《隧道及地下工程信息化技术与应用》课件 第四章 无线传感网络在隧道工程中的应用

第四章无线传感网络在隧道工程中的应用东南大学土木工程学院《隧道及地下工程信息化技术与应用》内容提纲隧道无线传感网络概述1无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验2无线传感网络在地铁隧道中的应用案例34.1隧道无线传感网络概述4.1.1无线传感网络的发展历程与现状最早的无线传感网络（WirelessSensorNetworks，WSN）可以追溯到上世纪80年代，美国国防高级研究计划局正式开始研发分布式传感网络（DSN）。进入90年代后，WSN开始应用于民用领域，如UCLA的无线集成网络传感器（1993）、UCBerkeley的PicoRadio项目（1999），再到ZigBee联盟的成立（2002）、嵌入式网络传感中心的建立（2002）等。无线传感网络技术的发展实际上是其核心组成部分（传感器、供能技术、通信协议）发展的综合。随着物联网（Internet-of-Things，IoT）生态环境的逐步完善，未来无线传感网络将逐步与多种异构网络相连接，最终构成多尺度范围的物联网。4.1隧道无线传感网络概述4.1.2无线传感网络体系结构传感器节点总体构架无线传感网络拓扑图无线传感网络体系结构无线传感网络特点1、功耗低2、成本低3、时延短4、网络容量大5、安全可靠6、动态组网布置灵活4.1隧道无线传感网络概述4.1.3无线传感网络在隧道工程中的应用发展与现状无线传感网络在隧道结构中的典型应用案例随着相关无线传感网络协议和行业组织出现，无线传感网络技术在隧道及地下工程监测领域应用逐步展开。内容提纲隧道无线传感网络概述1无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验2无线传感网络在地铁隧道中的应用案例34.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.1无线传感网络硬件设备USB网关主要有RS-232串口、USB和以太网网关三种。MIB520CA提供2个独立端口：一个用于在线Mote编程，另一个用于USB数据传输。MIB520CA带有一个板载处理器，可运行MICA处理器/射频板。由于应用USB总线，故无需外部供电电源。4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.1无线传感网络硬件设备射频板集成了整个传感节点的无线通信模块、处理模块和能量供应模块。在通信模块中内嵌入物理层协议、数据链路层协议、网络层协议、传输层协议；在处理模块中嵌入微型CPU与存储器；在能量供应模块中集成了能量管理技术，它是整个无线传感网络工作的核心器件，具有小巧、连接方便、功能强大等优点。处理器射频天线电池4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.1无线传感网络硬件设备传感器板是传感节点中的传感模块，包括了传感器和A/D转换器，主要负责采集周围环境的相关参数量值，将模拟信号转换成数字信号，再传输给处理器。这套MDA300传感器板自带温湿度传感器，提供多个可扩展通信通道以便连接各种传感器，这也是它最大的优点，支持多信道扩展功能，共有13个模拟信道、6个数字信道。温度传感模块湿度传感模块4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.1无线传感网络硬件设备位移传感器采用RDP.GROUP的DCHP4000LVDT。LVDT（LinearVariableDifferentialTransformer）是线性可变差动变压器缩写，属于直线位移传感器。外接到软件CrossbowMoteView2.0后，其分辨率为0.01mm，已经完全满足地下结构的变形监测的要求。4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.1无线传感网络硬件设备倾角传感器CXTLA02是单双轴模拟倾角计，具有高分辨率、精度、快速响应、体积小、成本低、抗恶劣环境、抗振动、易于安装使用等特点。它主要采用高稳定性的硅微机械电容倾角传感器，以模拟信号方式输出倾斜角度和温度信息。在该倾角传感器工作之前需要将传感器输出的电压值通过数值标定转化成相应的位移值。4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.2隧道监测方法基于倾斜计的隧道变形监测方法再利用材料力学原理获得其位移与结构转角之间的关系：先简化4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.2隧道监测方法基于倾斜计的隧道变形监测方法对2.2m跨度的混凝土梁进行加载试验，以验证由材料力学原理计算得到的位移和从结构响应中测得的位移。倾斜计安装在距离中心0.35m、0.4m、0.45m和0.55m的位置。无线倾斜计荷载试验4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.2隧道监测方法相对误差为2.2%~8.9%，其中布设于结构1/4跨位置（距离中心0.55m）处倾斜计的计算与实测位移误差最小。由此可知，隧道结构的位移可以通过倾斜计的监测数据推导得到，最佳的倾斜计安装位置在1/4跨位置，而不是结构的跨中。基于倾斜计的隧道变形监测方法不同测斜计布设位置处测量与计算位移关系4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.2隧道监测方法基于数值模拟的火灾监测方法为确定温度传感器的最低精度要求和在隧道内火灾监测的最佳安装位置，使用Smart-Fire火灾模拟软件模拟隧道在火灾情况下的温度分布。起火点位于隧道端部30m，模拟火焰功率为5MW，空间尺寸为4.5(L)

2.0(W)

1.5(H)m3。使用Smart-Fire建立的隧道火灾模拟数值模型4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.2隧道监测方法基于数值模拟的火灾监测方法该数值模拟分四种工况：1、Q=5MW,纵向风速=0m/s；2、Q=5MW,纵向风速=1.5m/s；3、Q=0.188t2,纵向风速=0m/s；4、Q=0.188t2,纵向风速=1.5m/s。隧道纵断面在不同工况下温度变化曲线4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.2隧道监测方法基于数值模拟的火灾监测方法从下表中可以获得隧道火灾监测的传感器布设要求传感器精度、最大距离及警报值4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.2隧道监测方法基于数值模拟的火灾监测方法为了在火灾中协助人们尽快撤离隧道，需要在隧道横断面上合理地布设无线温度传感器，数值模拟显示布置在拱顶处的温度传感器对温度变化的响应速度明显快于其他位置。因此，一般建议将无线温度传感器安装在隧道跨中拱顶处。隧道横断面温度变化4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.3隧道无线传感网络试验室外条件和隧道条件下的数据传输试验为指导无线传感网络在隧道内的安装，进行了无线传感网络在室外条件与隧道条件下的数据传输试验。无线传输试验环境(a)室外环境(b)隧道环境4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.3隧道无线传感网络试验室外条件和隧道条件下的数据传输试验隧道环境下的丢包率大约为室外环境下的3倍，即无线传感器在隧道中的最大布置距离只有室外条件下的1/3。传输距离与丢包率之间的关系(a)室外环境(b)隧道环境4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.3隧道无线传感网络试验A和B的取值与传感器周围的材料特性存在一定的关系，试验对不同的材料（石灰抹面、水磨石、混凝土、砖墙、沥青）进行试验对比。（a）石灰抹面

（b）水磨石

（c）沥青

（d）砖墙（e）裸露混凝土无线数据传输丢失率计算公式表面材料对隧道内数据传输距离的影响4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.3隧道无线传感网络试验表面材料对隧道内数据传输距离的影响不同表面装饰材料对传播性能的影响不同装饰材料隧道无线传输距离4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.3隧道无线传感网络试验传感器断面位置对隧道无线传输距离影响传感器在断面上的位置同样会影响隧道无线信号的传输距离。位置1~位置8处的传感器均布置在墙上，天线与墙面垂直，位置0位于隧道中央，提供比较的基准。监测点布置(a)传感器(b)传感器布置示意图4.2无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验4.2.3隧道无线传感网络试验传感器断面位置对隧道无线传输距离影响矩形断面每边中点处的传输距离基本一致，而底边五个位置上的传输距离差异较大。因此应尽可能避免在墙角处安装无线传感器，综合考虑倾斜计监测需求与无线数据传输性能，在1/4跨处布置传感器较为合适。底边各点传输距离比较内容提纲隧道无线传感网络概述1无线传感网络在隧道工程中应用的可行性试验2无线传感网络在地铁隧道中的应用案例34.3无线传感网络在地铁隧道中的应用案例4.3.1工程概况地铁区间平面示意图SK22+473.443m环号：12082013年12月正式开通运营，为双线单圆盾构隧道。上行线单线长1450.910m，下行线单线长1450.388m。区间隧道内径为5.5m，外径为6.2m，上下行线均为1208环。国际客运中心站—天潼路站区间概况4.3无线传感网络在地铁隧道中的应用案例4.3.1工程概况计划于2015年6月底进行基坑开挖。临近12号线天潼路-国客站上行区间，与地铁线路平行长度约100m(84环)。中美信托大厦基坑与示范区间的位置关系基坑平面布置图4.3无线传感网络在地铁隧道中的应用案例4.3.1工程概况距隧道水平距离最近处约10.3m。基坑普通区域设置四层地下室，邻近地铁区域设置两层地下室。基坑剖面示意图中美信托大厦基坑与示范区间的位置关系4.3无线传感网络在地铁隧道中的应用案例4.3.2工程无线监测布设位置及主要内容SK22+664.2m环号：1065SK23+328.2m环号：495范围总长684.0m实施区间里程为SK22+664.2m~SK23+328.2m，对应上行线环号495环~1065环（570环），总长度为684.0m。4.3无线传感网络在地铁隧道中的应用案例4.3.2工程无线监测布设位置及主要内容无线监测与对比传统监测内容无线监测包括盾构管片的倾角变化、接缝张开和渗漏水。同时开展传统监测，与无线监测内容进行对比并作补充，包括管径收敛、结构沉降、病害巡检等。病害巡检4.3无线传感网络在地铁隧道中的应用案例4.3.3无线监测方案为973数字化平台提供基础监测数据。为与自制传感器提供对比，验证自制传感器的可靠性、准确性和稳定性。WISENMESHNET®倾角支点（双轴）BGK-4420型表面裂缝计监测目的监测方案一4.3无线传感网络在地铁隧道中的应用案例4.3.3无线监测方案监测断面布置12号线下行线监测断面平面分布示意图106510351005975945915885855815705675645615585555525495（705环-815环）加密监测区域，每10环布置一个监测断面左侧监测区域，每30环布置一个监测断面右侧监测区域，每30环布置一个监测断面监测方案一4.3无线传感网络在地铁隧道中的应用案例4.3.3无线监测方案监测频率监测方案一4.3无线传感网络在地铁隧道中的应用案例4.3.3无线监测方案监测目的与商业无线传感器、传统测量方法进行对比分析，验证自制传感器的可靠性、准确性和稳定性。验证倾角传感器监测隧道收敛变形方法的最优布设方案。无线双倾角监测传感器无线接缝监测传感器无线渗漏水监测传感器监测方案二4.3无线传感网络在地铁隧道中的应用案例4.3.3无线监测方案监测范围795、805环断面除布置4个双倾角传感器外，还将各布设4个接缝张开传感器。监测方案二自制无线传感器的布置断面及测点位置与商业监测方案相同。现场布置时，为实现自制传感器与商业传感器的数据可以进行比对，应尽量使同一测点的两种仪器安装在同一位置。4.3无线传感网络在地铁隧道中的应用案例4.3.3无线监测方案795、805环断