深基坑智能聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的研究及開發(fā)

齊紅升，肖成志，王子寒，孫重陽

1)河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；2)河北工業(yè)大學(xué)國際教育學(xué)院，天津 300401

隨著中國城鎮(zhèn)化的發(fā)展，基坑越來越密集，基坑開挖面積和開挖深度增加，加大了基坑施工的困難程度.基坑監(jiān)測是對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、坑底隆起、周圍環(huán)境和地下管線的監(jiān)測，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速采集，并進(jìn)行信息化施工，盡量做到避免事故發(fā)生.

近年來，隨著數(shù)據(jù)技術(shù)(data technology, DT)的發(fā)展，人工智能也應(yīng)用于各行各業(yè).已有的基坑監(jiān)測系統(tǒng)[1-13]和基坑信息分類編碼[14]存在以下問題：① 傳統(tǒng)監(jiān)測采用經(jīng)緯儀和全站儀等人工監(jiān)測設(shè)備以及手動輸入數(shù)據(jù)的方式，不能實時監(jiān)測，甚至存在滯后性，影響施工質(zhì)量.一些有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)雖降低人工成本，但長距離的傳輸線路容易受到破壞；② 數(shù)據(jù)保存在Excel中，不僅存在片面化、處理速度慢的問題，數(shù)據(jù)的處理分析也比較滯后，得不到及時分析，影響施工決策判斷；③ 可視化程度低，數(shù)據(jù)與圖形關(guān)聯(lián)程度低，部分系統(tǒng)基于做圖軟件，但也會受到對應(yīng)軟件的限制；④ 很多系統(tǒng)沒有考慮到事故的處理分析和相應(yīng)的專家?guī)?，對緊急情況沒有參考建議；⑤ 對預(yù)警的分類編碼不明確；⑥ 各個廠家生產(chǎn)的儀器互不兼容，采用廠家附帶的處理系統(tǒng)，不僅生成的圖表報表不統(tǒng)一，而且存在頻繁更換軟件的問題.

實際中，基坑的監(jiān)測項目需要多種監(jiān)測儀器和監(jiān)測手段來實現(xiàn)，通常需要各個廠家的儀器配合使用，需要有將相同廠家的不同儀器或者不同廠家的儀器綜合起來使用的軟件和系統(tǒng).本研究開發(fā)的基坑智能聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)1.0(foundation pit intelligent network monitoring and prewarning system 1.0，F(xiàn)IMP1.0)，以.NET為開發(fā)平臺，采用C#編程語言、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySql、下位機(jī)的無線傳輸技術(shù)、上位機(jī)的通信技術(shù)和客戶端/服務(wù)器(client/server, C/S)模式，各個部門共同參與，集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析、查詢、管理、預(yù)警和事故分析等功能于一體，可有效提升監(jiān)測效率和安全保障.

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 體系結(jié)構(gòu)

本研究深基坑智能聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)包括云端服務(wù)器的搭建、傳感器的布置、數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā).構(gòu)建方式如圖1，包括重要要素有：

1)監(jiān)測點.根據(jù)工程和施工中的實際狀況，結(jié)合國家和地方相應(yīng)的規(guī)范，沿著基坑的周邊埋設(shè)監(jiān)測點.

2)傳感器.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS)具有高精度、高效益及全天候特點，可用于監(jiān)測地表位移；導(dǎo)輪式固定測斜儀可用于監(jiān)測深層土體內(nèi)部位移；自主研發(fā)的軸力傳感器，可對圍護(hù)墻內(nèi)力、支柱內(nèi)力和支撐內(nèi)力等進(jìn)行監(jiān)測；水平位移傳感器可對圍護(hù)墻頂部水平位移等進(jìn)行監(jiān)測；水位傳感器可對地下水位進(jìn)行監(jiān)測.它們通過無線終端設(shè)備將數(shù)據(jù)通過無線的方式傳送后臺中心，并存儲到云平臺上.對傳感器或者監(jiān)測表的命名，有分類和編碼規(guī)則，如土釘內(nèi)力信息表可用ND01和ND02，立柱豎向位移信息表可用WD01和WD01等.數(shù)據(jù)表的編碼如表1.

圖1 系統(tǒng)構(gòu)建圖

表1 數(shù)據(jù)表編碼

3)智能聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng).本系統(tǒng)可以實時讀取傳感器傳來的數(shù)據(jù)，自動進(jìn)行計算與分析，生成變量曲線圖，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的規(guī)范值自動預(yù)警報警.當(dāng)出現(xiàn)事故時，可以調(diào)用專家?guī)?，?lián)系多個專家共同商討解決的辦法.

1.2 功能需求

本系統(tǒng)實現(xiàn)了自動歸檔資料的方式，包括項目新建、數(shù)據(jù)入庫、基坑信息的查詢、數(shù)據(jù)的處理、圖表的生成、預(yù)警報警、事故分析處理、回歸模型預(yù)測和成果輸出等.

新建項目：可保存項目的基本信息、儀器信息、監(jiān)測點和監(jiān)測項目信息.

數(shù)據(jù)入庫：將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，在服務(wù)器中自動解析保存到數(shù)據(jù)庫.基坑的基本信息、地理勘察資料和施工進(jìn)度信息則保存在非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫中.電容式傳感器、電阻式傳感器、振弦式傳感器和激光式傳感器等都可實現(xiàn)實時讀取數(shù)據(jù).

數(shù)據(jù)處理：傳感器將變形信號、光信號等轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)后上傳云端，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理.

數(shù)據(jù)查詢：可以實現(xiàn)對基坑的地理信息、勘察資料、基坑信息、施工進(jìn)度、監(jiān)測點布置和科學(xué)儀器的查詢，還可以對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單查詢和復(fù)合查詢.所有查詢不需要用戶輸入任何指令，本系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)化查詢語言語句(structured query language, SQL)進(jìn)行高度封裝，用戶按習(xí)慣選擇查詢條件即可，并自動生成相應(yīng)的交叉表.

圖表可視化和實時聯(lián)動功能：監(jiān)測數(shù)據(jù)可由監(jiān)測曲線圖實時顯示出來.本系統(tǒng)可以導(dǎo)入基坑圖形或者監(jiān)測點布置圖，通過點擊設(shè)備上的監(jiān)測點就可以獲得此監(jiān)測點的監(jiān)測狀態(tài)圖，還可以通過菜單欄直接得到監(jiān)測狀態(tài)圖.

監(jiān)測等級設(shè)置功能：將基坑監(jiān)測規(guī)范導(dǎo)入系統(tǒng)，選擇基坑等級就可以自動分配基坑監(jiān)測項目，并且可以根據(jù)基坑實際工程情況，增加或者減少基坑監(jiān)測項目.

分級分項預(yù)警和報警功能：報警值是基坑工程監(jiān)測中規(guī)定的硬性指標(biāo)，可保證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和周圍環(huán)境的安全.本系統(tǒng)采用3級預(yù)警，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過1級預(yù)警值時，會出現(xiàn)藍(lán)色預(yù)警；當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過2級預(yù)警值時，會出現(xiàn)黃色預(yù)警；當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過3級預(yù)警值時，會出現(xiàn)橙色預(yù)警；當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過報警值時，會出現(xiàn)紅色預(yù)警，并伴有警鳴聲，同時將監(jiān)測點號、報警的斷面位置和超過的值等報警信息呈現(xiàn)出來.

事故分析處理功能：建立專家?guī)?，?dāng)報警時，甲方、施工方連同監(jiān)測單位、設(shè)計院共同分析事故原因，并且對報警部位適當(dāng)增加監(jiān)測頻率.啟動專家?guī)炱脚_，以供多方會談.專家?guī)鞎A(yù)先存儲大量事故后的處理視頻和處理方案，報警后根據(jù)關(guān)鍵詞就可以查詢到，以供施工方參考.事故處理后，還可以將本次事故處理的方案等資料存儲到系統(tǒng)中，方便下次查詢使用.

成果輸出功能：監(jiān)測數(shù)據(jù)按規(guī)范生成報表，根據(jù)日期、監(jiān)測項目、斷點或者監(jiān)測點，以Excel的格式生成監(jiān)測報表，命名規(guī)則為“項目編號+監(jiān)測點號+監(jiān)測時間段”.可按照需要生成日報表、周報表和月報表.

1.3 回歸模型預(yù)測

1)數(shù)據(jù)預(yù)測回歸方程.根據(jù)時間t、參數(shù)k和變形量D建立模型[15]為

D=a0+a1t+a2t2+a3tk+a4t2k+a5tk2

(1)

選擇監(jiān)測數(shù)據(jù)，代入模型中，根據(jù)間接平差原理[16]，可解出模型參數(shù)a0、a1、a2、a3、a4和a5.根據(jù)工程地質(zhì)條件、施工開挖進(jìn)度和現(xiàn)場實際情況，可對變形點進(jìn)行預(yù)測分析.

2)回歸方程檢驗.采用F檢驗對回歸方程進(jìn)行顯著性分析[17].回歸方程用式(2)計算.相關(guān)系數(shù)Cov反應(yīng)模擬的相關(guān)程度，用式(3)計算.

(2)

(3)

其中，S1為回歸平方和；S2為剩余平方和；p為因子個數(shù)；n為監(jiān)測數(shù)據(jù)個數(shù)；S2為樣本方差；Sxy為x和y的離差積；Sxx為x的離差平方和.

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計是系統(tǒng)的核心部分.深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)庫設(shè)計需要遵循一定原則：① 安全性：建立嚴(yán)格的限制條件，防止數(shù)據(jù)被更改；② 可靠性：數(shù)據(jù)的傳輸及存儲在數(shù)據(jù)庫中要可靠；③ 唯一性：保證數(shù)據(jù)時間不重復(fù).

根據(jù)基坑的監(jiān)測項目和監(jiān)測數(shù)據(jù)，可將基坑監(jiān)測內(nèi)容分內(nèi)力監(jiān)測、位移監(jiān)測、水位與土壓力監(jiān)測及周圍環(huán)境監(jiān)測.每個監(jiān)測內(nèi)容又分為若干個監(jiān)測項目，并考慮儀器、檔案和現(xiàn)場施工等資料，設(shè)置基坑工程項目信息表、監(jiān)測類型表、監(jiān)測點號表、報警信息表、監(jiān)測數(shù)據(jù)表和儀器管理表等，這些表相互關(guān)聯(lián)，通過設(shè)置主鍵和外鍵，方便查詢和管理.表2為部分?jǐn)?shù)據(jù)庫表的結(jié)構(gòu)說明.

3 工程應(yīng)用實例

天津市兒童醫(yī)院改擴(kuò)建一期工程，項目位于天津市河西區(qū)馬場道與圍堤道交口.該工程分為5個小基坑，分別是地下車庫、汽車坡道三、新建綜合樓、污水站和停車塔庫.該期工程規(guī)劃建筑面積76 225 m2(含地下9 330 m2)，拆除現(xiàn)狀建筑面積11 886 m2，保留建筑面積9 870 m2，改造建筑面積34 194 m2(含地下2 670 m2)，新建建筑面積32 161 m2，最大基坑深度約11 m.圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移豎向位移監(jiān)測點37個，混凝土支撐軸力監(jiān)測點30個，立柱沉降監(jiān)測點15個，周邊地表沉降監(jiān)測點100個，地下水位監(jiān)測點28個.以本研究開發(fā)的系統(tǒng)對基坑數(shù)據(jù)進(jìn)行信息可視化顯示和查詢.限于篇幅僅列出部分監(jiān)測項和基本功能，如圖2和圖3.對監(jiān)測點JC14(圖2)的垂直位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表3.

表2 數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)說明

圖2 基坑測點布置圖

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)、基坑的深度和時間，可得到模型參數(shù)：a1=4.402 16,a2=-0.920 22,a3=0.110 57,a3=-0.331 14,a4=-0.015 41,a5=0.061 00, Cov=0.753 1.將模型參數(shù)代入式(1)，結(jié)合基坑深度k和時間t，可估算測點處變形量D.如表3中已監(jiān)測垂直位移共計7次，即n=7；式(1)中與深度和時間相關(guān)的因子數(shù)共計5個(a1—a5)，即p=5.通過方差計算，由式(2)可得F(5, 1)=51.242.經(jīng)查閱F分布表可知，差異不顯著，可接收該回歸模型.因此可按式(1)預(yù)測出各監(jiān)測點在某時間、某基坑深度的垂直位移值.如當(dāng)t=29 d，k=6.6 m時，預(yù)測JC14點垂直位移是0.769 mm.根據(jù)基坑工程的地質(zhì)條件，可以由已有的工程監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測基坑的變形量，為深基坑工程分析和評價提供參考.

圖3 水位監(jiān)測報表圖

表3 垂直位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

結(jié) 語

實踐證明，深基坑監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的研究具有重要意義.本研究利用C#編程語言并結(jié)合監(jiān)測傳感器，開發(fā)了一套智能聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息的集成管理及監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集.通過將監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸至云服務(wù)器，本系統(tǒng)能夠自動進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及處理，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時更新、圖形生成、自動預(yù)警報警、模型預(yù)測和報表輸出等功能.該系統(tǒng)可節(jié)約大量人力物力，且監(jiān)測更加準(zhǔn)確高效.