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目前，我国正处于快速城市化建设、大规模基础设施建设和重大建筑工程项目建设发展的高峰期，工程建设的发展与人民的生活息息相关。这些建筑物的结构往往比较复杂，在建造和使用过程中，建筑结构可能会受到多种因素的影响，从而导致建筑结构抵御自然灾害甚至正常运维作业的能力下降，其中带来影响的主要原因有：人为因素、环境侵蚀、材料老化和长期荷载作用。如果不通过监测技术加以控制，一旦发生工程质量事故，如房屋和桥梁的倾斜、塌陷、倒塌，将会带来极大的经济损失和极其严重的社会影响，甚至还会危及人们的生命安全，如图 1.1 所示。
结构工程，特别是大型结构工程主要包括体育场、大型厂房、商场、超市、工业建筑等。该类工程是人员特别集中地带，结构形态各式各样，受力情况复杂，一旦出现问题，极有可能会造成大量的人员伤亡和严重的财产损失。因此，开展工程结构监测的工作意义重大。针对钢结构，主要对其钢结构杆件的受力状态、整体沉降、倾斜、变形、振动及环境因素进行监测预警；针对混凝土结构，主要对结构应力、柱体倾斜、振动、整体沉降及环境因素等进行监测预警。通过监测系统进行数据实时采集，对整体结构物进行实时状态监测，对异常值进行预警。通过短信报警（须预设负责人员手机号码）、软件弹出框报警、声光警报器等方式实现实时预警，便于管理方提前疏散人群。
图 1.1 房屋和桥梁的倒塌
工程结构监测是一项综合应用土木工程、计算机科学、电子技术等多个领域知识的技术。它利用传感器、监测设备等技术手段对工程结构进行实时监测和分析，可以为工程结构的设计、施工、使用和维护提供可靠的技术保障。工程结构监测主要有以下 6 个优点。
（1）优化工程结构设计
工程结构监测技术可以为工程结构的设计提供可靠的数据支持。在设计阶段，监测系统可以通过实时监测结构的应力、振动等参数，帮助工程师和设计师了解结构的受力情况、疲劳状态和耐久性等关键参数，优化设计方案，避免出现设计缺陷和结构问题。在建筑设计中，监测系统可以对建筑外形、高度、内部构造等参数进行实时监测，确保建筑结构的稳定性和安全性。
（2）提高工程结构的安全性
工程结构监测技术可以及时发现工程结构问题，并采取措施加以解决，从而提高工程结构的安全性。在传统的结构监测方式中，人工巡检和定期检查是主要手段，但是这种方法的效率和可靠性十分有限。监测系统可以实时监测结构的变形、振动、应力等关键参数，通过数据分析和模拟，及时发现结构问题，预测可能出现的风险，并提出相应的解决方案，降低甚至避免因负载超限、地震、风灾等原因引发安全事故的可能性。
（3）降低工程维护成本
工程结构监测技术可以大大降低工程维护成本。传统的结构监测方式需要定期进行人工巡检，而监测系统可以自动进行监测和数据分析，大大降低了人工巡检的成本。此外，工程结构监测技术能够实现对工程结构的远程监测和管理，有效地降低了维护成本。通过实时监测和分析，工程管理人员可以及时了解工程结构的健康状况，避免因为缺乏对工程结构的监测而导致维护费用的增加。
（4）提高工程结构的可持续性
工程结构监测技术可以提高工程结构的可持续性。通过实时监测和分析，可以及时了解工程结构的健康状况，及时采取修复和加固措施，延长工程寿命，减少废弃和重建的需求，减少资源浪费和环境污染。此外，工程结构监测技术还可以对工程结构的设计和施工进行优化，提高工程结构的耐久性和可持续性。
（5）促进工程结构的科技创新
工程结构监测技术是一项高科技产业，涉及传感器技术、数据采集与处理技术、模型分析与优化技术等多个领域的知识。这种技术的发展促进了工程领域和科技领域的融合和协同创新。同时，工程结构监测技术的发展也为相关产业提供了更多的机会和市场。
（6）保障人民群众的生命财产安全
工程结构监测技术可以为人民群众的生命财产安全提供可靠保障。在工程领域，监测技术可以实时监测工程结构的安全状态，及时发现和处理潜在的危险。在自然灾害发生时，如发生地震、台风等，监测系统可以及时预警和响应，减少或避免人员伤亡和财产损失。
总之，工程结构监测技术在提高工程结构安全性、降低维护成本、提高工程结构的可持续性、促进科技创新、保障人民群众生命财产安全等方面都具有重要的意义。随着社会的不断发展，监测技术将会得到更加广泛的应用和推广，为社会的发展和进步作出更大的贡献。
工程结构监测广泛应用于土木工程中的建筑结构、道路桥梁、隧道和地下工程、水电站和风力发电厂、海洋平台和油田设施等。重大工程结构（如超大跨桥梁、超大跨空间结构、城市超高层建筑、大型水利工程、大型海洋平台结构以及核电站建筑等）使用期长达几十年，甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而降低其抵抗自然灾害，甚至正常环境作用的能力，极端情况下甚至会引发灾难性的突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，已建成使用的许多重大工程结构和基础设施急需采用有效的手段来监测和评定其安全状况，并及时加以修复或控制损伤。对新建的大型结构和基础设施，在总结以往的经验和教训的基础上，可以在工程建设的同时增设长期的健康监测系统和损伤控制系统，以监测结构的服役安全状况，并为研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的方法。
建筑是城市建设的重要组成部分，由于其规模通常较大和结构的复杂性，工程结构监测技术在大型建筑上的应用也变得越来越重要，其具体应用有以下 4 点：
（1）结构安全监测
工程结构监测技术可以通过安装传感器、摄像头、加速度计等设备对大型建筑的结构安全进行实时监测。监测的内容包括结构的变形、应力、振动等。一旦监测到异常，系统会及时向管理人员发出警报，提醒管理人员采取必要的措施进行修复和维护，确保大型建筑的结构安全。
（2）施工质量控制
在建筑的施工过程中，工程结构监测技术也可以用于施工质量控制。通过在建筑物结构的关键位置安装传感器和摄像头等设备，可以实时监测施工过程中的质量，包括混凝土强度、结构尺寸和几何形状等。如果发现施工质量有问题，可以及时纠正，确保建筑物结构的质量和稳定性。
（3）节能减排
工程结构监测技术还可以用于建筑结构的节能减排。通过监测建筑物的能耗数据和环境参数，如室内温度、湿度等，系统可以自动控制建筑物的能源消耗，达到节能减排的目的。例如，可以自动调控空调系统的温度和湿度，或者自动开启和关闭照明设备，以提高建筑物的能源利用效率。
（4）设备监测与维护
建筑结构中的机械设备和电气设备也需要进行实时监测和维护。通过工程结构监测技术，可以对这些设备的运行状态、能耗等进行监测，并在设备出现故障或需要维护时，向管理人员发出警报，这样可以及时发现问题并进行修复和维护，提高设备的可靠性和延长使用寿命。
道路桥梁是交通运输的重要组成部分，其结构安全和稳定性是关系人民生命财产安全的重要问题。工程结构监测技术在道路桥梁中的具体应用有以下 4 点：
（1）结构安全监测
工程结构监测技术可以通过在道路桥梁上安装传感器、摄像头等设备对其结构安全进行实时监测。监测内容包括道路桥梁的振动、应力、变形等。一旦监测到异常，系统会及时向管理人员发出警报，提醒管理人员采取必要的措施进行修复和维护，确保道路桥梁的结构安全。
（2）运行安全监测
道路桥梁的运行安全也需要进行监测。通过工程结构监测技术，可以对桥梁的运行状态进行实时监测。例如，可以监测桥面的振动和位移，或者监测桥墩的变形和应力等。如果发现桥梁的运行状态异常，系统会及时向管理人员发出警报，以便其采取必要的措施进行修复和维护，确保道路桥梁的运行安全。
（3）环境监测
工程结构监测技术还可以用于道路桥梁周围环境的监测。通过监测大气、水质和噪声等环境参数，可以了解周围环境的情况，及时发现并处理可能对桥梁结构和运行安全产生影响的环境问题。例如，可以监测大气中的颗粒物和有害气体浓度，便于管理人员及时采取减排措施，以减少它们对桥梁结构的腐蚀和损害。
（4）智能运维
利用工程结构监测技术的智能化特点，还可以实现道路桥梁的智能运维。通过对桥梁的监测数据进行分析和处理，可以实现对桥梁的远程监测和运维。例如，可以通过自动化的监测系统对桥梁的结构变化进行实时监测，并通过智能算法对监测数据进行分析，提前发现潜在的故障和隐患，从而提高运维效率和延长桥梁的使用寿命。
在地下隧道和地铁等工程中，工程结构监测可以应用于以下 4 个方面：
（1）地质勘探和预测
在地下隧道和地铁建设前，需要进行地质勘探和预测，以确定地下地质结构、水文地质条件、地下水位等情况。监测技术可以通过各种传感器采集地质数据，对地下结构进行三维建模和仿真分析，帮助工程师更好地了解地质情况，制订更合理的施工方案。
（2）施工监测
在地下隧道和地铁施工过程中，需要对各种施工工艺和材料进行监测。监测技术可以通过各种传感器监测隧道开挖、支护、注浆、拱顶砌筑等施工过程中的变形、应力和温度等参数，并及时报警和反馈，帮助工程师及时掌握施工情况，防范施工事故的发生。
（3）结构安全监测
地下隧道和地铁的结构安全至关重要。监测技术可以通过各种传感器对隧道和地铁结构的各种参数进行监测，还可以对轨道的几何形状、高度、坡度、曲率等参数进行实时分析，并及时报警和反馈，帮助工程师及时采取措施，保证结构的安全和稳定。
（4）环境监测
地下隧道和地铁建设对周围环境的影响也是需要关注的。监测技术可以通过各种传感器监测地下水位、土壤稳定性、噪声、振动、空气质量等参数，还有地铁隧道内部的温度、湿度、空气质量、烟雾等监测指标，并及时报警和反馈，帮助工程师及时采取环保措施，减少对周围环境的影响。
在水电站和风力发电厂工程中，工程结构监测可以应用于以下 6 个方面：
（1）水闸、堤坝、电站大坝等水利设施的安全性监测
通过安装压力传感器、位移传感器、加速度传感器等，可以实时监测水利设施的运行状态和安全性，及时发现异常情况并采取措施，避免事故的发生。
（2）发电机组、水轮机等设备的状态监测
通过安装振动传感器、温度传感器等，可以实时监测发电机组、水轮机等设备的运行状态和健康状况，及时发现故障并采取维修措施，确保设备的正常运行。
（3）河道水位、水温等参数的监测
通过安装水位计、水温计等传感器，可以实时监测河道水位、水温等参数，及时发现水位波动、水温变化等异常情况，为水电站的调度管理提供数据支持。
（4）风力发电机组的状态监测
通过安装振动传感器、温度传感器等，可以实时监测风力发电机组的运行状态和健康状况，及时发现故障并采取维修措施，确保风力发电机组的正常运行。
（5）风机塔筒、叶片等结构的安全性监测
通过安装倾斜传感器、位移传感器等，可以实时监测风机塔筒、叶片等结构的运行状态和安全性，及时发现异常情况并采取措施，避免事故的发生。
（6）风速、温度等参数的监测
通过安装风速计、温度计等传感器，可以实时监测风速、温度等参数，及时发现风速波动、温度变化等异常情况，为风力发电厂的调度管理提供数据支持。
工程结构监测在海洋平台和油田设施中的应用主要包括以下 5 个方面：
（1）海洋平台建设监测
在海洋平台建设前，需要对海底地质情况进行勘探和预测，以确定平台建设的位置和方式。监测技术可以通过各种传感器采集海底地质数据，对海底结构进行三维建模和仿真分析，帮助工程师更好地了解海底情况，制订更合理的建设方案。
（2）施工监测
海洋平台建设过程中需要对各种施工工艺和材料进行监测。监测技术可以通过各种传感器监测海洋平台的钻井、水下爆破、吊装等施工过程中的变形、应力和温度等参数，并及时报警和反馈，帮助工程师及时掌握施工情况，防范施工事故的发生。
（3）结构监测
海洋平台和油田设施的结构安全至关重要。监测技术可以通过各种传感器对平台和设施的变形、裂缝、应力、振动等参数进行监测和分析，并及时报警和反馈，帮助工程师及时采取措施，保证结构的安全和稳定。
（4）环境监测
海洋平台和油田设施的建设和运营对海洋环境的影响也是需要关注的。监测技术可以通过各种传感器监测海洋环境参数，例如海水温度、盐度、pH值、氧气含量、水流等，并及时报警和反馈，帮助工程师及时采取环保措施，减小对海洋环境的影响。
（5）设备运行监测
海洋平台和油田设施中的设备需要经常运行维护，监测技术可以通过各种传感器监测设备的温度、压力、振动、电流等参数，并及时报警和反馈，帮助工程师及时进行维护和修理，保证设备的正常运行。
工程结构监测系统是一个综合性的监测系统，涉及许多不同的研究领域，包括传感器（用于感知结构物的状态，如位移、振动、应变、温度、湿度等）；数据采集器（将传感器采集到的数据进行处理和转换，将其转换为数字信号或数据流，便于存储和分析），采集器的类型和性能与传感器配合使用，也与数据的处理方式和频率有关；数据传输系统（将采集到的数据传输到数据处理中心，可以选择有线或无线方式），常见的传输方式包括以太网、Wi-Fi、蓝牙、LoRa（远距离无线电，Long Range Radio）等；数据处理中心（将传感器采集到的数据进行处理、存储、分析和展示），通常包括数据存储服务器、数据处理服务器、算法库、可视化界面等组成部分。数据处理中心也可以是云平台，用户可以通过互联网访问并使用其提供的服务；软件系统（实现数据处理、分析和可视化展示），根据具体的应用场景，它具有包括数据分析算法、结构状态识别、健康监测、安全预警等多种功能；人机交互界面（提供给用户对数据的可视化展示和交互操作界面），用户可以通过界面实时查看结构物的状态、接收预警信息、设置监测参数等，人机交互界面可以是软件应用程序、Web页面、手机应用等多种形式。
工程结构监测系统所涉及的领域可分为传感器子系统、数据采集与传输子系统、分析与预警子系统、数据管理子系统 4 大部分。各子系统独自承担监测的不同功能，它们之间协同工作，共同完成对结构的监测和安全评估以及预警功能。
（1）传感器子系统
该系统即为硬件系统，包括各种传感器、信号放大处理设备和连接器材。其功能为感知待测物理量并按一定的规律转变为可识别的信号。传感器子系统处于监测系统的最前端，它决定了数据采集设备和数据采集软件的选用。
（2）数据采集与传输子系统
该系统包括硬件和软件两部分。硬件包括采集数据的设备和转换信号的设备等，软件包括进行信号采集的软件和数据管理软件等。其功能是通过数据采集设备将传感器的信号进行采集传输，转化为计算机可识别的数据并传送给数据管理系统。数据采集与传输子系统处于监测系统的中心地位，是连接传感器子系统和数据管理子系统的桥梁。
（3）分析与预警子系统
该系统是利用数据处理平台，对结构实时获取的数据进行分析计算，从而进行预警的模块。分析与预警子系统通过软件对监测数据进行分析，确定各种环境指标（如温度和湿度）、结构指标（如结构损伤的位置和程度）、变形指标（如沉降和裂缝），从而对结构状态进行评定，并发出报警信息。
（4）数据管理子系统
数据管理子系统的核心为中心数据库，将各子系统的监测信息保存到中心数据库中，对数据进行统一集中管理，并实现系统间的数据交互，使各子系统协同完成监测目标。
工程结构监测系统的各子系统之间的关系如图 1.2 所示。
图 1.2 工程结构监测系统的各子系统间的关系
1.1 工程结构监测技术相较于传统人为监测的手段，有哪些优点？有何不足之处？
1.2 试讨论还有哪些地方能应用监测系统？
1.3 工程结构监测系统由哪几部分组成？