远程自动监测与人工监测系统的技术经济比选

邱 诚，刘 永，李 刚

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

引 言

基坑工程具有受自然条件（工程地质、水文地质、气候等）和周围环境影响大、隐蔽工程质量控制难、技术综合性强等特点，一直以来事故率较高。近年来，基坑工程呈现出“深、大、近、紧、险”等突出特征，更是事故频发[1]。

在基坑工程中，由于地质、水文、荷载、施工等条件以及外界其他各种因素的多重影响，现有计算理论还不能准确地反映工程的各种复杂变化，只有在施工过程中进行综合、系统的现场监测，才能对支护结构和周围土体的力学性质进行全面的了解，以确保工程的顺利进行，尤其对于软土地区的大中型工程，现场监测更为重要[2]。

目前我国基坑监测依旧以人工监测为主，人工监测的优点是设备成本较低，缺点是人工成本高，数据采集效率低，数据分析滞后，并且无法实施高频率监测，在恶劣天气情况下，无法及时读取数据。自动化远程监测具有精度高，工作效率高，监测频率高，在恶劣天气条件下可以实现连续不间断监测的特点，在基坑监测中有着广泛的应用前景。故我司在某交通枢纽建造工程中，选择土体深层水平位移监测,地下水位监测，钢支撑轴力监测项目进行了远程自动化监测，并根据使用心得，与传统人工监测系统进行技术及经济价值对比。

1 工程概况

该本工程共有三层地下车库185.6 m×74.82 m（最大尺寸），开挖深度为 23.7 m，开挖土方为305 000方，垂直方向共设7层工字钢支撑。地面以上两层，分别为：一层为广场层，二层为花园平台。

本项目所在地局部为填海区，距离海岸线较近，东北侧为重要文物保护单位，东侧临近居民区，周边环境敏感，监测压力较大。在本项目中对土体深层水平位移监测项目，地下水位监测项目，钢支撑轴力监测项目进行了远程自动化改造。

2 远程自动监测系统

2.1 概述

人工监测一般由工人现场进行监测，将数据存储于记录仪内或人工进行记录，之后再由人工进行处理。远程自动监测系统则可实现数据的自用采集、存储及运算。

远程监测系统按照三层布局方案进行安排，测点层、测量控制层、运行管理层。[3]

1）测点层

通过传感器对监测对象进行测量，获取相关参数（温度、压力、流量）并转换为电量信号。

2）测量控制层

数据自动采集器在预设程序控制下，按一定的时间间隔（如几分钟到数十分钟）测读各个传感器的数据，并存储在缓冲区内。

3）运行管理层

通过数据传输部件，将数据自动采集器中暂存的数据传送到控制计算机，通信分有线（电缆，光缆），无线（小型电台，移动通信）等不同通信方式，控制计算机控制整个系统的自动工作，将从采集器传送过来的数据整理，计算，存储，用图表或表格方式将数据实时显示出来，并应答对历史数据的查询。

2.2 远程自动土体深层水平位移监测

1）监测仪器

一般的测斜仪（活动式）对指定孔每天只能进行有限次的观测，在一些特殊要求下需对土层活动进行连续监测时就显得不适用了。为此，可将若干个测斜仪组合，上下成串地安装在同一个测孔中，各测斜仪连续工作，不断将测得的数据通过电缆传到测孔外，为实现自动连续观测创造了条件。固定式测斜仪的工作原理、计算方法均与活动式类似，其内部电路结构种类形式也相仿，因不必经常活动，外型作了相应的简化。固定式测斜仪仍遵循“S=Lsinα”的基本计算公式。安装时各探头间用硬杆作刚性联接或用钢缆作柔性的联接，所以和活动式测斜仪不一样的是其“L”为探头和接杆的总长度（指用刚性联接时）或探头上下两支点间的长度（指用柔性联接时）。

我司采用的为刚性连接固定式测斜仪，平均测距2.5 m。

2）数据采集系统

由于固定式测斜仪的探头是长期固定在测斜孔中的，所以只要有一种设备对孔中的探头不断读数，就可以实现连续监测，这种仪器即“数据自动采集仪”。

使用时“数据自动采集仪”安装在地面上离管口近处的适当地点，只需把各探头的接线分引出，连接到数据自动采集仪上，根据采集仪内配的单片机，就可根据指定的时间间隔（如30秒，5分钟，半小时…..等，可由操作人调整）自动对孔内的全部探头完成一次扫描读数。所得数据以一定格式存在采集器中，若采集器再与控制室中的计算机用电缆或无线方式建立传输关系，所采集到的数据就可定时或实时传到计算机中，进行人工处理或自动处理。

我司采用的是美国Combell公司的CR1000数据采集仪，采集时间间隔设定为1小时。

3）数据处理

利用配套软件进行自动处理或 excel软件进行人工数据处理。

2.3 远程自动地下水位监测

1）监测仪器

采用振弦式水压计，与人工采集所使用的水压计一致。

2）数据采集

与土体深层水平位移监系统测共用数据采集仪，采集频率为每小时1次。

3）数据处理

利用配套软件进行自动处理或 excel软件进行人工数据处理。

2.4 远程自动钢支撑轴力监测

1）监测仪器

选用国产的 V1000DA/B型（振弦式）表面应力计，与人工监测使用仪器相同。

2）数据采集

与土体深层水平位移监系统，地下水位监测系统共用数据采集仪，采集频率为每小时1次。

3）数据处理

利用配套软件进行自动处理或 excel软件进行人工数据处理。

2.5 总线集成与数据分析

自动监测系统的数据采集器可实现一机对多个不同监测项目的采集，根据采集模块的接口数，可实现对16/32/64个监测仪器的自动采集（项目中采用的是64位接口），在本项目中，我司共使用4组数据采集模块，其中第1～2组实现对土体深层水平位移监测（16个监测点，128个传感器），第 3组实现对地下水位监测（22个监测点，22个传感器），第4组实现对轴力监测点的（64个监测监测点，64个传感器）的采集，并通过内置上网卡无线传输数据，通过因特网实现数据的远程采集，进行人工处理或通过计算机进行自动数据分析。

3 远程自动监测系统与人工系统的技术比选

根据在项目中的使用情况，在技术层面对远程自动监测系统与人工监测系统进行比选。

3.1 监测的连续性

在恶劣天气情况下，如台风，暴雨，为保障监测人员安全，往往需要暂停监测。而此时恰是基坑较为危险的时刻，远程自动监测系统可以在极端恶劣天气中实现不间断观测，有效保证基坑安全。在法定假日中，也可保证数据采集不中断。

3.2 监测频率

在施工的特殊时期，如在严重超挖，不及时支护，特大暴雨的情况下，基坑的变形可能较快，需要增加监测密度。受劳动强度限制，人工监测频率无法无限提高。在本项目中，以采用自动监测系统的三个项目为例，共计 16个土体深层水平位移监测点、22个地下水位监测点、64个钢支撑轴力监测点，若采用人工方式监测（不含数据处理及校审时间），仅以上3个项目每进行一轮监测需耗费2.5人工/日，若加上通勤及数据处理时间，约 3人工/日，若按照技术要求中的监测频率进行监测（仅以上3个项目，不含其它监测项目），须安排3个技术人员全程跟进该项目。若要求增加监测频率，则必须增加人手及安排加班。而远程自动监测系统可按照要求调整监测频率，最高频率 30秒钟读取一次数据，在关键时期有效保证基坑安全。

3.3 数据稳定性

受人员操作水平，熟练程度影响，不同的监测人员所测得的数据可能存在一定的偏差，甚至同一监测人员在不同的工作状态下，所采集的数据亦可能有所偏差。而自动监测无人工操作环节，有效避免人工误差，数据稳定性好。

以采集的土体深层水平位移监测数据为例，分析数据的稳定性如表1。

我司于在安装固定式测斜仪之前，抽取了4个土体深层水平位移监测试验孔（IN02，IN04，IN06，IN08），每间隔 1小时读取读数（此时正值假期，基坑未进行施工作业，且支撑已经按设计要求安装并发挥作用，可认为基坑基本处于稳定状态），共计读取6次，在安装固定测斜仪后于该4个监测点抽取5 m、10 m处的位移值（每间隔1小时读取，共读取6次，采取的数值为凌晨1点至6点的数据，无施工干扰）统计其方差，其结果如表1。

表1 采集数据方差记录

可见，自动监测可以克服人工监测所带来的误差。

3.4 数据时效性

传统人工监测所获得的数据需要由监测人员从仪器中采集或人工记录，意味着原始数据不能及时反馈给工程师。而远程自动监测中，工程师可以通过网络在任何时间采集数据，或者通过计算机自动生成日报以了解基坑情况，数据时效性好。

3.5 人员安全防护

由于基坑较深，人员在基坑边及进入基坑内施测有一定的安全隐患，远程自动监测系统因无需人工操作，无人员安全风险。

3.6 设备维护

远程自动监测系统设备较为复杂，维护人员需经一定培训方可上岗，若安装时保护工作到位，维护工作量较少。使用过程中偶有施工设备损坏线路的情况，则需要重新铺设。其设备维护较人工监测复杂。

综上，在技术层面远程自动监测系统远优于传统人工监测系统，对保障工程的安全有着巨大优势。

4 远程自动监测系统与人工系统的经济比选

远程自动监测系统在技术上有着巨大的优势，但其一次性投入较大。本节以本项目为例，在经济层面对远程自动监测系统与人工监测系统进行比选。

4.1 远程自动监测系统所增加成本

远程自动监测系统部分设备可以与原有人工监测设备共用，如振弦式水位计，振弦式钢筋应力计均与人工监测设备一致，故不计入增加成本。所增加成本项目如下：①4组数据采集模块（64接口），②固定式测斜仪128个。以上两项设备均可重复利用，一般使用寿命约 10年，本项目监测时间为 3年，故按30 %进行折旧，所增加成本约45万元人民币。

4.2 远程自动监测系统所节约成本

自动监测系统大幅节约了人力成本，以本工程进行自动化监测的三个监测项目为例，若未进行自动化监测，每日需占用3人工进行监测，另需进行资料处理及校审工作，每日需耗费1人工。本项目地处海外，人工成本较高，按每个技术人员 15万人民币/年的人工成本计算，则3年共需180万元人民币人工成本。实施自动化监测后，主要工作为整理数据及校审工作，现场巡查及设备维护，每日耗费1人工即可完成该项目的监测工作，3年总计45万元人民币人工成本。远程自动监测系统较人工监测系统节约135万元人民币人工成本。

4.3 综合成本分析

故抵消掉所增加的设备成本，共节约成本 90万元人民币。可见，在项目具有一定规模，监测周期较长的项目，采用远程自动监测系统可节约成本，为公司创造了良好的经济效益，有力保障了基坑施工的安全，得到了业主的肯定，创造了良好的社会效益。

5 结 语

在远程自动监测系统的运用中，积累了一定的使用经验：

1）在使用过程中要特别注意对传输线路的保护，因传感器至采集模块之间的通信依然使用有线传输，传输线路同时负责若干个传感器数据的传输，若传输线路损坏，必然引起大面积数据通信故障。该点为远程自动监测系统的主要缺点，故在安装设备期间须非常注意线路的保护，以免影响监测实施及增加不必要的成本。

2）提高数据采集模块的集约化使用程度，可有效降低平均使用成本。例如本项目中使用数据采集模块，每个采集模块留有 64个数据接口，本项目中，第3组数据采集模块中有42个接口为空置状态，未有效利用。除本项目所应用的土体深层水平位移监测，地下水位监测，钢筋轴力监测以外，亦可对其他监测项目（地表沉降监测，结构倾斜监测）实施数据采集，充分利用采集模块资源，降低平均使用成本。

在监测工作量较大，监测要求较高的大型基坑监测中，远程自动监测系统在技术及经济层面上均较传统人工监测系统有着较大优势。随着基坑监测要求的不断提高及人力成本不断增加，发展远程自动监测为大势所趋。随着远程自动监测技术的发展，越来越多的监测项目可以实施自动化监测，并最终形成完整的监测体系，最终实现无人值守自动化基坑监测。