物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下橋梁工程過渡段軟基路基沉降監(jiān)測研究

曹輝輝

（中鐵十八局集團第一工程有限公司，河北 涿州 072750）

橋梁是我國重要的交通設施，在國民運輸經(jīng)濟中具有重要作用。為保證橋梁工程的安全建設，在軟土地基施工時需加強軟基路基的沉降監(jiān)測。在橋梁運營階段，車輛荷載以及各種事故也會導致橋梁的沉降，造成安全隱患，特別是橋梁過渡段的軟基路基，若發(fā)生沉降會導致橋梁的整體變形，嚴重影響橋梁的安全使用，因此有必要加強對軟基路基的沉降監(jiān)測。

對此，眾多學者展開了研究，目前已經(jīng)成熟的方法主要有：榮智等[1]采用可在監(jiān)測過程中反映路基抗變形能力的回彈模量指標代替壓實度，對軟基路基沉降進行實時監(jiān)測；宋中華等[2]對高精度全站儀和圧差式靜力水準儀進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果對沉降監(jiān)測方案進行布設。研究發(fā)現(xiàn)上述監(jiān)測方法均在實踐中取得良好成效。由于傳統(tǒng)軟基路基沉降監(jiān)測法獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)中存在對沉降研究結(jié)果影響不利的噪聲數(shù)據(jù)，會造成沉降規(guī)律研究偏差。因此，基于上述研究成果和實際需要，開展物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下橋梁工程過渡段軟基路基監(jiān)測方法研究，以期為同類型工程提供參考。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的橋梁軟基路基沉降監(jiān)測

1.1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設備結(jié)構(gòu)設計

物聯(lián)網(wǎng)圖像監(jiān)測可直接觀測軟基路基的沉降變形，適用于橋梁過渡段軟基路基的沉降監(jiān)測，不僅可獲取有效監(jiān)測數(shù)據(jù)，且能清晰發(fā)現(xiàn)其沉降量[3]。目前沉降監(jiān)測主要是觀測路基斷面的沉降變形，但路基軟基段因整體條件差，設備不合要求難以進行施工監(jiān)測。因此，依現(xiàn)場情況對用于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測的設備進行方案設計，其測量情形見圖1。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)示意

本研究設計的用于橋梁過渡段軟基路基沉降監(jiān)測的新型物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測方法主要包含兩方面：一是沉降變形監(jiān)測終端，二是監(jiān)控中心。監(jiān)測終端主要裝置包括蓄電池、傾角傳感器等，數(shù)據(jù)存儲和光斑圖像采集可通過嵌入系統(tǒng)中的數(shù)字信號處理器來完成，它能使光斑的中心定位更精確。監(jiān)測系統(tǒng)中的通訊設備主要使用GPRS。監(jiān)控中心的構(gòu)成主要包含報警裝置、圖像數(shù)據(jù)處理以及控制中心，其中修正靶面的位置不僅可有效計算出相關(guān)監(jiān)測工程的沉降量，且能有效去除噪聲數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運作時，將激光器置于橋梁軟基路基上，再放置好靶面，接收激光器發(fā)射的激光，最后在靶面上形成光斑[4]。觀測光斑位置，若發(fā)生改變，則可判定軟基路基發(fā)生沉降。具體監(jiān)測過程見圖2。

圖2 監(jiān)測過程

將沉降監(jiān)測終端沿橋向放置于橋梁雙側(cè)，并將靶面放置于監(jiān)測終端的正前方，完成設備的安裝后可直接用于橋梁軟基路基的沉降監(jiān)測。

1.2 數(shù)據(jù)處理

由物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)信息是一種變量，且隨時間變化。由于沉降監(jiān)測環(huán)境惡劣，且一般在室外受自然條件影響，致使沉降數(shù)據(jù)中混雜較多的噪聲數(shù)據(jù)。這些噪聲數(shù)據(jù)對整體結(jié)果影響不大，但會影響對沉降規(guī)律的判斷[5]，間接對地基沉降監(jiān)測觀測數(shù)值產(chǎn)生遮蓋效應，增加數(shù)據(jù)處理難度。因此在本研究的沉降監(jiān)測方法中需對數(shù)據(jù)進行去噪處理。沉降監(jiān)測噪聲數(shù)據(jù)包括高頻與低頻部分，主要存在于高頻數(shù)據(jù)中。為使監(jiān)測數(shù)據(jù)更完善，采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡模型對沉降數(shù)據(jù)計算分析，去除無效噪聲數(shù)據(jù)。方法主要是閾值去噪法，也稱非線性去噪法，該法對于混入白噪聲數(shù)據(jù)的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)較為適用。此法主要是設置閾值作為門限，低于門限的數(shù)據(jù)作為噪聲數(shù)據(jù)去除。

本研究所采用的嵌入式小波神經(jīng)網(wǎng)絡模型，是一種嵌套小波變化和人工神經(jīng)的模型（見圖3）。其主要工作原理是采用小波函數(shù)、尺度因子和平移因子取代傳統(tǒng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡中的激活函數(shù)、權(quán)值和閾值。假設沉降監(jiān)測的樣本形式為{x(i),i=1,2,...,n}，樣本數(shù)值和預測值之間為非線性映射關(guān)系，進一步得到目標函數(shù)：

圖3 嵌入式小波神經(jīng)網(wǎng)絡模型

式中，f為樣本與預測值之間的映射函數(shù)，k為大于0 的自然數(shù)，可依據(jù)嵌入式結(jié)構(gòu)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡，分解連續(xù)小波函數(shù)。為提升去噪算法的收斂速度，需要進行訓練。訓練樣本數(shù)據(jù)為累計沉降值，10 次預測的平均值將是降低預測值隨機性的結(jié)果。模型通過預測結(jié)果的相對誤差和模型精度來評價。模型精度由下式給出：

式中，n表示預測值的個數(shù)。

由于本研究使用的嵌入式小波神經(jīng)網(wǎng)絡使用的是神經(jīng)網(wǎng)絡SCG 監(jiān)督訓練算法模型，因此初始梯度通過自相關(guān)校正方法生成，自動設定閾值。

2 實驗與分析

2.1 工程概況

為驗證本設計的沉降監(jiān)測方法，以A 市到B市鐵路站前5 標某橋梁施工段為背景，開展工程實踐分析。該工程中具有巖溶及巖溶水的部分主要有DK61+791 ～DK61+815、DK80+655 ～DK81+470、DK81+535 ～DK81+975 段，共計3 段巖溶路基，共長1 279 m。該工程主要涉及的地質(zhì)概況見表1。

表1 工程地質(zhì)概況

分別采用本設計橋梁過渡段軟基路基沉降監(jiān)測方法和傳統(tǒng)監(jiān)測方法進行測試，并對測試結(jié)果進行對比分析。

2.2 測點布置

將混凝土預制樁作為試驗基點，沿路基兩側(cè)且距線路中心50-200 m 范圍布設72 個基點用于監(jiān)測，監(jiān)測點的布設均應滿足規(guī)范要求。布設位置如圖4 所示。

圖4 沉降監(jiān)測點位置示意

根據(jù)實際施工進度，以7 天為沉降監(jiān)測周期，得到傳統(tǒng)監(jiān)測方法和本設計方法下的兩組監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理，與監(jiān)測點的實際沉降量進行對比分析。

2.3 實驗結(jié)果分析

兩種監(jiān)測方法的測試結(jié)果對比分析如表2所示。

表2 監(jiān)測結(jié)果分析

由表2 可知，本研究提出的累計沉降觀測方法相較于傳統(tǒng)觀測方法，技術(shù)上有較大改進和提升，觀測結(jié)果精度得到整體提高。采用本方法的觀測結(jié)果相較傳統(tǒng)方法的相對誤差整體上均較大，說明本研究提出的檢測方法精度相對有所提升。

為更直觀地反應兩種測試方法的測試結(jié)果，將表2 數(shù)據(jù)繪制成圖，得到本設計的監(jiān)測方法與傳統(tǒng)監(jiān)測方法的測試結(jié)果曲線（見圖5）。

圖5 兩種沉降監(jiān)測方法測試結(jié)果對比

圖中更清楚展現(xiàn)了兩者的觀測趨勢，總體來看本研究提出的沉降監(jiān)測方法所得觀測結(jié)果小于傳統(tǒng)觀測方法。經(jīng)過噪聲數(shù)據(jù)去除，得到的曲線沒有突變，基本呈線性變化，所得的監(jiān)測數(shù)據(jù)與實際沉降變形較為貼合，更便于研究沉降變化規(guī)律，同時也驗證了本觀測方法的科學性和合理性。

3 結(jié)語

針對目前橋梁過渡段軟基路基沉降監(jiān)測方法中所存在的缺陷問題，設計了一種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的橋梁路基沉降監(jiān)測方法。主要從物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設備、監(jiān)測終端和監(jiān)控中心等方面著手，通過GPRS通訊設備對目標展開監(jiān)測，并開展監(jiān)測設備的監(jiān)測過程研究。針對噪聲數(shù)據(jù)，采用嵌入式小波神經(jīng)網(wǎng)絡模型對監(jiān)測數(shù)據(jù)閾值進行計算分析，得到有效監(jiān)測數(shù)據(jù)，使得觀測的沉降數(shù)據(jù)更符合實際情況。經(jīng)實驗驗證本設計監(jiān)測方法具有一定的有效性。但本方法前期需要大量的樣本進行學習來建立模型而獲得閾值，對樣本數(shù)量要求高，且去噪中有時會出現(xiàn)發(fā)散情況，后續(xù)需進一步改進去噪算法，加快算法的收斂計算時間。