文｜南寧市勘察測(cè)繪地理信息院有限公司 汪曉龍 盧鵬/通訊作者：南寧市勘察測(cè)繪地理信息院有限公司 陳飛

1 引言

隨著城市化進(jìn)程不斷發(fā)展和城市建設(shè)的步伐不斷加快，各種大型復(fù)雜的深基坑工程不斷增多。基坑的施工開(kāi)挖難免會(huì)破壞土體的自然平衡狀態(tài)，很可能會(huì)對(duì)基坑和周邊建構(gòu)筑物等帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，所以，在基坑開(kāi)挖和運(yùn)行過(guò)程中必須對(duì)其進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)基坑及周邊環(huán)境變化異常，將迅速采取相關(guān)措施，為工程項(xiàng)目建設(shè)提供安全保障。

近年來(lái)，很多地方的地下工程安全監(jiān)測(cè)已由傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)量逐漸過(guò)渡到自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；隨著自動(dòng)化理論與技術(shù)的不斷完善，基坑監(jiān)測(cè)方法也得到了改進(jìn)和優(yōu)化。與傳統(tǒng)的人工檢測(cè)技術(shù)相比，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在基坑監(jiān)測(cè)過(guò)程中能夠充分發(fā)揮其高效準(zhǔn)確的特點(diǎn)，在節(jié)約成本、提高效率的同時(shí)，也顯著提升了基坑監(jiān)測(cè)智能化水平，從而逐漸成為坑基施工的一項(xiàng)重要技術(shù)。

本文通過(guò)GIS 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能傳感技術(shù)等的集成，搭建城市級(jí)基坑工程安全智能化監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)，對(duì)開(kāi)挖和運(yùn)行中的基坑進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)獲取基坑及周邊環(huán)境動(dòng)態(tài)變化信息，綜合提升基坑工程安全隱患排查能力，降低事故風(fēng)險(xiǎn)，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全與社會(huì)和諧穩(wěn)定。通過(guò)在南寧市兩個(gè)基坑工程項(xiàng)目上的試點(diǎn)應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在基坑工程信息化管理平臺(tái)建設(shè)方面，由于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)起步較早，目前已取得了一定的成果。例如，新加坡、韓國(guó)、意大利等國(guó)家，結(jié)合Web 技術(shù)、GIS 技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，建立了地下基坑工程的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和分析系統(tǒng)，并進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，在基坑工程安全監(jiān)測(cè)管理方面取得了一定的成效。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)的學(xué)者和工程師也在這方面取得了一定的貢獻(xiàn)。例如，謝偉等研究了基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，姬方、張冬曉對(duì)集成預(yù)警功能等的基坑監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，趙峰研究了集成BIM 技術(shù)的基坑安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。隨著城市大型結(jié)構(gòu)基坑開(kāi)挖深度逐漸加大，施工風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，必須采用信息化管理手段指導(dǎo)施工并對(duì)基坑安全加以監(jiān)管，城市級(jí)坑工程安全智能化監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)的建設(shè)必然會(huì)成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

3 平臺(tái)總體架構(gòu)與功能實(shí)現(xiàn)

以南寧市相關(guān)工作開(kāi)展為例，基坑工程安全智能化監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)實(shí)際需要開(kāi)發(fā)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能傳感設(shè)備為基礎(chǔ)，以GIS 技術(shù)、三維可視化技術(shù)等為主要技術(shù)手段，為第三方監(jiān)測(cè)單位數(shù)據(jù)建設(shè)市級(jí)監(jiān)管平臺(tái)提供技術(shù)支持，具有自動(dòng)化采集、傳輸、處理、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、預(yù)警等功能，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括維護(hù)結(jié)構(gòu)位移、支撐體系位移、周邊地表位移、周邊建筑位移、巖土體深部位移、影響區(qū)域的地下水位變化等。

平臺(tái)建設(shè)主要包括南寧市基坑工程安全智能化監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)建設(shè)、支持保護(hù)系統(tǒng)建設(shè)、基坑三維建模與可視化子系統(tǒng)建設(shè)和監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)。平臺(tái)總體框架如圖1 所示。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)圖

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在基坑工程監(jiān)測(cè)中，會(huì)涉及多元異構(gòu)的不同類型智能傳感設(shè)備，因此需要配套設(shè)計(jì)集成度強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集方式以滿足應(yīng)用需要。該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換（A/D 轉(zhuǎn)換）、數(shù)據(jù)的預(yù)處理、打包壓縮以及發(fā)送等處理流程，可將智能傳感設(shè)備輸出的電壓、電流等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。同時(shí)進(jìn)一步對(duì)數(shù)字信號(hào)分析計(jì)算，得到所需的相關(guān)信息，如結(jié)構(gòu)的應(yīng)變數(shù)據(jù)等。

此外，數(shù)據(jù)采集模塊還需要綜合考慮環(huán)境因素、惡劣天氣、自然災(zāi)害等潛在影響，通過(guò)設(shè)計(jì)外殼防護(hù)、電磁屏蔽、浪涌防護(hù)等對(duì)外界不利因素進(jìn)行應(yīng)對(duì)。同時(shí)，還應(yīng)設(shè)計(jì)智能復(fù)位功能，一點(diǎn)采集系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)，可自行進(jìn)行重啟修復(fù)，提升系統(tǒng)整體容錯(cuò)能力。

圖3 基坑工程安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢展示

3.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸模塊以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、兼容性和可靠性為原則，基于TCP/IP 標(biāo)準(zhǔn)，可通過(guò)無(wú)線或光纖網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)采集模塊采集并預(yù)處理后的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器中。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊與操作系統(tǒng)完全兼容，并且傳輸故障能在服務(wù)器上顯示并發(fā)出警報(bào)。

數(shù)據(jù)傳輸模塊可連接多個(gè)同類型的傳感器（比如振弦式傳感器），由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存儲(chǔ)入數(shù)據(jù)庫(kù)，并將各信號(hào)通道進(jìn)行標(biāo)識(shí)；當(dāng)由于環(huán)境等外界原因引起異常數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)智能算法比對(duì)能夠一定程度進(jìn)行判別，并自動(dòng)觸發(fā)數(shù)據(jù)重新采集和比對(duì)驗(yàn)證等操作。數(shù)據(jù)確認(rèn)無(wú)異常后按照各數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)情況傳輸至相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)全天候24 小時(shí)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.3 三維可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三維可視化系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的數(shù)字化應(yīng)用模式，將GIS 技術(shù)、三維建模技術(shù)的特點(diǎn)充分發(fā)揮在數(shù)字化的日常管理應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)真正意義上的可視化展示與操作。三維可視化系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）的設(shè)計(jì)基于數(shù)字化建設(shè)的現(xiàn)有成果，提供豐富的數(shù)據(jù)接口，并可實(shí)現(xiàn)與第三方傳感器、視頻或數(shù)字化支撐平臺(tái)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與智能傳感設(shè)備數(shù)據(jù)的共享。用戶可根據(jù)當(dāng)前建設(shè)情況，直接在三維模型中選擇查看和設(shè)置相應(yīng)的應(yīng)用集成方案。

圖2 三維可視化系統(tǒng)示意圖

3.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基坑工程監(jiān)測(cè)平臺(tái)在信號(hào)采集傳輸?shù)倪^(guò)程中，由于傳感器固有屬性或電路干擾，或環(huán)境影響等原因，使得傳輸?shù)綔y(cè)站的信號(hào)往往包含噪聲，或存在數(shù)據(jù)丟失情況。因此，需要采取有效的數(shù)據(jù)異常分析處理方式，研判數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)異常數(shù)據(jù)采取糾正措施，以修正異常數(shù)據(jù)，補(bǔ)全缺失數(shù)據(jù)，平滑噪聲數(shù)據(jù)等。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)輸入方式和監(jiān)測(cè)的物理量不同，把整個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)子系統(tǒng)劃分為數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)采集軟件和模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集軟件。兩個(gè)軟件業(yè)務(wù)功能相似，但預(yù)處理數(shù)據(jù)的算法不同以及所依賴的硬件設(shè)備不同，需分別進(jìn)行開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等需求。

3.5 預(yù)警子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本模塊實(shí)現(xiàn)基坑安全預(yù)警及狀態(tài)評(píng)估功能（見(jiàn)圖4），對(duì)基坑的危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行三級(jí)預(yù)警，三級(jí)黃色預(yù)警代表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)始表現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)值邊界的趨勢(shì)，二級(jí)橙色預(yù)警代表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值邊界，一級(jí)紅色預(yù)警代表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)已超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值邊界1.5倍及以上。針對(duì)預(yù)警等級(jí)，給出相應(yīng)的應(yīng)急處理議，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的預(yù)警處置流程，并可根據(jù)需要生成預(yù)警分析報(bào)告。

圖4 基坑工程安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)監(jiān)測(cè)預(yù)警信息查詢展示

4 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

本項(xiàng)目基于新基建建設(shè)在基坑安全監(jiān)測(cè)信息化應(yīng)用中的研究，應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、3D 建模等新興技術(shù)，截止目前，系統(tǒng)已在多個(gè)項(xiàng)目中參與實(shí)際應(yīng)用（見(jiàn)圖5），如：南寧市某科技研發(fā)及展示中心基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、南寧市某舊房改造項(xiàng)目基坑監(jiān)測(cè)等，其項(xiàng)目實(shí)施中基坑監(jiān)測(cè)布點(diǎn)涵蓋了一級(jí)基坑所必須監(jiān)測(cè)的所有監(jiān)測(cè)類型要求，以自動(dòng)化智能監(jiān)測(cè)手段代替了人工監(jiān)測(cè)，從而避免人工監(jiān)測(cè)主觀因素帶來(lái)的各種弊端，取得了良好成效。

圖5 基坑工程安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)項(xiàng)目分布圖

5 結(jié)語(yǔ)

以南寧市為研究范例，針對(duì)城市基坑工程安全監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)需求，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GIS 技術(shù)、三維可視化技術(shù)等，結(jié)合智能傳感設(shè)備應(yīng)用研發(fā)了城市級(jí)基坑工程安全智能化監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)，該平臺(tái)的建成可便于南寧市施工單位和安全監(jiān)管部門快速掌握與工程安全密切相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)的最新動(dòng)態(tài)，有利于及時(shí)掌握基坑工程的安全狀況，為城市基坑工程安全監(jiān)測(cè)預(yù)警提供數(shù)據(jù)參考，為決策工作提供科學(xué)依據(jù)，大大提高了工作效率。