CN104463717A - 一个适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统，它包括一个数据信息采集与无线传输平台和五个主要的子系统，分别是：基于物联网的施工信息采集与无线传输平台、信息收集与处理子系统、施工进度可视化与实时控制子系统、施工实时仿真与反馈子系统、预警预报与决策支持子系统和基于B/S架构的特大地下洞室群施工现场信息管理系统。本发明涵盖施工信息采集、施工进度组织管理、施工监测、施工安全控制、施工预警及应急决策特大地下洞室群施工安全方面，能满足地下工程复杂、多变、不确定的施工环境条件；能够动态分析、预测、展示地下洞室施工进度与施工安全，为地下洞室群进度控制与施工安全管理决策提供有力的分析工具和技术支持。

Description

一个适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统

技术领域

本发明属于地下工程技术领域，具体涉及一个适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统。

背景技术

地下洞室是水利、交通、铁道、军事等诸多领域的重要结构物。在现有的工程实践和理论分析水平下，地下洞室群工程在复杂环境（工程地质条件、水文条件、高地应力等）下的施工安全存在很多亟待解决的关键技术问题。地下洞室群的基本特点在于地质环境复杂多变，其施工方案必须要考虑大量关系错综复杂的、无法精确定量的地质因素、工程因素和施工因素，并综合考虑使用要求、经费、技术条件、时间等的影响，然而要实现这一目的的前提就是能够实时取得准确的施工现场数据信息并加以分析，这在实际施工过程中存在一定难度，主要存在两个方面的问题：一是现有的监测仪器和监测手段对于海量数据的采集和实时传输非常困难。另一个问题是基于安全分析与评价的施工仿真分析和表达。目前国内外应用专家系统解决地下工程问题的研究较多，但所有的研究都集中在监测数据的分析与评价上，且施工面貌表达上没有与监测信息相集成、施工过程仿真没有考虑结构安全的影响，而在复杂、长距离地下洞室群布置下的无线数据传输方法上则没有涉及。物联网技术的兴起在各行业中产生了深远影响，基于物联网技术的地下洞室群专家信息系统的研究目前仍为空白。

发明内容

本发明的目的在于建立一套实用、科学的施工专家信息系统，涵盖施工信息采集、施工进度组织管理、施工监测、施工安全控制、施工预警及应急决策方面，一方面，能满足地下工程复杂、多变、不确定的施工环境条件；另一方面，以实时信息分析、施工进度控制及安全评价预测为主要内容，能够动态分析、预测、展示地下洞室施工进度与施工安全，为地下洞室群进度控制与施工安全管理决策提供有力的分析工具和技术支持。

本发明采用的技术方案如下：

基于物联网技术的地下洞室群施工专家信息系统集成了网络通信技术、贝叶斯法、多层次模糊综合评价、反馈控制、实时仿真、数值模拟、专家知识、人工智能算法、实时监控、数据库先进的技术与方法，同时综合考虑了地下洞室群施工的复杂环境条件，如图1所示，包括工程施工过程中所涉及所有数据和资料，包含以下内容：

（1）工程资料数据库：用于存储与地下洞室群相关的地理、地质、水文、气象、流域、水库、工程概况、枢纽状况、建筑物属性等信息，具有较好的层次结构，以便动态管理、维护和扩充；

（2）监测仪器属性库：用于存储地下洞室群施工期监测系统布置、监测项目、监测仪器参数等信息；

（3）安全监测原始数据库：用于存储自动采集或人工采集的监测仪器原始数值信息以及施工现场录入的施工实际进度信息、资源利用情况信息等；

（4）资料整编数据库：存储经过整编换算、预处理之后的实际监测物理量数值信息以及表现监测物理量时间和空间分布特征的图形、报表等；

（5）生成数据库：用于存储在系统运行中所有分析过程产生的中间数据及结果数据，包括循环网络仿真数据、网络计划仿真数据、资源均衡优化分析结果信息、工序偏差智能分析数据、洞室围岩参数动态反演结果、施工各阶段围岩稳定性数值仿真数据、施工开挖及支护措施优化分析结果等。

由此构建了以安全监测信息、施工信息、人工数据自动无线采集为数据基础，以实时信息分析与安全评价预测为主要内容的施工专家信息系统。

一个适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统，由包括一个数据信息采集与无线传输平台和五个主要的子系统，如图2所示，分别是：（1）基于物联网的施工信息采集平台；（2）信息收集与处理子系统；（3）施工进度可视化与实时控制子系统；（4）施工实时仿真与反馈子系统；（5）预警预报与决策支持子系统；（6）基于B/S架构的特大地下洞室群施工现场信息管理系统。

（1）基于物联网的施工信息采集平台，用于实现地下洞室群施工进度控制、质量控制与洞室安全控制的海量施工信息的实时无线采集及施工信息与网络数据库的实时、交互式传输，达到施工全过程数字化监控的目的，该平台包括地下洞室群安全监测信息采集平台模块、施工人员及机械实时监控信息采集平台模块和现场施工信息采集平台模块；

安全监测信息采集平台模块：用于地下洞室各安全监测全自动化信息采集，实现监测数据的实时无线采集与传输，最大限度的排除人为因素的干涉，保证地下洞室群施工专家信息系统对数据的实时性、准确性的要求；

施工人员及机械实时监控信息采集平台模块：用于施工现场人员的各种分类统计，并显示现场施工人员及机械的当前实际位置分布，为决策者进行实时调度提供依据；

现场施工信息采集平台模块：具体分为现场施工进度信息实时采集、现场突发状况信息采集、现场与总控中心实时通讯平台三个模块；现场施工进度信息实时采集模块用于采集工程量信息、施工材料用量信息、施工资源及参数信息，为业主方实时进行工程造价控制、资金管理控制、风险控制工作提供基础性的数据支持；现场突发状况信息采集模块用于对突发不良地质状况实时采集，为决策者能够全局掌控总体工程的突发状况，进而为突发状况数据挖掘及各专家系统功能提供实时的数据支持；现场与总控中心实时通讯平台模块用于总控中心对施工现场状态全面把握、控制与及时的指挥、调度提供基础保障，提高突发事故应急处理与工作效率；

该平台是建立以传感器监测层、汇聚网关层和应用服务层为核心的地下洞室群施工信息采集平台；

传感器监测层作为地下洞室群物联网平台的感知层，一般由传感器式采集、定位式采集和PDA式采集三种采集方式对地下洞室群施工信息进行采集。

传感器式采集方式主要是对地下洞室群施工中的围岩安全监测信息及施工环境量信息进行实时采集；定位式采集方式主要是对地下洞室群施工中移动的施工人员及机械进行位置信息进行实时采集；PDA（Personal Digital Assistant）式采集方式主要是对地下洞室群施工中无法用传感器感知的信息及施工人员与总控中心的实时通讯信息进行实时采集。

汇聚网关层为地下洞室群物联网平台的网络层，采用ZigBee技术来构建地下洞室群物联网平台无线传感网络，负责将采集的数据实时录入到数据库中，实现信息采集的全程无线传输。

应用服务层为地下洞室群物联网平台的应用层。通过地下洞室群施工专家信息系统中各种专家功能对采集的数据进行实时分析，以达到实时全面掌握工程现场施工进度和结构安全状态。

采用基于链状结构和网状结构相结合的地下洞室群ZigBee无线传输模块布设结构进行施工人员及机械的实时定位监控。依据PDA现场施工信息实时采集建设方案的建立包括硬件和软件两大部分。

硬件部分：通过定制开发，在PDA芯片内部直接植入ZigBee无线收发模块。

软件部分：采用ASP.NET为软件开发工具，开发基于B/S架构的PDA信息采集平台，实现地下洞室群现场施工进度信息、突发状况信息及与总控中心通讯信息的实时采集。

（2）信息收集与处理子系统，用于监测信息收集和监测信息处理，包括监测信息前处理与后处理；该系统包括安全监测信息分析评估预测系统及监测数据库管理分析系统；即包括基于三维GIS的复杂地下洞室群安全监测信息分析评估预测系统和基于三维有限元的监测数据库管理分析系统。该系统主要功能包括：                                               监测信息收集；其中包括监测设备布置和监测数值收集；监测信息处理包括监测信息前处理与后处理，如小波消噪、奇异值检测、缺失数据插补前处理内容和监测数据质量分析（可靠度、饱和度和缺失度）、位移量值分布统计、监测数据显示（位移时间图、深度位移图、速率时间图和动态显示图）、洞室开挖质量评价及松动圈显示监测数据后处理内容。

安全监测信息分析评估预测系统：主要包括以TIN为基础的地质模型及地下厂房模型、监测模型的建立及围岩内位移分布与钢筋计应力分布色图绘制两大部分；用于准确、直观地展现地下厂房所处三维地质结构和其内部各洞室、管线的三维实体模型，查询监测设备的相关属性和对应的监测数据及其生成的变化曲线，并方便查询特定目标测杆的监测情况以分析所在部位岩体的变形趋势；

监测数据库管理分析系统：基于位移监测数据，生成围岩变形位移时间曲线、位移速率曲线、位移加速率曲线以及孔深位移曲线，以此分析洞室开挖过程中围岩变形的规律和洞室的稳定性；

（3）施工进度可视化与实时控制子系统，用于工程开工后帮助工程管理人员和施工指挥者进行日常进度控制和施工决策，通过人机交互的方式提供辅助决策信息和下达计划的方案，帮助决策者合理选择计划方案，正确指挥施工生产，减少实际偏差，进而达到进度目标要求，完成全部施工任务；该系统对地下洞室群计划施工进度进行分析，并进行计算结果的实时可视化，且基于物联网实时监测获得的施工现场反馈数据，更新实时工序信息，建立后期施工进度预测模型和实时调整控制施工进度。

该系统包括计划施工进度分析模块、施工实时可视化仿真模块、施工进度实时调整控制模块及数据管理模块；

计划施工进度分析模块：基于CYCLONE和CPM搭接网络的地下洞室群施工系统仿真模型计算获得工程施工进度计划时间参数，对计划施工进度进行分析；用于工序信息的录入及时间参数的计算，基于遗传算法的地下洞室群施工资源均衡优化方法获得优化后的施工进度计划，并将优化后的施工进度计划数据通过PSD模型进行可视化；

施工实时可视化仿真模块：用于施工开工后进行实际动态施工条件下施工过程的仿真计算，并进行计算结果的实时可视化；

施工进度实时调整控制模块（如图3所示）：由物联网实时监测获得的施工现场反馈数据，更新实时工序信息，建立后期施工进度预测模型，采用基于CYCLONE和CPM搭接网络相结合的动态仿真技术预测工期和后期施工进度，实时调整控制施工进度；该模块用于反馈数据的录入处理和后期进度的预测，提供偏差影响指标的数据，智能给出工序调整建议，供决策者根据工程的具体情况和经验来决策调整工作顺序和方案，并可进行调整后施工进度的可视化展示，辅助现场进度控制人员制订出后期进度计划；

数据管理模块：用于为用户提供方便安全的系统数据的操作界面，及数据编辑及查询功能；

（4）施工实时仿真与反馈子系统，实时模拟施工面貌下的洞室安全，从施工进度与安全两个角度综合评价、预测现有的施工方案对洞室整体安全及总工期的影响，当发生突发不良地质时能够快速给出处理措施，指导工程现场施工；该系统包括计划施工安全状况查询模块、响应施工现场实时仿真请求模块、洞室围岩力学参数实时智能反演分析模块、洞室围岩地应力实时智能反演分析模块、洞室围岩安全性实时预测与预测结果评价模块、基于实时安全仿真的施工支护措施与进度互馈分析模块、突发不良地质处理措施专家建议模块及洞室施工过程结构场动态可视化模块；

计划施工安全状况查询模块：针对计划开挖方案，利用数值仿真技术进行洞室围岩安全性仿真，系统提供仿真分析结果的查询功能；

响应施工现场实时仿真请求模块：用于实时响应来自施工现场的洞室安全性仿真分析请求，对现场仿真请求进行处理，并返回仿真结果，施工现场仿真请求提交者利用智能终端设备对仿真结果实时查询，实现洞室围岩安全性实时仿真功能；

洞室围岩力学参数实时智能反演分析模块：用于为围岩安全性实时仿真分析提供最符合实际条件的力学参数；

洞室围岩地应力实时智能反演分析模块：用于为围岩安全性实时仿真分析提供最符合实际条件的初始地应力；

洞室围岩安全性实时预测与预测结果评价模块：用于当开挖方案或支护措施发生调整时对后续施工过程围岩安全性进行预测，根据对预测结果的评价判断调整后的开挖方案或支护措施是否合理；该模块通过建立实际施工状态与三维全尺度数值模型模拟状态之间的实时动态映射关系，结合并行计算方法，实现对地下洞室群施工过程的结构安全与进度耦合实时仿真；

基于实时安全仿真的施工支护措施与进度互馈分析模块：利用基于循环网络和网络计划实时仿真的施工进度预测方法来量化处理措施对施工进度的反馈，结合支护措施数值仿真分析结果评价处理措施方案的可行性；

突发不良地质处理措施专家建议模块：针对施工现场反馈的突发不良地质情况，采用神经网络专家系统给出建议性处理措施，经过处理措施的安全仿真与评价功能以评判专家建议措施的有效性；

洞室施工过程结构场动态可视化模块：用于对施工过程进行结构数值仿真，得到结构场的变化过程，再利用直观的表达方法将其动态可视化；

（5）预警预报与决策支持子系统，用于实现在特大地下洞室群施工过程中，依据现场监测、反馈分析及超前预测，及时预警预报施工安全风险，继而结合系统内置知识库，为综合决策提供系统支持，以指导后续施工活动；该系统包括变形监测模块、安全分析模块、安全预警模块及应急预案模块，如图4所示；该系统是基于实时监测的围岩变形数据，采用反分析预测方法、块体分析预测方法和统计分析预测方法实现对围岩稳定性的分析和预测；通过分析不同地质段断面的相对位移收敛情况，并结合相关规范对围岩变形容许值的规定，实现洞室开挖的安全预警指标的确定，建立分级预警机制；基于安全分析的分析预判，为用户做出分级安全预警，并提供现场应急预案参考，避免安全事故的发生。

变形监测模块：用于监测方案配置管理，并对每日的监测数据进行录入维护、查看时程曲线；监测数据包括地下洞室群的设计数据、洞室围岩的基本资料和施工监测资料；

安全分析模块：基于变形监测数据，通过统计分析方法和数值分析方法进行洞室变形的预测；该模块包括正分析方法库，具体包括有限元分析、块体理论、统计类比，反分析的模型与方法；

安全预警模块：用于选取合适的决策方法，判断洞室围岩的稳定性，对于不稳定或可能坍塌岩体，发出预警信号；对于决策方法，围岩破坏准则，安全预警指标，相关规范、规程和技术标准中的安全控制指标进行检测预警；

应急预案模块：对不同的破坏机理、破坏模式分别进行分类梳理，搜集对应的应急组织管理、应急物资储备、应急工程措施可供检索与查阅；

（6）基于B/S架构的特大地下洞室群施工现场信息管理系统，用于实现对地下洞室群施工现场信息进行随时随地管理；无论工程管理人员身处何地，只要能联网就都可以在任何时候采用任何智能终端设备方便的对施工现场信息进行管理，并可实时的与现场施工人员及总控平台交流，对提高施工质量和效率起到关键性作用；

具体来讲，可实现功能包括帮助施工管理人员通过智能终端设备与系统数据库服务器建立连接，方便对施工现场进度信息、结构安全状况进行查看，对现场施工信息和突发不良地质信息进行实时上传，并能够与总控中心进行实时通信，发送实时仿真请求。

该系统包括施工进度查询模块、现场施工信息实时录入模块、设计方案安全状况查询模块、突发不良地质信息上传及实时仿真请求的提交模块、结构安全实时仿真结果查询模块及现场实时通信模块；

施工进度查询模块：包括以表格形式及横道图形式查询，用于工程管理人员随时随地查询工程施工进度；

现场施工信息实时录入模块：用于现场施工人员将现场施工进度信息及资源使用情况上传到中心数据库服务器，便于控制中心实时掌握施工状态；

设计方案安全状况查询模块：用于对设计方案下任意开挖阶段任意洞室断面安全状况进行查询，方便施工安全管理；

突发不良地质信息上传及实时仿真请求的提交模块：用于实现在现场施工过程中突遇不良地质的情况下，及时将相关信息上传，并根据实际需要提交请求，对不良地质进行实时仿真分析；

结构安全实时仿真结果查询模块：用于对结构安全性实时仿真结果进行查询；

现场实时通信模块：用于实现工作面与总控制中心间的实时通信，保证交流畅通，实时交换信息，并可将施工过程中突发事故信息上传至中心数据库。

本发明还提供一种适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统的实现方法，包括如下步骤：

步骤（1），建立以TIN为基础的地质模型及地下厂房模型、监测模型，监测数据入库和模型结合分析，通过围岩内布置监测仪器获取的监测数据，绘制围岩内位移分布与钢筋计应力分布云图，在监测断面图上绘制多点位移计、锚杆应力计测值分布图，实现由图形到属性、数据的可视化关联，并绘制时间过程曲线及分布曲线，叠加显示不同环境量曲线；

步骤（2），对数据库的数据录入、修改、更新及检索进行管理，对监测数据进行前处理，并对工程三维模型进行可视化显示，同时展示监测断面整体动态图；

步骤（3），录入工序信息，计算时间参数，并对资源均衡优化，计划进度可视化，并对施工实施可视化仿真，对反馈数据进行录入处理，预测后期进度，进行偏差比较分析，对进度计划进行调整，同时对数据进行管理；

步骤（4），查询计划施工安全状况，响应施工现场实时仿真请求，对洞室围岩地应力场及力学参数实时智能反演分析，评价洞室围岩安全性实时预测与预测结果，并基于实时安全仿真的施工支护措施与进度互馈分析，针对突发不良地质处理措施提出专家建议，实现洞室施工过程结构场动态可视化；

步骤（5），管理监测数据，对监测数据进行分析，进而实现监测预警及应急预案的组织管理；

步骤（6），随时随地查询施工进度，并对现场施工信息实时录入，进行设计方案安全状况查询，提交突发不良地质信息上传及实时仿真请求，查询结构安全实时仿真结果，并进行现场实时通讯。

本发明以物联网技术为基础，构建了地下洞室群工程现场信息采集与网络数据库实时交互的软硬件平台；通过考虑地下洞室群施工的复杂环境条件，开发了以安全监测信息、施工信息、人工数据采集为数据基础，以实时信息分析、施工进度控制及安全评价预测为主要内容的施工专家信息系统。主要实现了：

（1）通过地下洞室群工程现场信息采集与网络数据库实时交互的软硬件平台和监测信息处理系统，实现了地下洞室群施工海量监测数据的采集与实时传输；

（2）通过施工进度实时控制专家系统，实现了地下洞室群施工过程仿真与进度实时控制；

（3）通过工程现场突发事故处理专家系统，实现了地下洞室群施工安全与进度的实时控制；

（4）通过基于现场监测、反馈分析及超前预测的地下洞室施工预警预报与决策支持，实现地下洞室群安全预警与决策支持。

本发明提出的特大地下洞室群施工专家信息系统提升了大型地下洞室群施工管理的现代化水平，具有重要的的工程实践意义和广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统数据库总体结构图；

图2为本发明适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统的总体结构图；

图3本发明的施工进度动态调整流程示意图；

图4为本发明的施工期预警预报与决策支持专家系统功能框架示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

基于物联网技术的地下洞室群施工专家信息系统集成了网络通信技术、贝叶斯法、多层次模糊综合评价、反馈控制、实时仿真、数值模拟、专家知识、人工智能算法、实时监控、数据库先进的技术与方法，同时综合考虑了地下洞室群施工的复杂环境条件，如图1所示，构建了以安全监测信息、施工信息、人工数据自动无线采集为数据基础，以实时信息分析与安全评价预测为主要内容的施工专家信息系统。

一个适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统，由包括一个数据信息采集与无线传输平台和五个主要的子系统，如图2所示，分别是：（1）基于物联网的施工信息采集平台；（2）信息收集与处理子系统；（3）施工进度可视化与实时控制子系统；（4）施工实时仿真与反馈子系统；（5）预警预报与决策支持子系统；（6）基于B/S架构的特大地下洞室群施工现场信息管理系统。

（1）基于物联网的施工信息采集平台，用于实现地下洞室群施工进度控制、质量控制与洞室安全控制的海量施工信息的实时无线采集及施工信息与网络数据库的实时、交互式传输，达到施工全过程数字化监控的目的，该平台包括地下洞室群安全监测信息采集平台模块、施工人员及机械实时监控信息采集平台模块和现场施工信息采集平台模块；

安全监测信息采集平台模块：用于地下洞室各安全监测全自动化信息采集，实现监测数据的实时无线采集与传输，最大限度的排除人为因素的干涉，保证地下洞室群施工专家信息系统对数据的实时性、准确性的要求；

施工人员及机械实时监控信息采集平台模块：用于施工现场人员的各种分类统计，并显示现场施工人员及机械的当前实际位置分布，为决策者进行实时调度提供依据；

现场施工信息采集平台模块：具体分为现场施工进度信息实时采集、现场突发状况信息采集、现场与总控中心实时通讯平台三个模块；现场施工进度信息实时采集模块用于采集工程量信息、施工材料用量信息、施工资源及参数信息，为业主方实时进行工程造价控制、资金管理控制、风险控制工作提供基础性的数据支持；现场突发状况信息采集模块用于对突发不良地质状况实时采集，为决策者能够全局掌控总体工程的突发状况，进而为突发状况数据挖掘及各专家系统功能提供实时的数据支持；现场与总控中心实时通讯平台模块用于总控中心对施工现场状态全面把握、控制与及时的指挥、调度提供基础保障，提高突发事故应急处理与工作效率；

该平台是建立以传感器监测层、汇聚网关层和应用服务层为核心的地下洞室群施工信息采集平台；

传感器监测层作为地下洞室群物联网平台的感知层，一般由传感器式采集、定位式采集和PDA式采集三种采集方式对地下洞室群施工信息进行采集。

传感器式采集方式主要是对地下洞室群施工中的围岩安全监测信息及施工环境量信息进行实时采集；定位式采集方式主要是对地下洞室群施工中移动的施工人员及机械进行位置信息进行实时采集；PDA（Personal Digital Assistant）式采集方式主要是对地下洞室群施工中无法用传感器感知的信息及施工人员与总控中心的实时通讯信息进行实时采集。

汇聚网关层为地下洞室群物联网平台的网络层，采用ZigBee技术来构建地下洞室群物联网平台无线传感网络，负责将采集的数据实时录入到数据库中，实现信息采集的全程无线传输。

应用服务层为地下洞室群物联网平台的应用层。通过地下洞室群施工专家信息系统中各种专家功能对采集的数据进行实时分析，以达到实时全面掌握工程现场施工进度和结构安全状态。

采用基于链状结构和网状结构相结合的地下洞室群ZigBee无线传输模块布设结构进行施工人员及机械的实时定位监控。依据PDA现场施工信息实时采集建设方案的建立包括硬件和软件两大部分。

硬件部分：通过定制开发，在PDA芯片内部直接植入ZigBee无线收发模块。

软件部分：采用ASP.NET为软件开发工具，开发基于B/S架构的PDA信息采集平台，实现地下洞室群现场施工进度信息、突发状况信息及与总控中心通讯信息的实时采集。

（2）信息收集与处理子系统，用于监测信息收集和监测信息处理，包括监测信息前处理与后处理；该系统包括安全监测信息分析评估预测系统及监测数据库管理分析系统；即包括基于三维GIS的复杂地下洞室群安全监测信息分析评估预测系统和基于三维有限元的监测数据库管理分析系统。该系统主要功能包括：监测信息收集；其中包括监测设备布置和监测数值收集；监测信息处理包括监测信息前处理与后处理，如小波消噪、奇异值检测、缺失数据插补前处理内容和监测数据质量分析（可靠度、饱和度和缺失度）、位移量值分布统计、监测数据显示（位移时间图、深度位移图、速率时间图和动态显示图）、洞室开挖质量评价及松动圈显示监测数据后处理内容。

安全监测信息分析评估预测系统：主要包括以TIN为基础的地质模型及地下厂房模型、监测模型的建立及围岩内位移分布与钢筋计应力分布色图绘制两大部分；用于准确、直观地展现地下厂房所处三维地质结构和其内部各洞室、管线的三维实体模型，查询监测设备的相关属性和对应的监测数据及其生成的变化曲线，并方便查询特定目标测杆的监测情况以分析所在部位岩体的变形趋势；

监测数据库管理分析系统：基于位移监测数据，生成围岩变形位移时间曲线、位移速率曲线、位移加速率曲线以及孔深位移曲线，以此分析洞室开挖过程中围岩变形的规律和洞室的稳定性；

（3）施工进度可视化与实时控制子系统，用于工程开工后帮助工程管理人员和施工指挥者进行日常进度控制和施工决策，通过人机交互的方式提供辅助决策信息和下达计划的方案，帮助决策者合理选择计划方案，正确指挥施工生产，减少实际偏差，进而达到进度目标要求，完成全部施工任务；该系统对地下洞室群计划施工进度进行分析，并进行计算结果的实时可视化，且基于物联网实时监测获得的施工现场反馈数据，更新实时工序信息，建立后期施工进度预测模型和实时调整控制施工进度。

该系统包括计划施工进度分析模块、施工实时可视化仿真模块、施工进度实时调整控制模块及数据管理模块；

计划施工进度分析模块：基于CYCLONE和CPM搭接网络的地下洞室群施工系统仿真模型计算获得工程施工进度计划时间参数，对计划施工进度进行分析；用于工序信息的录入及时间参数的计算，基于遗传算法的地下洞室群施工资源均衡优化方法获得优化后的施工进度计划，并将优化后的施工进度计划数据通过PSD模型进行可视化；

施工实时可视化仿真模块：用于施工开工后进行实际动态施工条件下施工过程的仿真计算，并进行计算结果的实时可视化；

施工进度实时调整控制模块（如图3所示）：由物联网实时监测获得的施工现场反馈数据，更新实时工序信息，建立后期施工进度预测模型，采用基于CYCLONE和CPM搭接网络相结合的动态仿真技术预测工期和后期施工进度，实时调整控制施工进度；该模块用于反馈数据的录入处理和后期进度的预测，提供偏差影响指标的数据，智能给出工序调整建议，供决策者根据工程的具体情况和经验来决策调整工作顺序和方案，并可进行调整后施工进度的可视化展示，辅助现场进度控制人员制订出后期进度计划；

数据管理模块：用于为用户提供方便安全的系统数据的操作界面，及数据编辑及查询功能；

（4）施工实时仿真与反馈子系统，实时模拟施工面貌下的洞室安全，从施工进度与安全两个角度综合评价、预测现有的施工方案对洞室整体安全及总工期的影响，当发生突发不良地质时能够快速给出处理措施，指导工程现场施工；该系统包括计划施工安全状况查询模块、响应施工现场实时仿真请求模块、洞室围岩力学参数实时智能反演分析模块、洞室围岩地应力实时智能反演分析模块、洞室围岩安全性实时预测与预测结果评价模块、基于实时安全仿真的施工支护措施与进度互馈分析模块、突发不良地质处理措施专家建议模块及洞室施工过程结构场动态可视化模块；

计划施工安全状况查询模块：针对计划开挖方案，利用数值仿真技术进行洞室围岩安全性仿真，系统提供仿真分析结果的查询功能；

响应施工现场实时仿真请求模块：用于实时响应来自施工现场的洞室安全性仿真分析请求，对现场仿真请求进行处理，并返回仿真结果，施工现场仿真请求提交者利用智能终端设备对仿真结果实时查询，实现洞室围岩安全性实时仿真功能；

洞室围岩力学参数实时智能反演分析模块：用于为围岩安全性实时仿真分析提供最符合实际条件的力学参数；

洞室围岩地应力实时智能反演分析模块：用于为围岩安全性实时仿真分析提供最符合实际条件的初始地应力；

洞室围岩安全性实时预测与预测结果评价模块：用于当开挖方案或支护措施发生调整时对后续施工过程围岩安全性进行预测，根据对预测结果的评价判断调整后的开挖方案或支护措施是否合理；该模块通过建立实际施工状态与三维全尺度数值模型模拟状态之间的实时动态映射关系，结合并行计算方法，实现对地下洞室群施工过程的结构安全与进度耦合实时仿真；

基于实时安全仿真的施工支护措施与进度互馈分析模块：利用基于循环网络和网络计划实时仿真的施工进度预测方法来量化处理措施对施工进度的反馈，结合支护措施数值仿真分析结果评价处理措施方案的可行性；

突发不良地质处理措施专家建议模块：针对施工现场反馈的突发不良地质情况，采用神经网络专家系统给出建议性处理措施，经过处理措施的安全仿真与评价功能以评判专家建议措施的有效性；

洞室施工过程结构场动态可视化模块：用于对施工过程进行结构数值仿真，得到结构场的变化过程，再利用直观的表达方法将其动态可视化；

（5）预警预报与决策支持子系统，用于实现在特大地下洞室群施工过程中，依据现场监测、反馈分析及超前预测，及时预警预报施工安全风险，继而结合系统内置知识库，为综合决策提供系统支持，以指导后续施工活动；该系统包括变形监测模块、安全分析模块、安全预警模块及应急预案模块，如图4所示；该系统是基于实时监测的围岩变形数据，采用反分析预测方法、块体分析预测方法和统计分析预测方法实现对围岩稳定性的分析和预测；通过分析不同地质段断面的相对位移收敛情况，并结合相关规范对围岩变形容许值的规定，实现洞室开挖的安全预警指标的确定，建立分级预警机制；基于安全分析的分析预判，为用户做出分级安全预警，并提供现场应急预案参考，避免安全事故的发生。

变形监测模块：用于监测方案配置管理，并对每日的监测数据进行录入维护、查看时程曲线；监测数据包括地下洞室群的设计数据、洞室围岩的基本资料和施工监测资料；

安全分析模块：基于变形监测数据，通过统计分析方法和数值分析方法进行洞室变形的预测；该模块包括正分析方法库，具体包括有限元分析、块体理论、统计类比，反分析的模型与方法；

安全预警模块：用于选取合适的决策方法，判断洞室围岩的稳定性，对于不稳定或可能坍塌岩体，发出预警信号；对于决策方法，围岩破坏准则，安全预警指标，相关规范、规程和技术标准中的安全控制指标进行检测预警；

应急预案模块：对不同的破坏机理、破坏模式分别进行分类梳理，搜集对应的应急组织管理、应急物资储备、应急工程措施可供检索与查阅；

（6）基于B/S架构的特大地下洞室群施工现场信息管理系统，用于实现对地下洞室群施工现场信息进行随时随地管理；无论工程管理人员身处何地，只要能联网就都可以在任何时候采用任何智能终端设备方便的对施工现场信息进行管理，并可实时的与现场施工人员及总控平台交流，对提高施工质量和效率起到关键性作用；

具体来讲，可实现功能包括帮助施工管理人员通过智能终端设备与系统数据库服务器建立连接，方便对施工现场进度信息、结构安全状况进行查看，对现场施工信息和突发不良地质信息进行实时上传，并能够与总控中心进行实时通信，发送实时仿真请求。

该系统包括施工进度查询模块、现场施工信息实时录入模块、设计方案安全状况查询模块、突发不良地质信息上传及实时仿真请求的提交模块、结构安全实时仿真结果查询模块及现场实时通信模块；

施工进度查询模块：包括以表格形式及横道图形式查询，用于工程管理人员随时随地查询工程施工进度；

现场施工信息实时录入模块：用于现场施工人员将现场施工进度信息及资源使用情况上传到中心数据库服务器，便于控制中心实时掌握施工状态；

设计方案安全状况查询模块：用于对设计方案下任意开挖阶段任意洞室断面安全状况进行查询，方便施工安全管理；

突发不良地质信息上传及实时仿真请求的提交模块：用于实现在现场施工过程中突遇不良地质的情况下，及时将相关信息上传，并根据实际需要提交请求，对不良地质进行实时仿真分析；

结构安全实时仿真结果查询模块：用于对结构安全性实时仿真结果进行查询；

现场实时通信模块：用于实现工作面与总控制中心间的实时通信，保证交流畅通，实时交换信息，并可将施工过程中突发事故信息上传至中心数据库。

本发明还提供一种适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统的实现方法，包括如下步骤：

步骤（1），建立以TIN为基础的地质模型及地下厂房模型、监测模型，监测数据入库和模型结合分析，通过围岩内布置监测仪器获取的监测数据，绘制围岩内位移分布与钢筋计应力分布云图，在监测断面图上绘制多点位移计、锚杆应力计测值分布图，实现由图形到属性、数据的可视化关联，并绘制时间过程曲线及分布曲线，叠加显示不同环境量曲线；

步骤（2），对数据库的数据录入、修改、更新及检索进行管理，对监测数据进行前处理，并对工程三维模型进行可视化显示，同时展示监测断面整体动态图；

步骤（3），录入工序信息，计算时间参数，并对资源均衡优化，计划进度可视化，并对施工实施可视化仿真，对反馈数据进行录入处理，预测后期进度，进行偏差比较分析，对进度计划进行调整，同时对数据进行管理；

步骤（4），查询计划施工安全状况，响应施工现场实时仿真请求，对洞室围岩地应力场及力学参数实时智能反演分析，评价洞室围岩安全性实时预测与预测结果，并基于实时安全仿真的施工支护措施与进度互馈分析，针对突发不良地质处理措施提出专家建议，实现洞室施工过程结构场动态可视化；

步骤（5），管理监测数据，对监测数据进行分析，进而实现监测预警及应急预案的组织管理；

步骤（6），随时随地查询施工进度，并对现场施工信息实时录入，进行设计方案安全状况查询，提交突发不良地质信息上传及实时仿真请求，查询结构安全实时仿真结果，并进行现场实时通讯。

本发明系统实现过程中所要注意的是：

（1）基于物联网技术的大型地下洞室群施工专家信息系统的数据库设计和建设是整个系统开发的基础，其运行效率、存储效率、安全性和可靠性对整个系统造成直接影响。系统数据库建设，选用目前最为先进和稳定的大型通用数据库管理系统Microsoft SQL Server。微软的这个数据库管理平台，能够很好地满足地下基于物联网技术的地下洞室群施工专家信息系统开发需要。

（2）能利用传感器感知的监测量才可以利用物联网技术进行全自动化信息采集，其它无法利用传感器监测的项目，可通过PDA进行现场施工信息实时采集。

（3）目前市面上已有嵌入ZigBee无线收发模块的PDA，工程实际应用过程中根据具体情况加以选择即可。

（4）要实现对人员及机械移动目标的实时监控信息采集，须在移动目标上安装带ZigBee无线收发模块的移动终端。为了尽量减小定位过程中由于物体遮挡造成的精度损失，将移动终端尽量安装在移动目标的最高点，施工人员设置在安全帽顶部，施工机械设置在驾驶室顶部。同时在移动终端顶部配备360°全向天线，增强信号收发功能。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定 。

Claims (8)

1.一个适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统，其特征在于由包括一个数据信息采集与无线传输平台和五个主要的子系统，分别是：

（1）基于物联网的施工信息采集平台，用于实现地下洞室群施工进度控制、质量控制与洞室安全控制的海量施工信息的实时无线采集及施工信息与网络数据库的实时、交互式传输，达到施工全过程数字化监控的目的，该平台包括地下洞室群安全监测信息采集平台模块、施工人员及机械实时监控信息采集平台模块和现场施工信息采集平台模块；

安全监测信息采集平台模块：用于地下洞室各安全监测全自动化信息采集，实现监测数据的实时无线采集与传输，最大限度的排除人为因素的干涉，保证地下洞室群施工专家信息系统对数据的实时性、准确性的要求；

施工人员及机械实时监控信息采集平台模块：用于施工现场人员的各种分类统计，并显示现场施工人员及机械的当前实际位置分布，为决策者进行实时调度提供依据；

现场施工信息采集平台模块：具体分为现场施工进度信息实时采集、现场突发状况信息采集、现场与总控中心实时通讯平台三个模块；现场施工进度信息实时采集模块用于采集工程量信息、施工材料用量信息、施工资源及参数信息，为业主方实时进行工程造价控制、资金管理控制、风险控制工作提供基础性的数据支持；现场突发状况信息采集模块用于对突发不良地质状况实时采集，为决策者能够全局掌控总体工程的突发状况，进而为突发状况数据挖掘及各专家系统功能提供实时的数据支持；现场与总控中心实时通讯平台模块用于总控中心对施工现场状态全面把握、控制与及时的指挥、调度提供基础保障，提高突发事故应急处理与工作效率；

（2）信息收集与处理子系统，用于监测信息收集和监测信息处理，包括监测信息前处理与后处理；该系统包括安全监测信息分析评估预测系统及监测数据库管理分析系统；

安全监测信息分析评估预测系统：用于准确、直观地展现地下厂房所处三维地质结构和其内部各洞室、管线的三维实体模型，查询监测设备的相关属性和对应的监测数据及其生成的变化曲线，并方便查询特定目标测杆的监测情况以分析所在部位岩体的变形趋势；

监测数据库管理分析系统：基于位移监测数据，生成围岩变形位移时间曲线、位移速率曲线、位移加速率曲线以及孔深位移曲线，以此分析洞室开挖过程中围岩变形的规律和洞室的稳定性；

（3）施工进度可视化与实时控制子系统，用于工程开工后帮助工程管理人员和施工指挥者进行日常进度控制和施工决策，通过人机交互的方式提供辅助决策信息和下达计划的方案，帮助决策者合理选择计划方案，正确指挥施工生产，减少实际偏差，进而达到进度目标要求，完成全部施工任务；该系统包括计划施工进度分析模块、施工实时可视化仿真模块、施工进度实时调整控制模块及数据管理模块；

计划施工进度分析模块：用于工序信息的录入及时间参数的计算，基于遗传算法的地下洞室群施工资源均衡优化方法获得优化后的施工进度计划，并将优化后的施工进度计划数据通过PSD模型进行可视化；

施工实时可视化仿真模块：用于施工开工后进行实际动态施工条件下施工过程的仿真计算，并进行计算结果的实时可视化；

施工进度实时调整控制模块：用于反馈数据的录入处理和后期进度的预测，提供偏差影响指标的数据，智能给出工序调整建议，供决策者根据工程的具体情况和经验来决策调整工作顺序和方案，并可进行调整后施工进度的可视化展示，辅助现场进度控制人员制订出后期进度计划；

数据管理模块：用于为用户提供方便安全的系统数据的操作界面，及数据编辑及查询功能；

（4）施工实时仿真与反馈子系统，实时模拟施工面貌下的洞室安全，从施工进度与安全两个角度综合评价、预测现有的施工方案对洞室整体安全及总工期的影响，当发生突发不良地质时能够快速给出处理措施，指导工程现场施工；该系统包括计划施工安全状况查询模块、响应施工现场实时仿真请求模块、洞室围岩力学参数实时智能反演分析模块、洞室围岩地应力实时智能反演分析模块、洞室围岩安全性实时预测与预测结果评价模块、基于实时安全仿真的施工支护措施与进度互馈分析模块、突发不良地质处理措施专家建议模块及洞室施工过程结构场动态可视化模块；

计划施工安全状况查询模块：针对计划开挖方案，利用数值仿真技术进行洞室围岩安全性仿真，系统提供仿真分析结果的查询功能；

响应施工现场实时仿真请求模块：用于实时响应来自施工现场的洞室安全性仿真分析请求，对现场仿真请求进行处理，并返回仿真结果，施工现场仿真请求提交者利用智能终端设备对仿真结果实时查询，实现洞室围岩安全性实时仿真功能；

洞室围岩力学参数实时智能反演分析模块：用于为围岩安全性实时仿真分析提供最符合实际条件的力学参数；

洞室围岩地应力实时智能反演分析模块：用于为围岩安全性实时仿真分析提供最符合实际条件的初始地应力；

洞室围岩安全性实时预测与预测结果评价模块：用于当开挖方案或支护措施发生调整时对后续施工过程围岩安全性进行预测，根据对预测结果的评价判断调整后的开挖方案或支护措施是否合理；

基于实时安全仿真的施工支护措施与进度互馈分析模块：利用基于循环网络和网络计划实时仿真的施工进度预测方法来量化处理措施对施工进度的反馈，结合支护措施数值仿真分析结果评价处理措施方案的可行性；

突发不良地质处理措施专家建议模块：针对施工现场反馈的突发不良地质情况，采用神经网络专家系统给出建议性处理措施，经过处理措施的安全仿真与评价功能以评判专家建议措施的有效性；

洞室施工过程结构场动态可视化模块：用于对施工过程进行结构数值仿真，得到结构场的变化过程，再利用直观的表达方法将其动态可视化；

（5）预警预报与决策支持子系统，用于实现在特大地下洞室群施工过程中，依据现场监测、反馈分析及超前预测，及时预警预报施工安全风险，继而结合系统内置知识库，为综合决策提供系统支持，以指导后续施工活动；该系统包括变形监测模块、安全分析模块、安全预警模块及应急预案模块；

监测数据管理模块：用于监测方案配置管理，并对每日的监测数据进行录入维护、查看时程曲线；

安全分析模块：基于变形监测数据，通过统计分析方法和数值分析方法进行洞室变形的预测；

安全预警模块：用于选取合适的决策方法，判断洞室围岩的稳定性，对于不稳定或可能坍塌岩体，发出预警信号；

应急预案模块：对不同的破坏机理、破坏模式分别进行分类梳理，搜集对应的应急组织管理、应急物资储备、应急工程措施可供检索与查阅；

（6）基于B/S架构的特大地下洞室群施工现场信息管理系统，用于实现对地下洞室群施工现场信息进行随时随地管理；无论工程管理人员身处何地，只要能联网就都可以在任何时候采用任何智能终端设备方便的对施工现场信息进行管理，并可实时的与现场施工人员及总控平台交流，对提高施工质量和效率起到关键性作用；包括施工进度查询模块、现场施工信息实时录入模块、设计方案安全状况查询模块、突发不良地质信息上传及实时仿真请求的提交模块、结构安全实时仿真结果查询模块及现场实时通信模块；

施工进度查询模块：用于工程管理人员随时随地查询工程施工进度；

现场施工信息实时录入模块：用于现场施工人员将现场施工进度信息及资源使用情况上传到中心数据库服务器，便于控制中心实时掌握施工状态；

设计方案安全状况查询模块：用于对设计方案下任意开挖阶段任意洞室断面安全状况进行查询，方便施工安全管理；

突发不良地质信息上传及实时仿真请求的提交模块：用于实现在现场施工过程中突遇不良地质的情况下，及时将相关信息上传，并根据实际需要提交请求，对不良地质进行实时仿真分析；

结构安全实时仿真结果查询模块：用于对结构安全性实时仿真结果进行查询；

现场实时通信模块：用于实现工作面与总控制中心间的实时通信，保证交流畅通，实时交换信息，并可将施工过程中突发事故信息上传至中心数据库。

2.根据权利要求1所述的适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统，其特征在于基于物联网的施工信息采集平台是依据PDA进行现场施工信息实时采集，采用基于链状结构和网状结构相结合的地下洞室群ZigBee无线传输模块布设结构进行施工人员及机械的实时定位监控。

3.根据权利要求1所述的适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统，其特征在于所述的安全监测信息分析评估预测系统包括以TIN为基础的地质模型及地下洞室群及监测模型、位移与应力分布色图绘制两大部分。

4.根据权利要求1所述的适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统，其特征在于施工进度可视化与实时控制子系统对地下洞室群计划施工进度进行分析，并进行计算结果的实时可视化，且基于物联网实时监测获得的施工现场反馈数据，更新实时工序信息，建立后期施工进度预测模型和实时调整控制施工进度。

5.根据权利要求1所述的适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统，其特征在于所述的洞室围岩安全性实时预测与预测结果评价模块通过建立实际施工状态与三维全尺度数值模型模拟状态之间的实时动态映射关系，结合并行计算方法，实现对地下洞室群施工过程的结构安全与进度耦合实时仿真。

6.根据权利要求1所述的适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统，其特征在于预警预报与决策支持子系统基于实时监测的围岩变形数据对围岩稳定性进行分析和预测；同时，基于安全分析的分析预判做出分级安全预警，并提供现场应急预案。

7.根据权利要求1所述的适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统，其特征在于基于B/S架构的特大地下洞室群施工现场信息管理系统包括帮助施工管理人员通过智能终端设备与系统数据库服务器建立连接，方便对施工现场进度信息、结构安全状况进行查看，对现场施工信息和突发不良地质信息进行实时上传，并能够与总控中心进行实时通信，发送实时仿真请求。

8.权利要求1所述的适用于特大地下洞室群的施工专家信息系统的实现方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤（1），建立以TIN为基础的地质模型及地下厂房模型、监测模型，监测数据入库和模型结合分析，通过围岩内布置监测仪器获取的监测数据，绘制围岩内位移分布与钢筋计应力分布云图，在监测断面图上绘制多点位移计、锚杆应力计测值分布图，实现由图形到属性、数据的可视化关联，并绘制时间过程曲线及分布曲线，叠加显示不同环境量曲线；

步骤（2），对数据库的数据录入、修改、更新及检索进行管理，对监测数据进行前处理，并对工程三维模型进行可视化显示，同时展示监测断面整体动态图；

步骤（3），录入工序信息，计算时间参数，并对资源均衡优化，计划进度可视化，并对施工实施可视化仿真，对反馈数据进行录入处理，预测后期进度，进行偏差比较分析，对进度计划进行调整，同时对数据进行管理；

步骤（4），查询计划施工安全状况，响应施工现场实时仿真请求，对洞室围岩地应力场及力学参数实时智能反演分析，评价洞室围岩安全性实时预测与预测结果，并基于实时安全仿真的施工支护措施与进度互馈分析，针对突发不良地质处理措施提出专家建议，实现洞室施工过程结构场动态可视化；

步骤（5），管理监测数据，对监测数据进行分析，进而实现监测预警及应急预案的组织管理；

步骤（6），随时随地查询施工进度，并对现场施工信息实时录入，进行设计方案安全状况查询，提交突发不良地质信息上传及实时仿真请求，查询结构安全实时仿真结果，并进行现场实时通讯。