王曼 步樂樂 冷志鵬 朱立偉

摘 要：文中為城市軌道交通深基坑科學監(jiān)測及預警管理提供了設計支持，建立了基于自動化實時監(jiān)測系統(tǒng)的深基坑監(jiān)測體系，通過應用現(xiàn)代傳感、通信和網(wǎng)絡等信息化技術，實現(xiàn)了一個集中式在線監(jiān)測綜合管理平臺。該平臺具有多項目深基坑在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)信息處理及安全預警等功能，可幫助管理部門科學評估深基坑的狀態(tài)及其發(fā)展演化趨勢，在基坑接近危險狀態(tài)時及時預警，從而降低深基坑發(fā)生安全事故的風險。

關鍵詞：城市軌道交通;深基坑;實時監(jiān)測;安全評估;預警系統(tǒng);信息化技術

中圖分類號：TP393;U231.1文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-04

0 引 言

城市空間資源不足限制了城市的建設和發(fā)展，城市地下空間的開發(fā)與利用在城市建設和發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。軌道交通作為一種高效便捷、安全舒適的交通工具，極大地緩解了城市公共交通壓力，促進了社會和經(jīng)濟發(fā)展。隨著地鐵線路不斷增多，深基坑也在向超深、超大方向發(fā)展。近年來，在城市建設過程中會出現(xiàn)管線改移、管線被挖損等事故，造成巨大的經(jīng)濟損失[2]，由深基坑施工所造成的基坑坍塌、建（構）筑物傾斜或開裂、道路沉陷、管線爆裂等事故屢有發(fā)生，造成了不良的社會影響。因此，保證深基坑施工安全是目前亟需解決的難題之一。

深基坑施工實時監(jiān)測及預警系統(tǒng)面向一個區(qū)域多項目基坑對象，應用現(xiàn)代傳感、通信和網(wǎng)絡等信息化技術，實現(xiàn)集基坑結構監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析處理、預警評估等功能于一體的集中式在線監(jiān)測綜合管理平臺[3]，同時結合數(shù)據(jù)挖掘技術及時掌握深基坑變形演化趨勢，方便建設單位提前采取措施，避免事故發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體功能概述

本系統(tǒng)實現(xiàn)重點基坑集中式在線監(jiān)測管理，系統(tǒng)以統(tǒng)一標準化的方式進行總體規(guī)劃，由底層的分布式基坑現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，中層的共享式數(shù)據(jù)遠程傳輸網(wǎng)絡以及上層的集中式基坑監(jiān)測管理中心組成。

基坑監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示。其中分布式基坑現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)是區(qū)域級基坑集群監(jiān)測平臺基礎支撐系統(tǒng)。底層的基坑現(xiàn)場信息感知層由自動化在線監(jiān)測子系統(tǒng)與電子化人工巡檢子系統(tǒng)組成。自動化在線監(jiān)測子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、現(xiàn)場傳輸模塊組成。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要由分布在基坑現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集工作站中的各類采集設備組成，主要功能是數(shù)據(jù)采集，并按照監(jiān)測信號種類進行數(shù)據(jù)轉換、預處理、獲取目標監(jiān)測量?，F(xiàn)場傳輸模塊將經(jīng)過采集模塊獲得的數(shù)字信號集中匯聚，調制成為可供遠程傳輸?shù)男盘枺⑼ㄟ^現(xiàn)場光纖環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)交蝇F(xiàn)場工作站。電子化人工巡檢子系統(tǒng)由基坑監(jiān)測人員利用PDA設備進行巡檢數(shù)據(jù)及人工監(jiān)測數(shù)據(jù)的錄入，并對日常巡檢管理、巡檢任務的執(zhí)行情況進行有效監(jiān)控。

中層的共享式數(shù)據(jù)遠程傳輸網(wǎng)絡是聯(lián)系底層分布式基坑現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)與上層基坑監(jiān)測管理中心的通道。遠程傳輸網(wǎng)絡包含基坑公共資源網(wǎng)絡，如電信、移動、聯(lián)通的寬帶光纖網(wǎng)絡及4G/5G無線網(wǎng)絡。

上層基坑監(jiān)測管理中心主要由結構安全預警與綜合評估子系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘及預測子系統(tǒng)、中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、用戶界面子系統(tǒng)組成，主要功能是完成對基坑的預警與安全評估等，并通過Web應用提供給用戶如監(jiān)測、巡檢、預警等信息。

2 分布式基坑現(xiàn)場信息感知層設計

2.1 自動化在線監(jiān)測子系統(tǒng)

基坑監(jiān)測系統(tǒng)能否對基坑結構的安全狀態(tài)做出準確客觀的評估，取決于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能否及時采集到真實反映結構狀態(tài)的特征信息。監(jiān)測系統(tǒng)方案中傳感器系統(tǒng)的類型和規(guī)模確定后，便立即著手解決傳感信號的自動采集、可靠轉換和傳輸?shù)葐栴}。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由分布在基坑現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集工作站和傳輸網(wǎng)絡構成，即基坑數(shù)據(jù)采集中心。對每個項目分別設置一個數(shù)據(jù)采集中心，各數(shù)據(jù)采集中心通過無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交庸芾頂?shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)處理與控制模塊負責對以上兩個模塊采集的數(shù)據(jù)進行處理，并提交給后續(xù)各子系統(tǒng)使用[4]，同時對數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊的工作進行操作控制。數(shù)據(jù)處理與控制模塊實現(xiàn)功能如下：

（1）數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)脑O置和控制;

（2）將傳感器信號轉換為目標測試量;

（3）評估數(shù)據(jù)質量，剔除異常值，抽取優(yōu)良數(shù)據(jù)，判斷傳感器和數(shù)據(jù)采集板卡工作狀態(tài)，如有異常及時報警;

（4）根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進行濾波和重采樣，提高數(shù)據(jù)信噪比，降低數(shù)據(jù)量;

（5）根據(jù)需要進行相應的數(shù)據(jù)分析、提取和變換，包括計算和提取各類特征量，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)對比分析、數(shù)據(jù)圖形分析、時域變換、頻域變換、時頻變換等;

（6）向自動化在線監(jiān)測子系統(tǒng)提交所需數(shù)據(jù)。

同時，本系統(tǒng)還為現(xiàn)場供電進行了防雷電設計，將絕大部分電流直接引入地下泄散，防止沿電源線或者數(shù)據(jù)、信號線引入的過電壓波危害設備（內部保護及過電壓保護），限制被保護設備的浪涌過電壓幅值（多電壓保護）[5-6]。

自動化在線監(jiān)測子系統(tǒng)中的監(jiān)測項目包括環(huán)境荷載、基坑結構關鍵位置內力等參數(shù)，具體見表1所列。

2.2 電子化人工巡檢子系統(tǒng)

對基坑進行全面監(jiān)測不僅要依靠自動化數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，還要建立人工巡檢管理子系統(tǒng)。電子化人工巡檢子系統(tǒng)包括電子化巡檢管理軟件和現(xiàn)場巡檢軟件，其中現(xiàn)場巡檢軟件的主要功能是對基坑施工過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行現(xiàn)場記錄;電子化巡檢養(yǎng)護管理軟件主要管理基坑損傷信息、結構狀態(tài)評估、預測分析、運行狀態(tài)等。系統(tǒng)應具備以下功能：

（1）及時記錄基坑現(xiàn)場巡視及人工監(jiān)測的內容、手段、檢查表格、時間間隔等;

（2）對巡檢項目實現(xiàn)電子化，制定巡檢計劃和任務，并按照規(guī)范提供人工巡檢內容電子化表格，規(guī)范巡檢，實現(xiàn)巡檢信息自動上傳[7-8];

（3）制訂基坑的巡檢養(yǎng)護手冊與養(yǎng)護指導意見，對巡檢數(shù)據(jù)、巡檢任務的執(zhí)行情況進行有效管理。

3 基坑遠程傳輸網(wǎng)絡層設計

建設區(qū)域范圍的監(jiān)測系統(tǒng)，搭建合適的數(shù)據(jù)遠程傳輸網(wǎng)絡，由現(xiàn)場局域網(wǎng)模塊與城市主干網(wǎng)絡連接，完成數(shù)據(jù)從基坑現(xiàn)場采集工作站到基坑監(jiān)測管理中心的遠程傳輸。本項目擬建的監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠程傳輸網(wǎng)絡拓撲結構如圖2所示。

4 上層集中式基坑監(jiān)測管理中心

4.1 結構安全預警與綜合評估子系統(tǒng)

結構安全預警與綜合評估子系統(tǒng)分為結構安全預警模塊和綜合評估模塊。

結構安全預警模塊的主要作用是對基坑出現(xiàn)的危險狀態(tài)進行藍色、黃色、橙色、紅色分級預警。首先，描述基坑的主要危險狀態(tài)，建立危險狀態(tài)信息庫;其次，對基坑的主要危險狀態(tài)進行識別;最后，根據(jù)不同的危險狀態(tài)和預警級別給出相應的應急預案，并以最快的方式通知基坑建設單位。

結構綜合評估模塊主要功能包括結合人工巡檢信息和自動采集數(shù)據(jù)對基坑的整體工作狀態(tài)進行評估，在線生成快速評估報告，定期生成離線綜合評估報告，并根據(jù)評估結果給出相應的基坑施工建議。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘及預測子系統(tǒng)

監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘及預測子系統(tǒng)須對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘。目前數(shù)據(jù)挖掘的主要方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡方法、遺傳算法、決策樹方法、粗集方法、統(tǒng)計分析方法以及模糊集方法[9]。

基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘流程如圖3所示。

數(shù)據(jù)挖掘的步驟如下：

（1）在數(shù)據(jù)準備階段確定挖掘目標，完成數(shù)據(jù)選擇和采樣工作;

（2）在實施階段對數(shù)據(jù)進行預處理，將數(shù)據(jù)轉換為指標，形成模式和模型;

（3）在數(shù)據(jù)挖掘驗證階段，通過數(shù)據(jù)驗證挖掘得到內容的可靠性與適用性[10]。

在確定數(shù)據(jù)挖掘目標之后，首先需要尋找各監(jiān)測累計變形與變形速率的概率分布特征，然后探尋基坑狀態(tài)與監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的關系，進而探討基坑施工規(guī)范程度、保護等級與監(jiān)測數(shù)據(jù)指標間的關系。通過以上研究，給出考慮實際風險的安全警戒值。

4.3 中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)實現(xiàn)基坑監(jiān)測管理中心所有數(shù)據(jù)的平臺管理工作，完成數(shù)據(jù)的歸檔、查詢、存儲等。通過建立該子系統(tǒng)，可統(tǒng)一管理與組織數(shù)據(jù)信息，不僅可為系統(tǒng)的維護與管理提供便利，也可為各應用子系統(tǒng)提供可靠的分布式數(shù)據(jù)交換與存儲平臺，方便開發(fā)與使用[11]。

中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)管理、系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)管理、預警評估管理共計四個模塊，具體功能要求如下：

（1）具有良好的可擴展性、通用性強;

（2）能夠查看基坑預警記錄并及時管理，提供巡檢數(shù)據(jù)評估、監(jiān)測數(shù)據(jù)評估和綜合評估報告，具有信息查詢、導出和打印功能;

（3）具有用戶權限管理功能，系統(tǒng)管理員對系統(tǒng)功能點進行授權訪問，防止非法用戶獲取數(shù)據(jù);

（4）監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，方便用戶定位系統(tǒng)故障位置，及時對系統(tǒng)進行維護;

（5）系統(tǒng)能夠對基坑基本信息、構件結構信息、自動化設備信息、預警配置信息以及評估參數(shù)配置信息等進行必要的增、刪、查、改操作，使用戶能夠全面了解系統(tǒng)，使軟件系統(tǒng)具有可定義配置能力，增強系統(tǒng)的通用性。

4.4 用戶界面子系統(tǒng)設計

用戶界面子系統(tǒng)劃分為六個模塊，各模塊的功能描述及對應功能點見表2所列。系統(tǒng)首頁監(jiān)測與預警界面如圖4所示。

5 結 語

本文根據(jù)軌道交通深基坑的監(jiān)測需求設計了施工實時監(jiān)測及預警系統(tǒng)，并對系統(tǒng)組成及模塊功能進行了闡述說明。該系統(tǒng)可滿足軌道交通深基坑的實時監(jiān)控、安全預警、綜合評估等管理需求，有效降低了深基坑發(fā)生質量安全問題的風險。

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