城市地下空间远程实时监测预警系统的应用

城市地下空间远程实时监测预警系统的应用
陈亮1
（1 - 西南交通大学四川成都610031）
摘要: 城市地下空间开发中工程安全日益受到重视，而通过合理的监测手段可以有效预测工程
的安全状况，减少事故发生的概率。

本文就城市地下空间远程实时监测预警技术进行了概括性
探讨，介绍了实现此类技术的条件及若干关键技术，提出了相应的解决方案；并对城市地下空
间监测技术的发展作了展望。

关键字: 地下空间，实时监测，预警系统，关键技术
The Application of Remote Real-time Monitoring and Pre-warning Systems in Urban Underground Space Development
Chen Liang1
（1 – Southwest Jiaotong University Sichuan Chengdu 610031）
Abstract:The safety of geotechnical engineering in urban underground space
development is more and more important; the accident probability will be decreased by
using a reasonable monitoring measure which can effective predict the safety situation
of geotechnical engineering. This paper investigated the technology of remote real-time
monitoring and pre-warning systems, introduced how to achieve this system and some
key technology, given the relation solution; and the prospects of the geotechnical
engineering monitoring technology in urban underground space development are
proposed.
Key words: underground space, real-time monitoring, pre-warning systems,
key technology.
1前言
地下空间作为城市的重要资源，在发达国家得到了多方面的应用，随着我国经济的快速发展，城市地下空间的开发利用已经受到广泛重视，城市地下工程的兴建已经成为一种趋势。

就地下铁路来看，我国从1965年开始修建地下铁道，至今已有北京、天津、上海、广州、深圳、南京等大城市建成部分地铁，目前地铁建设已步人快速发展阶段。

然而，在地铁施工及运营过程中由于地层沉降等原因引起的人员伤亡、财产损失及环境破坏的问题也在频频发生。

如2008年杭州地铁一号线坍塌事故造成21人死亡，直接经济损失1.5亿元人民币；2007年北京市海淀南路的地铁10号线工程苏州街车站东南出入口发生塌方事故导致6名施工者被埋等。

我国各地区地质条件多样且十分复杂，修建地下空间除了需要详细而又准确的地质勘察
和精密的设计之外，在施工过程中还要能及时处理遇到的各种难点问题和突发事件。

信息科技的迅速发展，使得工程与信息技术相合，通过采用合理的监测措施可以使施工及运营期间工程出现事故的风险降至最低。

2监测手段及项目
适用于城市地下空间的监测手段可概分为直接几何方法、间接几何方法和物理方法，见表1。

其中间接法中的巴赛特收敛系统（Bassett ConvergenceSystem）早期使用于矿山采矿坑道掘进的安全监测，由于一些地铁开挖与采矿坑道掘进类似，巴赛特收敛系统被延用于地铁隧道的安全监测中。

巴赛特收敛系统由三大部分组成[1]：
●数据量测部分，包括若干组长、短杆件互相连接的电介质（EL）倾角传感器；
●数据采集部分，包括数据采集控制器和计算机；
●数据处理部分，包括采集控制、标定、计算分析与可视化软件等。

巴赛特收敛系统的一个突出优点是可在现场无人值守的情况下长期自动工作，另一特点是防潮防湿、抗电气干扰，此外，它能在烟雾条件下工作，对环境具有良好的适应能力。

该系统用于测量隧道的收敛变形，要确定隧道的实际位移向量，必须与控制点资料相结合。

由于传感器的制造及采集系统的开发等技术已经比较成熟，该类监测技术已经被广泛用于国内的各工程实践中，本次所介绍的远程实时监测预警系统也源于对巴赛特收敛系统的借鉴。

表1 监测手段概览
工程安全监测项目种类很多，具体到每个工程根据其工程类型、场地地质和施工情况监测项目有所不同。

按监测物理量的类型一般可以分为变形监测、应力应变监测、渗流监测、温度监测和动态监测等。

按监测变量分为原因量和效应量监测。

原因量即环境参量，由于它们的变化引起建筑物性态的变化；效应量是构筑物对原因量变化而产生的响应[4]。

表2列举了一些常规情况下的监测项目。

针对具体工程可以通过数值模拟等方式选择结构中的危险点进行监测。

3实时监测预警系统结构及流程
3.1系统构成
在工程的安全监测中，及时收集和分析现场的监测数据是非常重要的。

为了实现在任何时间甚至任何地点都可以对监测点进行数据采集，并根据分析的要求决定是否预警，组建远程实时监测预警系统建立是切实可行的措施，根据其运行特点可以将它分为以下几部分组成，如图1所示。

表2 常规监测项目
图1 实时监测预警系统结构图
具体介绍如下：
●传感系统
系统应用各种传感器，将被测量（应变、倾斜度等）转变成便于记录及再处理的电压或电流等信号。

由于从传感器输出的电信号一般很弱，通常各种传感器都有与之匹配的信号放大器。

其功能是将传感器输出的信号进行放大或转换。

传感系统包括加速度计、应变计、位移计、钢筋计、土压力盒、测斜仪、信号放大器等。

●数据采集处理系统
该系统的功能是将传感器变换、放大器放大后的信号，直接以模拟量的方式记录下来或者经过模数转换后以数字量的方式进行记录。

另外，为了达到远程实时监测的目的，还要将这些数据通过合理的传输方式传送到监控室，设备包括采集器、发送主机及相应的数据存储和处理设备。

●数据分析系统
从数据采集系统获得的数据经初步处理后或在终端上显示，然后直接进入数据库。

该子系统的目的是根据各监测项目的特点，使各不同类型的数据通过恰当的组织，被有效的存储起来，在保证必要信息存储的前提下，尽量减少数据的冗余度。

设备包括高性能计算机及分析软件，必要时进行实时分析和处理[5]。

●预警系统
预警系统也可称为评估系统，是对测量的结构状态进行判断、分析评估，对异常测试值进行报警的系统，为施工策略的变动提供参考，确保工程安全。

●远程控制
在数据采集和远程传输方面，通过有线连接或无线微波远程模拟信号发送及接收系统，也可以采用在商业上已经取得了巨大成功的客户机/服务器网络系统，实现方便和真正的远程监测。

3.2系统实现流程
实现该系统运行的简易流程如图2所示。

首先通过远程控制向现场的采集器发送采集命令，采集器以发送激振电压等方式控制传感器反馈传感信息，采集器将反馈信息量化成频率等数值，最后通过一定的传输方式将数据发送至监控室的终端，由终端进行数据处理后在决定是否预警。

该流程中有两处地方值得注意，首先是数据远程传输这个环节，它可以有多种选择方式，不同选择将会带来较大的差异，但一般都要根据具体的工程选择合适的传输方式。

各种传输方式的特点如下。

⏹有线传输
该连接方式可以直接使用电缆线将现场的数据采集器与室内的电脑相连接，其优点是省去了发送或者接收主机及其通信的费用，成本相对较低，而且数据传输方便及时；缺点就是连接距离有限，特别是长距离的监测，购置电缆线的成本会增大，而要实现跨地区采集数据几乎不可能，另外就是施工过程中容易发生连接线被压断或者碾碎等。

所以此种方式一般适合工程量较小，监测距离小于1000m的项目。

⏹无线微波传输系统
该连接方式同时需要发送主机和接收主机，数据由专用的软件接收，其优点是不使用连接线，不耗费网络流量，即电脑是否联网并不影响监测的正常进行，数据采集后将由发送主机以微波的形式发送出去，接收主机则负责接收数据信号，可以实现在任何时间跨地区监测；缺点是可能出现数据采集或者接收延时，因为控制现场采集和接收数据都以微波信号传输的方式，而一旦信号服务遇到高峰期，则很容易出现延时情况，另外就是通信花费较高。

此种传输方式适合在无网络地区对工程进行实时监测。

⏹客户机/服务器网络传输系统
该连接方式需要发送主机，数据将由这个发送至网络服务器，室内电脑通过域名访问的方式接收数据。

其优点是利用了当今流行的Internet网络，容易实现数据共享，监测量大时使数据库的开发也变得比较方便，而且数据的传输也较为及时，另外流量费相对也较低，缺点就是最先接收数据的网络服务器一旦瘫痪或者发生网络故障都将导致数据无法及时得到分析和处理，网速也可能会成为制约数据及时传输的因素，但随着信息技术的发展，出现这些事故的概率非常小，所以此种传输方式广泛适用，尤其是工程量大、远距离监测的项目。

另一处值得注意的地方就是预警的环节，预警的前提是数据要得到初步处理和判断，由
此可以有两个地方选择发送预警信息。

首先是数据采集器，因为目前的数据采集中都具有一个以单片机为主的核心处理器及内存储器等，数据完全可以在这里得到处理并决定是否预
警，但是目前采用此类方式预警的事例非常少，并不是因为采集器硬件跟不上，主要原因在于软件，而嵌入式开发投入较大，且精通此类技术的人并不多，相关技术并不成熟。

但是如果在这里可以实现预警，则它的优点是巨大的，可以完全忽略数据传输所出现的各种问题。

所以目前广泛采用的还是将预警的地方放在监控室内的接收端电脑上，毕竟电脑已经得到广泛使用，在此基础上开发各种数据接收和处理程序也相对容易的多，软件修改和更新也比较方便，但是数据传输过程中遇到的各种问题也必将影响到预警，因为数据是在传输之后才判断是否预警。

图2
实时监测预警系统简易流程图 4关键技术讨论
4.1 监测点的布置
布置问题是建立一套成功有效的实时监测预警系统的关键。

需要丰富的工程经验与扎实的理论知识配合。

在具体的工程中，理论研究者可以通过数值模拟或简单解析法等找出潜在的危险点，并与施工方商讨制定布点方案。

一般在隧道拱顶和结构的连接部位应力较为集中，可以优先考虑布置监测点。

4.2 监测精度与频率的确定
一般要求精度较高，但是过高则使监测工作变得复杂，增加监测费用，但过低又会造成数据分析的精确度。

实际操作过程中可以根据理论计算出的数值选择合适量程和精度的监测仪器。

同时也要求软件的浮点运算精度合适。

监测的频率对监测成果有很大的影响，一些规范中也明确给出了监测的频率，但在监测工作实施的过程中，需要根据工程进度、监测对象稳定性分析结果等因素对频率进行调整。

尤其当掌子面距离监测点越来越近时需要加大监测频率。

4.3 预警系统与警戒值
从现有文献来看，城市地下空间安全预警系统的研究分为变形预测模型、预警系统指标体系、预警指标警戒值、预警系统的结构与实现等方面。

不少学者提出了相应的预测模型，如李宏义提出了一个概念，即利用建立的变形灰色预测GM(1，1)模型、变形速率灰色预测Verhulst 模型，预测建筑基坑地表的变形量和变形速率，通过变形量、变形速率与警戒值的比较来实现预警；李惠强尝试基于已有地区实测位移值建立同类地区的神经网络预测位移的方法，与规范规定的变形位移技术指标和警戒值进行比较，以得到预警的目的等。

就目前所
传感器 数据采集器
发送主机
数据远程传输
接收主机 预警
电脑接收数据并处理
使用的预警系统基本都是将监测数据结合相关理论进行处理得到变形量或者变形速率等，再将其与警戒值比较来决定是否预警。

警戒值作为地下工程安全控制的一种强制性警示，提醒工程人员注意，采取必要的措施阻止事态恶化。

警戒值并没有相关的明文规定。

由于监测数据最终将量化成变形值等，所以一般将相关规范中的允许值作为参考来制定警戒值。

有学者将警戒值又分为预警值和报警值，即实现多级预警，预警值取控制值的0.7~0.8倍，报警值取控制值的0.8~0.9倍，控制值参考相关规范选取[2]。

例如以C30混凝土和HRB335钢筋为监测对象，通过应变值比较来实现预警，警戒值选取如表3所示。

根据混凝土结构设计规范和钢结构设计规范，材料强度的标准值是通过试验取得统计数据后，根据其概率分布，并结合工程经验，取其中的某一分位值（不一定是最大值）确定的，而设计值是在标准值的基础上乘以一个分项系数确定的。

因此，将通过强度计算出来的应变作为警戒值。

其中预警值由材料的设计强度和其弹性模量确定，报警值由材料的强度的标准值和其弹性模量确定。

不同的情况下还可以适当乘以折减系数。

表中仅考虑了材料的拉压变形预警，而实际上更多采用摩尔库伦准则及应力路径来判断失稳或者破坏，但实现起来并不容易，首先要求传感器能够测得某点多方向的变形数据，其次要改进实现预警软件的算法。

但是就特定的监测项目而言，警戒值的设定还需要结合工程地质、地表、工程结构等情况综合考虑制定。

表3 警戒值示例
4.4监测数据的分析利用
监测一旦开展，需要结合工程的特点分析大量的监测数据，预测可能发生的走势，引导施工安全有序的进行，确保运营顺利。

常用分析与建模的理论有：回归分析法、时间序列分析模型、灰色系统分析模型、Kalman滤波模型、人工神经网络模型、频谱分析[6]。

目前应用较多的是回归分析法和时间序列分析模型。

监测人员应根据分析的结果与施工或者运行方商讨制定预防措施，保证工程顺利、安全运行。

5结束语
随着我国经济的快速发展，城市地下空间的开发利用已经受到广泛重视，城市地下工程的兴建已经成为一种趋势。

然而其引发的事故不可等闲视之，这些事故常常造成重大人员伤亡及财产损失。

使用信息化的监测手段已经成为必然。

但由于国内城市地下空间开发利用的历史不长，有关城市地下空间设计的规范对岩土工程安全问题、尤其是监测系统问题没有明确的规定，这显然不能满足地下空间开发长远发展的要求。

在相关的地下空间设计规范中建立规范的城市地下空间岩土工程安全技术体系、指标体系及标准应是可以期待的，这一目标的实现基于广泛深入的研究和讨论。

与此同时，现行的有关岩土工程安全监测规范随着新的监测技术、监测手段、监测设备的出现和成熟，也有待讨论、研究而完善。

参考文献：
[1]李胡生，城市地下空间岩土工程安全技术现状与展望[J]，上海应用技术学院学报，2008(3)，pp.1-8
[2]郑强，吴迪军，李剑坤，熊伟，地下空间土建施工第三方监测中的若干关键技术问题[J]，铁道勘察，
2007(6)，pp.33-35
[3]史学涛，结构健康监测系统的研究[D]，硕士论文，同济大学，2006(5)
[4]王浩，地下工程监测中的数据分析和信息管理、预测预报系统[D]，博士论文，中国科学院，2007(5)
[5]孙全胜，智能桥梁结构健康监测的研究[D]，博士论文，东北林业大学，2005(6)
[6]黄声享，尹晖，蒋征，变形监测数据处理[M]，武汉大学出版社，2003(1)
作者简介：
陈亮（1984 -），男，湖北荆门人，2008年7月毕业于成都理工大学土木工程专业，本科，现就读于西南交通大学土木工程学院地下工程系硕士研究生。

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