现代仪器技术在隧道工程中的应用

现代仪器技术在隧道工程中的应用王运生(郑州大学水利与环境学院，郑州450001)[摘要]本文以现代仪器技术为主线，详细论述了锚杆质量检测仪、隧道地质超前预报成像系统、PS波速测井仪方法原理以及应用效果。同时结合无线传感器网络技术，对目前正在研发的隧道无线安全监测系统作了初步介绍。[关键词]现代仪器；隧道工程；锚杆检测；超前预报；安全监测；1引言科学技术的突飞猛进，给我们带来了日新月异的感受。信号测试与分析技术在工程安全与管理等方面发挥着重要的不可代替的作用。与此同时随着仪器和计算机信息技术的快速发展，研究和应用现代仪器技术为我们提供了新的机遇和新的挑战。结合近年来研究成果，本文主要阐述与探讨现在仪器技术在隧道工程等方面的应用以及发展前景。工程检测到的信号通常是一些变化的模拟量（如电压、电流），必须首先转换成数字量才能使用计算机进行分析处理，模数转换电路（A/D）对测试设备性能起着决定性的作用。A/D转换位数（分辨率）已经从最初的8bit发展到24bit，能够充分满足精度要求。因此，如何使检测设备更加轻便节能、效率更高更可靠已经成为主要研究目标之一。目前，以嵌入式智能设备为核心的后PC时代已经到来，嵌入式技术和产品在近几年来获得了极大的发展，其应用遍布各行各业。嵌入式系统的硬件设计通常采用整合式芯片Soc（System-on-Chip），即将CPU、DSP、I/O等功能做在一个芯片上，具有更小、更快、更节能等特点。与此同时，虚拟仪器和无2线数据通讯等多种新技术达到了快速推广和应用，对工程检测设备的创新和发展同样具有重要作用。2嵌入式实时系统与应用（ARM）嵌入式系统一般包括硬件和软件两个部分，硬件核心微处理器架构有ARM和MIPS等不同类型，由于ARM（AdvancedRISCMachines）技术方案架构具备低功耗、高效能、低成本以及小体积等特性，使得ARM得到了众多的知识产权授权用户，其中包括世界顶级的半导体和系统公司。因此，ARM既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。MarvellPXA微处理器采用ARM架构同时兼容XScale技术，提供广泛的优化整合标准，能充分满足手持式设备高性能和低功耗之需求。目前32位的微处理器硬件（ARM）和实时的多任务操作系统软件相结合是嵌入式系统发展的主流。微软公司从1996年发布嵌入式操作系统WindowsCE1.0，随着新版本的不断推出和性能提升，目前已经彻底奠定它在嵌入式操作系统领域的领先地位。WindowsCE是一个开放的、可裁剪的、32位的实时嵌入式窗口操作系统，具有可靠性好、实时性高、内核体积小等特点，被认为是高端嵌入式智能设备最好的开发平台和操作系统之一。近几年来，我国的基础工程设施建设发展迅速，人工隧道和人工高边坡工程大量涌现，锚杆锚固技术作为各类地下工程(隧道、洞室等)及边坡防护的重要手段，已在公路、铁路等基础工程施工中得到广泛应用。因此，锚杆锚固质量的检测工作在锚杆加固工程中具有十分重要的地位和作用，其相应的快速3无损检测技术的研究与开发目前已是岩土工程设计、施工和工程物理探测等专业领域中十分关注的热点问题之一。针对实际工程迫切需要，应用嵌入式实时智能测试技术，基于高精度低功耗模数芯片（A/D），开发研制成功WYS-EGS06锚杆智能检测仪器，如图1所示。仪器硬件部分由台湾著名IT企业设计生产。使用MarvellPXA微处理器，3.5VGA高分辨真彩触摸屏，128MB大容量存储器和2400mAh大能量电池。软件使用EVC编程语言自主研发，基于WindowsCE5.0嵌入式操作系统运行，通过控制仪器A/D可以对锚杆振动信号进行高精度采集。应用研发的高分辨信号接收技术和实时的频谱、小波等分析方法，可及时确定锚杆长度及其缺陷位置和类型。应用与之相配合使用的BP人工神经网络系统，通过建立样本数据库，可对锚杆密实度等参数进行智能反演。实测信号和反演成果如图2所示。图1EGS06锚杆质量智能检测系统4仪器根据野外现场实际条件，采用手持式设备高标准高规格设计，防尘防水等级为IP65，附合军方MIL-STD-810F标准；通过多次5英尺跌落试验，在-20o~60oC温度条件下可正常操作使用。主要技术指标已经被作为国家行业标准（报批稿）所采用；方法技术研究获得国家自然科学基金资助，项目由河北科技大学、山东科技大学和郑州大学共同申请（批准号50874035），为在理论和应用方面进一步深入研究提供了支持和保障。3高速无线传输与应用（Wi-Fi）Wi-Fi（WirelessFidelity）的正式名称是“IEEE802.11b/g”，属于短距离高速无线传输技术。与蓝牙技术相比较，在电波的覆盖范围方面要更胜一筹。Wi-Fi具有较大的覆盖范围，可达300英尺左右（约合90米）。Wi-Fi数据采集是基于PC的数据采集的扩展，可在不方便或无法进行布线的测量应用中使用，增强了测试设备使用的灵活性和方便性。美国国家仪器有限公司NI（NationalInstruments）创立于1976年，早在1986年首先提出了“软件就是仪器”的概念。长期致力于开发基于计算机的图2EGS06锚杆质量智能检测成果图5“虚拟仪器”技术，并且在这一领域始终保持领先地位。所谓虚拟仪器一般由三部分组成（即：应用软件+计算机+功能模块），软件界面上的虚拟面板具有传统仪器操作控制功能。应用计算机软件和专用信号采集模块，可以方便、灵活、直观地测试和分析信号。虚拟仪器技术的出现，彻底打破了仪器功能由厂家一次定义无法改变的模式，用户可以应用软件设计技术，随时设计新的仪器系统，满足多种多样的应用需求。作为隐蔽工程的公路、铁路、矿山等隧道工程在施工过程中，由于前方地质情况不明，经常会因遇到断层、破碎带、暗河、高地应力等不良地质体而导致塌方、泥石流、涌水、岩爆冒顶等地质灾害发生。这些灾害的出现，往往会影响施工进度，造成人员伤亡，给施工单位、国家和人民带来严重的经济损失。因此，隧道施工过程中的超前预报工作在隧道工程中的地位和作用都十分重要，目前用于隧道超前预报的地球物理方法很多，其中遂道地震超前预报系统（TSP）是最为常用的方法之一。根据弹性波传播理论，参考TSP基本方法原理，应用虚拟仪器技术，使用NI最新推出的4通道无线数据采集模块（WLS-9234），如图3所示，开发研制隧道地质超前预报成像系统T3（TrueTunnelTomography）。仪器具有Wi-Fi图3基于WLS-9234无线数据采集仪器6高速无线通信功能，因此在使用过程中更加灵活方便。每通道独立采样，模数转换（A/D）24位，最高采样频率51.2KHz，具有防混叠滤波器。软件可选加速度/速度传感器接收方式和交流/直流输入耦合方式。软件设计以地震波叠前绕射扫描偏移成像为基本原理，基于共反射面元（CRS）叠加技术，对地震记录中的绕射波进行处理，进而实现高精度地震成像。基于虚拟仪器开发设计的灵活性，使用WLS-9234无线数据模块，同样可以快速开发出PS波速测井仪、地脉动以及振动监测分析仪。PS波速测井虚拟仪器软件运行界面如图4所示。单孔法PS测井基本原理是，通过获取地震波经过不同深度的岩土的直达波旅行时便可求得纵横波波速。进而依据弹性波理论，根据纵横波速度即可计算出泊松比、剪切模量、扬氏模量、风化系数、岩石完整性系数等岩土动力学参数。这些参数可对隧道围岩等级做出评定，为隧道设计提供必要的依据。图4PS波速测井虚拟仪器软件界面74无线传感器网络与应用（ZigBee）无线传感器网络诞生于上世纪90年代末，最初是美国军方提出用以进行战场环境监测的新技术，在初期产品完成后由美国Crossbow科技公司负责民用推广。Crossbow最近所推出的IRIS节点，使用的射频芯片完全兼容IEEE802.15.4（ZigBee），在通信距离指标上得到大幅提高，室外两个节点之间传输距离大于300米，同时其功耗反而得到一定降低。能够提供低功耗、远距离传输双重优势，保证了在使用无线传感器网络时，无需烦恼于如何取舍功率和作用距离。无线传感器网络组成一般包括端节点、路由和网关三个部分，节点由传感器、信号A/D、射频和处理器模块组成。节点同时可具有路由功能，因此，只需要一个与电脑相连接的基础接收点（网关）和多个节点即可组成网络，应用原理如图5所示。其最明显的特点是“自组织，自愈合”。自组织是指各个节点在部署之后可以自动探测邻居节点并形成网状的最终汇聚到网关节点的多跳路由，整个过程不需人为干预。自愈合是指整个网络具有动态鲁棒性，在任图5无线传感器网络应用原理图8何节点损坏，或加入新节点时，网络都可以自动调节路由随时适应物理网络的变化。这些特点使得无线传感器网络能够适应复杂多变的环境，可监测人力难以到达的恶劣环境地区。目前引水输水隧洞、公路交通隧道、铁路交通隧道洞的长度已达数十公里，若采用常规的监测手段，信号传输距离多在100m～2000m之间。这将大大制约长距离隧道安全监测工作的进行。无线传感器网络技术在信号测试和长距离传输方面具有不可比拟的优越性，能够很好满足长距离隧洞安全监测的需要。目前正在研发的基于无线传感器网络的隧道安全监测系统，节点硬件选用IRIS，软件使用nesC语言基于TinyOS平台开发，方法过程如图6所示。TinyOS是美国的伯克利大学为嵌入式无线传感器网络而设计的源码开放的操作系统，它运行在每个网络节点上，是其它上层应用和协议运行的前提。Wi-Fi数据采集与大多数无线传感器网络区别在于，Wi-Fi数据采集设备图6无线传感器网络TinyOS编程界面9需要将数据流快速连续地传回PC或笔记本电脑中。无线传感器节点通常是低功率、半自动、电池供电的设备，用于长期部署在工程应用中，其测量通常每过几分钟、几个小时甚至是几天进行一次。5结论结合近几年来研究成果，较详细论述了锚杆智能检测仪、隧道地质超前预报成像系统、PS波速测井仪等设计原理与开发方法。并且部分产品已经取得了良好的应用效果，对项目的合理性和先进性给予了充分验证。随着产品的不断完善和应用推广，一定会更好的为工程建设服务。目前，我国的基础工程设施建设发展迅速，在许多方面，检测与监测仪器技术落后于工程需求的矛盾日益突出。与此同时，随着仪器和计算机信息技术的快速发展，研究和应用现代仪器技术为我们提供了新的机遇和新的挑战。有理由相信各种创新型的仪器设备会不断涌现，很多工程中的检测难题会随之迎刃而解。由于时间和知识所限，文中疏漏不当之处难免，敬请指正并多提宝贵意见。参考文献（略）作者简介：王运生(1963—)，男，河南安阳人，博士，高级工程师，主要从事工程物探方法技术研究和软件开发（）。Tel:[phone];Email:[e-mail]