渗漏水位置监测时段内湿度变化实例。
(d)是渗漏水位置监测时段内温度变化实例。
五、具体实施方案下面结合附图和具体实例对本发明做详细阐述，但本系统应用范围不限于此例。结合图I和图2，隧道病害主要包括隧道内部渗漏水以及结构体开裂、压坏、脱落、错台及变形缝张开等大变形损伤，这些病害主要由地质环境作用、交通荷载作用、材料老化以及人类工程活动等引起，科学合理的定量评价隧道损伤与安全及健康状态，并且及时发布预警信息至关重要。基于智能传感器网络的隧道病害应急监测系统，是将多组智能传感器节点群安装在隧道易发生病害位置或者是已经发生病害的位置。每个群包括若干智能传感器节点，其中的一个智能传感器节点(位于关键病害位置)被设置为哨兵节点(也可称为群首节点)，时刻监测隧道的损伤与安全健康状态。一旦哨兵节点监测量超过超阈值，立即唤醒群内的所有处于休眠中的智能传感器节点，通过网络规划，对区域内的病害信息进行全面的监测。为了保证数据无错报、丢包现象且最大程度地降低节点能耗，延长网络的生命周期，采集到的大量的原始数据将会在本地节点内部进行处理，处理后的结果将会以整包的方式汇集到哨兵节点。完成传送任务后，组内除哨兵节点外的所有节点再度进入休眠状态以节约能量。哨兵节点最终将区域内的全面的监测信息发送到基站。基站包括了基站节点和协议转换点，数据最终将会通过公共移动通信网络发送到信息发布中心，以便高效、及时的发布预警信息和做出针对性的维护、管理措施。结合图3和图4，智能传感器节点主要包括传感器模块、信号调理模块、数据存储与处理模块、无线通信模块以及能量供给模块。传感器模块包括温度传感器、湿度传感器、应变传感器以及位移传感器，用来监测隧道工程主要病害。温度传感器采用钼电阻PT100，通过金属钼的电阻值随温度变化而变化的物理特性来感知温度变化。湿度变化则采用电容型湿度传感器HM1500A来获取，其具有线性电压输出、宽量程、高精度等优点。应变传感器采用应变式应变计KD4001A，位移传感器采用应变式位移计KD9000A，两者均具有量程宽、精度高、性能稳定等优点。具体而言，根据待监测病害对象不同，分别选取不同的传感器。对于渗漏水监测，采用温度传感器与湿度传感器；对于隧道结构体局部压坏与脱落损伤，采用应变传感器；对于隧道结构体开裂、错台及变形缝张开等大变形损伤，则采用应变式两点位移传感器。信号调理模块采用集成化QF4A512，其包括信号放大器、模数转换器以及抗混叠滤波器，用来对信号进行放大、数字化以及滤波处理。数据存储与处理模块采用PXA271处理器，用来将大量的原始数据进行数据融合、信息提取并计算出隧道损伤程度与安全及健康状态的定量评价结果。无线通信模块采用基于IEEE 802. 15. 4的无线收发器CC2420以及外接天线与外围电路。能量供给模块采用大容量电池，用于其他工作模块的电源供给。结合图5，智能传感器节点分为哨兵节点与休眠节点，两种节点工作模式不同。哨兵节点由隧道内直流电源供电或者由大容量电池供电，其一直处于放哨状态。而休眠节点大部分时间处于休眠状态以节约能量。哨兵节点时刻监测隧道病害状态，如果监测数据未显示异常，则继续保持放哨状态；如一旦发现隧道监测量超阈值，则立即唤醒群内所有处于休眠状态的休眠节点。此时，组内所有节点将会在哨兵节点(也称为群首节点)的调度下进行网络规划，按照网络规划设定的采样频率，采样时间同步采集全面的隧道病害信息。采集到的大量的原始数据将会在本地节点内部进行处理，最终结果将会通过无线收发器汇集到哨兵节点，此后休眠节点继续恢复休眠状态以节省能量。哨兵节点将根据群内节点汇集过来的结论评价全面、可靠的隧道损伤程度与安全及健康状态，并将信息实时发送到基站。结合图6，为某隧道48小时内的现场实测结果。图6(a)是出现混凝土压坏病害位置在监测时段内的应变值实例，前25小时该压坏位置的混凝土应变值由最初的1100 μ ε逐渐增至2900 μ ε，达到应变峰值后进入下降段，应变值降低至2100 μ ε。图6 (b)是变形缝位置监测时段内变形实例，监测刚开始的一段时间内，变形缝位移由初始的I. 2mm增至8. 5_，随着监测的进行，位移值又出现数次波动并缓慢增至9. 5_。图6 (c)是渗漏水 位置监测时段内湿度变化实例，随着渗水量的增加，该渗水位置的相对湿度逐渐增加，并在42小时后达到100% RH。图6 (d)是渗漏水位置监测时段内温度变化实例，随着监测时间的推移，渗水位置的温度逐步降低，由最初的24. 8°C降到20. 5°C并趋于水温。
权利要求
1.基于智能传感器网络的隧道病害应急监测方法，其特征是将隧道内部渗漏水与结构体的变形量分别作为表征隧道工程病害的两类基本指标，采用集成多种传感器的智能传感器的多组节点(节点群)以及基站构成的智能传感器网络，对隧道内部渗漏水以及结构体开裂、压坏、脱落、错台及变形缝张开等重要的病害特征进行应急监测，并完成对隧道病害损伤与安全及健康状态的定量评价。
2.根据权利要求I所述的基于智能传感器网络的隧道病害应急监测方法，其特征是智能传感器节点包括哨兵节点以及休眠节点两种节点。哨兵节点一直处于放哨状态，而休眠节点大部分时间处于休眠状态以节约能量，只有接受到哨兵节点发出的唤醒信号时才开始工作。
3.根据权利要求2所述的基于智能传感器网络的隧道病害应急监测方法，其特征是哨兵节点不仅起到放哨作用，而且作为一个智能传感器节点群的群首，用来对整个群进行网络规划，时间同步等；休眠节点在哨兵节点的指令下开始工作，或在哨兵节点的指令下进入休眠以节约能量。
4.根据权利要求2或3所述的基于智能传感器网络的隧道病害应急监测方法，其特征是哨兵节点还可用做群内数据汇集节点，即将群内所有节点处理后的结论汇集到本节点，并在本节点内部完成最终隧道损伤程度与安全及健康状态的评价。
5.根据权利要求2或3所述的基于智能传感器网络的隧道病害应急监测方法，其特征是智能传感器节点采集到数据后会在节点内部进行处理，处理得到的最终结果将会汇集到哨兵节点并以无线通信的方式发送到基站。
6.基于智能传感器网络的隧道病害应急监测系统，其特征是由安装在隧道内的多组智能传感器节点群与基站共同组成；智能传感器节点群是由若干智能传感器节点组成，其中起码一个智能传感器节点被设置为哨兵节点，用于实时监测与评价区域内的隧道安全与健康状态并根据结论随时唤醒其他处于休眠中的节点；智能传感器节点可被固定在隧道内部结构体表面，用以采集隧道内部渗漏水以及结构体开裂、压坏、脱落、错台及变形缝张开等大变形损伤等病害信息。
7.根据权利要求6所述的基于智能传感器网络的隧道病害应急监测系统，其特征是基站则接入本地服务器，并通过公共移动通信网络向远端信息发布中心推送病害监测信息。
8.根据权利要求6所述的基于智能传感器网络的隧道病害应急监测系统，其特征是智能传感器节点是由传感器模块、信号调理模块、数据存储与处理模块、无线通信模块以及能量供给模块共同组成；数据存储与处理模块采用嵌入式微处理器，嵌入式软件可对监测数据进行实时处理。无线通信模块由无线收发器、外接天线以及外围电路构成，可将数据无线传输到基站。
9.根据权利要求6所述的基于智能传感器网络的隧道病害应急监测系统，其特征是所述的传感器模块，其特征是该模块包含温度传感器、湿度传感器、应变传感器以及位移传感器等，分别用来对隧道渗漏水、结构体开裂、压坏、脱落、错台及变形缝张开等进行监测；能量供给模块主要采用大容量电池，用于其他模块的能源供给。
10.根据权利要求6所述的基于智能传感器网络的隧道病害应急监测系统，其特征是信号调理模块包括信号放大器、模数转换器以及抗混叠滤波器共同组成；信号经过模块的调理得到放大、数字化以及滤波后的高信噪比信号；通过基于图形用户界面的设计工具可进行完整 的信号通道配置，并将相关配置信息烧写到芯片的可编程存储器中。
全文摘要
基于智能传感器网络的隧道病害应急监测方法，将隧道内部渗漏水与结构体的变形量分别作为表征隧道工程病害的两类基本指标，采用集成多种传感器的智能传感器的多组节点(节点群)以及基站构成的智能传感器网络，对隧道内部渗漏水以及结构体开裂、压坏、脱落、错台及变形缝张开等重要的病害特征进行应急监测，并完成对隧道病害损伤与安全及健康状态的定量评价。一种基于智能传感器网络的隧道病害应急监测方法及系统。该系统是由安装在隧道内的多组智能传感器节点群以及基站共同组成。智能传感器节点群是若干智能传感器节点组成，其中的一个智能传感器节点被设置为哨兵节点。本发明具有成本低廉、可移植性强，易于重复使用，测试部署快捷等优点。
文档编号G08C17/02GK102840883SQ20121034927
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月19日 优先权日2012年9月19日
发明者张巍, 丁华平, 孙可, 李慧鑫, 雷长征, 王浩, 张云聪 申请人:南京大学