徐尚昭

摘 要：傳統(tǒng)的基坑監(jiān)測技術(shù)是通過進行數(shù)據(jù)的采集、中間的處理以及信息的反饋建筑、橋梁、馬路等大型建筑基坑情況。但是隨著科技的進步和對基坑監(jiān)測理解程度的加大，使得傳統(tǒng)的信息化監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)無法滿足基坑及周邊環(huán)境的監(jiān)測分析。本文通過分析基坑監(jiān)測信息化技術(shù)在在我國的研究現(xiàn)狀，并分析基坑監(jiān)測信息化系統(tǒng)存在的局限性，針對這些局限性構(gòu)建了能夠監(jiān)測基坑穩(wěn)定性的監(jiān)測系統(tǒng)、預測系統(tǒng)以及可視化系統(tǒng)相結(jié)合的具有動態(tài)分析功能的信息化系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；基坑監(jiān)測；管理系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.156

夯實的地基是保證建設高層建筑、大型水利工程、橋梁、隧道以及其他大型建筑的重要基礎(chǔ)。特別是在現(xiàn)代社會，對于高層建筑和長橋、地質(zhì)復雜地區(qū)在基坑監(jiān)測方面的需要變得越來越明顯。無論是在監(jiān)測中出現(xiàn)的深基坑還是多變化、“隱秘”的基坑都需要更高的檢測技術(shù)進行相應的分析和解決所遇到的難題。尤其是在進行大型建筑開發(fā)和構(gòu)建過程中基坑對于建筑的穩(wěn)定性起到了舉重若輕的作用。相對于以前，現(xiàn)代的建筑建設過程中所用的建筑材料變得更加復雜，在多介質(zhì)和高復雜的空間分布狀態(tài)下，基坑的情況也變得更加復雜，所以在監(jiān)測基坑的過程中，對于基坑的實時面貌特征和分布情況的預測則變得尤為重要。

1 基坑監(jiān)測的信息化

基坑監(jiān)測的信息化建設是隨著計算機技術(shù)和基于安全工程建設應運而生的新技術(shù)。信息化監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)⒆冃伪O(jiān)測、動態(tài)監(jiān)測、溫度監(jiān)測等融合為一體，為各種復雜的工程監(jiān)測提供有利的信息，對于基坑監(jiān)測的信息化研究和建設課題已經(jīng)是提上日程。

1.1 基坑監(jiān)測信息化建設的目的和意義

正因為基坑監(jiān)測是保證工程項目安全工作的前提，如果忽視必要的安全建設工作，則往往會造成不可挽回的災難。例如長江三峽的新灘滑坡事故就是由于基坑監(jiān)測工作的忽視所導致。通過信息化監(jiān)測系統(tǒng)的建設能夠很好的將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行分析和建立預測模型，為基坑的安全防護工作提供了強有力的保障。同時，利用監(jiān)測的結(jié)果可以準確的反饋于工程的施工過程，為后續(xù)施工的經(jīng)濟性、安全性、簡便性建立有效的措施，并且對于具有爭議性和差異性的監(jiān)測結(jié)果具有很好的修正作用。

1.2 基坑監(jiān)測信息化研究現(xiàn)狀

現(xiàn)代的基坑監(jiān)測信息化系統(tǒng)的開發(fā)主要包含了動態(tài)設計和信息化施工，主要是通過監(jiān)測結(jié)果的分析處理得到所需要的預測信息，給予施工的全過程相應的反饋數(shù)據(jù)并進行實時的動態(tài)監(jiān)測。例如，鐘正雄等人利用所檢測的數(shù)據(jù)結(jié)合成數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，對施工過程的所有信息進行分析，客觀的評價所檢測的項目的穩(wěn)定性，并以警報窗口的方式反映信息化處理系統(tǒng)的優(yōu)異性。此外，趙海燕等人提出了非線性變形動態(tài)趨勢線的分析方法，以各個階段的函數(shù)作為定量信息，量化工程中的基坑，并進行了實際的驗證，使得基坑監(jiān)測信息化技術(shù)中預測的信息能力成為必不可少的一部分。由于基坑監(jiān)測技術(shù)受到了越來越多人的關(guān)注，信息化系統(tǒng)的發(fā)展正朝著多元化的檢測儀器和智能化的分析儀器發(fā)展。

1.3 現(xiàn)有基坑監(jiān)測信息化系統(tǒng)存在的局限性

現(xiàn)在的建筑工程的開展需要考慮到基土性質(zhì)、建筑平面特征以及周圍環(huán)境措施的特點而需要選擇合理的支護方案?，F(xiàn)有的基坑監(jiān)測信息系統(tǒng)主要是以監(jiān)測基坑的基本形貌位置，而對于周邊環(huán)境的信息監(jiān)測則不太重視，這樣往往會導致所監(jiān)測得到的結(jié)果具有單一性，不適于大型基坑項目的開展。同時，由于檢測信息的復雜性和大數(shù)據(jù)性，需要能夠進行相應大數(shù)據(jù)處理的軟件和優(yōu)化算法作為技術(shù)支撐，因此在智能優(yōu)化算法的開發(fā)和應用上還需要相對應的調(diào)整。例如，遺傳算法（如圖1所示）就能夠通過群體的運算和個體的評價對復雜的基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)處理，得到最終的優(yōu)化結(jié)果。

2 基坑監(jiān)測中信息化系統(tǒng)的開發(fā)

基坑監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)需要考慮的因素非常多，例如基體結(jié)構(gòu)和支護結(jié)構(gòu)、相鄰建筑群或者環(huán)境介質(zhì)的關(guān)系、建設工程的經(jīng)驗等，都直接影響了監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)之后的應用特性，綜合的分析基坑監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、預測性和可視化特征是完善設計所必需的理論。

2.1 基坑穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

2.1.1 影響因素分析

工程項目的穩(wěn)定保證來源于監(jiān)測系統(tǒng)對于基坑監(jiān)測結(jié)果，不僅關(guān)乎基坑的安全性能還影響著使用費用的高低。在開展監(jiān)測項目的過程中往往會造成工程費用的損失，但是如果對于監(jiān)測系統(tǒng)的檢測項目進行減量，同樣也會對工程造成不同程度的損失，甚至會導致嚴重的后果。所以在進行基坑穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)之初就應該進行基坑工程項目等級進行評定，合理的規(guī)劃工程的使用費用，并統(tǒng)籌基坑周圍環(huán)境的特征，具有針對性的開發(fā)出性價比較高的監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1.2 設計原則

基坑穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的設計除了進行影響因素的分析之外，還需要重視開發(fā)設計的原則。主要包括可靠性原則、多元性原則、經(jīng)濟適宜性原則和關(guān)鍵部位監(jiān)測原則等。其中可靠性原則是最基本的原則也是首要考慮的設計原則，監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)需要建立在現(xiàn)有可靠的儀器設備和實際工況的基礎(chǔ)之上，這樣才能夠保證監(jiān)測系統(tǒng)的合理化。

2.2 基坑穩(wěn)定性預測系統(tǒng)的開發(fā)

2.2.1 預測能力在監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)中的體現(xiàn)

監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)還需要考慮到其預測能力的廣度和深度，通過監(jiān)測系統(tǒng)得到的信息我們發(fā)現(xiàn)，大部分信息是關(guān)于基坑的基本特性，而有少量的信息是為未知信息，通過提高監(jiān)測系統(tǒng)的預測能力，合理的運用這小部分未知信息進行定性、定量的預測基坑監(jiān)測結(jié)果在復雜的工程項目開展中運用的非常廣。例如，通過監(jiān)測大量的土壤流變性數(shù)據(jù)可以準確的預判在基坑遭受破壞過程中所受到的位移信息，從而在今后的基體發(fā)掘過程中需要重視不斷變化的位移數(shù)據(jù)。

2.2.2 預測系統(tǒng)中優(yōu)化算法的選擇

在進行預測系統(tǒng)開發(fā)的過程中優(yōu)化算法的選擇是決定監(jiān)測系統(tǒng)預測能力的重要影響因素。優(yōu)化算法其實是一種基于某種特定的運算過程的搜索、篩選規(guī)則。在數(shù)學、物理、化學領(lǐng)域中常常運用的優(yōu)化算法主要有遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡和模擬退火算法等等。如前文中所提到的，遺傳算法是基于群體運算和個體評價的算法，很好的分析了每一個個體數(shù)據(jù)之間存在的關(guān)系。而模擬退火法則在處理數(shù)據(jù)過程中局部極小值的解釋起到了重要作用。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡則是通過運用人腦神經(jīng)網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)信息進行抽象化，處理的過雖然具有抽象性但是卻能得到與非線性函數(shù)的真值最為近似的數(shù)值。

2.3 基坑可視化系統(tǒng)的開發(fā)

可視化系統(tǒng)是近些年在基坑監(jiān)測研究中新型的檢測手段，將基坑的檢測結(jié)果從單一的數(shù)據(jù)分析逐步轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)與圖片相結(jié)合的檢測方法，在監(jiān)測結(jié)果的穩(wěn)定性和準確性上有了很大的提高。隨著圖片處理水平的不斷提高，監(jiān)測可視化系統(tǒng)所輸出的圖片有二維變成三維，在形貌特征上更能夠體現(xiàn)出基坑周邊的環(huán)境信息和變化情況。

3 基坑可視化監(jiān)測和預測系統(tǒng)的實現(xiàn)與應用

綜上所述，在開發(fā)基坑監(jiān)測系統(tǒng)當中既需要考慮其數(shù)據(jù)處理的能力、預測能力還需要兼顧監(jiān)測系統(tǒng)的信息反饋能力和可視化系統(tǒng)的合理化。在基坑施工過程中，準確的把握基坑開發(fā)的速率和后續(xù)輔助工程的進行，監(jiān)測系統(tǒng)所反饋的有效信息和參數(shù)有利于下一階段工程的設計和實施。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和登錄界面

目前，我們所面臨的比較難處理的基坑主要分為兩種，其一為深基坑，其二為具有周邊環(huán)境復雜的基坑。這兩種難處理的基坑具有很大的共同點，例如工作量大并且復雜，在對基坑的施工過程中對監(jiān)測的精度要求較高且監(jiān)測頻率較密。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)不能夠真實的反映出基坑及其環(huán)境周邊的情況，在數(shù)據(jù)的采集上也體現(xiàn)出較為繁瑣的處理過程。而我們采用Matlab開發(fā)的具有可視化監(jiān)測和預測的系統(tǒng)則很好的規(guī)避了這些難題。其主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，主要包括了數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及可視化模塊組成。

在啟動軟件之后，首先進入的是“系統(tǒng)登錄的窗口”（如圖3所示），在點擊進入系統(tǒng)之后，則會通過核實用戶的“用戶名”和“密碼”進行登錄操作。假如輸入的用戶信息有問題則會彈出窗口提示“您輸入的用戶名或密碼有誤，請重新輸入”，而當使用用戶信息登錄成功之后在可以開始后續(xù)的系統(tǒng)中各個模塊的相應功能。

3.2 數(shù)據(jù)庫查詢系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理模塊

為了將所檢測到的所有數(shù)據(jù)進行合理的規(guī)劃和分析，本系統(tǒng)利用SQL語言建立相應的數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行合理的整理和保存，這些數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中可以根據(jù)監(jiān)測人員、監(jiān)測項目、檢測日期進行數(shù)據(jù)的排序、查詢和修改，特別是對于建筑物的沉降數(shù)據(jù)的分析和管理最為突出。SQL數(shù)據(jù)庫的使用能夠?qū)⒒庸r中不同時間段、不同監(jiān)測點的結(jié)果匯總于一張表中為后續(xù)對數(shù)據(jù)的溯源和重新添加或者修改起到很大的便利性。

此外，本系統(tǒng)針對深基坑、變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的基坑監(jiān)測而采用了卡爾曼濾波技術(shù)，通過輸入-輸出的信號噪聲激勵的特性值統(tǒng)計，形成了具有時間段限制的濾波方法，可直接用于動態(tài)的檢測基坑的實時情況，并進行快速的預報。同時，系統(tǒng)中還結(jié)合了遺傳算法將所收集的數(shù)據(jù)進行了個性評價，剔除沒有相關(guān)性的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的預測模型的建立提供有效的信息來源。

3.3 預測模型和可視化模塊分析

在建立預測模型的過程中，首先需要設定相應監(jiān)測項目的警戒值允許值，系統(tǒng)的預測模型模塊的功能能夠?qū)崿F(xiàn)將處理后的實測數(shù)據(jù)進行建模，最后得到預測模型。預測模型能夠針對所監(jiān)測項目的監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行校驗和預測。

為了讓可視化模塊所顯示出來的圖片效果更加明顯和準確，系統(tǒng)中采用GPS的偽距法進行定位，根據(jù)周圍基巖分布，計算出各個土層的主要物理力學性質(zhì)，水文地質(zhì)條件等選擇合理的監(jiān)測地點，并分別對維護結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境進行監(jiān)測。最終通過系統(tǒng)的可視化功能，將處理后的數(shù)據(jù)文件和預測模型在可視化模塊中顯示出來，通過三維圖片的形式能夠清晰的觀察到基坑中的具體形貌和對應不可挖掘的地點，在一定程度上解決了工程師因為數(shù)據(jù)的誤判和經(jīng)驗的限制導致的工程建設事故的問題。

4 結(jié)論

隨著經(jīng)濟的不斷提升，國家、地方政府對于基礎(chǔ)設施到的建設正逐步提高重視。在大型建筑和多樣化的建筑群體的建設中不可避免的會遇到較為困難的基坑施工情況。雖然國內(nèi)已經(jīng)許多的學者和和專家正對信息化的基坑監(jiān)測系統(tǒng)不斷的開發(fā)和改進，但是現(xiàn)階段的基坑監(jiān)測還處于半監(jiān)測和半經(jīng)驗的現(xiàn)狀，由于受到不同外界因素的影響，基坑的情況也變得十分復雜。信息化的監(jiān)測系統(tǒng)能夠合理而準確的得到有利于施工的基坑信息，本文提出的可視化監(jiān)測和預測的系統(tǒng)還處于研究階段，僅實現(xiàn)了基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理和可視化，對于數(shù)據(jù)模型的預測和動態(tài)可視化的研究還需進一步的深化。

參考文獻：

[1]范傳斌，張宏軍.信息化監(jiān)測技術(shù)在深基坑施工中的應用[J]. 建筑施工，2014（11）：1219-1222.

[2]黃銀洲.信息化監(jiān)測在深基坑工程安全管理中應用研究[J].山西建筑，2010（07）：87-88.