基于光纖位移傳感器的建筑基坑沉降監測實驗研究

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

關鍵詞：光纖位移傳感器；基坑沉降監測；數據融合；LSSVM；DS證據理論

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、地下工程等建設項目對沉降監測的需求日益增長，光纖位移傳感器技術在此背景下成為基礎設施安全監測的重要工具［1］。憑借其高精度的監測能力、出色的抗干擾性能及強大的實時數據監測功能，光纖位移傳感器技術能在施工過程中即時捕捉沉降數據，幫助施工人員及時采取有效的調整措施，有效預防結構損傷。雖然傳統的基坑沉降監測手段，如水平儀和全站儀，能夠達到一定的測量精度，但是在實時監測和持續監測方面卻存在明顯不足。在光纖位移傳感器的應用研究中，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定的監測數據；范好好等［3］通過深入探討高精度光纖光柵位移檢測技術，進一步證實了光纖傳感技術在監測精度上的優勢。同時，王濤等［4］的研究也指出了多源數據融合對于提升監測系統精確性和可靠性的重要性。本研究旨在結合最新的光纖位移傳感器技術與先進的數據融合分析方法，包括最小二乘支持向量機和DS證據理論，以突破傳統方法在大規模施工監測中的局限。本文探討了光纖位移傳感器在建筑基坑沉降監測中的實際應用效果，為建筑安全評估領域引入了新的技術手段。

1 基于光纖位移傳感器的建筑基坑沉降監測現狀分析

1.1 傳統基坑沉降監測方法的局限性

傳統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，難以實現對基坑沉降過程中細微變化的持續監測。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，測量結果缺乏穩定性。此外，這些傳統的監測方法的數據采集與處理周期長、效率低下，不適用于大規模、持續性的基坑沉降監測任務，特別是在復雜地質條件下，傳統方法難以全面、實時地獲取沉降數據，不僅無法準確反映基坑在整個施工周期內的沉降情況，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測中的應用優勢

光纖傳感器具有較強的抗電磁干擾能力，能在復雜的電磁環境中輸出穩定的監測數據，有效解決了傳統監測設備易受電磁波干擾的問題。光纖傳感器的體積小、重量輕，在復雜或狹小的基坑環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，實現高精度的實時監測，確保數據的準確性。此外，光纖傳感器支持長距離信號傳輸，并且傳感器數量可根據實際需求靈活增減，非常適用于大范圍、多點同步監測的場景。相較于傳統方法，光纖位移傳感器實現了數據采集過程的自動化，能在無人值守的情況下長期穩定運行，極大地提升了監測效率。在高溫、潮濕等惡劣環境下，光纖位移傳感器仍能保持穩定的性能，對各種復雜施工現場具有較高的適應性，進一步增強了基坑沉降監測的可靠性。

2 光纖位移傳感器的工作原理與系統構建

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的變化。在基坑沉降的監測中，當基坑發生沉降時，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。在光纖位移傳感器的設計中，通常采用強度調制和相位調制兩種調制方式。強度調制通過檢測光信號強度的變化反映位移情況；相位調制則依賴于光波的干涉效應，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，當基坑沉降導致光纖發生彎曲或拉伸時，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，并通過解調器將光學信號轉換為電信號。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常可以達到微米級別，因此特別適用于微小變形的高精度監測場景。

2.2 光纖位移傳感器的系統構建

在監測基坑沉降的過程中，需在基坑周邊合理地布設光纖位移傳感器。傳感器的具體位置需根據基坑規模、土質情況及施工工藝等多種因素確定，以確保在基坑的關鍵區域（如周邊支護結構、底部及邊坡等處）安裝足夠數量的光纖傳感位移器，實現全面且高精度的監測覆蓋范圍。光纖位移傳感器通過光纜與信號解調器連接，后者負責接收光纖傳輸的光信號，并將其轉換為電信號。這些電信號經由信號調制器處理后，再被送入數據采集系統，該系統實時記錄并分析位移信號。每個光纖位移傳感器會持續產生監測數據，整個系統具備將數據遠程傳輸至監控平臺的能力，便于工程技術人員實時查看和分析數據。該監測系統的響應速度極快，能在毫秒級時間內捕捉到沉降變化，確保監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測中的數據處理方法

3.1 最小二乘支持向量機的應用與數據分類方法

在基坑沉降監測中，由多個光纖位移傳感器收集的數據因外界環境差異和傳感器位置的不同而呈現出高度的復雜性和不確定性。LSSVM通過將輸入數據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據進行預處理，剔除噪聲和異常數據，確保輸入數據的準確性。其次需基于預處理數據，利用LSSVM模型進行訓練，通過合理設定正則化參數和核函數，實現LSSVM分類性能的優化。在訓練過程中，采用最小二乘誤差構建最優分類平面，以區分正常沉降和異常沉降兩類數據。

LSSVM基于光纖位移傳感器采集的位移數據，通過優化模型參數提高監測的精度和實時性。在處理沉降數據時，LSSVM將輸入的多維位移信息映射至高維特征空間，尋找到最優分類超平面，實現對不同沉降狀態的精確分類。隨著監測數據的持續輸入，LSSVM模型不斷更新權重和偏差，以適應基坑沉降的動態變化，使得分類結果更加精確且穩定。在模型訓練過程中，使用大量實際監測數據進行驗證和調整，以確保其適用于不同基坑條件下的監測需求。

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能在潛在風險出現前發出預警，進而防止沉降繼續惡化，避免大規模沉降引發的事故。該方法的優勢在于具備高效性和精確性，能適應復雜多變的施工環境，確保監測的全面性和可靠性，為建筑基坑的安全監測提供了科學依據。

3.2 DS證據理論在多傳感器數據融合中的應用

通過光纖位移傳感器采集的初步位移數據，并結合傳感器的具體應用效果及其工作環境，首先對這些數據進行初步評估，以確定各個傳感器的基本概率分配函數。DS證據理論在不確定性較高的情況下，為不同傳感器數據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，并綜合考慮證據之間的沖突程度，以此對多傳感器數據進行加權處理。以3個光纖位移傳感器為例，它們分別提供了不同區域的沉降數據。DS證據理論利用基本概率分配函數對每個傳感器的數據進行加權，從而得出一個綜合的沉降狀態判斷。在此過程中，如果某個傳感器的數據存在較大波動或異常，DS理論會自動降低該數據的權重，防止異常數據對系統整體判斷產生不良影響。最終，通過DS證據理論的融合，可獲得更為準確的基坑整體沉降監測結果。當傳感器之間存在數據沖突時，DS證據理論能有效處理這些不確定性，顯著提高監測系統的魯棒性和可靠性。基于LSSVM和DS證據理論的多傳感器融合數據分析結果見表1。

4 建筑基坑沉降監測的實驗設計與實施

4.1 實驗環境及光纖位移傳感器布置方案

實驗區域設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，土質為中等密度的砂土，存在一定的沉降風險。由于實驗區域周圍有多層建筑，因此對其沉降監測的實時性和精確性要求較高。為確保數據的全面性和可靠性，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鍵位置，能全面監測基坑各個區域的沉降情況。傳感器通過專用的支撐結構固定在基坑周邊，確保沉降監測全程不受外部因素的影響。光纖位移傳感器與信號解調器相連，解調器再通過光纖線路將數據傳輸至數據采集系統。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。實驗系統設定為每分鐘采集一次數據，整個實驗持續30 d，旨在捕捉基坑在不同施工階段的沉降變化。此外，實驗預設了3個校準點，用于定期對傳感器的精度進行校準和調整，確保采集的數據既準確又可靠。

4.2 建筑基坑沉降監測實驗結果分析

實驗結束后，數據采集系統獲取了30 d內各個光纖位移傳感器采集的沉降數據（圖1）。分析數據發現，基坑不同區域的沉降速率和幅度存在顯著差異：北部區域的最大沉降量達到6.2 mm，而南部區域的最大沉降量則為4.8 mm。北部區域沉降明顯的原因在于其土質相對松軟且承載力較低。通過對比各傳感器的時間序列數據發現，沉降初期變化相對平穩。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域，其沉降速率突增現象尤為突出。這一異常情況觸發了系統的自動報警機制，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，監測數據顯示沉降情況逐漸趨于穩定，至第25天時，沉降速率再次呈現下降趨勢。

為了全面了解基坑整體沉降趨勢，采用DS證據理論對各個傳感器采集的數據進行融合分析。分析結果顯示，基坑整體的沉降趨勢呈現非線性變化的特點，尤其在不同土質和施工操作區域，沉降的變化幅度和速度差異較大。本次實驗結果驗證了光纖位移傳感器具有在高精度、實時性要求的監測場景中應用的優勢，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據融合分析，全面評估基坑的沉降狀態，為施工過程中安全控制措施的制定提供科學依據。

4.3 基于光纖位移傳感器的基坑沉降監測方法優化

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能力，尤其是對納米級位移的快速響應，使傳感器能更精確地捕捉沉降初期的細微變化。

其次，信號解調技術是另一個重要的優化方向。現有解調系統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算法和硬件加速技術，縮短數據處理時間，提高實時監測的準確性和效率。

再次，改進傳感器的布置方式能進一步提升監測效果。布置光纖傳感器時，可以考慮引入自適應傳感器網絡，該網絡能根據基坑沉降情況自動調整傳感器的監測角度和位置，增強數據的全面性和監測靈活性。

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

5 結語

基于光纖位移傳感器的建筑基坑沉降監測方法展現出出色的實時性和高精度優勢。通過融合最小二乘支持向量機與DS證據理論的數據處理技術，監測系統的魯棒性和數據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，在建筑健康監測領域展現出巨大的應用潛力。隨著物聯網和智能建筑技術的不斷進步，光纖位移傳感器可與云計算、大數據分析平臺相結合，實現數據的遠程高效傳輸和實時精確分析。在地震頻發區域，該技術能借助傳感器網絡對建筑物的位移和變形進行長期監測，及時發現潛在結構問題并提前預警。未來，光纖位移傳感器將在智能城市建設中得到廣泛應用，特別是在橋梁、隧道、軌道交通等重要基礎設施的健康監測方面，以保障城市基礎設施的安全穩定運行，同時降低維護成本。后續的優化工作將聚焦于傳感器材料和布置方式的進一步改進，以及信號解調技術的提升，使光纖位移傳感器能在更復雜的施工環境中穩定可靠地提供監測數據，更好地服務于基礎設施的安全監測和管理。

6 參考文獻

［1］朱萬旭，宋天明，劉豐榮，等.壓桿式光纖光柵位移傳感器的研制［J］.傳感器與微系統，2024，43（4）：83-87.

［2］劉林，黃利元，肖寶森.光纖光柵干涉傳感器位移測量誤差高精度校準方法［J］.激光雜志，2024，45（7）：97-101.

［3］范好好，趙強，杜大偉，等.高抗噪光纖光柵波峰計數式位移傳感器［J］.光子學報，2024，53（6）：180-189.

［4］王濤，喬楊，郭永興，等.基于光纖光柵傳感器的高支模安全監測［J］.西安建筑科技大學學報（自然科學版），2024，56（2）：311-316.