目前，国内大多数监测预警系统的研究主要集中在地灾应用方面，在工程变形监测领域的应用研究较少，在控制指标、预警标准等方面的依据和方法相对不足。为此，本文研究了基于物联网模式下的轨道交通工程工后变形监测预警系统，在广泛收集国内有关工程变形监测预警的法律法规、技术规范和文献的基础上，对工程监测预警进行了分级，并根据轨道交通工程的监测项目、内容对轨道交通工程预警技术指标体系进行了总结，对规范类似工程的监测预警工作提供有益参考。

1 基于物联网模式的轨道交通工程变形监测预警系统

工程变形监测预警是一个涉及测绘科学、土木工程科学、计算机科学、信息科学等多学科交叉的工程领域。传统的监测方式在通信集成方面存在不足，实际支持的传感器终端较为单一，很难适用于各类大型轨道交通工程的综合监测。而且在变形信息获取过程中，不同专业背景和知识结构的工作人员获取变形信息的方式有所差异，如工程结构监测人员多以各类物理传感器监测为手段，测绘类人员多以大地测量仪器进行监测^[1]。

工程变形监测本身就是以各类传感测量设备为基础的，信息化技术的飞速发展使得轨道交通工程工后变形监测技术方式正由传统的单一传感器监测(大地测量仪器)逐步向多传感器集成监测过渡^[2]，进而催生了现代化监测预警系统，但是，大多数监测预警系统只是对传统变形监测进行技术改进，应用了单一的传感器、单一的通信方式，集成性不强，缺少整网相连的物联网思想和一个融合多种监测手段的系统化的监测预警系统^[2]。基于物联网模式的轨道交通工程变形监测预警系统即以互联网技术为核心，结合大地测量、传感器、通信三项技术，将各种几何量传感器、物理量传感器、气象元素及环境变量传感器等信息传感设备与互联网相连接，形成物物相联的智能化工程安全监控系统，其中以大地测量仪器和物理学传感器为感知层，以通用分组无线服务技术和互联网为网络层，以集成化的数据中心软件和网络数据库为应用层，其系统架构如图 1所示。

依托物联网模式的轨道交通工程变形监测预警系统为监测人员、业主、施工方之间的互动提供了施工监测信息与预警信息处理平台。轨道交通工程地处复杂的环境、地质、岩土条件下，不可避免地存在安全风险问题，在对其进行变形监测预警时，应用物联网模式的变形监测预警系统能为工程监测者提供更加科学的综合分析平台，使工程监控工作更加高效、全方位和自动化。

2 三级预警标准管理模式 2.1 三级预警标准

国内外很多规范和文献都包含了变形监测预警技术指标体系的相关内容，如《建筑变形测量规范》(JGJ8-2007)^[3]中规定，当实测变形值大于允许变形值的2/3时，应上报并启动应急变形监测方案。《中华人民共和国突发事件应对法》^[4]中规定了按照突发事件发生的紧急程度、发展势态和可能造成的危害程度分为一级、二级、三级和四级，分别用红色、橙色、黄色和蓝色标示，一级为最高级别。但考虑到一项工程的预警值分级不宜过多，因此，将监测安全等级分为预警、报警及极限3个等级更为合适，预警值一般取警戒值的0.7~0.8倍，报警值取警戒值的0.8~0.9倍，极限值即为警戒值的预警分级标准。傅志峰等^[5]将安全预警级别分为红色、橙色和黄色三个等级，并且建议等级差幅小于25%。张书华等^[6]提出了水平位移和垂直位移的容许变形值不超过±10 mm，取最大值的1/3作为报警值，取最大值的2/3作为警戒值。包欢等^[7]提出地铁或者隧道结构的位移量达到10 mm时报警，达到15 mm时采取适当应变措施，并严格控制在20 mm内。

不同文献中的各项预警指标有所区别，因为这些指标都是在符合规范要求下，最契合各自工程特点的监控标准。预警指标技术体系是进行高效、快速预警的重要保障，应根据工程特点、当地施工经验进行合理制定，预警级别过多或过少都不适宜。参考建筑变形测量规范、城市轨道交通工程测量规范(GB 50308-2008)^[8]和城市轨道交通工程监测技术规范(GB 50911-2013)^[9]，可考虑将监测安全等级分为正常、预警、报警3个等级，分别用红色、橙色、黄色来表示，红色为最高级别，同时设置好各级控制值。监测项目控制值作为预警标准的重要内容，不能采用一刀切的方式对监测项目进行统一设定，应经过充分的设计沟通与环境调查后，根据设计文件以及相关规范，在多个标准和文件确定的预警值不一致时，最好选取较小的值作为预警值。

2.2 预警管理制度

在监测预警过程中，如果监测数据达到了预警值，需要一个有效而流畅的物联网工程变形监测预警系统。在硬件具备的条件下，可建立起更符合物联网工作模式的一个声、光、电一体的安全监测报警系统。根据监测预警等级和预警标准，建立预警管理制度，包括不同预警等级的警情报送对象、时间、方式和流程等。三级监测预警标准按预警级别高低分为红色预警、橙色预警和黄色预警。

在实时处理好监测数据后，若某个监测区域的监测数据达到黄色预警标准，该区域监测数据变为黄色警示，虽然此种情况下大部分监测对象并未发生显著变形，数据的波动主要是由于测量误差造成的，但仍应加强对该区域监测数据的监测和关注，直至数据正常，若数据始终异常，应及时组织人员查找原因。当变形量处于橙色预警时，预警信息将推送到声光电设备，显示屏幕将出现闪烁现象。这时必须进行复测检核，判断是否存在测量粗差，若复测结果确认超出，则认为监测对象发生了异常沉降，并于1 d内上报业主单位，同时建议施工单位减缓施工进度，必要时停止施工。若变形量超过二级预警限值，处于红色预警状态时，报警信号发出，对应颜色发光，二极管闪烁，报警器发出声响，声光并用，同时电话报警，应立即启动危险预警机制，并上报业主单位，请求施工单位停止施工，并提请各相关单位会商处理方案，以免危害工程安全。三级预警标准下的预警流程如图 2所示。

3 预警指标体系

对监测预警系统而言，预警指标体系是重中之重。目前，国内外缺少指标体系的系统研究、预警标准的统一制定等。预警指标体系应包含若干个监测预警项目以及与之对应的预警指标，这些指标包括横向和纵向指标。横向指标由监测内容决定，轨道交通工程有哪些监测内容，就存在相应的横向技术指标，每项监测内容都有一个最大容许变形值，超过了就需做出相应层次的预警。横向指标实际上是最简单的，即单纯地超过预设值就认为工程出现变形，但工程是一个复杂的整体，只以横向指标来反映变形体及周边环境的变形情况远远不够。为了更深入地了解变形并更科学地进行预警，制定了纵向指标，比如针对沉降而言，除了累计沉降指标，某些项目还需设定沉降速率指标、差异沉降指标。

监测项目控制值按监测项目的性质分为变形监测控制值和力学监测控制值。每个工程的实际情况不一样，需要进行变形监测的项目有所不同。就城市轨道交通工程而言，沉降、差异沉降、倾斜、裂缝、应力及应变等为目前工程建设的主要监测项目。

考虑到轨道交通工程可视为由路基、涵洞、桥梁、隧道等部分组成的，目前对这些特定的变形监测对象的研究较为深入，可作为有价值的参考，以此来确定监测项目、监测预警指标及其预警值，建立一个完善的工后沉降监测预警指标体系。本文根据客运专线无砟轨道铁路技术指南^[10]、客运专线无砟轨道铺设条件评估施工技术指南^[11]、高速铁路设计规范(TB 10601-2009)^[12]、城市轨道交通工程监测技术规范^[9]对预警指标进行说明，并提出了相关的调整建议。

3.1 核心指标

1) 工后沉降。这是沉降变形监测预警的首要核心指标，应严格控制，如不满足要求，应立刻报警，提醒相关人员进行核查。客运专线无砟轨道铁路技术指南^[10]中提到，高速铁路的无砟轨道对沉降变形，特别是不均匀沉降变形的要求很严格。对于调高量为30 mm的扣件，扣除施工误差+6 mm或-4 mm，仅有20 mm可以调整，再考虑列车运行时需要预留5 mm的余量，实际留给运营期间路基沉降的允许调整量仅为15 mm。只有路基沉降量不大于15 mm时，才能保证设计的轨道高程，如果沉降量大于15 mm，将不能调整到原来的轨面高程。涵洞、隧道的工后沉降预警值与路基一致。对于桥梁墩台的工后沉降，高速铁路设计规范要求无砟轨道下桥墩的警戒值为20 mm。

2) 沉降速率。高速铁路工程测量规范、高速铁路运营沉降监测管理办法以及相关的高速铁路测量规范中并没有对监测点的沉降速率提出明确的规定，但沉降速率和沉降量是彼此映照的，因此将监测点沉降速率作为核心指标，并参照城市轨道交通工程监测技术规范对预警限值进行控制，依然取警戒值的70%、85%、100%划分为三级预警。

3.2 基本指标

1) 差异沉降。差异沉降是保证线路纵向平顺性能满足列车高速、平稳运行要求，应作为基本指标控制。规范要求相邻断面预测差异沉降不应大于4 mm，过渡段不同结构物间的预测差异沉降不应大于5 mm。

2) 当前沉降/最终沉降。它是测点在观测期内沉降变形完成量与总沉降量的比值。对于运营期客运专线的沉降监测来说，该控制指标可由75%放宽至50%。

3) 相关系数R。相关系数R是一个统计分析指标，其值越大，说明所求曲线回归方程的有效性越高。作为沉降预测值的可靠性保证，相关系数R应作为预测预警中的基本指标予以控制。但在实际评估中，部分实测数据存在上下波动的小沉降、大波动的现象，沉降量过小导致数学计算没有实际工程意义，这在一定程度上削弱了拟合曲线的相关性，导致相关系数无法满足要求。因此，对实测总沉降量小于10 mm的工点，在可以确定后期沉降变形趋势时，曲线回归相关系数的最小值可以由0.92放宽至0.85。

3.3 一般指标

规范要求设计预测总沉降量与通过实测资料预测的总沉降量之差不宜大于10 mm，两次预测最终的沉降量差值不大于8 mm，这在实际评估分析中基本满足，对预警不起控制作用，仅作参考。

相比于工后沉降量和沉降速率，剩下的预警基本指标和一般指标在具体实施过程中均能满足。对于核心指标，要求严格满足，任何一个指标达到预警标准时都要进行预警。对于基本指标，要求整体满足，个别指标超限不大时，可以暂时不进行预警，但要持续关注。对于一般指标，要求基本满足即可。

对不同的监测手段、不同的施工工法可采用多种预测模型来进行变形预测，设置多种预警判断值及判断方法结合预测结果来实现安全预警功能，通过在系统界面中设置不同的颜色闪烁和文字说明实现预警信息的发布。轨道交通工程工后沉降变形监测预警流程如图 3所示。

4 结束语

1) 变形监测预警领域中，不同专业背景、不同知识结构的技术人员往往会从自己的专业角度看待这个问题。在工程变形监测及预警理论初步形成的阶段，需要多学科专家协同，全面规范工程监测预警技术，健全科学、普适的工程监测预警管理制度。

2) 当前国内实际的监测预警系统大多只是应用了单一的传感器、单一的通信方式对传统的监测技术进行改进，集成性不强，基于物联网模式的轨道交通工程变形监测预警体系中搭建了以物联网技术为基础，应用各种传感技术，通过网络通信手段将工程现场与互联网相连接，实现了在线监控、实时预警，有利于建成一个高效、实时、自动化的信息管理服务平台。

3) 结合现行法律法规和已有的成熟做法，轨道交通工程监测预警等级可由高级到低级分为红色预警、橙色预警、黄色预警这三级预警标准，据此建立包含报送对象、时间、方式的预警管理制度，以及一个符合物联网工作模式的声、光、电一体化安全监测报警系统。

4) 考虑到工后沉降监测是轨道交通工程变形监测的一个重要内容，本文以工后沉降变形监测为例，总结了如何建立一个拥有定量化指标信息、条理化(横向和纵向指标)和可操作化的预警指标体系。