15.超长输水隧洞多种类传感器信息通讯方式探讨

超长输水隧洞多种类传感器信息通讯方式探讨范光亚，何勇军，李宏恩，李 铮，徐海峰（南京水利科学研究院/大坝安全与管理研究所，江苏 南京，210029）摘要：针对超长输水隧洞安全监测工程中安装有不同种类传感器，以及其远距离数据传输的特点，在对水利工程安全监测系统常用信息通讯方式进行优劣势比较的基础上，提出了适用于光纤传感器和常规传感器组合的GPRS信息通讯方式，并探讨了该通讯方式应用于超长输水隧洞工程监测信息传输的适用性和可行性。

最后介绍了该信息通讯方式在某补水工程长距离输水隧洞中的应用，研究成果可为类似工程应用提供借鉴。

关键词： 超长输水隧洞；光纤传感器；信息采集；GPRS；信息通讯1 概述为克服水资源时空分布不均的特点，跨流域调水就成为解决水资源在时间、空间分布上的不均或资源性的短缺而采取的水资源优化配置工程。

我国历史上就存在水资源供需矛盾，需要进行跨流域调水以缓解缺水地区的供需矛盾，从古代的京杭大运河、都河堰工程到新中国成立后的丹江口水利枢纽引江工程，引滦入津和引滦入唐工程，以及新世纪开始建设的南水北调工程，调水工程的建设在一定程度上缓解了这一矛盾，实现了缺水地区经济社会持续稳定的发展[1-5]。

而远程调水又是一个十分复杂的，在很多方面存在高度风险的工程[6]。

在远程调水工程中长距离输水隧洞成为在输水工程中的重要组成部分，长距离输水隧洞工程，尤其对于百公里级的超长距离隧洞，其工程安全直接关系到供水系统的可靠性。

但是由于长距离隧洞工程本身跨越距离长，其沿线场地地质条件复杂多变、导致其施工工艺繁冗，同时又受到目前岩土力学理论、数值模拟及勘测技术的限制，目前尚不可能在设计阶段就准确预测和评估其在施工运行全过程中的动态响应。

因此应用于反馈设计的长距离隧洞的工程安全监测工作显得尤为重要[7]。

传统电测类监测仪器因受传感器到采集单元传输距离的限制，无法实现远距离传输，从而使得光纤传感器在长距离输水隧洞工程中得到了广泛使用。

由于传统传感器亦具有信息稳定、精度高，便于安装等自身独特的优势，在输水隧洞短洞段仍具有一定实用价值，因此，根据超长输水隧洞具有隧洞长短段相结合的工程特性，在长距离输水隧洞工程中通常需要在不同隧洞段安装有多种类型的传感器。

本文针对应用于超长输水隧洞中多种类型传感器交叉组合布置情况下的安全监测工程，首先对目前安全监测领域中传感器的应用现状进行了简要介绍，其次结合隧洞安全监测特点，对目前常用的信息通讯方法的优缺点进行了探讨，并提出了适用于超长输水隧洞安全监测的GPRS组网方式；最后将所提出的信息通讯方式应用于某补水工程超长距离输水隧洞安全监测工程中以供类似工程借鉴。

2 安全监测传感器应用现状为满足水利工程安全监测需要，通常要安装埋设多种传感器[8]，主要监测项目有：变形、裂缝及接缝、倾斜、应力、压力、应变、位移、环境量等。

随着技术的进步，传感器类型也呈现多样化发展态势，如：差动电阻式、钢弦式、电容式、光纤式传感器等[9]。

长距离输水隧洞工程，沿途通常需要布设多个监测断面，针对不同的监测目的，监测仪器种类和数量均较多。

对百公里级超长输水线路工程而言，即使其单体隧洞间会有明渠或倒虹吸等连接，但其单体隧洞长度通常仍在10km以上。

在这些较长单体隧洞中，往往安装有围岩变形、渗透压力、锚杆应力、混凝土应力、应变、接缝等监测仪器，若选用振弦、差阻式等常规仪器，此类电信号型传感器受其工作原理的限制，其信号传输距离多在2 km以内。

虽然采取一些信号放大措施可以做到更远传输，但其传输距离仍然有限。

所以，采用常规的电测类传感器将大大制约长距离隧洞安全监测系统的可靠性[10]。

光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后获得被测参数。

针对目前传感器技术的发展，对长距离隧洞监测工程其单体隧洞较长部位只能选择光纤传感器，其具有传输距离长、抗电磁干扰、耐水、耐高温、保密性好、速度快、带宽大等优点。

但是，与普通电测类传感器相比，由于光纤传感器发展历史较短，仍然存在一些不足，如监测精度偏低，施工安装工艺要求高，光纤光栅解调仪价格偏贵等，在超长输水隧洞安全监测常规电测类传感器不能满足监测需要时，可采用光纤式传感器作为优势互补[11]。

对于超长距离输水工程而言，常规电测型传感器因具有精度高、安装简单，信号电缆连接方便等优点，在单体较短的洞段仍被广泛采用。

而在单体隧洞较长洞段，因电测型传感器无法满足信号传输的需要，则宜采用光纤类传感器。

因此对于超长距离输水隧洞工程，不同洞段往往安装有不同种类的传感器。

本着可靠、经济和合理的原则，如何保证多种类型的传感器数据信号的有效采集和稳定传输，则成了超长输水隧洞工程安全监测系统急待解决的问题。

3 超长隧洞多类型传感器信息采集方式根据前述，超长输水隧洞工程根据单体洞段的长短，往往安装有常规电测类传感器和光纤类传感器。

常规电测类传感器使用常规采集单元采集电测类传感器信号，将每支常规传感器电缆直接连接到采集单元，此类仪器如差动电阻式、钢弦式等；光纤光栅采集仪则负责采集光纤传感器信号，光纤传感器具有不同传感器自身波长不同的特点，单芯光纤即可挂接若干个光纤传感器（只要在安装时避开相同波长即可）。

对于超长输水隧洞工程安全监测系统，根据监测仪器安装断面情况，将各种传感器信号电缆（或光纤）牵引至观测支洞或外部观测房，根据仪器类型分别接入相应的采集装置。

常规电测类传感器及光纤类传感器采集装置接入情况见图1。

图1 不同类型传感器信息采集方式4 数据通信方式4.1常用通讯方式各类传感器监测信号经采集装置采集后，需将采集到的监测数据传输至工程管理单位监测中心机房，目前水利工程中安全监测数据的传输常用的通讯方式有：RS485、超短波电台、GPRS和光纤传输等。

下面就各种通讯方式的优缺点分别进行评述：（1）RS485通讯方式：在低速、短距离、无干扰的场合可以采用普通的双绞线，反之，在高速、长线传输时，则必须采用RS485专用电缆，而在干扰恶劣的环境下还应采用铠装型双绞屏蔽电缆。

理论上RS485通信速率在100kpbs及以下时，RS485的最长传输距离可达1.2km，但在实际应用中传输的距离也因芯片及电缆的传输特性而所差异。

虽可采用增加中继的方法对信号进行放大，最多可以加8个中继，理论上RS485的最大传输距离可以达到9.6 km，但可靠度较低。

优点：施工简便，无使用费；缺点：传输距离短，抗干扰差，速率低。

（2）超短波数字电台通讯超短波通信一般是直射波，反射波和地表面波的合成波。

超短波电台通信系统是一种先进的信息交换设备，能够以实时或接近实时地传送话音、数据等信息。

但目标通讯方向有高山等障碍物阻隔时需加中继站。

优点：频段宽，通信容量大，受昼夜和季节变化的影响小，无使用费；缺点：通信距离较近，受地形影响较大，长距离传输或有障碍物阻隔时需加中继站。

（3）GPRS通讯GPRS是通用分组无线业务的简称，是在GSM系统（GSM短信单条最多发送140个字节，不能满足大型隧洞工程监测数据传输的需要）上发展出来的一种新的承载业务。

GPRS允许用户在端到端分组模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。

优点：在线传输且速率高（64‐128Kbps），接入快，支持IP和X.25 协议；缺点：有一定使用费，以通信的数据量为依据进行计费。

（4）光纤传输通讯光纤通信是利用激光器产生的光波作为载波，通过光导纤维传递信息的一种通信方式。

光纤通信就是将要传送的图像、数据等信号调制到光载波上，以光纤作为传输媒介的通信方式。

优点：传输频带宽，通信容量大，抗干扰能力强，保密性好；缺点：投资大，投入运行后光缆维护困难。

4.2 超长隧洞监测通讯方式通过对安全监测系统常用通讯方式比较，可见，RS485通信虽然安装简便，但距离太短，显然不满足长距离输水隧洞工程安全监测通信要求；输水隧洞通常都是处于山区地带，超短波通信虽然无运行期通讯费用，但往往因存在高山阻隔信号需配置中继站，而中继站又位于山顶，维护相对困难；光缆通信虽具有传输频带宽、抗干扰能力强等优点，但因其投资大且必须沿隧洞内布设导致维护困难。

因此，对于监测点分散的输水隧洞工程安全监测系统宜采用GPRS通讯方式，虽需向移动运营商支付一定的数据使用费，通过技术、经济比较，应是当前通讯条件下最适宜的选择。

因隧洞沿线各观测站房均位于隧洞出口附近地面，易于维护。

GPRS通信方式除可正常传送监测数据外，还可传递图像监控信号（使用串口摄像机，根据需要设置传递图片帧率，传递实时图片，后端软件自动拼合，形成连续视频），便于根据工程实际需要进行相应扩展。

5 工程实例本文以云南省某补水工程输水线路安全监测工程为例，探讨超长距离输水隧洞工程安全监测系统的信息采集和通讯方式。

工程由水库水源枢纽工程、提水泵站工程及提水泵站至城市的输水线路工程组成。

自提水泵站至城市的输水线路全长约120 km，其中隧洞长78.60km，其余由渠道、渡槽和倒虹吸等组成。

5.1 常规传感器采集传输方式为满足施工期及运行期工程安全管理需要，该工程除安装有多种类型的常规传感器，如差阻式仪器（钢筋计等）、振弦式（应变计、渗压计、多点位仪计等）等。

这些监测仪器可使用多功能通用型采集单元（MCU）进行采集，MCU在不采集时值守电流很小，采集数据时仅工作数十秒，即可通过GPRS模块发送，仅需使用太阳能电池配合蓄电池即可满足监测站的正常数据采集和传输，不受连续阴雨天气影响。

常规传感器供电及采集传输方式见图2。

若单个测站采集单元数2台以上，可将RS485并接后再通过GPRS模块向监测中心发送监测数据。

图2 常规传感器供电及采集传输方式5.2 光纤传感器采集传输方式除常规传感器外，该隧洞工程还安装有光纤式传感器。

光纤传感器数据使用光纤光栅采集仪采集，其供电方式为交流220V，光纤光栅采集仪与常规仪器采集单元不同，光纤光栅采集仪需正常开机待命，达到需要的采集的时间间隔时或接收到中心站召测请求时采集并将数据传送出去。

而输水线路沿线无交流电源，共有7个光纤传感器监测站且相对分散，布设交流供电造价很高，拟采用太阳能电池加风电组合的方式供电，结合蓄电池及逆变器给光纤光栅采集仪提供交流电源。

由数传仪下达数据采集指令，待光纤光栅采集仪采集数据后通过GPRS模块上传到监测中心站机房监测主机。

光纤传感器供电及采集传输方式见图3。

光纤光栅采集仪数量若超过1台时，同样可并接后通过GPRS模块向监测中心发送监测数据。