CN109040999A - 建筑深基坑智能监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了建筑深基坑智能监测装置，该系统包括深基坑监测模块和设置于深基坑监测区域的数据处理模块；深基坑监测模块被配置为对深基坑区域地层地质、水文实时进行数据采集，深基坑监测模块包括由汇聚节点和多个部署于该深基坑监测区域内的传感器节点构建的无线传感器网络，传感器节点采集所在监测位置的深基坑环境数据，汇聚节点主要被配置为汇聚各传感器节点采集的深基坑环境数据，并发送至所述数据处理模块进行存储和显示。

Description

建筑深基坑智能监测装置

技术领域

本发明涉及土建工程技术领域，具体涉及建筑深基坑智能监测装置。

背景技术

随着城市建设的快速房展，地铁、超高层建筑和高铁工程车站等深基坑施工项目越来越多。深基坑在开挖过程中，会引起支护结构内力和位移以及深基坑内外土体的变形，这不仅危及深基坑本身，而且还会危及周边建筑物，容易引发重大事故，造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此开发深基坑变形稳定性的监测系统具有十分重要的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提供建筑深基坑智能监测装置。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了建筑深基坑智能监测装置，该系统包括深基坑监测模块和设置于深基坑监测区域的数据处理模块；深基坑监测模块被配置为对深基坑区域地层地质、水文实时进行数据采集，深基坑监测模块包括由汇聚节点和多个部署于该深基坑监测区域内的传感器节点构建的无线传感器网络，传感器节点采集所在监测位置的深基坑环境数据，汇聚节点主要被配置为汇聚各传感器节点采集的深基坑环境数据，并发送至所述数据处理模块进行存储和显示。

在一种实施方式中，所述深基坑环境数据包括深基坑围护桩水平位移数据、围护桩顶部沉降数据、深基坑地下水位数据、深基坑周围地表沉降数据和深基坑地下岩土物性数据。

在一种实施方式中，所述数据处理模块包括被配置为存储各传感器节点采集的深基坑环境数据的存储单元，以及被配置为显示各传感器节点采集的深基坑环境数据的可视化单元。

进一步地，所述数据处理模块还包括分析预警单元，被配置为对深基坑环境数据进行分析，在深基坑环境数据不符合设定的阈值条件时输出报警信息。

本发明的有益效果为：利用无线传感器网络技术实现了对建筑深基坑的无线监测以及预警，无需布线，具备监测点布置灵活、数据实时显示、监测准确性好的优点。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明一个示例性实施例的建筑深基坑智能监测装置的结构示意框图；

图2是本发明一个示例性实施例的数据处理模块的结构示意框图。

附图标记：

深基坑监测模块1、数据处理模块2、存储单元10、可视化单元20、分析预警单元30。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本发明实施例提供了建筑深基坑智能监测装置，该系统包括深基坑监测模块1和设置于深基坑监测区域的数据处理模块2；深基坑监测模块1被配置为对深基坑区域地层地质、水文实时进行数据采集，深基坑监测模块1包括由汇聚节点和多个部署于该深基坑监测区域内的传感器节点构建的无线传感器网络，传感器节点采集所在监测位置的深基坑环境数据，汇聚节点主要被配置为汇聚各传感器节点采集的深基坑环境数据，并发送至所述数据处理模块2进行存储和显示。

在一种实施方式中，所述深基坑环境数据包括深基坑围护桩水平位移数据、围护桩顶部沉降数据、深基坑地下水位数据、深基坑周围地表沉降数据和深基坑地下岩土物性数据。

在一种实施方式中，如图2所示，所述数据处理模块2包括被配置为存储各传感器节点采集的深基坑环境数据的存储单元10，以及被配置为显示各传感器节点采集的深基坑环境数据的可视化单元20。

进一步地，所述数据处理模块2还包括分析预警单元30，被配置为对深基坑环境数据进行分析，在深基坑环境数据不符合设定的阈值条件时输出报警信息。其中阈值条件的设定，可以根据实际情况进行设置。在一种实施方式中，可针对不同深基坑环境数据设置不同的标准阈值，当深基坑环境数据超出对应的标准阈值判定该深基坑环境数据为异常，进而输出报警信息。其中，该报警信息可包括异常的深基坑环境数据，和/或异常的深基坑环境数据产生的位置。

本发明上述实施例利用无线传感器网络技术实现了对建筑深基坑的无线监测以及预警，无需布线，具备监测点布置灵活、数据实时显示、监测准确性好的优点。

在一种能够实施的方式中，网络拓扑构建时从传感器节点中选取出簇头节点并进行分簇；簇头节点被配置为将簇内传感器节点采集的深基坑环境数据汇总并发送至汇聚节点；簇头与汇聚节点之间的距离未超过预设的第一距离阈值时，簇头直接与汇聚节点通信；簇头与汇聚节点之间的距离超过预设的第一距离阈值时，簇头通过多跳路由的方式将深基坑环境数据发送至汇聚节点；簇内各传感器节点若与簇头距离不超过设定的第二通信距离阈值，则直接与簇头通信；若与簇头距离超过设定的第二通信距离阈值，传感器节点在同簇内的邻居节点中选择一个邻居节点作为下一跳，具体包括：

(1)传感器节点在同簇内的邻居节点中筛选出备选通信节点，归入备选通信节点集合，其中设定筛选条件为：

V_ij>V_min,G_i,o>G_ij,o

式中，V_ij为传感器节点i同簇内的第j个邻居节点的当前剩余能量，V_min为预设的能量下限，G_i,o为传感器节点i到对应簇头的距离，G_ij,o为所述第j个邻居节点该对应簇头的距离；

(2)传感器节点计算其与各备选通信节点的通信连接概率，并在备选通信节点集合中选择通信连接概率最大的备选通信节点作为下一跳；其中，设U_ia为传感器节点i与其备选通信节点集合中第a个备选通信节点的通信连接概率，U_ia的计算公式为：

式中，W_i为传感器节点i的节点度数，W_ia为所述第a个备选通信节点的节点度数，W_ib为传感器节点i的备选通信节点集合中第b个备选通信节点的节点度数，V_ia为所述第a个备选通信节点的当前剩余能量，V_min为所述预设的能量下限，V_ia0为所述第a个备选通信节点的初始能量，e为自然对数的底。

其中，传感器节点i的邻居节点为位于传感器节点i通信范围内的其他传感器节点。

本实施例设定了传感器节点与簇头节点间的通信路由机制，该通信路由机制中，通过距离确定传感器节点是否与簇头节点直接通信，能够保障传感器节点采集的深基坑环境数据可靠稳定地发送至簇头节点。

本实施例设定了备选通信节点的筛选条件，使得与簇头距离超过设定的第二通信距离阈值时的传感器节点在选择下一跳时，能够避免选择距离簇头较远且能量不足的下一跳。

本实施例进一步创新性地设定了通信连接概率的计算公式，备选通信节点的通信连接概率越大，表示备选通信节点的能量越充足，且传感器节点将深基坑环境数据传输到备选通信节点时受到的其他邻居节点的干扰越小。本实施例中，传感器节点在备选通信节点集合中选择通信连接概率最大的备选通信节点作为下一跳，有益于提高传感器节点与其下一跳链路的可靠性，从而保障深基坑环境数据稳定传输。

在一个实施例中，根据LEACH协议从传感器节点中选取出簇头并分簇。

在另一个实施例中，对LEACH协议进行改进，根据改进的LEACH协议从传感器节点中选取出簇头并分簇，所述改进的LEACH协议具体包括：

(1)汇聚节点收集网络中各传感器节点i的节点度数W_i，根据各传感器节点的节点度数确定最大节点度数W_max、最小节点度数W_min，并计算节点度数总和Δ_W；

(2)按照下列公式计算传感器节点对应阈值：

式中，S_i表示传感器节点i对应阈值，7表示无线传感器网络中传感器节点个数，表示每轮中期望产生的簇头数，H_i＝1表示在本次轮中传感器节点i未当选过簇头，H_i＝0表示在本次轮中传感器节点i已当选过簇头，H_i在每经过轮时初始化为1；R为选举轮数，表示本次循环中选举轮数，表示本次循环中当选过簇头的传感器节点个数；

在每轮开始的簇的建立阶段，传感器节点产生一个介于0到1之间的随机数，如果传感器节点i产生的随机数小于S_i，则传感器节点i当选为临时簇头，否则为普通节点；

(3)对网络中传感器节点进行临时分簇，每个临时簇头会向全网广播自己成为簇头的广播信息，传感器节点选择距离自己最近的临时簇头发送加入信息；

(4)临时簇头将自己的节点度数与向其发送加入信息的一跳邻居节点的节点度数进行比较，若存在一跳邻居节点的节点度数大于所述自己的节点度数，临时簇头向该一跳邻居节点发送转让簇头信息，收到转让簇头信息的一跳邻居节点成为最终簇头；

(5)当最终簇头确定以后，在簇内发送一个广播告知所有传感器节点新簇头信息，传感器节点根据新簇头信息完成分簇，网络进入稳定的数据通信阶段；

(6)当数据通信阶段结束后，网络再进入一轮簇头选取、分簇和数据通信工作。

簇头数目过多将直接影响到深基坑环境数据收集的时间，使得深基坑环境数据收集时延增大。对此，本实施例改进了现有的LEACH协议，并基于改进的LEACH协议从传感器节点中选取出簇头并分簇。其中，通过在计算传感器节点对应阈值中考虑到节点度数因素，使得建簇时尽可能选择节点度数较大的传感器节点充当临时簇头；通过对随机选取的临时簇头进行调整，调整时将临时簇头与其一跳邻居节点的节点度数之间进行比较，选取节点度数最大的作为最终簇头，有利于尽可能地选择节点度数最大的传感器节点充当簇头，以便尽可能减少簇头数目，从而相对于现有的LEACH协议，能够有效降低深基坑环境数据收集时间，减少深基坑环境数据收集时延，从而提高建筑深基坑智能监测装置的运行效率。

在一个实施例中，簇头与汇聚节点之间的距离超过预设的第一距离阈值时，簇头将相对于自己距离汇聚节点更近的邻居簇头作为备选簇头，并归入备选簇头集合，簇头在自己的备选簇头集合中选择优选值最大的备选簇头作为下一跳：

式中，K_αβ表示簇头α的备选簇头集合中第β个备选簇头的优选值，U_αβ表示簇头α与所述第β个备选簇头的通信连接概率，Q_αβ(t)为在当前时刻t所述第β个备选簇头的缓存空间中的深基坑环境数据包队列长度，Q_αβ,0为所述第β个备选簇头的初始缓存大小；d₁、d₂为设定的权重系数。

本实施例基于剩余缓存空间和通信连接概率因素，创造性地设定了优选值的计算公式，并相应提出了簇头到汇聚节点的通信路由机制，该路由机制中，簇头与汇聚节点之间的距离超过预设的第一距离阈值时，簇头选择优选值最大的邻居簇头作为下一跳，有利于尽量平衡各簇头的负载，并进一步提高深基坑环境数据传输的可靠性，从而实现对建筑深基坑的可靠监测。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.建筑深基坑智能监测装置，其特征是，包括深基坑监测模块和设置于深基坑监测区域的数据处理模块；深基坑监测模块被配置为对深基坑区域地层地质、水文实时进行数据采集，深基坑监测模块包括由汇聚节点和多个部署于该深基坑监测区域内的传感器节点构建的无线传感器网络，传感器节点采集所在监测位置的深基坑环境数据，汇聚节点主要被配置为汇聚各传感器节点采集的深基坑环境数据，并发送至所述数据处理模块进行存储和显示。

2.根据权利要求1所述的建筑深基坑智能监测装置，其特征是，所述深基坑环境数据包括深基坑围护桩水平位移数据、围护桩顶部沉降数据、深基坑地下水位数据、深基坑周围地表沉降数据和深基坑地下岩土物性数据。

3.根据权利要求1所述的建筑深基坑智能监测装置，其特征是，所述数据处理模块包括被配置为存储各传感器节点采集的深基坑环境数据的存储单元，以及被配置为显示各传感器节点采集的深基坑环境数据的可视化单元。

4.根据权利要求3所述的建筑深基坑智能监测装置，其特征是，所述数据处理模块还包括分析预警单元，被配置为对深基坑环境数据进行分析，在深基坑环境数据不符合设定的阈值条件时输出报警信息。

5.根据权利要求1所述的建筑深基坑智能监测装置，其特征是，网络拓扑构建时从传感器节点中选取出簇头节点并进行分簇；簇头节点被配置为将簇内传感器节点采集的深基坑环境数据汇总并发送至汇聚节点；簇头与汇聚节点之间的距离未超过预设的第一距离阈值时，簇头直接与汇聚节点通信；簇头与汇聚节点之间的距离超过预设的第一距离阈值时，簇头通过多跳路由的方式将深基坑环境数据发送至汇聚节点；簇内各传感器节点若与簇头距离不超过设定的第二通信距离阈值，则直接与簇头通信；若与簇头距离超过设定的第二通信距离阈值，传感器节点在同簇内的邻居节点中选择一个邻居节点作为下一跳，具体包括：

(1)传感器节点在同簇内的邻居节点中筛选出备选通信节点，归入备选通信节点集合，其中设定筛选条件为：

V_ij＞V_min，G_i，o＞G_ij，o

式中，V_ij为传感器节点i同簇内的第j个邻居节点的当前剩余能量，V_min为预设的能量下限，G_i，o为传感器节点i到对应簇头的距离，G_ij，o为所述第j个邻居节点该对应簇头的距离；

(2)传感器节点计算其与各备选通信节点的通信连接概率，并在备选通信节点集合中选择通信连接概率最大的备选通信节点作为下一跳；其中，设U_ia为传感器节点i与其备选通信节点集合中第a个备选通信节点的通信连接概率，U_ia的计算公式为：

式中，W_i为传感器节点i的节点度数，W_ia为所述第a个备选通信节点的节点度数，W_ib为传感器节点i的备选通信节点集合中第b个备选通信节点的节点度数，V_ia为所述第a个备选通信节点的当前剩余能量，V_min为所述预设的能量下限，V_ia0为所述第a个备选通信节点的初始能量，e为自然对数的底。

6.根据权利要求5所述的建筑深基坑智能监测装置，其特征是，根据LEACH协议从传感器节点中选取出簇头并分簇。