CN103616011A - 地下工程变形远程自动监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下工程变形远程自动监控系统，包括各种地下工程测量相关探测传感器、测量数据采集仪、主机、远程用户计算机和移动通讯设备，以及用于通讯的GPRS模块、Internet服务器；该系统划分为5个子系统，分别是数据采集子系统、文件管理子系统、监测预警子系统、远程传输子系统和安全诊断子系统。与现有技术相比，本发明对采集到的数据进行分析处理，实现地下工程变形的预测和预警；将数据转化后以二维变化曲线和三维图等形式表现出来，使得地下工程变形更加形象直观；可根据不同工程特点进行相应的硬件布置，同时可利用最适合的模型对数据进行处理分析，有较强的适应性。

Description

地下工程变形远程自动监控系统

技术领域

本发明涉及于土木工程领域中有关地下工程的计算机辅助开发技术，特别是涉及地下工程变形的远程自动监控及诊断分析的方法。

背景技术

随着土木工程领域对变形监测要求的提高，以及现代信息技术的高速发展，一些如西班牙、葡萄牙、意大利、法国等的发达国家率先在变形监测方面进行研究突破。如西班牙Guadalquivir流域大坝群安全监控系统、意大利开发的INDACO、MISTRAL、DAMSAFE以及意大利南部18座大坝通过Iside中心建立的大坝群安全监控系统等。

我国建筑物安全监控系统研究、开发与应用中，具有代表性的有南京自动化研究院研制开发了DAMS大坝自动监测系统、南京水文自动化研究院开发了DG大坝自动监测系统、李吉绍等提出了大坝安全远程监测系统的研制思路、中国水利水电科学研究院开发的水电工程安全监控系统等。

目前一般的地下工程变形监控系统，只是实现对变形数据的采集与记录，以数据的形式反映出来，缺少对数据进行深入分析判断以及对工程安全状况进行直观表现和预测预警的功能机制。

与本申请最接近的现有技术文件有四篇文献：文献[1]中介绍了一种工程变形实时远程监控系统的建立的技术方法和工程应用实例，缺乏相应的后期数据处理分析与展示功能；文献[2]中介绍了一种实时监测软件，对硬件的应用略显不足且缺乏后期处理能力；文献[3]中介绍了实时自动监测系统在一个特定工程中的应用，监测系统缺乏通用性。

[1]孙明，工程变形实时远程监控系统的研究与应用：[硕士学位论文]，天津：天津大学，2012

[2]艾海英，工程沉降远程监测系统软件的设计与实现：[硕士学位论文]，天津：天津大学，2012

[3]Xiong Chunbao,Wang Haitao,Study on technique of automatic and continuousmonitoring groundwater level and its application to engineering,Progress in CivilEngineering,Applied Mechanics and Materials,2012,170-173:2060-2065(EI:20122315099806)

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出了一种地下工程变形远程自动监控系统，建立与地下工程实际变形特征相吻合、监测与分析功能统一完善且具有较强适应性的地下工程变形远程自动监控系统。

本发明提出一种地下工程变形远程自动监控系统，包括各种地下工程测量相关探测传感器、测量数据采集仪、主机、远程用户计算机和移动通讯设备，以及用于通讯的GPRS模块、Internet服务器；所述测量数据采集仪根据串口通信的命令将所述相关探测传感器采集到的测量结果传输给所述主机、所述主机用于存储所述测量数据采集仪上传的数据，供系统提取调用；所述移动通讯设备用于系统中的远程通讯；该系统划分为5个子系统，分别是数据采集子系统、文件管理子系统、监测预警子系统、远程传输子系统和安全诊断子系统，其中：

数据采集子系统，在该子系统中实现由测量数据采集仪根据串口通信的命令将采集到的数据传输给主机、主机将采集仪上传的数据按照特定的格式和规律进行存储，以供其他功能子系统提取调用；

文件管理子系统，在该子系统中实现工程信息管理、重点区域划分、风险提示、监控视频和现场图片实时显示，其中的重点区域划分是指根据发生危险概率大小不同、监控工作的重要程度不同，将整个工程采用不同的颜色进行分区；

监测预警子系统，在该子系统中实现预警值设置、预警号码设置、定时时间设置和预警信息发布；其中预警值设置、预警号码设置和定时时间设置都是借助于Internet服务器实现远程设置，预警信息通过GPRS模块发布；

远程发布子系统，在该子系统中实现采集数据的实时显示，对需要实时显示的指标或数据文件进行的远程选择操作，选择命令回传给监控系统主机进行数据调用，实现从监控主机到异地用户计算机的传送过程数据发布；

安全诊断子系统，在该子系统中实现测点布置图查看、警戒值设置与查看、地面沉降的预测和预警、地下水位变化曲线绘制、水平位移的预测和预警；根据工程安全状况时间序列变化规律，选择预测数学模型，利用该模型来分析监测数据，并将诊断分析结果和变形的预测值直观地表现出来。

所述预测数学模型进一步包括基本预测数学模型即灰色GM（1,1）模型、自适应滤波模型、BP神经网络模型和滚动模型。

所述预测数学模型还包括将基本数学模型应用方差组合原理进行组合得到新的预测模型，即灰色自适应滤波组合模型和灰色滚动组合模型2种。

与现有技术相比，本发明的有益效果有以下几点：

1、对采集到的数据进行分析处理，实现地下工程变形的预测和预警；

2、将数据转化后以二维变化曲线和三维图等形式表现出来，使得地下工程变形更加形象直观；

3、本发明可根据不同工程特点进行相应的硬件布置，同时可利用最适合的模型对数据进行处理分析，有较强的适应性。

附图说明

图1为本发明的地下工程变形远程自动监控系统硬件结构示意图；

图2为本发明的地下工程变形远程自动监控系统功能方框示意图；

图3为本发明的地下工程变形远程自动监控系统的数据采集子系统示意图，展示了信号采集模块工作流程。

图4-图11为本发明的地下工程变形远程自动监控系统的各部分功能及操作的界面显示图。

其中：

图4、显示界面曲线动态图；图5、显示界面文本数据框；图6、诊断模块主界面；图7、变形单点分析界面；图8、实测值与模型值对比界面；图9、水位变化曲线显示界面；图10、地面沉降等值线绘制界面；图11、地面沉降三维图绘制界面。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述，这些实施方式若存在示例性的内容，不应解释成对本发明的限制。

如图1所示，地下工程变形远程自动监控系统要实现从数据采集到远程传输功能，所需要的硬件设备有传感器、数据采集仪、系统主机、GPRS模块、Internet服务器、远程用户计算机和移动通讯设备。

监控系统选择使用Microsoft Windows XP Professional作为操作系统，选择Java语言作为程序设计语言，选择Tomcat作为Web应用服务器，选择MySQL作为监控系统数据库管理系统，选择Mozilla Firefox浏览器供系统开发和使用。监控系统采用的是Java Web开发，采用典型的J2EE三层结构（即表现层、中间层和数据层）。数据采集仪设置、数据采集上传和GPRS DTU设置控制采用的是Java串口通信。页面上显示曲线的界面是用Java编写的应用程序（Java Applet）实现且用到了Ajax异步传输技术。此外，网页页面是采用JSP和HTML编写的。

如图2所示，地下工程变形远程监控系统划分为5个子系统，分别为：数据采集子系统、文件管理子系统、监测预警子系统、远程传输子系统和安全诊断子系统。每个子系统都承担着各自相应的工作任务。

根据地下工程变形状况时间序列变化规律选择合适的数学模型，并将其中部分数学模型应用方差组合原理进行组合得到新的模型，利用这些模型来建立地下工程安全诊断模块。其中基本数学模型有4种，即灰色GM（1,1）模型、自适应滤波模型、BP神经网络模型和滚动模型，经过方差组合理论组合的模型有灰色自适应滤波组合模型和灰色滚动组合模型2种。应用这些模型基于Matlab来建立诊断模块。地下工程安全诊断模块的功能包含：测点布置图查看、警戒值设置与查看、地面沉降预测预警、地下水位变化曲线绘制和水平位移预测预警5个部分。

一般情况下，工程变形监测都是分为多个测点进行，每个测点根据所需监测的变形量分别安装不同的传感器，例如：沉降传感器、水平位移计、倾斜仪、钢筋应力计、土压力计、孔隙水压力计等。这些传感器所监测到的数据（变形值）通过频率信号或电压信号传输给数据采集仪。一台数据采集仪有许多通道，各个通道分别与不同的传感器相连，系统主机与数据采集仪之间通过串口通信的方式连接，数据采集仪将采集到的频率信号或电压信号传输给系统主机，系统主机根据一定的数学模型将获得的频率信号或电压信号换算成对应测点的变形值，然后将变形值更新到Internet服务器，通过Internet服务器发布变形值，以便异地用户通过Internet进行实时远程查看；同时系统主机还对变形值与预设警戒值进行对比，若变形值大于警戒值，则及时利用GPRS模块发送警报信息到一些特定用户的移动通讯设备（手机）上。另外，在预设的某些时刻，系统主机也会自动发送监测值到一些特定用户的移动通讯设备（手机）上。上述的工作过程是通过下面的5个子系统分别完成的。

1、数据采集子系统的主要功能有：数据输入、记录存储和数据提取调用。数据输入是由采集仪根据串口通信的命令将采集到的数据传输给系统主机；数据记录存储是系统主机将采集仪上传的数据按照特定的格式和规律进行存储，以供提取调用；数据的提取调用是当其他功能子系统需要使用上述这些数据时，直接从系统主机存储空间中选择并读取。

2、文件管理子系统的主要功能有：工程信息管理、重点区域划分、风险提示、监控视频和现场图片实时显示。工程信息包括工程所在位置、地质勘察资料、施工方法、施工顺序、工程进度安排、公告通知、监控报告等；重点区域划分是指根据发生危险概率大小不同、监控工作的重要程度不同，将整个工程采用不同的颜色进行分区，使整个监控工作的重要层次和位置一目了然；风险提示是对施工过程中如果发生事故可能导致的后果给予提示，如建筑自身坍塌、相邻建筑物倾覆、地下管线断裂等；监控视频和现场图片是展示摄像头摄录到的现场实时情况，使工程项目的有关各方勿需亲临工程现场也能及时看到工程施工的实时状况。

3、监测预警子系统的主要功能有：预警值设置、预警号码设置、定时时间设置和预警信息发布。其中预警值设置、预警号码设置和定时时间设置都是借助于Internet服务器实现远程设置，预警信息是通过GPRS模块发布。在预设的定时发布时刻，将所有监测点编号及其监测值发送到预设的移动通讯终端（手机）；在某一点变形值超过预设警戒值时，将该点编号和变形值以警告的形式及时发送到预设移动通讯终端（手机）。

4、远程发布子系统有如下三个功能：实时显示、远程操作和数据发布。实时显示是将采集到的数据在异地用户计算机上通过分别以时间和数值为横纵坐标曲线及时直观地表现出来；远程操作是在异地用户计算机上对需要实时显示的指标或所需要的数据文件进行选择操作，这些命令回传给监控系统主机；数据发布是经过远程操作选取的数据进行调用查看，实现从监控主机到异地用户计算机的传送过程。

5、安全诊断子系统的功能有：测点布置图查看、警戒值设置与查看、地面沉降的预测和预警、地下水位变化曲线绘制、水平位移的预测和预警。根据工程安全状况时间序列变化规律，选择合适的预测基本数学模型，并将部分基本数学模型应用方差组合原理进行组合得到新的预测模型，利用这些模型来分析监测数据，并将诊断分析结果和变形的预测值直观地表现出来。

Claims (3)

1.一种地下工程变形远程自动监控系统，包括各种地下工程测量相关探测传感器、测量数据采集仪、主机、远程用户计算机和移动通讯设备，以及用于通讯的GPRS模块、Internet服务器；其特征在于，所述测量数据采集仪根据串口通信的命令将所述相关探测传感器采集到的测量结果传输给所述主机、所述主机用于存储所述测量数据采集仪上传的数据，供系统提取调用；所述移动通讯设备用于系统中的远程通讯；该系统划分为5个子系统，分别是数据采集子系统、文件管理子系统、监测预警子系统、远程传输子系统和安全诊断子系统，其中：

数据采集子系统，在该子系统中实现由测量数据采集仪根据串口通信的命令将采集到的数据传输给主机、主机将采集仪上传的数据按照特定的格式和规律进行存储，以供其他功能子系统提取调用；

文件管理子系统，在该子系统中实现工程信息管理、重点区域划分、风险提示、监控视频和现场图片实时显示，其中的重点区域划分是指根据发生危险概率大小不同、监控工作的重要程度不同，将整个工程采用不同的颜色进行分区；

监测预警子系统，在该子系统中实现预警值设置、预警号码设置、定时时间设置和预警信息发布；其中预警值设置、预警号码设置和定时时间设置都是借助于Internet服务器实现远程设置，预警信息通过GPRS模块发布；

远程发布子系统，在该子系统中实现采集数据的实时显示，对需要实时显示的指标或数据文件进行的远程选择操作，选择命令回传给监控系统主机进行数据调用，实现从监控主机到异地用户计算机的传送过程数据发布；

安全诊断子系统，在该子系统中实现测点布置图查看、警戒值设置与查看、地面沉降的预测和预警、地下水位变化曲线绘制、水平位移的预测和预警；根据工程安全状况时间序列变化规律，选择预测数学模型，利用该模型来分析监测数据，并将诊断分析结果和变形的预测值直观地表现出来。

2.如权利要求1所述的用于网络多媒体设备的信息发布系统，其特征在于，所述预测数学模型进一步包括基本预测数学模型即灰色GM（1,1）模型、自适应滤波模型、BP神经网络模型和滚动模型。

3.如权利要求1所述的用于网络多媒体设备的信息发布系统，其特征在于，所述预测数学模型还包括将基本数学模型应用方差组合原理进行组合得到新的预测模型，即灰色自适应滤波组合模型和灰色滚动组合模型2种。

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