基于光纖位移傳感器的建筑基坑沉降監(jiān)測實驗研究

摘要：針對傳統(tǒng)的基坑沉降監(jiān)測方法在實時性和持續(xù)監(jiān)測方面的不足，文章開發(fā)了一種基于光纖位移傳感器的高精度實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)依據(jù)精心設(shè)計的實驗方案，運用最小二乘支持向量機（LSSVM）和DS證據(jù)理論（德姆普斯特-謝弗證據(jù)理論），對來自多個數(shù)據(jù)源的信息進行融合與分析。實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能精準捕捉基坑沉降的動態(tài)變化及其異常特征，顯著提升了系統(tǒng)的監(jiān)測精度和可靠性。該研究不僅驗證了光纖位移傳感器在建筑監(jiān)測中的實際應(yīng)用效果，也為未來監(jiān)測技術(shù)的升級指明了方向。

關(guān)鍵詞：光纖位移傳感器；基坑沉降監(jiān)測；數(shù)據(jù)融合；LSSVM；DS證據(jù)理論

中圖分類號：TU43 " " " 文獻標識碼：A " " "文章編號：1674-0688（2024）10-0087-04

0 引言

隨著城市化進程的加速，超高層建筑、地鐵隧道、地下工程等建設(shè)項目對沉降監(jiān)測的需求日益增長，光纖位移傳感器技術(shù)在此背景下成為基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測的重要工具［1］。憑借其高精度的監(jiān)測能力、出色的抗干擾性能及強大的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測功能，光纖位移傳感器技術(shù)能在施工過程中即時捕捉沉降數(shù)據(jù)，幫助施工人員及時采取有效的調(diào)整措施，有效預(yù)防結(jié)構(gòu)損傷。雖然傳統(tǒng)的基坑沉降監(jiān)測手段，如水平儀和全站儀，能夠達到一定的測量精度，但是在實時監(jiān)測和持續(xù)監(jiān)測方面卻存在明顯不足。在光纖位移傳感器的應(yīng)用研究中，劉林等［2］ 的研究表明，光纖位移傳感器因出色的靈敏度和抗干擾特性，能提供更為準確且穩(wěn)定的監(jiān)測數(shù)據(jù)；范好好等［3］通過深入探討高精度光纖光柵位移檢測技術(shù)，進一步證實了光纖傳感技術(shù)在監(jiān)測精度上的優(yōu)勢。同時，王濤等［4］的研究也指出了多源數(shù)據(jù)融合對于提升監(jiān)測系統(tǒng)精確性和可靠性的重要性。本研究旨在結(jié)合最新的光纖位移傳感器技術(shù)與先進的數(shù)據(jù)融合分析方法，包括最小二乘支持向量機和DS證據(jù)理論，以突破傳統(tǒng)方法在大規(guī)模施工監(jiān)測中的局限。本文探討了光纖位移傳感器在建筑基坑沉降監(jiān)測中的實際應(yīng)用效果，為建筑安全評估領(lǐng)域引入了新的技術(shù)手段。

1 基于光纖位移傳感器的建筑基坑沉降監(jiān)測現(xiàn)狀分析

1.1 傳統(tǒng)基坑沉降監(jiān)測方法的局限性

傳統(tǒng)的基坑沉降人工觀測法高度依賴人工操作，因此易受人為因素的干擾，加之該方法需定期進行人工巡查，實時性不足，難以實現(xiàn)對基坑沉降過程中細微變化的持續(xù)監(jiān)測。水平儀和全站儀雖然能達到一定的測量精度，但是它們對外界環(huán)境條件敏感，易受天氣變化、機械振動及電磁干擾等外部因素的影響，測量結(jié)果缺乏穩(wěn)定性。此外，這些傳統(tǒng)的監(jiān)測方法的數(shù)據(jù)采集與處理周期長、效率低下，不適用于大規(guī)模、持續(xù)性的基坑沉降監(jiān)測任務(wù)，特別是在復(fù)雜地質(zhì)條件下，傳統(tǒng)方法難以全面、實時地獲取沉降數(shù)據(jù)，不僅無法準確反映基坑在整個施工周期內(nèi)的沉降情況，還有可能給建筑安全評估帶來潛在的風險隱患。

1.2 光纖位移傳感器在基坑監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)勢

光纖傳感器具有較強的抗電磁干擾能力，能在復(fù)雜的電磁環(huán)境中輸出穩(wěn)定的監(jiān)測數(shù)據(jù)，有效解決了傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備易受電磁波干擾的問題。光纖傳感器的體積小、重量輕，在復(fù)雜或狹小的基坑環(huán)境中易于安裝和部署。同時，光纖位移傳感器具有極高的靈敏度，能夠精確捕捉基坑微小的沉降變化，實現(xiàn)高精度的實時監(jiān)測，確保數(shù)據(jù)的準確性。此外，光纖傳感器支持長距離信號傳輸，并且傳感器數(shù)量可根據(jù)實際需求靈活增減，非常適用于大范圍、多點同步監(jiān)測的場景。相較于傳統(tǒng)方法，光纖位移傳感器實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集過程的自動化，能在無人值守的情況下長期穩(wěn)定運行，極大地提升了監(jiān)測效率。在高溫、潮濕等惡劣環(huán)境下，光纖位移傳感器仍能保持穩(wěn)定的性能，對各種復(fù)雜施工現(xiàn)場具有較高的適應(yīng)性，進一步增強了基坑沉降監(jiān)測的可靠性。

2 光纖位移傳感器的工作原理與系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 光纖位移傳感器的工作原理

光纖位移傳感器的工作原理基于光纖的幾何特性，能夠敏銳地感知被測對象物理狀態(tài)的變化。在基坑沉降的監(jiān)測中，當基坑發(fā)生沉降時，光纖位移器的光纖會因受力或變形而改變光信號的傳輸特性，包括強度、相位、波長或頻率等參數(shù)。在光纖位移傳感器的設(shè)計中，通常采用強度調(diào)制和相位調(diào)制兩種調(diào)制方式。強度調(diào)制通過檢測光信號強度的變化反映位移情況；相位調(diào)制則依賴于光波的干涉效應(yīng)，利用相位差檢測微小的位移變化。以反射式光纖位移傳感器為例，當基坑沉降導(dǎo)致光纖發(fā)生彎曲或拉伸時，反射回的光信號強度會隨之改變。光纖位移傳感器內(nèi)部的光源、探測器及反射鏡等元件會精確記錄光學信號的變化，并通過解調(diào)器將光學信號轉(zhuǎn)換為電信號。通過對電信號的分析處理，可以實時且精準地計算出位移量。此類傳感器的測量精度通?？梢赃_到微米級別，因此特別適用于微小變形的高精度監(jiān)測場景。

2.2 光纖位移傳感器的系統(tǒng)構(gòu)建

在監(jiān)測基坑沉降的過程中，需在基坑周邊合理地布設(shè)光纖位移傳感器。傳感器的具體位置需根據(jù)基坑規(guī)模、土質(zhì)情況及施工工藝等多種因素確定，以確保在基坑的關(guān)鍵區(qū)域（如周邊支護結(jié)構(gòu)、底部及邊坡等處）安裝足夠數(shù)量的光纖傳感位移器，實現(xiàn)全面且高精度的監(jiān)測覆蓋范圍。光纖位移傳感器通過光纜與信號解調(diào)器連接，后者負責接收光纖傳輸?shù)墓庑盘?，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。這些電信號經(jīng)由信號調(diào)制器處理后，再被送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)實時記錄并分析位移信號。每個光纖位移傳感器會持續(xù)產(chǎn)生監(jiān)測數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)具備將數(shù)據(jù)遠程傳輸至監(jiān)控平臺的能力，便于工程技術(shù)人員實時查看和分析數(shù)據(jù)。該監(jiān)測系統(tǒng)的響應(yīng)速度極快，能在毫秒級時間內(nèi)捕捉到沉降變化，確保監(jiān)測的及時性與準確性。

3 光纖位移傳感器在建筑基坑沉降監(jiān)測中的數(shù)據(jù)處理方法

3.1 最小二乘支持向量機的應(yīng)用與數(shù)據(jù)分類方法

在基坑沉降監(jiān)測中，由多個光纖位移傳感器收集的數(shù)據(jù)因外界環(huán)境差異和傳感器位置的不同而呈現(xiàn)出高度的復(fù)雜性和不確定性。LSSVM通過將輸入數(shù)據(jù)映射到高維特征空間，能有效識別基坑沉降過程中的細微變化。在實際操作中，首先需對光纖位移傳感器采集的大量沉降數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，剔除噪聲和異常數(shù)據(jù)，確保輸入數(shù)據(jù)的準確性。其次需基于預(yù)處理數(shù)據(jù)，利用LSSVM模型進行訓練，通過合理設(shè)定正則化參數(shù)和核函數(shù)，實現(xiàn)LSSVM分類性能的優(yōu)化。在訓練過程中，采用最小二乘誤差構(gòu)建最優(yōu)分類平面，以區(qū)分正常沉降和異常沉降兩類數(shù)據(jù)。

LSSVM基于光纖位移傳感器采集的位移數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化模型參數(shù)提高監(jiān)測的精度和實時性。在處理沉降數(shù)據(jù)時，LSSVM將輸入的多維位移信息映射至高維特征空間，尋找到最優(yōu)分類超平面，實現(xiàn)對不同沉降狀態(tài)的精確分類。隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)的持續(xù)輸入，LSSVM模型不斷更新權(quán)重和偏差，以適應(yīng)基坑沉降的動態(tài)變化，使得分類結(jié)果更加精確且穩(wěn)定。在模型訓練過程中，使用大量實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證和調(diào)整，以確保其適用于不同基坑條件下的監(jiān)測需求。

LSSVM不僅能捕捉到基坑中明顯的沉降變化，而且還對早期微小的異常變化具有很高的敏感性。這種高度敏感性使系統(tǒng)能在潛在風險出現(xiàn)前發(fā)出預(yù)警，進而防止沉降繼續(xù)惡化，避免大規(guī)模沉降引發(fā)的事故。該方法的優(yōu)勢在于具備高效性和精確性，能適應(yīng)復(fù)雜多變的施工環(huán)境，確保監(jiān)測的全面性和可靠性，為建筑基坑的安全監(jiān)測提供了科學依據(jù)。

3.2 DS證據(jù)理論在多傳感器數(shù)據(jù)融合中的應(yīng)用

通過光纖位移傳感器采集的初步位移數(shù)據(jù)，并結(jié)合傳感器的具體應(yīng)用效果及其工作環(huán)境，首先對這些數(shù)據(jù)進行初步評估，以確定各個傳感器的基本概率分配函數(shù)。DS證據(jù)理論在不確定性較高的情況下，為不同傳感器數(shù)據(jù)的合理推理與融合提供了一種有效方法，其核心在于計算不同傳感器之間的信任度，并綜合考慮證據(jù)之間的沖突程度，以此對多傳感器數(shù)據(jù)進行加權(quán)處理。以3個光纖位移傳感器為例，它們分別提供了不同區(qū)域的沉降數(shù)據(jù)。DS證據(jù)理論利用基本概率分配函數(shù)對每個傳感器的數(shù)據(jù)進行加權(quán)，從而得出一個綜合的沉降狀態(tài)判斷。在此過程中，如果某個傳感器的數(shù)據(jù)存在較大波動或異常，DS理論會自動降低該數(shù)據(jù)的權(quán)重，防止異常數(shù)據(jù)對系統(tǒng)整體判斷產(chǎn)生不良影響。最終，通過DS證據(jù)理論的融合，可獲得更為準確的基坑整體沉降監(jiān)測結(jié)果。當傳感器之間存在數(shù)據(jù)沖突時，DS證據(jù)理論能有效處理這些不確定性，顯著提高監(jiān)測系統(tǒng)的魯棒性和可靠性?；贚SSVM和DS證據(jù)理論的多傳感器融合數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表1。

4 建筑基坑沉降監(jiān)測的實驗設(shè)計與實施

4.1 實驗環(huán)境及光纖位移傳感器布置方案

實驗區(qū)域設(shè)置在一個典型的建筑工地上，該工地有一個深度為12 m、面積約為500 m2的基坑，土質(zhì)為中等密度的砂土，存在一定的沉降風險。由于實驗區(qū)域周圍有多層建筑，因此對其沉降監(jiān)測的實時性和精確性要求較高。為確保數(shù)據(jù)的全面性和可靠性，實驗團隊在基坑周圍布置了10個光纖位移傳感器。這些傳感器被分別安裝在基坑的不同深度和角度，覆蓋了基坑底部和邊坡的關(guān)鍵位置，能全面監(jiān)測基坑各個區(qū)域的沉降情況。傳感器通過專用的支撐結(jié)構(gòu)固定在基坑周邊，確保沉降監(jiān)測全程不受外部因素的影響。光纖位移傳感器與信號解調(diào)器相連，解調(diào)器再通過光纖線路將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在傳感器布置過程中，需避免傳感器之間的信號干擾，確保傳輸信號準確無誤。實驗系統(tǒng)設(shè)定為每分鐘采集一次數(shù)據(jù)，整個實驗持續(xù)30 d，旨在捕捉基坑在不同施工階段的沉降變化。此外，實驗預(yù)設(shè)了3個校準點，用于定期對傳感器的精度進行校準和調(diào)整，確保采集的數(shù)據(jù)既準確又可靠。

4.2 建筑基坑沉降監(jiān)測實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)束后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取了30 d內(nèi)各個光纖位移傳感器采集的沉降數(shù)據(jù)（圖1）。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，基坑不同區(qū)域的沉降速率和幅度存在顯著差異：北部區(qū)域的最大沉降量達到6.2 mm，而南部區(qū)域的最大沉降量則為4.8 mm。北部區(qū)域沉降明顯的原因在于其土質(zhì)相對松軟且承載力較低。通過對比各傳感器的時間序列數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，沉降初期變化相對平穩(wěn)。然而，自第10 天開始，隨著基坑開挖工作的推進，沉降速率明顯加快，特別是在北部和東南部區(qū)域，其沉降速率突增現(xiàn)象尤為突出。這一異常情況觸發(fā)了系統(tǒng)的自動報警機制，提示基坑可能存在局部不均勻沉降風險。在接下來的實驗階段，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示沉降情況逐漸趨于穩(wěn)定，至第25天時，沉降速率再次呈現(xiàn)下降趨勢。

為了全面了解基坑整體沉降趨勢，采用DS證據(jù)理論對各個傳感器采集的數(shù)據(jù)進行融合分析。分析結(jié)果顯示，基坑整體的沉降趨勢呈現(xiàn)非線性變化的特點，尤其在不同土質(zhì)和施工操作區(qū)域，沉降的變化幅度和速度差異較大。本次實驗結(jié)果驗證了光纖位移傳感器具有在高精度、實時性要求的監(jiān)測場景中應(yīng)用的優(yōu)勢，它不僅能準確捕捉基坑細微的沉降變化，還能通過多傳感器數(shù)據(jù)融合分析，全面評估基坑的沉降狀態(tài)，為施工過程中安全控制措施的制定提供科學依據(jù)。

4.3 基于光纖位移傳感器的基坑沉降監(jiān)測方法優(yōu)化

為了進一步提升傳感器的測量精度，可以從以下幾個方面對其進行優(yōu)化。

首先，在光纖材料的選擇上，可以考慮采用新型的高靈敏度光纖材料。此類材料能夠顯著提高傳感器對微小位移的感應(yīng)能力，尤其是對納米級位移的快速響應(yīng)，使傳感器能更精確地捕捉沉降初期的細微變化。

其次，信號解調(diào)技術(shù)是另一個重要的優(yōu)化方向?，F(xiàn)有解調(diào)系統(tǒng)在信號處理方面存在延遲問題，因此可以引入更高效的解調(diào)算法和硬件加速技術(shù)，縮短數(shù)據(jù)處理時間，提高實時監(jiān)測的準確性和效率。

再次，改進傳感器的布置方式能進一步提升監(jiān)測效果。布置光纖傳感器時，可以考慮引入自適應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能根據(jù)基坑沉降情況自動調(diào)整傳感器的監(jiān)測角度和位置，增強數(shù)據(jù)的全面性和監(jiān)測靈活性。

最后，增強傳感器的耐候性和耐久性也是不可忽視的優(yōu)化方向。在高溫、潮濕等惡劣環(huán)境下，需進一步提升傳感器的可靠性和使用壽命，確保其在各種復(fù)雜施工環(huán)境中能長時間穩(wěn)定運行，為基坑沉降監(jiān)測提供持續(xù)、可靠的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

基于光纖位移傳感器的建筑基坑沉降監(jiān)測方法展現(xiàn)出出色的實時性和高精度優(yōu)勢。通過融合最小二乘支持向量機與DS證據(jù)理論的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，監(jiān)測系統(tǒng)的魯棒性和數(shù)據(jù)分析能力得到有效提升。光纖位移傳感器以其對微小變化的高靈敏特性，在建筑健康監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能建筑技術(shù)的不斷進步，光纖位移傳感器可與云計算、大數(shù)據(jù)分析平臺相結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程高效傳輸和實時精確分析。在地震頻發(fā)區(qū)域，該技術(shù)能借助傳感器網(wǎng)絡(luò)對建筑物的位移和變形進行長期監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在結(jié)構(gòu)問題并提前預(yù)警。未來，光纖位移傳感器將在智能城市建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，特別是在橋梁、隧道、軌道交通等重要基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測方面，以保障城市基礎(chǔ)設(shè)施的安全穩(wěn)定運行，同時降低維護成本。后續(xù)的優(yōu)化工作將聚焦于傳感器材料和布置方式的進一步改進，以及信號解調(diào)技術(shù)的提升，使光纖位移傳感器能在更復(fù)雜的施工環(huán)境中穩(wěn)定可靠地提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，更好地服務(wù)于基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測和管理。

6 參考文獻

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