自动化监测技术在工程监测中应用.doc

自动化监测技术在工程监测中的应用彭炎华、杨昌斌（广州市吉华勘测股份有限公司）摘要：自动化监测技术是集现代电子技术、通讯技术、计算机技术和工程测试技术为一体的高科技工程安全监测手段，可同时完成对远程监测数据的采集、传输、处理和分析。本文第一部分介绍自动化监测技术原理；第二部分简要介绍了广州市吉华勘测股份有限公司研发的自动化监测系统的思路及工程应用；第三部分探讨了自动化监测技术发展愿景。关键词：自动化监测 灾害预警一、前言1、自动化监测技术简介工程监测预警是工程顺利进行的重要环节，做好监测，防微杜渐，可避免事故的发生。传统的监测手段具有间断性、周期性，无法实时监控工程的安全状态，因此解决任意时间、任意条件下的监测问题才能保证工程处于受控状态，实现真正的安全生产。自动化监测技术是自动化科学技术的一个重要分支科学，是在仪器仪表的使用、研制、生产的基础上发展起来的一门综合性技术。信息和互联网技术，尤其是传统工程监测的数字化、网络化、智能化和平台集成化，给技术、产品和应用方面带来了巨大变革，为我们推进工程灾害的自动化监测技术发展创造了良好的条件。自动化监测就是在测量和检测过程中完全不需要或仅需要很少的人工干预而自动进行并完成的。实现自动化监测可以提高自动化水平和程度，减少人为干扰因素和人为差错，可以提高生产过程或仪器设备的可靠性及运行效率。同时，自动化监测技术可以实现在任意时间、任意条件下开展监测工作，实行24小时安全生产监控。2、自动化监测技术原理利用电子技术和通讯技术能解决自动化监测的难题。自动测试、自动传输数据、报警数据自动发送，这样就可直观且实时不间断地掌握工程的实际动态，能为在有安全隐患情况下进行处理提供依据，赢得宝贵时间，也为管理者进行决策提供有力支持，提高工程效益，实现安全生产。在工程建设中，应力应变、相对位移、沉降、温度等参数的监测都可应用传感器技术。工程传感器分为振弦式、电阻式、陶瓷式、光纤式、电感调频式等多种方式。目前在工程监测中应用较广泛的为振弦式传感器。振弦式传感器的工作原理是（见图1），将传感器两端沿变形方向固定在被测物体的两点上，被测物体的变形传递给两端座间的钢弦2，当测试电流通过感应线圈6时激发钢弦2作单向振动，从而切割磁力线，于是在感应线圈6上有与钢弦振荡频率相同的交流频率信号输出，经过放大、滤波、平滑等处理过程，可以测量出钢弦的振荡频率，再与标定值相对应，即可变换为所需测量的物理量，温度传感器4可以测量温度并进行温度补偿。串行存储芯片5用于存储标定系数和测量数据。图1振弦式传感器工作原理示意自动化监测系统是一套对传感器数据进行自动采集、传输并自动报警的软件系统。按照“实时数据、实时分析、实时管理”的理念，实现对系统设备的监测和管理。系统可通过设置时间段或采集时间间隔采集各种性能数据，为监测单位和设计单位提供分析数据，以便对工程项目进行准确的健康检测。采用智能传感器和监测系统，可实现应力应变、相对位移、孔隙水压力、土压力、温度等数据的自动化监测，以及基于这些项目(原理)的其他项目的监测（如地下水位、静力水准），大大丰富了监测的范畴与领域。2、 自动化监测系统研发思路针对市场需求，广州市吉华勘测股份有限公司（简称“吉华公司”）对自动化监测技术进行了进一步研究，开发了远程自动化数据采集系统，并对部分传感器进行了改进。以下介绍吉华公司基于传感器网络的高智能工程监测系统装置专利原理。1、基于传感器网络的高智能工程监测系统装置原理图2为高智能工程监测系统组成结构示意图。该系统包括用于采集数据的传感器单元1、无线传输单元2和测量监控主机3。传感器单元1的输出端接入所述无线传输单元2的信号输入端，无线传输单元2的输出端连接所述测量监控主机3。其特征在于，传感器单元1包括分布于各待测点的传感器节点，该传感器节点内部设置传感器模块4，传感器模块4包括应变片桥式电路5和单片机6，其中应变片桥式电路5的输出端通过模数转换器7接入单片机6的信号输入端，单片机6连接有存储芯片8以及温度芯片9，可以同时检测该测点的温度以及存储数据。无线传输单元2内部包括TC35模块（该模块运行稳定，且该模块有休眠功能，可以在野外恶劣环境下节省电量），还包括：温度采集电路、存储电路、防雷电路、输入输出电路和时钟同步电路等外围电路，所述单片机6设置有RS232通讯接口10，该RS-232通讯接口10与TC35模块建立物理连接，采用AT命令通过短消息的形式实现数据的传送。 图2 高智能工程监测系统组成结构示意图图3为传感器模块的工作原理示意图；应变片采集的电压接入到电路中，双极性信号加到单电源模数转换器AD623上，而输入单源电压，AD623 可以去除共模电压并且对输入有用信号放大100 倍。信号再通过AD0的模数转换，通过IIC通信协议与单片机通信将应变电压输入单片机，温度计也通过单片机的一个I/0输入。当单片机采集到应变电压，单片机可以存储芯片上读取标定表，从而计算出形变量。在应变片上的的IN-输入端有接入一个电子电位器,调整其电阻，从而达到调整电桥平衡的效果，保证初始读取电压为零，调零作用。温度计芯片主要提供温度，对监测点上多一个分析的数据。通过监控主机与信号采集单元通信，把标定表给存储在模块的存储芯片呢，每次读取到电压UBD模块的MCU再根据标定计算出物体的微应变。从而可以测量出物体所受的力，或者是所受的压强或者直接测微应变。图3 传感器模块的工作原理示意图2、高智能监测系统研发进展吉华公司研发的自动化监测系统可兼容传感器特点如下：（1）内置数据存储器传感器内置1600条以上数据存储空间，数据循环记录，可随时从传感器中下载相关纪录。在其他载体的数据资料丢失时，确保原始资料的安全。（2）内置电子标签传感器内置电子标签，包含产品规格、型号、参数、生产日期等信息。用户还可自行设置传感器的自编号（如安装位置）等内容，方便用户快捷、准确地识别和定位传感器。 （3）环境适应性强 产品进行严格的防潮、防霉处理，可耐冷热冲击、耐老化、耐振动。吉华公司研发的远程自动化数据采集系统、自动化监测系统可兼容传感器符合当前形势发展，其他厂家传感器可通过外接处理器的方式与吉华公司研发的自动化监测系统兼容（见表1）。表1 采集系统可兼容的传感器类型监测参数采集系统可兼容的传感器类型沉降位移单点沉降计、冻胀计、分层沉降计、静力水准仪、位移计、多点位移计、柔性位移计、顶针位移计、边坡位移计、测缝计、超声波物位计倾斜倾角滑轮式测斜仪、倾角仪、固定测斜仪、剖面沉降计雨量水位雨量计、水位计土压水压土压力盒、土壤吸附力计、孔隙水压计、渗压计温度湿度温度计、湿度计应力应变表面应变计、混凝土应变计、钢筋计、锚杆计、锚索计、索力计、轴力计、荷载计、岩石应力计环境监测风速风向、水流速、酸碱度、气体浓度、日照传感器振动振动传感器吉华公司开发的高智能监测系统见下图：图4 高智能监测系统3、自动化监测技术发展主要面临的变局 目前自动化监测技术发展主要面临如下三大环境变局。（1）标准缺位：自动化监测技术涉及远程自动化数据采集和处理。远程自动化数据采集和处理一般包括前端、传输和后台存储管理等三部分，目前尚未有统一的标准和规范出台为远程自动化数据采集手段正名。此外，各厂商生产的产品间对接还远不顺畅。（2）数模混搭：远程数据采集系统应用在新项目中成长很快，但很多改造项目还处在传统模数混合监测与基于IP 的网络监控并存的状态。虽然监测网络化已是大势所趋，但我国许多传统的模拟监测还会存在一段时间。模拟与数字混搭，并不是简单地将两个监控网络联接到一起。如果模拟不能够与网络进行无缝联接，对新老系统都将产生破坏。在行业应用方面，由于各个行业应用和业务需求不同，导致差别比较大。（3）应用滞后：数字内容管理和智能技术的发展，给远程自动化数据采集系统的应用提供了广阔的范围，如对多媒体内容的搜索，可以更快速地对内容和时间进行定位。利用智能技术中的识别技术，按照用户的特许要求，监测指定对象的变化，动态获取被测对象的物理量包括应变、应力、压力、荷载、沉降、倾斜度等数据。然而，这些都是单纯的技术功能，如何用好这些先进的技术才是关键。三、自动化监测技术应用广州猎德大桥系统北延线下穿广深铁路隧道监测。猎德大桥系统北延线下穿广深铁路隧道是猎德系统北延线工程的控制性节点工程，广深铁路是内地通往香港、深圳的主要干道，必须保证施工期间铁路的绝对安全（见图5）。而广深铁路白天列车车流密度大，每天早上5点至晚上11点非抢修人员禁止上道，只能在夜间一个很短的时间点进行监测。图5 广深铁路在采用静力水准和固定测斜仪的同时采用自动化监测技术，对广深铁路路基沉降和隧道变形实行了全天24小时监测，成功地解决了铁路扣轨和隧道施工过程中因铁路运营繁忙、人员无法直接到达监测部位，多点难以实施同步监测、监测数据不连续等难题，实施了全程、远程自动化监测，数据反馈及时，预警效果良好。监测实施方案。采用静力水准仪、全密封标配机箱、总线采集模块及配套元件进行沉降远程自动化监测；采用固定测斜仪，与静力水准仪一同采用全密封标配机箱、总线采集模块及配套元件进行测斜远程自动化监测；采集的监测数据通过GPRS无线系统传输到主机，主机在连接互联网后可实现远程实时浏览监测数据。通过24小时不间断监测，确保了铁路的安全；在列车运行期间对铁路进行远程自动化监测可保证监测人员的安全；本次监测期间，多次在夜间（暴雨后）发现铁路路基沉降达到报警值，及时向有关单位报警，及时采取措施、消除安全隐患，确保了工程安全，取得了良好的社会效益。四、自动化监测技术发展的未来：全数字化当前我国正在持续大力发展基础设施建设，推进社会经济的飞速发展。中国城镇化进程的加快，一大批基础设施包括建筑物、高速公路、高速铁路、地质灾害治理、地铁等工程的建设施工的安全监测，这些都需要自动化监测技术来完成。有专家预测自动化监测技术将在未来的35 年内迎来最大的需求市场。据统计，监测自动化技术每年的需求量正以20%的速度上升，制造商、销售商、中间商也可对产品作进一步优化，如在功能、性能、可靠性和操作性方面发展实现多元智能化。尽管我国网络监测市场环境面临众多挑战，但不可否认的是，全数字化网络监测系统是未来发展的主流趋势。随着与信息技术、人工智能等各类新技术的不断融合，全数字化网络监测系统将不再是局限于基于本地化的、孤立的、需人力监控的系统，而将发展成为基于3G 网络的无限低成本扩展监测范围的系统，实现与信息收集、联网传输、GPS、企业办公系统等在同一平台下大规模集成，具备远程监测、物质识别、自动跟踪、信息统计等特定智能化功能，其应用范围也将扩展到建筑、水利、高铁、航海等领域。自动化监测是监测技术中最重要的手段，具备长期的大趋势，工程监测的需求呈现快速增长态势。第一，监测是一种基本的工程建设需求，是随着城市化进程的