遠程自動監測與人工監測系統的技術經濟比選

邱 誠，劉 永，李 剛

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

引 言

基坑工程具有受自然條件（工程地質、水文地質、氣候等）和周圍環境影響大、隱蔽工程質量控制難、技術綜合性強等特點，一直以來事故率較高。近年來，基坑工程呈現出“深、大、近、緊、險”等突出特征，更是事故頻發[1]。

在基坑工程中，由于地質、水文、荷載、施工等條件以及外界其他各種因素的多重影響，現有計算理論還不能準確地反映工程的各種復雜變化，只有在施工過程中進行綜合、系統的現場監測，才能對支護結構和周圍土體的力學性質進行全面的了解，以確保工程的順利進行，尤其對于軟土地區的大中型工程，現場監測更為重要[2]。

目前我國基坑監測依舊以人工監測為主，人工監測的優點是設備成本較低，缺點是人工成本高，數據采集效率低，數據分析滯后，并且無法實施高頻率監測，在惡劣天氣情況下，無法及時讀取數據。自動化遠程監測具有精度高，工作效率高，監測頻率高，在惡劣天氣條件下可以實現連續不間斷監測的特點，在基坑監測中有著廣泛的應用前景。故我司在某交通樞紐建造工程中，選擇土體深層水平位移監測,地下水位監測，鋼支撐軸力監測項目進行了遠程自動化監測，并根據使用心得，與傳統人工監測系統進行技術及經濟價值對比。

1 工程概況

該本工程共有三層地下車庫185.6 m×74.82 m（最大尺寸），開挖深度為 23.7 m，開挖土方為305 000方，垂直方向共設7層工字鋼支撐。地面以上兩層，分別為：一層為廣場層，二層為花園平臺。

本項目所在地局部為填海區，距離海岸線較近，東北側為重要文物保護單位，東側臨近居民區，周邊環境敏感，監測壓力較大。在本項目中對土體深層水平位移監測項目，地下水位監測項目，鋼支撐軸力監測項目進行了遠程自動化改造。

2 遠程自動監測系統

2.1 概述

人工監測一般由工人現場進行監測，將數據存儲于記錄儀內或人工進行記錄，之后再由人工進行處理。遠程自動監測系統則可實現數據的自用采集、存儲及運算。

遠程監測系統按照三層布局方案進行安排，測點層、測量控制層、運行管理層。[3]

1）測點層

通過傳感器對監測對象進行測量，獲取相關參數（溫度、壓力、流量）并轉換為電量信號。

2）測量控制層

數據自動采集器在預設程序控制下，按一定的時間間隔（如幾分鐘到數十分鐘）測讀各個傳感器的數據，并存儲在緩沖區內。

3）運行管理層

通過數據傳輸部件，將數據自動采集器中暫存的數據傳送到控制計算機，通信分有線（電纜，光纜），無線（小型電臺，移動通信）等不同通信方式，控制計算機控制整個系統的自動工作，將從采集器傳送過來的數據整理，計算，存儲，用圖表或表格方式將數據實時顯示出來，并應答對歷史數據的查詢。

2.2 遠程自動土體深層水平位移監測

1）監測儀器

一般的測斜儀（活動式）對指定孔每天只能進行有限次的觀測，在一些特殊要求下需對土層活動進行連續監測時就顯得不適用了。為此，可將若干個測斜儀組合，上下成串地安裝在同一個測孔中，各測斜儀連續工作，不斷將測得的數據通過電纜傳到測孔外，為實現自動連續觀測創造了條件。固定式測斜儀的工作原理、計算方法均與活動式類似，其內部電路結構種類形式也相仿，因不必經常活動，外型作了相應的簡化。固定式測斜儀仍遵循“S=Lsinα”的基本計算公式。安裝時各探頭間用硬桿作剛性聯接或用鋼纜作柔性的聯接，所以和活動式測斜儀不一樣的是其“L”為探頭和接桿的總長度（指用剛性聯接時）或探頭上下兩支點間的長度（指用柔性聯接時）。

我司采用的為剛性連接固定式測斜儀，平均測距2.5 m。

2）數據采集系統

由于固定式測斜儀的探頭是長期固定在測斜孔中的，所以只要有一種設備對孔中的探頭不斷讀數，就可以實現連續監測，這種儀器即“數據自動采集儀”。

使用時“數據自動采集儀”安裝在地面上離管口近處的適當地點，只需把各探頭的接線分引出，連接到數據自動采集儀上，根據采集儀內配的單片機，就可根據指定的時間間隔（如30秒，5分鐘，半小時…..等，可由操作人調整）自動對孔內的全部探頭完成一次掃描讀數。所得數據以一定格式存在采集器中，若采集器再與控制室中的計算機用電纜或無線方式建立傳輸關系，所采集到的數據就可定時或實時傳到計算機中，進行人工處理或自動處理。

我司采用的是美國Combell公司的CR1000數據采集儀，采集時間間隔設定為1小時。

3）數據處理

利用配套軟件進行自動處理或 excel軟件進行人工數據處理。

2.3 遠程自動地下水位監測

1）監測儀器

采用振弦式水壓計，與人工采集所使用的水壓計一致。

2）數據采集

與土體深層水平位移監系統測共用數據采集儀，采集頻率為每小時1次。

3）數據處理

利用配套軟件進行自動處理或 excel軟件進行人工數據處理。

2.4 遠程自動鋼支撐軸力監測

1）監測儀器

選用國產的 V1000DA/B型（振弦式）表面應力計，與人工監測使用儀器相同。

2）數據采集

與土體深層水平位移監系統，地下水位監測系統共用數據采集儀，采集頻率為每小時1次。

3）數據處理

利用配套軟件進行自動處理或 excel軟件進行人工數據處理。

2.5 總線集成與數據分析

自動監測系統的數據采集器可實現一機對多個不同監測項目的采集，根據采集模塊的接口數，可實現對16/32/64個監測儀器的自動采集（項目中采用的是64位接口），在本項目中，我司共使用4組數據采集模塊，其中第1～2組實現對土體深層水平位移監測（16個監測點，128個傳感器），第 3組實現對地下水位監測（22個監測點，22個傳感器），第4組實現對軸力監測點的（64個監測監測點，64個傳感器）的采集，并通過內置上網卡無線傳輸數據，通過因特網實現數據的遠程采集，進行人工處理或通過計算機進行自動數據分析。

3 遠程自動監測系統與人工系統的技術比選

根據在項目中的使用情況，在技術層面對遠程自動監測系統與人工監測系統進行比選。

3.1 監測的連續性

在惡劣天氣情況下，如臺風，暴雨，為保障監測人員安全，往往需要暫停監測。而此時恰是基坑較為危險的時刻，遠程自動監測系統可以在極端惡劣天氣中實現不間斷觀測，有效保證基坑安全。在法定假日中，也可保證數據采集不中斷。

3.2 監測頻率

在施工的特殊時期，如在嚴重超挖，不及時支護，特大暴雨的情況下，基坑的變形可能較快，需要增加監測密度。受勞動強度限制，人工監測頻率無法無限提高。在本項目中，以采用自動監測系統的三個項目為例，共計 16個土體深層水平位移監測點、22個地下水位監測點、64個鋼支撐軸力監測點，若采用人工方式監測（不含數據處理及校審時間），僅以上3個項目每進行一輪監測需耗費2.5人工/日，若加上通勤及數據處理時間，約 3人工/日，若按照技術要求中的監測頻率進行監測（僅以上3個項目，不含其它監測項目），須安排3個技術人員全程跟進該項目。若要求增加監測頻率，則必須增加人手及安排加班。而遠程自動監測系統可按照要求調整監測頻率，最高頻率 30秒鐘讀取一次數據，在關鍵時期有效保證基坑安全。

3.3 數據穩定性

受人員操作水平，熟練程度影響，不同的監測人員所測得的數據可能存在一定的偏差，甚至同一監測人員在不同的工作狀態下，所采集的數據亦可能有所偏差。而自動監測無人工操作環節，有效避免人工誤差，數據穩定性好。

以采集的土體深層水平位移監測數據為例，分析數據的穩定性如表1。

我司于在安裝固定式測斜儀之前，抽取了4個土體深層水平位移監測試驗孔（IN02，IN04，IN06，IN08），每間隔 1小時讀取讀數（此時正值假期，基坑未進行施工作業，且支撐已經按設計要求安裝并發揮作用，可認為基坑基本處于穩定狀態），共計讀取6次，在安裝固定測斜儀后于該4個監測點抽取5 m、10 m處的位移值（每間隔1小時讀取，共讀取6次，采取的數值為凌晨1點至6點的數據，無施工干擾）統計其方差，其結果如表1。

表1 采集數據方差記錄

可見，自動監測可以克服人工監測所帶來的誤差。

3.4 數據時效性

傳統人工監測所獲得的數據需要由監測人員從儀器中采集或人工記錄，意味著原始數據不能及時反饋給工程師。而遠程自動監測中，工程師可以通過網絡在任何時間采集數據，或者通過計算機自動生成日報以了解基坑情況，數據時效性好。

3.5 人員安全防護

由于基坑較深，人員在基坑邊及進入基坑內施測有一定的安全隱患，遠程自動監測系統因無需人工操作，無人員安全風險。

3.6 設備維護

遠程自動監測系統設備較為復雜，維護人員需經一定培訓方可上崗，若安裝時保護工作到位，維護工作量較少。使用過程中偶有施工設備損壞線路的情況，則需要重新鋪設。其設備維護較人工監測復雜。

綜上，在技術層面遠程自動監測系統遠優于傳統人工監測系統，對保障工程的安全有著巨大優勢。

4 遠程自動監測系統與人工系統的經濟比選

遠程自動監測系統在技術上有著巨大的優勢，但其一次性投入較大。本節以本項目為例，在經濟層面對遠程自動監測系統與人工監測系統進行比選。

4.1 遠程自動監測系統所增加成本

遠程自動監測系統部分設備可以與原有人工監測設備共用，如振弦式水位計，振弦式鋼筋應力計均與人工監測設備一致，故不計入增加成本。所增加成本項目如下：①4組數據采集模塊（64接口），②固定式測斜儀128個。以上兩項設備均可重復利用，一般使用壽命約 10年，本項目監測時間為 3年，故按30 %進行折舊，所增加成本約45萬元人民幣。

4.2 遠程自動監測系統所節約成本

自動監測系統大幅節約了人力成本，以本工程進行自動化監測的三個監測項目為例，若未進行自動化監測，每日需占用3人工進行監測，另需進行資料處理及校審工作，每日需耗費1人工。本項目地處海外，人工成本較高，按每個技術人員 15萬人民幣/年的人工成本計算，則3年共需180萬元人民幣人工成本。實施自動化監測后，主要工作為整理數據及校審工作，現場巡查及設備維護，每日耗費1人工即可完成該項目的監測工作，3年總計45萬元人民幣人工成本。遠程自動監測系統較人工監測系統節約135萬元人民幣人工成本。

4.3 綜合成本分析

故抵消掉所增加的設備成本，共節約成本 90萬元人民幣。可見，在項目具有一定規模，監測周期較長的項目，采用遠程自動監測系統可節約成本，為公司創造了良好的經濟效益，有力保障了基坑施工的安全，得到了業主的肯定，創造了良好的社會效益。

5 結 語

在遠程自動監測系統的運用中，積累了一定的使用經驗：

1）在使用過程中要特別注意對傳輸線路的保護，因傳感器至采集模塊之間的通信依然使用有線傳輸，傳輸線路同時負責若干個傳感器數據的傳輸，若傳輸線路損壞，必然引起大面積數據通信故障。該點為遠程自動監測系統的主要缺點，故在安裝設備期間須非常注意線路的保護，以免影響監測實施及增加不必要的成本。

2）提高數據采集模塊的集約化使用程度，可有效降低平均使用成本。例如本項目中使用數據采集模塊，每個采集模塊留有 64個數據接口，本項目中，第3組數據采集模塊中有42個接口為空置狀態，未有效利用。除本項目所應用的土體深層水平位移監測，地下水位監測，鋼筋軸力監測以外，亦可對其他監測項目（地表沉降監測，結構傾斜監測）實施數據采集，充分利用采集模塊資源，降低平均使用成本。

在監測工作量較大，監測要求較高的大型基坑監測中，遠程自動監測系統在技術及經濟層面上均較傳統人工監測系統有著較大優勢。隨著基坑監測要求的不斷提高及人力成本不斷增加，發展遠程自動監測為大勢所趨。隨著遠程自動監測技術的發展，越來越多的監測項目可以實施自動化監測，并最終形成完整的監測體系，最終實現無人值守自動化基坑監測。