全天候无人监测系统初探

陈卫林 叶院生 伍艳良

1.安徽理工大学测绘学院；2.广州南方测绘仪器有限公司

针对以往采集技术低下以及无线网络资源不够发达，地下工程和基坑信息不能够及时得到反馈，突发事件不能及时发现和解决的特点，提出了利用先进的自动采集技术、传感技术、无线传输技术等手段实现监测数据的实时采集、实时上传、动态监测等功能并对突发事件进行实时预警的自动实时监测预警系统。

概述

随着地下空间的开发利用，地下的工程数量日益增加，急剧卸载开挖、周边环境异常变化、暴雨、长时间雨水浸泡等因素，使得基坑开挖存在较大的安全风险，有可能会引起其周边房屋开裂、地面下陷，甚至还会引发基坑坍塌等安全事故。例如2013年1月28日16 时40 分，广州荔湾区康王南路与杉木栏路交界处至少有三幢商铺倒塌，其事发地点位于广州地铁6 号线文化公园站施工工地旁，有人认为这是修建地铁导致了塌陷。2014年7月11日9：30 左右，深圳市粤鹏建设有限公司开发的位于南沙街金沙路海韵君兰项目发生了基坑DE 段北侧路面出现大面积沉陷，沉陷面积约250m2，沉陷最深处1.2m南沙海韵兰庭小区发生地陷，数百户居民紧急疏散。这些突发事件引起了我们对地下工程和基坑的安全开发利用足够的重视，对地下监测提出了更高的要求。

传统的地下工程和深基坑监测方式主要是通过人工测量，也很少有用到无线网络传输技术和传感技术，尤其是对地下工程，人工测量极其的辛苦。测量的过程是按照工程前期3 天一次、开挖中期1 天一次、开挖后7 天一次的测量频率，通过预警系统平台发布监测结果，在整理监测资料后，出具报告并递送到相关负责单位。这种传统的监测方式工作效率低下，从开始监测到最终监测结果出炉存在一定时间差异，差异时间之内，有可能存在各种问题或者安全隐患。此外，当出现刮风下雨、通视受阻等恶劣条件时，人工测量更加无法实施。

针对这种问题，我们提出了新的解决方案，根据现有的自动采集技术、传感技术、无线传输技术等手段设计了一个地下工程和深基坑无人值守的实时监控预警系统，该系统打破了时间和空间的局限，克服恶劣环境，做到了实时采集、实时上传、动态监测。

设计目标

（1）建立全天候无人监守的自动采集监测系统，开启地下工程检测的新模式。

（2）该系统对突发事件进行实时警报，使各方收到通知及时尽快解决突发事件。

设计原理

利用先进的自动采集技术、传感技术、无线传输技术等手段实现监测数据的实时采集、实时传输、动态自动化监测等功能。其中，自动采集技术是指数据采集平台，它包括客户端与服务器两部分，通过无线传输技术（如蓝牙，无线网）等实现自动采集。在地下工程和深基坑开挖前，技术人员会预先预埋测量力值、变形、水位等参数的传感器，通过主动或被动触发方式激发现场测试元件进行自动采集数据，并对监测数据及时予以汇总、判定，实现无人操作。这种新型的监测方式，突破了时间和空间的局限性，在刮风、下雨、白天、黑夜的恶劣条件下都可以作业。该系统需要预先设定报警值，当监测数据超出预定值的范围后，系统将会自动向相应的管理单位以短信、邮件或者语音等方式发出警报通知。监测人员可根据施工进展及设计文件设定采集时段，系统便会根据设置的采集时间自动进行数据采集。一旦发生突发事件、急需监测数据时，可由人工即时远程进行触发采集。系统包含网络监控中心、用户管理部分和基坑监测部分三大模块，各个模块下面再进行分工，核心模块为基坑监测部分，主要包括全站仪监测和MCU 控制单元检测 设计流程图如图1 所示。

系统结构及功能

用户管理

设置用户登录验证，非法用户无法使用，可做用户分类，权限管理。用户登录该软件系统后，可随时查看现场的监测视频、数据流及实时曲线。软件会对现场采集的数据进行分析、处理，利用折线图、树状图、数据统计表等多种表现方式，清晰明了且快捷地反应实际情况，这样就可以无人值守远程遥控有效的应对突发事件。

图1 全天候无人监测系统

测量控制

对全自动采集中的相关参数进行设置，包括采集时间段、采集点序列、故障自动排出和测量周期等，还包括预警信息的下发用户手机号和邮箱，使得工作人员第一时间能收到预警信息，及时处理突发事件，无人值守在此起到了关键性的作用。

全站仪控制测量

主要是测量基坑的水平位移和竖直位移。水平位移的测量要确定基准点的位置、工作基点的位置和监测点的位置，以基准点作为整个工程水平位移监测的参考标准，设在变形影响范围外地基坚实稳定并利于标石长期保存与观测的地方。工作基点应选设在靠近监测点且便于联测基准点的稳定或相对稳定的位置，并且要考虑到现场实际环境。按照相关设计和监测要求，沿基坑四周布设测点，测点间距一般为20m，另外，对于基坑边缘极易产生水平位移的位置应加设监测点。竖直位移是在深度方向上的变化，有地铁的地方还要测量地铁三向。

对这些进行全自动监测，实现数据监测的实时自动采集，实时上传，实时处理。

MCU 控制测量

主要测量水位、测斜和轴力。其中水位是通过水位计测量，测斜是通过测斜仪获取的。监测人员在基坑围护墙顶埋设了小棱镜和轴力采集计，连续墙里预埋混凝土应力计。此外，施工工地的监测支撑、防护栏等放置了无线采集模块，这个无线采集模块相当于中转站。通过接收预埋机器发出的信号，将数据整合后发送到室内，电脑接收信息后，无人值守系统即可发挥在线监控和指挥现场的效用了。尽管该系统主要采用了无线、预埋等措施，但对于监控元件的保护，还需施工方配合，在作业中注意予以保护，而且对这些监控元件定时的检查，以保证使用的准确性与安全性。

数据管理

数据管理是完成用户数据、全站仪终端数据、报警信息以及地下工程或深基坑信息的实时数据的获取与存储，然后通过无线网络上传到电脑上，用数据库存储。用户可以查看系统中的各种资源，如获取监测的人员时段地点信息、基坑的水平位移以及预警信息等。另外，还可以获取现场监测视频、数据流和实时曲线，通过对监测数据的对比、分析、统计，实现信息资源共享。根据监测数据的变化情况，还可以对相应的工程项目进行预测，可以有效安全的进行施工。

预警

预警是指在灾害或灾难以及其他需要提防的危险发生之前，根据以往的总结的规律或观测得到的可能性前兆，向相关部门发出紧急信号，报告危险情况，以避免危害在不知情或准备不足的情况下发生，从而最大程度的减低危害所造成损失的行为。无人值守系统需要设定报警值，当监测数据超出预定值后，会触发报警值，系统将自动向相应的管理单位发出警报通知。警报通知的形式有以下三种：语音形式，短信形式和邮件形式。可以让各方及时收到消息，做好安全措施，减少不必要的损失。

网络监控中心

网络监控中心位于城市建设部门或基坑管理部门的网络服务器中，主要负责实施采集的原始数据存储、查询、开发以及向各的需求单位分发重要数据报告。通过利用最新的卫星地图、物联网、数据建库、数据挖掘等技术实现监测数据的分类汇总、差异监管等功能。其中最新的卫星地图能够显示出该工程及其周围建筑等物质的全貌。该网络监控中心的重点为数据监控中心，可以监控一个区域乃至一个城市的各个监测现场，为城市建设人员，提供决策支持。

结束语

随着无线网络与科技的发展，终端处理器的性能越来越高，测量行业也日渐成熟。针对诸如深基坑类的高危险性的作业环境（如隧道、深井和尾矿库等），这种无人值守的自动化监测系统的实现在技术上也将日益完善，使作业人员的人身安全得到保障，减少了灾害的危害力度，降低了财产的损失，实现了技术上的管理和创新。