軌道交通深基坑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)研究

曹冬冬 中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司

徐秋艷 陜西省煤田物探測(cè)繪有限公司

1 前言

利用地下空間建設(shè)城市軌道交通系統(tǒng)已經(jīng)成為我國很多城市公共交通的一個(gè)主要發(fā)展方向，而深基坑則是地下軌道交通工程建設(shè)中的重要施工內(nèi)容。由于軌道交通的深基坑工程往往位于城市繁華區(qū)域，在工程區(qū)域內(nèi)有大量建筑以及地下管線設(shè)施存在，且施工現(xiàn)場(chǎng)空間有限，進(jìn)一步加大了軌道交通深基坑施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，必須加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)，利用各種傳感設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)對(duì)深基坑施工的全過程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，提高風(fēng)險(xiǎn)防控的能力，及時(shí)對(duì)異常情況進(jìn)行預(yù)警，以保證軌道交通深基坑工程施工質(zhì)量安全。

2 軌道交通深基坑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

深基坑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)主要包括底層、中層以及上層三個(gè)部分，其中底層結(jié)構(gòu)為現(xiàn)場(chǎng)感知層，而中層則是數(shù)據(jù)傳輸共享網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)監(jiān)測(cè)管理中心構(gòu)成了深基坑監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的上層結(jié)構(gòu)。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)感知層

作為深基坑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)底層結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為深基坑區(qū)域級(jí)集群監(jiān)測(cè)提供了重要的平臺(tái)基礎(chǔ)，人工巡視管理系統(tǒng)以及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共同構(gòu)成了現(xiàn)場(chǎng)感知層，以完成相關(guān)的數(shù)據(jù)采集工作[1]。其中在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)傳輸這兩個(gè)模塊。

各類型數(shù)據(jù)采集設(shè)備是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊中的重要組成部分，其能夠自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換以及預(yù)處理等操作。而數(shù)據(jù)傳輸模塊則利用調(diào)制器以及光纖環(huán)網(wǎng)完成對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸。同時(shí)，人工巡檢管理模塊則主要包括各種PDA 設(shè)備，并通過人工錄入等方式管理巡檢工作。

2.2 數(shù)據(jù)共享傳輸層

在深基坑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的中層結(jié)構(gòu)中，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是主要的組成部分，其是監(jiān)測(cè)管理中心和現(xiàn)場(chǎng)信息感知層之間的重要聯(lián)系通道。而數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)則由各網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商所提供的無線網(wǎng)絡(luò)以及光纖寬帶網(wǎng)絡(luò)等公共網(wǎng)絡(luò)資源設(shè)備所構(gòu)成。

2.3 監(jiān)測(cè)管理中心

深基坑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的上層結(jié)構(gòu)為監(jiān)測(cè)管理中心，其由數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)安全預(yù)警、綜合評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)挖掘預(yù)測(cè)以及用戶界面等多個(gè)子系統(tǒng)共同構(gòu)成。監(jiān)測(cè)管理中心能夠?qū)ι罨邮┕ぶ械母黜?xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全評(píng)估并發(fā)出預(yù)警信息，同時(shí)可以利用網(wǎng)絡(luò)界面為用戶提供預(yù)警、監(jiān)測(cè)以及巡檢信息等。

3 軌道交通深基坑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)各子系統(tǒng)功能分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)感知層各子系統(tǒng)功能分析

3.1.1 在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)功能分析

底層分布式基坑現(xiàn)場(chǎng)感知層的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的主要功能是客觀準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)深基坑結(jié)構(gòu)狀態(tài)，而評(píng)價(jià)結(jié)果將受數(shù)據(jù)采集的全面性和準(zhǔn)確性等因素的影響。因此在深基坑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)中應(yīng)合理選擇現(xiàn)場(chǎng)傳感設(shè)備的類型型號(hào)，以確保其能夠自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集工作，且數(shù)據(jù)采集以及轉(zhuǎn)換可靠準(zhǔn)確。由于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集以及傳輸主要依賴采集工作站以及網(wǎng)絡(luò)傳輸完成，因此在各深基坑工程的施工過程中均應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集中心的設(shè)置，其還可以及時(shí)向數(shù)據(jù)管理中心傳輸數(shù)據(jù)信息。

在該子系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理控制模塊是主要的功能模塊，其功能主要包括控制數(shù)據(jù)采集以及傳輸相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)以及采集設(shè)備狀態(tài)行判斷，并及時(shí)對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警[2]。此外，其還可以按照設(shè)定條件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣以及濾波處理，以減少數(shù)據(jù)冗余，改善數(shù)據(jù)精度。在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)還可以按照實(shí)際需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、轉(zhuǎn)換以及分析處理，以便完成各類特征量的提取計(jì)算，為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、對(duì)比以及分析處理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域時(shí)頻以及頻域的轉(zhuǎn)換處理，并進(jìn)行圖形分析。

在在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)中還設(shè)置有防雷裝置，且在系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)設(shè)置過電壓保護(hù)等安全防護(hù)裝置，以避免在發(fā)生雷電災(zāi)害時(shí)過電壓波對(duì)系統(tǒng)設(shè)備造成破壞。在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)能夠?qū)壍澜煌ㄉ罨庸こ痰闹匾Y(jié)構(gòu)點(diǎn)位內(nèi)力、施工環(huán)境荷載等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從而能夠及時(shí)準(zhǔn)確地掌握深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平位移、圍護(hù)樁頂部分的水平及豎向位移以及維護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力；深基坑工程水平支撐結(jié)構(gòu)的支撐軸力和撓度、深基坑工程周邊建筑物的沉降變形位移情況等各種數(shù)據(jù)信息。

3.1.2 人工檢巡管理子系統(tǒng)功能分析

深基坑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)除了需要利用各種自動(dòng)化儀器設(shè)備外，還需要結(jié)合一定的人工巡檢，而人工巡檢管理模塊則能夠?qū)ρ矙z任務(wù)的具體執(zhí)行情況、現(xiàn)場(chǎng)巡檢中錄入的各種數(shù)據(jù)信息等進(jìn)行管理，并能夠根據(jù)錄入數(shù)據(jù)對(duì)深基坑結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及損傷進(jìn)行判斷。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸層各功能分析

深基坑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的中層是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，其主要功能就是為監(jiān)測(cè)管理中心與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集工作站之間的相互聯(lián)系提供數(shù)據(jù)傳輸通道，以確保數(shù)據(jù)信息能夠高效、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。在建設(shè)深基坑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)結(jié)合工程區(qū)域基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的實(shí)際情況，利用局域網(wǎng)模塊連接城市主干網(wǎng)絡(luò)。在數(shù)據(jù)傳輸層中，主要利用設(shè)置在軌道交通深基坑工程施工現(xiàn)場(chǎng)的光纖收發(fā)器以及交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過城域網(wǎng)等與服務(wù)器完成信息交互，使管理中心以及用戶能夠及時(shí)準(zhǔn)確地掌握深基坑施工過程中的個(gè)性化數(shù)據(jù)信息。

3.3 監(jiān)測(cè)管理中心各子系統(tǒng)功能分析

3.3.1 安全評(píng)估預(yù)警子系統(tǒng)功能分析

深基坑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)上層結(jié)構(gòu)中的安全評(píng)估預(yù)警子系統(tǒng)的組要功能是判斷深基坑結(jié)構(gòu)狀態(tài)，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，并按照風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)發(fā)出不同的預(yù)警信息。該子系統(tǒng)在對(duì)深基坑結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)主要以自動(dòng)采集數(shù)據(jù)以及人工巡檢信息為依據(jù)，對(duì)軌道交通深基坑施工中的危險(xiǎn)狀態(tài)加以描述，并完成危險(xiǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，之后再準(zhǔn)確識(shí)別深基坑工程施工中的主要危險(xiǎn)狀態(tài)，同時(shí)完成評(píng)估后可以自動(dòng)在線完成評(píng)估報(bào)告的編制，并能夠定期進(jìn)行離線綜合評(píng)測(cè)報(bào)告的生成，為深基坑工程的施工提供指導(dǎo)意見。此外，該子系統(tǒng)還能夠根據(jù)預(yù)警級(jí)別以及危險(xiǎn)狀態(tài)的不同選擇應(yīng)急處置方式，且能夠及時(shí)向施工單位發(fā)出預(yù)警信息。

3.3.2 數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)功能分析

深基坑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)上層監(jiān)測(cè)管理中心的數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)的主要功能是挖掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以提高深基坑監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性。在數(shù)據(jù)挖掘中可以結(jié)合實(shí)際情況采用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹、模糊集以及統(tǒng)計(jì)分析等多種方法。首先應(yīng)合理確定挖掘數(shù)據(jù)的主要目標(biāo)，然后分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中變形速率以及累積量分布概率，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和深基坑結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行分析，以判斷深基坑施工是否規(guī)范，并結(jié)合各種相關(guān)因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)安全進(jìn)行定量分析。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘時(shí)，系統(tǒng)首先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，以便明確數(shù)據(jù)挖掘的主要模板，并對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行選擇以及采樣。然后系統(tǒng)需要通過預(yù)處理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以完成模型構(gòu)建。在進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘時(shí)還需要對(duì)挖掘內(nèi)容的適用性以及可靠性加以驗(yàn)證。當(dāng)數(shù)據(jù)挖掘目標(biāo)確定后，應(yīng)對(duì)軌道交通深基坑所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的變形速率以及累計(jì)變形量進(jìn)行概率分析，以掌握其分布特征，并以此為基礎(chǔ)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所反映的軌道交通深基坑在施工中的狀態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，科學(xué)判斷軌道交通深基坑施工監(jiān)測(cè)指標(biāo)以及保護(hù)等級(jí)等，從而給出軌道交通深基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值，以保深基坑施工安全。

3.3.3 數(shù)據(jù)庫功能分析

在監(jiān)測(cè)管理中心層中，數(shù)據(jù)庫是重要組成部分，其主要功能是對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)歸檔管理，并提供數(shù)據(jù)查詢調(diào)用服務(wù)。數(shù)據(jù)庫中包括多個(gè)模塊，并分別具備數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理配置以及預(yù)警評(píng)估管理等不同的功能。軌道交通深基坑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的中心數(shù)據(jù)庫中應(yīng)按照不同的功能要求設(shè)置數(shù)據(jù)管理、評(píng)估管理以及系統(tǒng)配置管理等模塊，各模塊均應(yīng)具有較好的通用性，且應(yīng)充分考慮系統(tǒng)擴(kuò)展要求。同時(shí)模塊應(yīng)具備對(duì)基坑預(yù)警記錄數(shù)據(jù)信息進(jìn)行管理查看的功能，并應(yīng)能夠自動(dòng)完成對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巡檢數(shù)據(jù)的評(píng)估以及綜合評(píng)估報(bào)告的編制，能夠?yàn)樾畔⒊霾樵冋{(diào)用以及報(bào)告打印提供便捷的服務(wù)。

模塊還應(yīng)具備管理用戶權(quán)限等功能，以便管理員設(shè)置管理系統(tǒng)訪問權(quán)限，以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息安全。此外，模塊還應(yīng)具備對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，以便及時(shí)掌握系統(tǒng)故障發(fā)生點(diǎn)位，為系統(tǒng)運(yùn)維管理提供可靠的參考依據(jù)。通過中心數(shù)據(jù)庫的模塊化設(shè)置，使監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)能夠便捷對(duì)軌道交通深基坑結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)、各種施工設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、評(píng)估配置參數(shù)和預(yù)警配置等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時(shí)的查詢、更新以及完善，且使系統(tǒng)具備了較強(qiáng)的自定義功能，提高了系統(tǒng)通用性，從而為用戶操作使用系統(tǒng)創(chuàng)造了便利條件。

3.3.4 系統(tǒng)用戶界面功能分析

在深基坑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)中，其用戶界面由6個(gè)模塊共同構(gòu)成，不同模塊承擔(dān)了不同的功能，并提供相應(yīng)的服務(wù)。

表1 系統(tǒng)用戶界面各模塊功能

4 結(jié)束語

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于保證軌道交通工程深基坑施工的質(zhì)量安全具有重要的作用。因此，結(jié)合軌道交通工程深基坑工程的實(shí)際情況合理進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)功能的設(shè)置，以確保監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)ι罨庸こ淌┕さ娜^程進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)深基坑工程施工中存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患并發(fā)出預(yù)警信息，為深基坑施工安全提供更加可靠的保證，從而為我國軌道交通事業(yè)的健康發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。