至臻监测： 变形监测的技术与方法

【思政案例 01】大坝安全的监测者：紧盯每一毫米变形

本素材参考自“新华网（新华社），2020-07-24；中国新闻网（中新视频），2020-10-22”

http://www.xinhuanet.com/politics/2020-07/24/c_1126281359.htm

新华社记者 胡伟杰

汛期来临，甘肃省最大的水电站刘家峡水电厂有这样一个特殊群体，他们在幕后数年如一日地默默监测着大坝安全，保障每年安全度过汛期。他们就是刘家峡水电厂水工分厂观测班的工人们。

“我们每天记录大坝变形数据，就像给大坝做‘心电图’，实时监测大坝是否‘健康’。”刘家峡水电厂生产技术部副主任高承众说。

刘家峡水电厂是西北电网的骨干调频电厂，承担着发电、调峰、调频和防凌、防汛多种任务。刘家峡库区大坝是否安全直接决定着下游数百万群众的生命财产安全。

高承众介绍，大坝自从1969年第一台机组并网发电以来，观测班工人们就开始记录下大坝的“一举一动”。数十年如一日，几代观测工人在坝体上监测着数百个点位的变动情况。

“最初的观测工作完全是人工进行的，一天下来只能测量十几个点位。”高承众说，人工观测速度慢、效率低，一些点位只能一月一测。对于大坝的一些细微变化，水电厂还无法做到实时监测。

2001年，人工观测工作也逐渐被300多个点位的自动观测仪器取代。高承众和工友们再也不用跑上大坝去亲自搞测量了。

自动化监测极大地提高了工作效率和数据精确度，现在只需几分钟，就可随时看到大坝坝体安全监测数据。时值黄河二号洪水过境不久，刘家峡上游来水增多，溢洪洞开启闸门进行泄洪。坝体安全监测频率也随之增强了。

刘家峡水电厂自从建厂以来，坝顶年周期弹性变形幅度仅为1厘米左右，也就是说观测工人们每天紧盯着大坝每一毫米的变形。这些变形量对于这座坝基宽度117米、坝高147米的巨大建筑物来说似乎微不足道，但高承众和观测工人们心里明白，只要年变化幅度超出这一范畴，就需要引起水电厂的高度重视了。

【思政案例 02】城市轨道上的“夜行者”：地铁隧道变形监测纪实

本素材参考自“网易（测绘之家），2021-03-13”

https://www.163.com/dy/article/G50PD24R05319UN7.html

23时30分，喧嚣的城市逐渐宁静，青岛院的王军、尹财、王智、尹相宝准时在青岛地铁2号线的芝泉路站门口集合，开始了他们的夜间工作——对地铁隧道和轨道进行定期的变形监测。

在地铁站大厅，他们将随身物品放在地上拍照，所有工作人员也要拍照。王军告诉记者：“这是‘交底’，等工作结束后再拍照是‘出清’。前后照片对比，确保没有人员和物品遗漏在地铁轨道上，避免地铁运行出现危险。”

待地铁停运，地铁部门完成放电并确定好作业点后，他们便拿着测量仪器和装备进入地铁隧道，此时已是0时30分。

在空洞洞的隧道内走了大约1公里，他们来到预定作业点。王军拿着轨道尺对地铁轨道的间距和垂直高度进行测量。每隔5米有一个监测点，他在每个监测点喷上红色油漆以便下次辨认，同事尹财随即记录数据。

“因为地铁高速运行，而且列次非常多，我们每10天就要检测轨道横向和纵向间距是否有变化，一旦发现异常会及时向地铁部门发出预警。”尹财说。

约1公里的轨距监测完，他们又开始对自动化监测设备进行维护保养。记者在现场看到，一台约30厘米高的监测设备，根据预设指令自动转动，向周围的棱镜发射激光，自动记录数据并反馈到后台。

这台自动化监测设备可谓“火眼金睛”，1毫米以下的变形都能精确捕捉。

“这套自动化监测系统是24小时不间断运行，对道床水平位移和沉降、隧道结构沉降、隧道收敛、隧道振动速度等实时记录，每2小时作为一个数据周期，反馈给后台。”王军说，“根据这些自动监测数据，我们就能分析出隧道内的安全隐患。”

自动化监测设备也需要人工维护保养。这便是他们10天来检查一次的原因之一。260米的作业区间就有92个棱镜，他们挨个擦拭，检测设备的运转情况也要调试确认。

在地铁隧道深处，记者看到王智和尹相宝在用隧道移动扫描系统给地铁隧道做“彩超”。一台“小车”在地铁轨道上缓缓前行，“小车”上的三维扫描仪快速转动，自动拍摄并记录着数据。

“这个看似简单的‘小车’实际很不简单。它可以连续采集隧道全息空间数据，通过其生成的三维空间图像能分析出隧道内是否有渗水、裂缝、脱落、管片错台等病害。一旦发现问题及时预警，就像是给隧道进行‘体检’。有了它，隧道运行区间的健康检测工作的效率和精度都有了质的提升。”王智说。

【思政案例03】从发现到发生：滑坡实时监测预警

本素材参考自“慧天地（悦智网），2021-10-30；长安大学，2021-01-28”

https://mp.weixin.qq.com/s/dbBVVNDjBliBIH2U3Pm3CQ

https://www.chd.edu.cn/2021/0128/c391a181691/page.htm

视频监控拍摄到的滑坡体开裂和滑动的场景

在“十三五”国家重点研发计划的支持下，长安大学牵头，联合中南大学、北方工业大学、南京大学、成都理工大学、中国科学院空天信息创新研究院、大连理工大学等9家单位组建项目团队，共同开展特大滑坡实时监测预警技术与装备研发。该项目旨在揭示特大滑坡“从发现到发生”的演化过程，进而提前预警滑坡的发生，满足国家防灾减灾的重大应用需求。

经过两年半的科研攻关，项目团队研制出北斗变形监测、便携式应急监测、自组网实时通信、地基大视场合成孔径雷达（SAR）、地下多场传感等滑坡实时监测装备8套，研制出空天遥感动态跟踪、多源智能预警等系统平台5套，构建起特大滑坡“动态跟踪-实时监测-精准预警”技术体系，实时获取多层次多尺度滑坡关键监测指标，实现对特大滑坡的动态精准预警。目前，项目团队在陕西、四川、重庆、云南、贵州、甘肃等13个省（自治区、直辖市）建有滑坡监测预警示范区，在西北黄土滑坡、三峡库区滑坡、西南岩溶滑坡等典型特大滑坡区开展监测预警示范，成功预警多起滑坡事件，显著提升了我国滑坡灾害的防灾减灾水平。

长安大学灾害监测预警系统

长安大学张勤教授团队长期扎根西部，紧跟国家北斗应用需求，立足于灾害监测预警领域，研发的基于云平台的低成本高精度北斗/GNSS监测系统已成功预警了三起黄土滑坡。该系统从硬件端低成本北斗接收机的设计，到服务端高精度北斗定位解算及预警平台的搭建均由该团队研发，已经形成了一整套完备成熟的解决方案。该监测预警系统是长安大学承担的国家自然基金重点项目“基于空天地技术的滑坡识别与智能监测预警”、国家重点研发计划项目“特大滑坡实时监测预警与技术装备研发”、基金委重大基金项目“川藏铁路重大灾害识别与预测”、国家973项目“黄土重大灾害及灾害链的发生、演化机制与防控理论”等国家重大项目的系列研究成果。基于此，团队还研发了针对高位远程和应急艰险等复杂滑坡场景的无人机抛投式北斗滑坡监测装备，为高位远程、应急等人员难以到达的危险场景的监测提供了可能。

【思政案例 04】水库智慧监测系统：精确到0.1毫米

本素材参考自“龙泉驿发布（龙泉融媒），2022-08-03”

https://mp.weixin.qq.com/s/ElTe3gJZoHY7FpVfB0YiKA

主编：白龙祥；副主编：邓晴风；责任编辑：江逸  邓爽

编辑：郑金雨；记者：刘江涛；  视频：魏远刚

龙泉驿区背靠龙泉山城市森林公园，辖区内共有17座小型水库，其中蓄水量100万方以上的小（一）型水库6座，蓄水量10万方以上的小（二）型水库11座。水库大坝的安全关系着千家万户，特别是在面对自然灾害和极端天气的情况下，水库大坝的安全就显得尤为重要。

水库大坝智慧监测系统，是一套全自动的智慧监测系统，包括测量机器人、垂线和引张线坐标仪、振弦式渗压计、浮子式量水堰计、环境量监测装置、MCU型测控装置等设备，全方位监测着水库大坝的各种细微变化，甚至0.1毫米的微小变形都逃不出它的监控。

“简直不敢想，以前我们对大坝进行监测是通过肉眼来观测，也许已经变形在10厘米以上才能够发现。这套系统运行以后，能够进行连续监测，并且可以精确到0.1毫米，为我们做出反应，赢得了宝贵时间。”国营水库管理员张建说，这套系统最大的作用不仅是对肉眼不易判别的微观变形的监测非常有用，还可以通过连续的监测数据进行分析判断，及时发现水库变形的安全隐患。

【思政案例 05】桥梁监测的“火眼金睛”：数字图像与激光技术的融合应用

本素材参考自“腾讯网（《桥隧产业》杂志），2020年7月刊 总第41期”

https://new.qq.com/rain/a/20200831A0JAA500

作者：赵煜 韩毅 王会峰；    作者单位：长安大学；

编辑：陈晨；  美编：赵雯；  责编：陈晖；  审校：裴小吟 廖玲

桥梁变形测试方法主要有：

机械式测量法，如千分表、百分表、连通管等；

电测法，如电测变形计、机电百分表等；

三角测量法，如水准仪、全站仪等；

还有倾角仪检测法、激光三角位移检测法等。

在桥梁荷载试验中，机械测量法与电测法一般需要搭设支架等临时设施，耗费大量人力物力，且无法在水上桥梁、通航（车）桥梁和高墩大跨桥梁应用；三角测量法只能在桥面两侧进行变形测试，无法反映横向多片主梁挠度分布状况。在桥梁实时动态位移监测中，目前还没有高效的变形实时监测仪器和设备，严重制约着桥梁长期监测技术的进步。因此，急需研发新型变形测量设备，改进和解决目前桥梁变形测试的不足。

数字图像相关方法（DICM）是一种基于现代数字图像分析技术的光学测量新方法。基于DICM的结构变形测试技术系统由CCD、镜头、靶标和分析系统软件组成。

长安大学结构智能检测技术研究所研发了用于桥梁荷载试验的QBD-A型结构静动态位移测试系统和用于桥梁长期监测的QBD-B型结构变形实时动态测试系统。

QBD-A型结构位移测试系统可广泛应用于桥梁荷载试验及其他结构的相对变形测试中，QBD-B型结构变形实时动态测试系统解决了行业内无法进行远距离实时监测结构变形的难题，并首次在我国最大的公铁两用斜拉桥——沪苏通长江大桥施工监控中成功应用。

   

QBD-A型结构位移测试系统、QBD-B型结构变形实时动态测试系统

激光基准图像测量方法是将激光技术和视觉测量技术相结合的一种非接触变形测量方法。激光图像测量方法具有测量速度快、精度高、稳定性好等特点，可实现远距离自动连续测量，近年来广泛应用于结构变形测量和工业生产中。

基于双激光基准的梁体结构变形监测原理

长安大学结构智能检测研究所研发了激光基准桥梁结构挠度多维度智能实时监测系统。该系统基于双激光基准实现桥梁的多维挠度参数检测，利用光电检测技术将桥梁结构的多维挠变信息转换为激光光斑中心在靶标平面上的坐标变换，通过数字图像处理技术求取出激光光斑中心的坐标信息，从而间接解算出桥梁结构的挠变信息。