前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的土木工程可視化監測預警，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
1基本原理
在傳統的監測預警方法中，傳感器的量測數據通常由人工采集和處理。而在風險可視化的監測預警方法中，傳感器的量測信息以電信號的方式輸出到微處理器中；微處理器通過內置程序對傳感器輸入的電信號進行處理并綜合評估風險后，控制記憶存儲芯片進行存儲，控制LED顯示屏顯示實測值和不同顏色的色光。由此實現了對工程項目的實時監測和預警。風險可視化監測預警系統綜合考慮了土木工程中廣泛使用的傳感器型號，為傳感器的各類輸出信號類型分別預留了相應的接口和設置按鈕。實際使用中，根據工程的特點布設各類傳感器，將其與風險可視化監測預警系統連接，并且根據具體工程的要求設置系統風險等級閾值后，系統即進入工作狀態。一旦工程的相應控制指標達到預設閾值，風險可視化監測預警系統便會改變LED的色光和閃爍頻率，在第一時間引起現場工作人員的注意。根據某些工程的特殊需要，可利用無線傳輸的技術，將微處理器與無線輸出端連接，在現場預警的同時，實現工程的遠程預警；同時，系統配置了記憶芯片，實現了數據的實時存儲，可供管理者調取、分析與存檔。
2系統原型開發
2．1需求分析
基于前文所述風險可視化監測預警的基本原理，開發了監測預警系統原型。某高層結構工程在施工期風險與基礎沉降量正相關，基礎沉降控制值為300mm。當基礎沉降量達到控制值時，監測預警系統進入報警狀態；當基礎沉降量達到控制值的50％（即150mm）時，監測預警系統進入預警狀態。對工程基礎沉降量的監測和預警要求自動、實時、可見，監測數據實時存儲并可讀取。
2．2方案設計
針對本工程的具體要求，方案設計如下：（1）將工程風險等級劃分為三級，與實測基礎沉降值相對應。當基礎沉降值小于150mm時，工程風險等級定義為安全，監測預警系統LED對應顯示綠色；當基礎沉降值大于150mm且小于300mm時，工程風險增加，進入預警狀態，監測預警系統LED對應顯示黃色；當基礎沉降值大于300mm時，工程風險等級定義為危險，進入報警狀態，監測預警系統LED對應顯示紅色。（2）基礎沉降量的實時監測通過位移傳感器實現，本工程中考慮使用拉繩式位移傳感器，由拉繩的長度變化反映工程的基礎沉降量；處理控制的功能通過單片機實現；預警和存儲的功能通過配備LED和存儲芯片實現；數據讀取功能通過開發相應的上位機軟件實現。
2．3原型制作及試驗
根據上述方案，具體選擇系統各器件：MPS－S－V型電壓輸出式拉繩式位移傳感器、C51系列單片微型計算機、64KB存儲芯片以及紅黃綠三色LED燈組。拉繩式位移傳感器將被測位移信號轉化為電壓信號，該電壓信號通過模數轉換，轉變成數字信號后輸入單片機處理系統，通過單片機預設內置程序對所述的數字信號進行處理分析后，輸出相應的控制信號，以驅動不同顏色的LED。控制部分內部結構圖，考慮到實際情況和后續使用，本次系統原型中設計了調節按鈕，可以通過按鈕對預警值進行調節。室內試驗顯示：當所測位移在0～150mm之間時，LED顯示為綠色；當所測位移在150～300mm之間時，LED顯示為黃色；當所測位移大于300mm時，LED顯示為紅色。存儲芯片記錄了全過程中量測值隨時間的變化，相關數據可通過上位機配套軟件讀取。
3在土木工程中的應用
3．1隧道工程
隧道工程中的監測內容主要包括位移監測、收斂變形監測、應力監測及沉降監測等，監測內容和所用儀器。目前常用的位移計、應力計、壓力盒等傳感器按照信號輸出方式可分為頻率式、電流式（4～20mA）、電壓式（0～5V，0～10V）和電阻式等。上述傳感器的輸出信號都可以經過相應轉換后由單片機分析處理，所以其相應的工程中都可以應用風險可視化監測預警系統。如隧道工程中常使用單點位移計測量洞壁與錨桿固定點之間的相對位移，基于此，可以應用配備單點位移計的風險可視化系統，通過LED的色光表示相對位移量的大小與變化趨勢。配置應力傳感器的風險可視化系統在隧道工程中的應用示意。Akutagawa在山嶺隧道施工中做了相關試驗和實踐。
3．2基坑工程
基坑工程的安全監測一般包括支撐軸力監測、土壓力監測和維護墻體位移監測，通常采用支撐軸力計、土壓力盒和測斜管等儀器。在傳感器輸出信號類型方面，與隧道工程中類似，以頻率式、電流式（4～20mA）、電壓式（0～5V，0～10V）和電阻式等為主，因此可以應用相對的風險可視化監測預警系統。某采用風險可視化監測預警系統的基坑工程的示意。如圖所示，在基坑工程的鋼支撐、維護墻體、周邊保護建筑上分別設置配備了軸力傳感器和傾斜傳感器的風險可視化監測預警系統，用來實時監測支撐軸力以及維護墻體和周邊建筑的傾斜變形，實現了現場預警，同時利用了無線傳輸功能，設置了遠程預警終端，對基坑施工中的風險做到了有效的掌握和控制。
3．3橋梁工程
橋梁工程作為大型土木工程涉及的影響因素多，建設風險往往更大。因此，對于橋梁結構施工中的風險需要做到嚴格的監控。風險可視化監測預警系統可以使一線人員和后臺管理者實時掌握橋梁施工中的風險狀況，做到防患于未然。如圖7所示為Akutagawa針對橋梁施工中結構變形量的監測和預警所進行的現場試驗。Akutagawa通過理論計算得到了橋梁結構在施工中各部分的傾斜變形控制值，使用了傾斜傳感器與激光傳感器測量橋梁支座處橫向與縱向的傾斜，以此作為預警指標，實現了對傾斜變形量的實時監測預警。但是在實踐中發現，使用單一變形指標難以較為全面地反映整個工程的安全狀態和風險等級，因此在如何利用監測指標對工程進行綜合風險評估方面需要更進一步的研究。
3．4討論
在土木工程的各個領域內，監測都是設計和施工的銜接點，且為施工期和運營期安全性保證的重要部分之一。經上文分析可見，通過合理地配合選擇量測傳感器和布設方式，即可在相應的工程中應用風險可視化監測預警系統。邊坡工程的事故一般不是突然發生，而是有較長時間的變形發展期，因此可以合理布置位移傳感器和傾斜傳感器，配合風險可視化監測預警系統，對邊坡進行風險管理。在新奧法隧道施工中，需要監測洞壁圍巖收斂的位移量來實現適時支護，如果在隧道洞壁布置單點位移計和多點位移計，配合風險可視化監測預警系統，便可以掌握洞壁位移的變化情況，在最合適的時刻進行支護。同理，對于采礦工程中瓦斯含量的控制、對古建筑的變形控制，都可以應用風險可視化監測預警系統。
4結語
研究了風險可視化的監測預警方法，該方法通過傳感器獲取量測信號，通過微處理器對信號進行處理分析，控制LED燈組顯示不同顏色，表征結構的風險等級，同時配備了存儲芯片和遠程預警端，具有以下優點：（1）實現了實時、可視化的預警，克服了傳統方法反饋不及時的局限；（2）對工程風險進行了綜合評判，使得預警具有更高的科學性；（3）可以配置不同類型的傳感器并可調節閾值，適用于土木工程各個領域；（4）借助無線傳輸技術，實現了土木工程的遠程預警功能；（5）配備存儲芯片，自動實時存儲準確的工程監測值。綜上所述，合理選擇量測傳感器和布設方案，并配合應用風險可視化監測預警系統，對土木工程中事故的防范具有重要的意義。
作者：王明卓 黃宏偉 單位：同濟大學地下建筑與工程系 同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室
