岩土工程自动化监测系统及应用研究

宛传虎

（合肥工业大学设计院（集团） 有限公司， 安徽 合肥 230000）

岩土工程监测是随着近些年来采矿工业、 建筑工程与道路施工等工程建设逐渐发展起来的， 主要用于对水利、 边坡、 矿山、 交通等工程进行监测数据记录、 分析。 当前在许多工程建设中已经开始应用自动化监测系统， 并为工程监测效率和数据采集准确度提供了更多技术支持， 在此过程中， 新的监测仪器和更高级的技术， 推动了岩土工程监测的不断进步， 使更多有参考价值的信息得以被应用到在工程中。

1 岩土工程自动化监测系统概述

在岩土工程中， 不同的主体工程结构需要使用到不同的指标参数， 并根据这些参数来调整工程设计与规划， 在施工完成后也需要与这些指标参数做对照来对工程完成质量进行验收。 可想而知工程数据具有怎样的重要性， 那么为了在测量中及时通过数据发现工程中存在的影响工程施工的因素和其他容易导致施工事故的问题就需要不断提高监测系统的科学化水平和高新技术使用水平， 通过应用更加先进的检测方法来获取更精准的数据信息。 在这样的行业发展背景下， 自动化技术逐渐在岩土工程监测中得到了应用，其使用的监测装置与监测设备更加精密、 先进， 能够获取更精准数据信息的同时， 新功能的加入也使监测系统的适用性和实用性大大提升， 岩土工程监测自此又更上了一个台阶。

目前， 岩土工程中广泛使用的高自动化水平的监测设备对岩土工程施工的各项功能性指标规定进行了革新， 在岩土结构自身的许多科学研究课题中也得到了广泛应用， 此外也为施工安全和工程管理提供了更多有效应对的办法。 岩土工程监测能力的重要标准都随着自动化监测系统的应用而与时俱进得到了创新，但岩土工程监测系统仍然需要不断进步不断提高。 通过完善岩土工程的项目管理， 制定应急解决机制， 对自动化监测的不同模式进行研究， 并充分参考过去工程中积累的使用经验等方式使自动化监测系统在岩土工程中得到更好地应用， 使自动化监测系统的精密度和准确度不断提高， 使岩土工程监测的自动化水平不断提高， 从而保证施工质量与施工安全， 保障工程顺畅运行， 为行业发展提供内在推动力。

2 岩土工程自动化监测系统应用优点

2.1 监测范围扩大

在岩土工程施工中， 需要监测的范围相对而言是比较大的， 传统的人工监测范围远不如机器的探测范围， 且人工监测通常依赖人的视线范围， 对于实际距离、 深度等信息的测算往往不够准确， 导致需要监测的数据存在缺失、 遗漏等问题。 而自动化监测系统能够通过先进的设备与装置， 更加精准地定位到某一片区域中的某一部分信息， 并针对性地采集、 上报， 凭借安装监测装置， 岩土工程能够监测到更远范围的信息， 尤其是需要监测水文信息时， 相比于人力所能到达的范围扩大了非常多， 大大提高了数据分析的准确性， 使岩土工程监测分析结果更加符合工程实际。

2.2 连续监测数据

传统人工监测通常是分派工作人员定期对某一信息进行监测与采集， 这将导致监测数据断续， 只能对一段时间内的数据走向做大致分析。 一旦遇到强降水、 大风、 雷电等极端恶劣天气， 则工作人员无法外出进行监测， 这一段时间内的数据信息也就不得不空白， 一方面数据信息的准确性失去了保障， 一方面对工作人员的人身安全也造成威胁。 而使用先进的数字化监测系统则能够以机器工作代替人力工作， 自动化监测得来的数据信息可以远程上传到工作人员的计算机中， 工作人员可以实现“决策于千里之外”， 也能够实现二十四小时自动记录数据， 随时查看数据，再细微的环境变化在这样的持续跟踪下也能够被发现。 即便在恶劣天气或深夜也能够对岩土工程的动态变化进行监测， 大大提高了监测信息的准确性， 提高了工程设计的科学性， 也使工作人员的安全得到了保障。

2.3 降低人工负担

人工监测得来的数据往往是在现场采集记录， 再人工输入进计算机， 通过一定的工作方式进行整合而后再分析数据。 应用自动化监测系统后， 原本许多必须由人力操作完成的工作都被机械设备替代了， 数据信息不需要手动采录， 而是直接反馈、 上传、 自动整合进对应分类中。 岩土工程周边的一切情况都可以尽在掌握之中， 工作人员只需要在监测工作开始阶段将设备与监测装置安装好即可， 得益于许多监测装置的优秀设计， 原本人为监测需要花费大量时间与人力的工序都改为了机械操作， 人力工作量大大降低， 人力资源成本大量节省。 人工参与度降低也能够规避一些人为因素对环境的影响， 能够消除一些监测过程中可能产生的不利因素， 这对于岩土工程安全施工和精准监测都有重要意义。

2.4 监测效率更高

自动化监测系统使用的各类机械设备在工作效率上自然优于人力操作， 人工监测中难免出现数据误差， 而机械化自动化的操作可以最大程度上规避人为监测产生的主观误差， 使数据信息采集的准确性得到切实保障。 同时， 人工监测所需的复杂工序， 包括外出采集再返回输入的流程， 自动化监测系统都不需要， 这将大大节省监测所需时间。 且自动化监测所得数据是通过科学的程序编写计算得来， 省略了人工量化数据信息的过程， 能够直接提取数据信息用于分析， 岩土工程的监测流程便得以缩短， 工作效率也就自然提高了。

2.5 自动化设备优势

自动化监测中常用的传感器具有精度高、 性能稳定、 安装与操作简便等优势， 不需要过于精尖的技术人员也可以使用， 大大缩减了技术需求。 且目前我国岩土工程中常用的传感器能够在野外环境中正常工作五年以上， 不受外力影响的情况下能够运转更长时间， 能够为岩土工程取得更多有效数据。 自动化监测技术在传输信息时还会自动生成报表曲线， 这将减少内业人员工作量， 大大提升了作业效率。 结合雨量计、 压力计等多种监测仪器后， 能够对环境信息进行全方位地监测与采集， 数据信息收集更加全面可靠。

3 岩土工程自动化监测系统应用模式

岩土工程自动化监测系统由数据的存储、 数据的传输、 数据的处理、 数据的共享和实时监测组成， 这5 个部分能够在监测系统中发挥各种不同的作用， 实现对信息采集的优化， 进而全方面地掌握岩土的各种信息。 在实际工程应用中， 具体可以分为分布式监测系统、 集中式监测系统和混合式监测系统三种， 这三种监测系统有各自的适用环境， 需要岩土工程的工程设计方与施工方根据实际施工情况选择对应的自动化监测系统。

3.1 分布式监测

分布式监测适用于需要监测大范围大面积环境中的数据信息时使用， 其主要运作是依靠电路输送电能， 使设备运转， 进而设备通过集成电路对环境进行监测、 采集数据， 再将数据进行整合， 最后通过电子信息技术将整合造成的数据信息转换并发送回计算机系统中， 从而实现自动化监测与数据上传。 分布式监测系统的组成可以分为三个部分看待， 分别是。 这三个系统组合工作共同运转才能实现对数据信息的高效采集、 整合、 发送一体化自动化工作。 其中分散控制系统又可细分为电路系统与自动化控制终端， 其作用在于将分散在各处的数据采集设备进行统一的自动化控制， 可以大大提高工作效率。 而集中管理系统则是在分散控制系统正常运作的基础之上将采集而来的分散数据做集中化处理， 使数据信息得以整合， 进而将初步处理完成的数据信息传输到通信网络当中。 最后， 通信网络操作系统将数据信息进行转化， 使其成为可以在计算机终端中解译出来供人使用的信息， 这一步需要通过互联网电子信息技术实现。

在某轨道交通基坑工程中， 就充分应用了自动化监测技术， 对基坑附近的各类环境信息进行了采集。该轨道交通基坑的施工区域位于滨海城市， 其施工受到岩土特性、 外部荷载、 地下水、 施工组织等多重因素影响， 是复杂的岩土工程问题。 该工程通过自动化监测技术对施工中可能存在的问题进行了预警， 工作人员在施工中可以对施工区域附近的环境数据进行全天候的实时监控， 这使得许多轨道交通基坑工程易发灾害与施工事故被及时抹消在萌芽阶段。 同时， 该工程引入了智慧评判系统， 与自动化监测系统相配合，共同对深基坑工程地质状况、 水文 条件、 支护工程设计、 施工组织等多重因素进行数值比对模拟和基坑健康研判， 给予基坑健康状况诊断及预警， 保障了工程建设质量。

3.2 集中式监测

在岩土工程监测中， 自动化集中式监测系统的应用相对而言比较少， 这是由于其适用于小块监测面积的环境， 当前大多数岩土工程更需要对大面积大范围内的整体数据进行动态采集， 因而集中式系统并没有得到非常广泛的应用。 但集中式系统的优势在于功能性强， 能够集中对某一区域的某一数据进行针对采集， 且系统结构十分易于管理。 其系统结构组成与分散式系统十分接近， 包含分散式系统中的功能结构的同时还兼具自动报警、 自动预警、 自动风险决策的功能， 工作人员只需要预先输入对应程序即可。 其自动预警决策功能的实现是通过系统终端对外部采集数据的设备运作情况进行分析， 从而根据其运行数据的阈值逻辑来判断数据是否存在异常， 判断是否需要采取风险应急决策进行控制， 一旦发现异常即可报警至工作人员， 使工作人员能够及时发现问题， 及时采取应对措施。

除此之外， 集中式监测的另一大特点在于能够对数据采集设备的运行状态进行检查。 通常数据采集设备设置在野外环境中， 野生动物活动和自然环境、 天气原因等都十分容易造成设备损坏。 集中式系统将会对设备的电路输送情况、 数据信息反馈速度等进行分析， 判断设备运行是否正常， 在出现异常时后台将会对设备进行技术维护， 尝试调整设备运行状态， 同时反馈运行异常状态， 工作人员便可及时接受到异常报告， 后台维修失败时会自动运行应急预案， 以待工作人员进行维修等决策。 例如在隧道施工中， 就要使用到由高精度全自动测量全站仪、 自动化变形监测系统软件等， 通过对监测点进行周期性三维坐标采集， 进行数据质量检查修正后得出目标点的三维变形量， 从而对目标点的变形趋势、 安全性作出分析， 隧道施工环境复杂， 隧道内面积相对较小， 集中式监测系统在设备出现运行状态故障时便可第一时间将异常情况上传， 有利于工作人员对设备状态和隧道内情况进行分析， 并作出准确判断。

3.3 混合式监测

在岩土工程中， 除分散式监测系统和集中式监测系统， 部分工程也会采用二者结合的方式进行监测，这便称为混合式监测。 在实际应用中采用了分布式监测的形式和集中式监测的内部系统， 形成了集二者优点于一身的两种监测系统综合运用模式。 在运行中，混合式监测通过作用MCU转换装置， 实现了对监测设备进行远程遥控， 在采集数据的全过程中， 通过传感器对信号的利用直接将数据集中整合在转换箱中，进而再通过转换箱将数据信息由总线发送至监控点。完成初步运行后， 监控点将采集得来的数据信息使用A/D技术进行转换， 并继续进行集中监测控制， 使数据信息得以存储与继续处理。

在混合式监测模式运行的整个过程中， MCU转换装置并非直接对数据进行自动存储与处理， 而是在进行一段时间的运转之后自动开始在收集数据的同时对数据进行处理与存储， 进而为下一步的传输工作做好准备。 而混合式监测系统实现了数据的长距离传送，在远距离岩土工程中较为常用， 例如长距离的车站基坑施工等， 对这样的工程采用混合式监测能够使中心控制工作人员及时将线路两端较远处的地质信息进行采集与分析。 整套装置在系统运行中能够将信息进行初步整理， 传输控制相对较为灵活， 信息数据的延展性增加了， 岩土工程的监测效率与施工进程中的决策精准度也就相应提升了。

4 岩土工程自动化监测系统应用实践

4.1 自动化监测应用实践

自动化监测在地质灾害评价预测中已经有了较为广泛的应用， 而在这样的工程中进行的自动化监测系统设计有许多需要注意的要点。 从地质工程集成理论角度来讲， 首先， 要判断变形区、 应力集中区和可能破坏区， 这主要是根据地质条件分析、 理论分析和专家群体经验进行判断， 并在此基础上设计监测系统。而在具体的实际施工中， 如果出现大裂缝和塌方部位也要重点关注。 除此之外， 在工程施工中， 一些具有十分明显代表意义的地区， 尽管并不在变形范围内、也应当对其应力集中地段加以高度关注。 以川藏公路的二郎隧道为例， 通过自动化监测系统检测此地的岩层数据信息， 结合TMS 系统对隧道周围不同点位的移动情况进行分析， 最终可以得出此处的拱顶下沉与周边收敛的位移数据， 通过将这些数据与变形等级的规定范围进行对比后发现此处并未发生大变形问题， 那么就可以判断此处的变形风险相对较低。 同时设置的其他设备也将此处的二次应力和岩石单轴抗压强度等数据进行了比对， 通过计算得出此处隧道的岩爆发生概率也是较低的， 这便可以判断出川藏工具的二郎隧道路段受地质灾害影响程度是较轻的。

4.2 自动化监测实施难点

自动化监测系统的实施难点主要有以下几点。 首先是机械设备在现场安装中的可靠性， 这直接关系到数据采集的准确性， 设备安装的基准点要再三确认，观测墩的点位与传感器安装操作都需要有专业且经验丰富的技术人员进行。 监测系统上传回来的数据信息的分析结果也会直接影响到工程中作出的种种决策，技术人员应当在监测方面有丰富的经验， 同时要具备足够的岩土工程知识， 能够判断上传数据信息的可靠性。 最后则是需要自动化监测与智慧预警相结合， 不断提升系统的预警能力。

4.3 自动化监测发展趋势

坝工建设是岩土工程监测的起始点， 德国是首次应用岩土工程监测的国家， 与国外相比， 我国岩土工程监测起步较晚， 但起始点与国外一样都是水坝建设， 在上世纪50 年代， 我国在建设梅山、 丰满等混凝土水坝时， 对水坝的外观变形情况进行了观测。 在当前自动化监测技术的发展中， 硬件和软件是制约岩土工程监测技术发展的主要因素， 硬件主要是指监测仪器， 而软件指的是监测资料分析。 主要是在岩土工程监测工作中， 分析和预测异常数据成因是主要的目的， 在传感器应用之后， 数据采集已经不再是难点问题， 分析和处理数据， 寻找并利用有价值的数据信息成为了工作重点。

5 结语

自动化监测技术相比传统的人工监测有其不可取代的优势， 在未来的岩土工程建设中， 自动化监测势必成为最为常用的监测技术。 对此， 需要结合大数据计算技术与现代的信息整合运算技术等不断将自动化监测技术完善， 为岩土工程提供更加精准的数据支持， 从提高监测人员水平与提升监测技术等方面出发， 使自动化监测技术在岩土工程中不断推广开来。