CN104616433A - 用于基坑工程的实时监测与预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于基坑工程的实时监测与预警系统，该系统包括：云端服务器；现场监测数据采集子系统，用于实时对施工现场多个监测点进行监测以获取监测数据，并将监测数据上传至云端服务器；数字基坑信息分析与管理子系统，用于对监测数据进行预测以生成预测数据，并当预测数据超出预设警戒值时，生成预警信息，以及将预警信息上传至云端服务器；预警及信息发布子系统，用于根据预警信息对工作人员进行提醒。该系统实现了监测数据的自动采集与传输，并根据监测数据进行预测以生成预测数据，以及在预测数据超出预设警戒值时生成预警信息，并根据预警信息对工作人员进行提醒，从而大大提高了现场信息的管理、预测与预警自动化与智慧化水平。

Description

用于基坑工程的实时监测与预警系统

技术领域

本发明涉及基坑工程技术领域，尤其涉及一种用于基坑工程的实时监测与预警系统。

背景技术

随着现代城市地下空间开发的不断发展，地下工程呈向深、大趋势发展，且受周边环境条件的影响，对地下工程施工变形控制要求也越来越严格。由于城市地下工程开挖而引起的次生灾害事故屡见不鲜，基于先进的计算机信息技术建立实现基坑工程的智慧化监测与预警将成为必然。传统的城市基坑施工过程中，勘察、设计、施工、监测及科研咨询通常分别属于不同的部门(或单位)，往往造成部门间(或单位间)的信息沟通不及时，使得决策滞后而延误应急抢险或最终酿成事故。

目前虽然有较多针对基坑工程及其它城市地下工程的监测与预警信息平台，但是尚存在众多不足：1)大都是采用现场定时数据采集，录入数据信息管理系统，无法实现实时采集，而且网路平台功能不完善；2)监测数据多为单项式采集与分析，监测内容难有机整合；3)无法将勘察、设计、施工、监测及科研咨询等信息集成而实现链式数据系统；4)信息分析及预测预警自动化程度不高，不能实现真正的智慧化决策系统；5)信息发布方面，仅局限于部分人，而不是针对参与现场存在潜在危险的人群。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种用于基坑工程的实时监测与预警系统，该系统实现了监测数据的自动采集与传输，并根据监测数据进行预测以生成预测数据，以及在预测数据超出预设警戒值时生成预警信息，并根据预警信息对工作人员进行提醒，从而大大提高了现场信息的管理、预测与预警自动化与智慧化水平，同时也为其它类似大型工程的施工过程中的安全监测与管理提供了新的借鉴和技术支持。

为了实现上述目的，本发明实施例的用于基坑工程的实时监测与预警系统，包括：云端服务器；现场监测数据采集子系统，用于实时对施工现场多个监测点进行监测以获取监测数据，并将所述监测数据上传至所述云端服务器；数字基坑信息分析与管理子系统，用于对所述云端服务器发送的所述监测数据进行预测以生成预测数据，并当所述预测数据超出预设警戒值时，生成预警信息，以及将所述预警信息上传至所述云端服务器；预警及信息发布子系统，用于根据所述云端服务器发送的所述预警信息对工作人员进行提醒。

根据本发明实施例的用于基坑工程的实时监测与预警系统，可应用在大型城市基坑工程施工过程中，通过现场监测数据采集子系统实现监测数据的自动采集与传输，通过数字基坑信息分析与管理子系统实现勘察信息、设计信息、施工信息及实时监测数据存储入数据库，并根据监测数据进行预测，同时实现信息的三维可视化动态查询与管理，通过预警及信息发布子系统实现监测信息的预警及实时发布，该系统为城市大型基坑工程安全施工管理提供了一种新的信息化平台建立方式，大大提高了现场信息的管理、预测与预警自动化与智慧化水平，从而也为其它类似大型工程的施工过程中的安全监测与管理提供了新的借鉴和技术支持。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的用于基坑工程的实时监测与预警系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的现场监测数据采集子系统20的结构示意图；

图3是根据本发明一个具体实施例的用于基坑工程的实时监测与预警系统的示意图；

图4是根据本发明一个具体实施例的视频采集部件的示意图；

图5是根据本发明一个实施例的数字基坑信息分析与管理子系统的组构功能示意图；

图6是根据本发明一个具体实施例的监测设备安装流程图；

图7是根据本发明一个具体实施例的监测视频图像采集设备安装流程图；

图8是根据本发明一个具体实施例的用于基坑工程的实时监测与预警系统的较佳实施例的流程图；

图9是根据本发明一个实施例的滚动预测的原理示意图；

图10根据本发明一个实施例的数据库构架的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的用于基坑工程的实时监测与预警系统。

图1是根据本发明一个实施例的用于基坑工程的实时监测与预警系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例的用于基坑工程的实时监测与预警系统，包括：云端服务器10、现场监测数据采集子系统20、数字基坑信息分析与管理子系统30和预警及信息发布子系统40。

其中，现场监测数据采集子系统20、数字基坑信息分析与管理子系统30和预警及信息发布子系统40之间通过云端服务器10实现信息的传输与共享。

现场监测数据采集子系统20用于实时对施工现场多个监测点进行监测以获取监测数据，并将监测数据上传至云端服务器10；数字基坑信息分析与管理子系统30用于对云端服务器10发送的监测数据进行预测以生成预测数据，并当预测数据超出预设警戒值时，生成预警信息，以及将预警信息上传至云端服务器10；预警及信息发布子系统40用于根据云端服务器10发送的预警信息对工作人员进行提醒。

在本发明的一个实施例中，监测数据包括形变信息、应力信息和图像信息中的一种或多种。

例如，形变信息为：围护结构形变、支撑体系形变、周边建构筑物形变、坑周土体形变、地表沉降、坑周压力管线设施等，应力信息为：围护结构内力、支撑结构轴力、坑侧水压力、坑侧土压力等，图像信息为：维护结构典型位置实时图像、坑周地表重要地段实时图像、周边重要结构物实时图像等。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，现场监测数据采集子系统20具体包括：监测装置201、无线发射装置202和控制装置203。

监测装置201用于实时对施工现场多个监测点进行监测并生成监测数据；无线发射装置202；控制装置203用于获取监测数据，并通过无线发射装置202将监测数据上传至云端服务器10。

具体地，如图3所示，监测装置201包括数据采集传感器23和高清相机24，其中，根据监测对象的不同，数据采集传感器23的类型也不同，图3中的形变采集部件25主要是用于采集与支撑围护结构、周围土体及周围建筑物形变相关的监测数据采集传感器及设备部件；应力采集部件26主要是用于采集支撑围护结构、支撑体系、周围水土等内的力(或应力)数据采集传感器及设备部件，用于获取形变信息及应力信息；视频采集部件27主要是由用于获取监测对象241的高清相机组及粘贴于监测对象241上的标志点242构成，用于获取监测对象241的图像信息。

其中，根据工程的需求，选择适合(通视条件好便于采集图像)视频图像获取的监测对象241，通过多个高清相机24构成的相机组合，每隔一定的时间间隔拍摄贴有标示点242的监测对象241。监测对象241可以是基坑周边建构筑物(如，楼房、桥梁、结构等)、基坑围护结构(如，地连墙、支撑结构等)、基坑周边道路或压力管线等。标示点242的颜色需要与监测对象241对比明显，形状可以是方形或圆形，大小可根据监测精度、相机分辨率等确定。标示点242的数量及排列方式根据所需监测对象241的形态、监测精度及粘贴的方便性等需求设定。高清相机24安放根据标示点242的分布、通视条件等来确定，并安放在相对固定的位置，同时确保每个标示点242至少同时能有两个相机获得图像。

在本发明的一个实施例中，数字基坑信息分析与管理子系统30还用于：存储基坑工程的工程信息，并对工程信息、监测数据和预测数据进行三维可视化处理以供查询，其中，工程信息包括勘察信息、设计信息和施工信息中的一种或多种。

具体地，数字基坑信息分析与管理子系统30基于数据库技术实现工程区勘察信息、设计信息、施工信息、监测数据和预测数据的存储和管理，并基于三维可视化技术，实现上述信息的三维可视化展示与查询。

在本发明的一个实施例中，数字基坑信息分析与管理子系统30具体包括：数据库301和信息分析与管理装置302。其中，如图3所示，数字基坑信息分析与管理子系统30应用于计算机装置中，计算机装置由计算机工作站33(包含显示设备、数据存储服务器、输入设备等)构成。信息分析与管理装置302包括：工程信息模块34、无线通信模块35、监测信息模块36、可视化模块37、预测分析模块38和预警级别模块39。

工程信息模块34用于将基坑工程的工程信息录入到数据库301。

监测信息模块36用于将监测数据录入到数据库301。

预测分析模块38用于对监测数据进行预测以生成预测数据。

预警级别模块39用于当预测数据超出预设警戒值时，生成预警信息。

可视化模块37用于对工程信息、监测数据和预测数据进行三维可视化处理以供查询。

无线通信模块35用于接收云端服务器10发送的监测数据，并将预警信息上传至云端服务器10。

在本发明的一个实施例中，其中，预设警戒值为多个，不同的预设警戒值均对应不同的危险等级，预警级别模块39还用于将危险等级对应的监测点信息反馈至数据库301。

具体地，如图5所示，数字基坑信息分析与管理系统数据库(即数据库301)用于实现数据存储与管理。工程信息模块34主要用于实现与工程相关的信息管理，如录入或导入工程区的勘察信息341、工程的设计信息342及工程施工信息343，并将信息存入数据库301中；监测信息模块36主要用于实现监测数据的信息管理，如监测点位置361、监测类型362及监测数据363，并将信息存入到数据库301中；预测分析模块38主要是基于预测模型381，根据数据库301中存储的现场监测数据，对未来(一般为5天内)发展趋势进行预测，并将预测结果(即预测数据)返回存储到数据库301中；预警级别模块39，则主要根据数据库301中存储的监测数据及预测数据，利用所对应的预警指标391(即预设警戒值)对监测结果进行分级预警，并把处于警戒状态的监测点相关信息返回数据库301，用于预警信息发布与查询。可视化模块37，主要是从数据库301中获取信息，并实现工程信息三维可视化查询371、监测数据可视化查询372、预测预警信息可视化查询373及分析成果报表查询与输出374等功能。

在本发明的一个实施例中，预警及信息发布子系统40还用于向工作人员提示危险等级。

在本发明的一个实施例中，其中，预警及信息发布子系统40具体用于通过短信、邮件、广播和显示屏显示方式中的一种或多种对工作人员进行提醒。

具体地，如图3所示，预警及信息发布系统40主要由现场显示部件46和现场广播部件47构成。其中，现场显示部件46的种类可以有多个，例如，可以是手机43，也可以是可接收短信或邮件的计算机、平板电脑等、或者是大屏幕显示屏44等，现场广播部件47可以是扩音器45，也可以是其它音响设备。

更具体地，例如，预警及信息发布系统40采用红、橙、黄三级预警指标(即三个危险等级)，基于现场的监测数据及预测数据，对存在潜在危险的信息实现自动、实时预警，预警信息一方面可以通过手机43短信的方式直接发送给现场负责人员，另一方面可以通过竖立在现场的显示屏44直接发布给现场工作人员及周边活动人群，对于紧急情况还可以采用现场警报的方式进行发布，例如通过扩音器45发出警报声音。

图6是本发明一个实施例的监测设备(即监测装置201)安装流程图。根据不同的需求，该流程图中步骤的顺序可以改变，某些步骤可以省略。

步骤S20，根据基坑工程的实际情况及所要监测的内容布设监测点的位置。

步骤S21，根据每个监测设备类型及所对应布设的监测点位置，安装、固定相应的监测设备装置。

步骤S22，根据现场各监测设备的布置情况及网络运行状态，选择合适的网络连接11、云端服务器10，并布设信号发射台12，调试并完成现场监测数据的采集、传输设备安装及网络传输。

图7所示是本发明一个典型的监测视频图像采集设备安装流程图。根据不同的需求，该流程图中步骤的顺序可以改变，某些步骤可以省略。

步骤S30，根据基坑工程环境及周围重要建构筑物的分布情况，选择视频监测对象241。

步骤S31，根据所视频监测对象241的形态特征，布设并固定标示点242阵列。

步骤S32，根据监测对象241的位置、标示点242的排布等安装并固定高清相机24组，确保每个标示点242至少有两台高清相机24同时能捕捉到相应图像。

步骤S33，分阶段捕获图像信息(可间隔2小时或更长，具体根据需要来定)，并将数据通过网络发送至云端服务器10，供后续分析所用。

如图8所示，是本发明的用于基坑工程的实时监测与预警系统的较佳实施例的流程图。根据不同的需求，该流程图中步骤的顺序可以改变，某些步骤可以省略。

步骤S10，根据基坑工程实际情况选择所要监测的内容(如，形变监测对象、应力监测对象及视频监测对象或部位等)及监测设备类型，据此布设并安装形变监测部件25、应力监测部件26及视频监测部件27，并根据场地的网络情况选择和布设相应信号发射台12。

步骤S11，数字基坑信息分析与管理子系统30通过信号接收台13接收来自云端服务器10的现场实时监测数据，并将其存储到数据库301中。

步骤S12，数字基坑信息分析与管理子系统30需要对刚存入数据库301的监测数据进行合理性检查。一方面，判断是否有骤然增大(减小)的数据，这样的数据被初判为异常监测数据；另一方面，如果有设备在规定时间段内未接收到相应监测数据，则同样初判为监测数据异常，对于初步判断出现异常的监测数据(或设备)，预警及信息发布子系统40自动将警示信息以短信、邮件及现象显示屏的方式通知相关人员，以对设备及数据的合理性进行检查，并排除错误。

步骤13，数字基坑信息分析与管理子系统30根据数据库301中实时存储的图像信息采用三维视觉技术实现监测对象的三维变形分析。也就是基于三维视觉技术得到监测对象24上每个标识点242在某时刻的空间坐标，并将其与初始监测时刻所对应的空间坐标比较，即可得到该时刻监测点242的空间位移情况，并将其存储到数据库301中。

步骤14，数字基坑信息分析与管理子系统30根据检测数据采用神经网络预测技术预测近5天的发展趋势。

其中，根据每个测点的实时监测数据，基于人工神经网络(ANN)的预测方法，对监测数据未来(一般是未来5天内)的发展趋进行预测。考虑到监测点临近的施工过程会对其监测值的发展影响较大，在构建人工神经网络预测模型时应尽可能将施工信息(如，开挖深度、开挖步骤等)引入作为预测的主要输入参数。

在本发明的一个实施例中，预测分析模块38具体用于通过人工神经网络对监测数据进行预测以生成预测数据，其中，预测分析模块38根据第1至第n天的监测数据进行预测以生成预测期第1天的预测数据，并根据第2至第n天的监测数据和预测期第1天的预测数据生成预测期第2天的预测数据，直至得到预测期第N天的预测数据，其中，n和N均为大于1的自然数。

具体地，本实施例中，实现软件代码的固定封装，同时满足用户对不同预测周期的需求，并综合考虑网络结构复杂程度、预测效率及泛化能力，具体预测实现方式上采用滚动预测(图9)方式，此时无论预测天数为多少，神经网络结构均以多对一的输入输出关系进行预测，网络结构固定。

更具体地，如图9所示是一个典型滚动预测流程示意图。具体实现过程为在训练样本和预测输入序列中加入预测期第一天的预测值，同时去掉样本和输入序列最早的实测值，以此进行下一天预测，这样做对于网络的简化，效率提高均有帮助，但可能产生累积误差，不过预测期较短时(例如，N＝5)，影响较小。

步骤15，根据数据库301中用户设定的各种监测项目的预警指标391判断标准，对实时监测数据及未来短期的预测数据进行预警分析。

步骤16，如果监测数据或预测数据位于某一警戒值范围内，数字基坑信息分析与管理子系统30则通过网络向预警及信息发布子系统40发出预警信息，并将预警信息存储到数据库301中进行备份。

步骤17，预警及信息发布子系统40通过短信、邮件及现场显示屏等方式向相关人员发出预警信息或监测数据异常的信息。

具体地，预警及信息发布子系统40根据数字基坑信息分析与管理子系统30通过网络11传来的预警信息，向对应标段负责人员、现场工作人员发送手机短信及邮件，并通过现场显示屏将预警信息显示(有必要的紧急情况，可配合通过现场广播发送)通知现场相关工作及附近人员，确保工程、周围建筑及人员安全。

本发明实施例的用于基坑工程的实时监测与预警系统，可应用在大型城市基坑工程施工过程中，通过现场监测数据采集子系统实现监测数据的自动采集与传输，通过数字基坑信息分析与管理子系统实现勘察信息、设计信息、施工信息及实时监测数据存储入数据库，并根据监测数据进行预测，同时实现信息的三维可视化动态查询与管理，通过预警及信息发布子系统实现监测信息的预警及实时发布，该系统为城市大型基坑工程安全施工管理提供了一种新的信息化平台建立方式，大大提高了现场信息的管理、预测与预警自动化与智慧化水平，从而也为其它类似大型工程的施工过程中的安全监测与管理提供了新的借鉴和技术支持。

另外，图10所示为本发明实施例的数字基坑信息分析与管理系统数据库(即数据库301)的构架示意图，主要包括工程信息模块数据信息、监测信息模块数据信息及预警分析模块数据信息三大类。工程信息模块数据信息，主要是存储工程总的信息概括描述(工程信息表，见表1)、工程区的勘察信息341(勘查信息表，见表2；地层信息表，见表3)、设计信息342(标段信息表，见表4；结构信息表，见表5)及施工信息343(施工过程开挖信息表，见表6)。监测信息模块数据信息，主要是存储测点信息(测点信息表，见表7)、监测数据信息(测点监测数据信息表，见表8；图像监测数据信息表，见表9)。预警分析模块数据信息，主要是存储预警指标(预警指标表，见表10)及处于警戒状态的预警信息(预警信息表，见表11)。其中，表1至表11如下面所示。

表1

表2

表3

表4

表5

表6

表7

表8

表9

表10

表11

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种用于基坑工程的实时监测与预警系统，其特征在于，包括：

云端服务器；

现场监测数据采集子系统，用于实时对施工现场多个监测点进行监测以获取监测数据，并将所述监测数据上传至所述云端服务器；

数字基坑信息分析与管理子系统，用于对所述云端服务器发送的所述监测数据进行预测以生成预测数据，并当所述预测数据超出预设警戒值时，生成预警信息，以及将所述预警信息上传至所述云端服务器；

预警及信息发布子系统，用于根据所述云端服务器发送的所述预警信息对工作人员进行提醒。

2.如权利要求1所述的用于基坑工程的实时监测与预警系统，其特征在于，其中，所述监测数据包括形变信息、应力信息和图像信息中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的用于基坑工程的实时监测与预警系统，其特征在于，所述现场监测数据采集子系统，具体包括：

监测装置，用于实时对所述施工现场多个监测点进行监测并生成所述监测数据；

无线发射装置；

控制装置，用于获取所述监测数据，并通过所述无线发射装置将所述监测数据上传至所述云端服务器。

4.如权利要求1所述的用于基坑工程的实时监测与预警系统，其特征在于，所述数字基坑信息分析与管理子系统，还用于：

存储所述基坑工程的工程信息，并对所述工程信息、所述监测数据和所述预测数据进行三维可视化处理以供查询，其中，所述工程信息包括勘察信息、设计信息和施工信息中的一种或多种。

5.如权利要求4所述的用于基坑工程的实时监测与预警系统，其特征在于，所述数字基坑信息分析与管理子系统，具体包括：

数据库；

信息分析与管理装置，所述信息分析与管理装置包括：

工程信息模块，用于将所述基坑工程的工程信息录入到所述数据库；

监测信息模块，用于将所述监测数据录入到所述数据库；

预测分析模块，用于对所述监测数据进行预测以生成所述预测数据；

预警级别模块，用于当所述预测数据超出预设警戒值时，生成预警信息；

可视化模块，用于对所述工程信息、所述监测数据和所述预测数据进行三维可视化处理以供查询；

无线通信模块，用于接收所述云端服务器发送的所述监测数据，并将所述预警信息上传至所述云端服务器。

6.如权利要求5所述的用于基坑工程的实时监测与预警系统，其特征在于，所述预测分析模块，具体用于通过人工神经网络对所述监测数据进行预测以生成所述预测数据，其中，所述预测分析模块根据第1至第n天的监测数据进行预测以生成预测期第1天的预测数据，并根据第2至第n天的监测数据和所述预测期第1天的预测数据生成所述预测期第2天的预测数据，直至得到所述预测期第N天的预测数据，其中，n和N均为大于1的自然数。

7.如权利要求5所述的用于基坑工程的实时监测与预警系统，其特征在于，其中，所述预设警戒值为多个，不同的预设警戒值均对应不同的危险等级，所述预警级别模块，还用于将所述危险等级对应的监测点信息反馈至所述数据库。

8.如权利要求5所述的用于基坑工程的实时监测与预警系统，其特征在于，所述预警及信息发布子系统，还用于向所述工作人员提示所述危险等级。

9.如权利要求1所述的用于基坑工程的实时监测与预警系统，其特征在于，其中，所述预警及信息发布子系统，具体用于通过短信、邮件、广播和显示屏显示方式中的一种或多种对所述工作人员进行提醒。