1基本原理
在传统的监测预警方法中，传感器的量测数据通常由人工采集和处理。而在风险可视化的监测预警方法中，传感器的量测信息以电信号的方式输出到微处理器中；微处理器通过内置程序对传感器输入的电信号进行处理并综合评估风险后，控制记忆存储芯片进行存储，控制LED显示屏显示实测值和不同颜色的色光。由此实现了对工程项目的实时监测和预警。风险可视化监测预警系统综合考虑了土木工程中广泛使用的传感器型号，为传感器的各类输出信号类型分别预留了相应的接口和设置按钮。实际使用中，根据工程的特点布设各类传感器，将其与风险可视化监测预警系统连接，并且根据具体工程的要求设置系统风险等级阈值后，系统即进入工作状态。一旦工程的相应控制指标达到预设阈值，风险可视化监测预警系统便会改变LED的色光和闪烁频率，在第一时间引起现场工作人员的注意。根据某些工程的特殊需要，可利用无线传输的技术，将微处理器与无线输出端连接，在现场预警的同时，实现工程的远程预警；同时，系统配置了记忆芯片，实现了数据的实时存储，可供管理者调取、分析与存档。
2系统原型开发
2．1需求分析
基于前文所述风险可视化监测预警的基本原理，开发了监测预警系统原型。某高层结构工程在施工期风险与基础沉降量正相关，基础沉降控制值为300mm。当基础沉降量达到控制值时，监测预警系统进入报警状态；当基础沉降量达到控制值的50％（即150mm）时，监测预警系统进入预警状态。对工程基础沉降量的监测和预警要求自动、实时、可见，监测数据实时存储并可读取。
2．2方案设计
针对本工程的具体要求，方案设计如下：（1）将工程风险等级划分为三级，与实测基础沉降值相对应。当基础沉降值小于150mm时，工程风险等级定义为安全，监测预警系统LED对应显示绿色；当基础沉降值大于150mm且小于300mm时，工程风险增加，进入预警状态，监测预警系统LED对应显示黄色；当基础沉降值大于300mm时，工程风险等级定义为危险，进入报警状态，监测预警系统LED对应显示红色。（2）基础沉降量的实时监测通过位移传感器实现，本工程中考虑使用拉绳式位移传感器，由拉绳的长度变化反映工程的基础沉降量；处理控制的功能通过单片机实现；预警和存储的功能通过配备LED和存储芯片实现；数据读取功能通过开发相应的上位机软件实现。
2．3原型制作及试验
根据上述方案，具体选择系统各器件：MPS－S－V型电压输出式拉绳式位移传感器、C51系列单片微型计算机、64KB存储芯片以及红黄绿三色LED灯组。拉绳式位移传感器将被测位移信号转化为电压信号，该电压信号通过模数转换，转变成数字信号后输入单片机处理系统，通过单片机预设内置程序对所述的数字信号进行处理分析后，输出相应的控制信号，以驱动不同颜色的LED。控制部分内部结构图，考虑到实际情况和后续使用，本次系统原型中设计了调节按钮，可以通过按钮对预警值进行调节。室内试验显示：当所测位移在0～150mm之间时，LED显示为绿色；当所测位移在150～300mm之间时，LED显示为黄色；当所测位移大于300mm时，LED显示为红色。存储芯片记录了全过程中量测值随时间的变化，相关数据可通过上位机配套软件读取。
3在土木工程中的应用
3．1隧道工程
隧道工程中的监测内容主要包括位移监测、收敛变形监测、应力监测及沉降监测等，监测内容和所用仪器。目前常用的位移计、应力计、压力盒等传感器按照信号输出方式可分为频率式、电流式（4～20mA）、电压式（0～5V，0～10V）和电阻式等。上述传感器的输出信号都可以经过相应转换后由单片机分析处理，所以其相应的工程中都可以应用风险可视化监测预警系统。如隧道工程中常使用单点位移计测量洞壁与锚杆固定点之间的相对位移，基于此，可以应用配备单点位移计的风险可视化系统，通过LED的色光表示相对位移量的大小与变化趋势。配置应力传感器的风险可视化系统在隧道工程中的应用示意。Akutagawa在山岭隧道施工中做了相关试验和实践。
3．2基坑工程
基坑工程的安全监测一般包括支撑轴力监测、土压力监测和维护墙体位移监测，通常采用支撑轴力计、土压力盒和测斜管等仪器。在传感器输出信号类型方面，与隧道工程中类似，以频率式、电流式（4～20mA）、电压式（0～5V，0～10V）和电阻式等为主，因此可以应用相对的风险可视化监测预警系统。某采用风险可视化监测预警系统的基坑工程的示意。如图所示，在基坑工程的钢支撑、维护墙体、周边保护建筑上分别设置配备了轴力传感器和倾斜传感器的风险可视化监测预警系统，用来实时监测支撑轴力以及维护墙体和周边建筑的倾斜变形，实现了现场预警，同时利用了无线传输功能，设置了远程预警终端，对基坑施工中的风险做到了有效的掌握和控制。
3．3桥梁工程
桥梁工程作为大型土木工程涉及的影响因素多，建设风险往往更大。因此，对于桥梁结构施工中的风险需要做到严格的监控。风险可视化监测预警系统可以使一线人员和后台管理者实时掌握桥梁施工中的风险状况，做到防患于未然。如图7所示为Akutagawa针对桥梁施工中结构变形量的监测和预警所进行的现场试验。Akutagawa通过理论计算得到了桥梁结构在施工中各部分的倾斜变形控制值，使用了倾斜传感器与激光传感器测量桥梁支座处横向与纵向的倾斜，以此作为预警指标，实现了对倾斜变形量的实时监测预警。但是在实践中发现，使用单一变形指标难以较为全面地反映整个工程的安全状态和风险等级，因此在如何利用监测指标对工程进行综合风险评估方面需要更进一步的研究。
3．4讨论
在土木工程的各个领域内，监测都是设计和施工的衔接点，且为施工期和运营期安全性保证的重要部分之一。经上文分析可见，通过合理地配合选择量测传感器和布设方式，即可在相应的工程中应用风险可视化监测预警系统。边坡工程的事故一般不是突然发生，而是有较长时间的变形发展期，因此可以合理布置位移传感器和倾斜传感器，配合风险可视化监测预警系统，对边坡进行风险管理。在新奥法隧道施工中，需要监测洞壁围岩收敛的位移量来实现适时支护，如果在隧道洞壁布置单点位移计和多点位移计，配合风险可视化监测预警系统，便可以掌握洞壁位移的变化情况，在最合适的时刻进行支护。同理，对于采矿工程中瓦斯含量的控制、对古建筑的变形控制，都可以应用风险可视化监测预警系统。
4结语
研究了风险可视化的监测预警方法，该方法通过传感器获取量测信号，通过微处理器对信号进行处理分析，控制LED灯组显示不同颜色，表征结构的风险等级，同时配备了存储芯片和远程预警端，具有以下优点：（1）实现了实时、可视化的预警，克服了传统方法反馈不及时的局限；（2）对工程风险进行了综合评判，使得预警具有更高的科学性；（3）可以配置不同类型的传感器并可调节阈值，适用于土木工程各个领域；（4）借助无线传输技术，实现了土木工程的远程预警功能；（5）配备存储芯片，自动实时存储准确的工程监测值。综上所述，合理选择量测传感器和布设方案，并配合应用风险可视化监测预警系统，对土木工程中事故的防范具有重要的意义。
作者：王明卓 黄宏伟 单位：同济大学地下建筑与工程系 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室
