CN109594591A - 一种地铁车站基坑的实时监测预警系统及其监测预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地铁车站基坑的实时监测预警系统及其监测预警方法，其监测预警系统包括设置在基坑中的现场传感器，所述现场传感器将采集到的基坑数据传输到前端数据采集模块、前端数据处理传输模块，所述前端数据处理传输模块将数据传输到数据处理中心、基坑监测预警管理平台，基坑监测预警管理平台与基坑BIM模型相连实现测量数据在模型中的对应映射；其监测预警方法，包括以下步骤：构建基坑开挖时变BIM模型、建立控制网、进行信息交互，实现BIM模型4D的实时可视化监测、基坑监测预警管理平台根据实测数据进行计算分析、进行施工过程模拟或预测分析。本发明通过BIM技术将基坑开挖、支护体系建设、施工设备的动态过程与基坑监测紧密联系形成整体。

Description

一种地铁车站基坑的实时监测预警系统及其监测预警方法

技术领域

本发明属于城市地铁车站地基开挖等相关深基坑施工工程技术领域，具体涉及一种地铁车站基坑的实时监测预警系统及其监测预警方法。

背景技术

当前，我国城市轨道交通规划建设进入蓬勃发展时期。地铁工程施工面临的地质水文条件多样，不可避免地需要穿越城市内部大量敏感的城建设施和生命线系统，地下及地上既有结构在复杂环境作用下不确定性高，在国内外都属于高风险生产活动，工程建设风险突出，易带来严重的经济损失、不良的社会影响甚至人员伤亡。

深基坑施工呈现以下特点：挖深大、周期长、时效性强，往往要在基坑开挖时长时间抽取地下承压水，造成了对周围地质环境的强烈扰动，从而产生了严重地面沉降等一系列地质问题。在现代信息化施工理念的指导下，对在施工过程中引发的土体性状、环境、邻近建筑物、地下设施变化的监测已成了工程建设及信息化施工必不可少的重要环节。

文献公开的基坑监测系统普遍存在如下问题：

其一、目前广泛应用的深基坑变形监测方法自动化程度低、劳动强度高，时效性差，难以实现实时监控。虽然有些企业开发了自动监测设备，但现有的自动监测设备往往是将监测数据存储在监测点上设置的临时存储设备中，再由人工导入计算机；虽然克服了人工监测精度差的问题，但仍没有解决时效性差的问题，监测结果滞后、数据可靠度和利用率低、真实性差以及保存和经验积累效果差，无法在任意时刻任何位置查看监测情况，给基坑安全带来了隐患；其二、缺乏对基坑地质勘察、设计、建造、运维的相关资料、测点信息、监测仪器、周边建筑物等信息集成管理，上述信息及监测信息与基坑模型的关联分析功能较弱，信息共享性弱。其三、传统预警结果仍停留在二维平面上，缺乏在时间和三维空间上动态定位、跟踪危险工序及部位的技术手段。其四、在深基坑的开挖过程中, 针对基坑壁面的内移和地表的下沉所获取的位移监测成果事判断基坑周围岩土及支撑结构的稳定性的重要依据，目前在深基坑位移监测中, 主要采用钻孔位移计、全站仪和精密水准仪等进行监测。这些方法不能及时反映施工过程中基坑工程的异常变化，且对施工干扰大、监测工作危险。

鉴于传统技术难以满足对施工安全控制的实时性和一体化的要求，迫切需要集自动连续监测、实时预警于一体的安全集成控制系统及动态综合预警方法。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种地铁车站基坑的实时监测预警系统及其监测预警方法。

本发明的技术方案是：一种地铁车站基坑的实时监测预警系统，包括设置在基坑中的现场传感器，所述现场传感器将采集到的基坑数据传输到前端数据采集模块，所述前端数据采集模块与前端数据处理传输模块相连，所述前端数据处理传输模块将数据传输到数据处理中心，所述传输到数据处理中心与基坑监测预警管理平台相连，基坑监测预警管理平台与基坑BIM模型相连实现测量数据在模型中的对应映射。

所述基坑监测预警管理平台与PC客户端、移动客户端相连实现监测数据的查询。

所述基坑监测预警管理平台中包括基于PYthon的数据处理及AI预测模块、信息管理模块、BIM管理模块、基坑监测模块、GIS信息模块、VR及AR模块。

所述前端数据处理传输模块包括Ⅰ号工控机、Ⅱ号工控机、Ⅲ号工控机。

所述Ⅰ号工控机与前端数据采集模块中的Ⅰ号无线采集终端相连，所述Ⅰ号无线采集终端的数据接收端口与现场传感器中的单点沉降仪、水位计相连。

所述Ⅱ号工控机与前端数据采集模块中的Ⅱ号无线采集终端相连，所述Ⅱ号无线采集终端的数据接收端口与现场传感器中的测斜仪、水准仪相连。

所述Ⅱ号工控机与前端数据采集模块中的Ⅲ号无线采集终端相连，所述Ⅲ号无线采集终端的数据接收端口与现场传感器中的GPS模块、轴力计相连。

所述前端数据处理传输模块将监测数据预处理，并通过GPRS与互联网连接、上传给数据处理中心进行存贮、处理和输出，同时前端数据处理传输模块可接受数据处理中心的控制命令，实现对沉降和倾斜的数据采集监测。

一种地铁车站基坑的实时监测预警系统的监测预警方法，包括以下步骤：

ⅰ.以达索Catia V6系统为建模平台，并依据其功能进行开发并构建基坑开挖时变BIM模型；

ⅱ.对施工现场进行踏勘布设监测点并同时布设与GPS技术相结合的现场传感器，并建立控制网，在基坑施工过程中，控制网是不断更新和变化的；

ⅲ.系统通过基坑监测预警管理平台和基坑开挖时变BIM模型、前端数据处理传输模块、前端数据采集模块进行信息交互，实现信息的整合和基坑BIM模型4D的实时可视化监测，模拟并管理基坑工程进度和施工；

ⅳ.基坑监测预警管理平台根据实测数据进行计算分析，并集成了报警程序，根据设定的预警阈值，系统自动报警提示；

ⅴ.基于PYthon的数据处理及AI预测模块内置有交互式.Inp模板，从Catia读取基坑BIM模型的IFC文件，通过文本转换，写入.Inp模板，其中材料属性、荷载可交互式调整，.inp文件供abaqus调用，用于进行施工过程模拟或预测分析。

步骤ⅴ中运用 abaqus 中的生死单元功能“杀死”土体、“激活”支护结构来实现基坑开挖的过程；采集深基坑实时监测数据，并将实时监测数据传输并生成数据库文件，深基坑开挖变形稳定性三维数值模型实时调用这些数据；根据监测数据进行参数反演计算或施工过程模拟分析。

本发明的有益效果如下：

1、通过BIM技术将基坑开挖、支护体系建设、施工设备的动态过程与基坑监测紧密联系形成整体，施工现场管理者可通过施工动态过程与监测数据的比较，及时调整施工时序，提高施工效率，降低施工安全风险。

2、通过现场埋置的传感设备与BIM模型关联，可以实时反映基坑围护结构的变形情况、水位变化等，同时GPS传感器又可以实时反映施工的位置坐标信息，即时反映施工进度，对于施工危险点快速查找定位；

3、通过VR、AR技术实现基坑的现场虚拟与虚拟现实交互的动态直观的信息集成。

附图说明

图1 是本发明中监测预警系统的连接示意图；

图2 是本发明中基坑监测预警管理平台的内部模块图；

图3 是本发明中监测预警方法的调用示意图；

其中：

1 现场传感器 2 前端数据采集模块

3 前端数据处理传输模块 4 数据处理中心

5 基坑监测预警管理平台 6 基坑BIM模型

7 PC客户端 8 移动客户端

11 单点沉降仪 12 水位计

13 测斜仪 14 水准仪

15 GPS模块 16 轴力计

21 Ⅰ号无线采集终端 22 Ⅱ号无线采集终端

23 Ⅲ号无线采集终端 31 Ⅰ号工控机

32 Ⅱ号工控机 33 Ⅲ号工控机

51 基于PYthon的数据处理及AI预测模块

52 信息管理模块 53 BIM管理模块

54 基坑监测模块 55 GIS信息模块

56 VR及AR模块。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：

如图1~2所示，一种地铁车站基坑的实时监测预警系统，包括设置在基坑中的现场传感器1，所述现场传感器1将采集到的基坑数据传输到前端数据采集模块2，所述前端数据采集模块2与前端数据处理传输模块3相连，所述前端数据处理传输模块3将数据传输到数据处理中心4，所述传输到数据处理中心4与基坑监测预警管理平台5相连，基坑监测预警管理平台5与基坑BIM模型6相连实现测量数据在模型中的对应映射。

所述基坑监测预警管理平台5与PC客户端7、移动客户端8相连实现监测数据的查询。

所述基坑监测预警管理平台5中包括基于PYthon的数据处理及AI预测模块51、信息管理模块52、BIM管理模块53、基坑监测模块54、GIS信息模块55、VR及AR模块56。

所述前端数据处理传输模块3包括Ⅰ号工控机31、Ⅱ号工控机32、Ⅲ号工控机33。

所述Ⅰ号工控机31与前端数据采集模块2中的Ⅰ号无线采集终端21相连，所述Ⅰ号无线采集终端21的数据接收端口与现场传感器1中的单点沉降仪11、水位计12相连。

所述Ⅱ号工控机32与前端数据采集模块2中的Ⅱ号无线采集终端22相连，所述Ⅱ号无线采集终端22的数据接收端口与现场传感器1中的测斜仪13、水准仪14相连。

所述Ⅱ号工控机32与前端数据采集模块2中的Ⅲ号无线采集终端23相连，所述Ⅲ号无线采集终端23的数据接收端口与现场传感器1中的GPS模块15、轴力计16相连。

所述前端数据处理传输模块3将监测数据预处理，并通过GPRS与互联网连接、上传给数据处理中心4进行存贮、处理和输出，同时前端数据处理传输模块3可接受数据处理中心4的控制命令，实现对沉降和倾斜的数据采集监测。

所述现场传感器1包括测量基坑单点沉降用的单点沉降仪11，测量基坑内水位的水位计12，测量基坑斜率的测斜仪13，测量水准用的水准仪14，测量支撑轴力的轴力计16以及GPS模块15

所述单点沉降仪11、水位计12、测斜仪13、水准仪14、轴力计16在既有的数字接口和通信协议的基础上加装自组网通信模块，GPS模块对基坑监测的测点进行准确定位，将GPS模块和传感器模块结合，将监测数据与所对应的监测点的具体位置即具体坐标相应地在基坑BIM模型上设置映射点位，两者之间通过无线信号和数据库实现数据传输。

前端数据处理传输模块3、前端数据采集模块2的主要功能是获取现场传感器监测数据，将数据通过有线或者无线的方式传输到监控主机，然后读入到服务器数据库中。

实时监测预警系统根据不同测点的编号和数据库中的编号一一对应，达到不同测点监测信息的实时显示。

所述前端数据处理传输模块3为工控机机组，用于对传感器采集到的数据进行预处理。

监测数据经工控机预处理，通过GPRS与互联网连接、上传给监控中心监控主机进行存贮、处理和输出，工控机可接受监控中心监控主机的控制命令，实现对沉降和倾斜的数据采集监测。

所述前端数据处理传输模块3、前端数据采集模块2无线通信连接。

监控主机中安装有基坑监测预警管理平台5。

所述基坑监测预警管理平台5建立工程信息，配置具体工地的监测项目，现场传感器和前端数据采集模块2、前端数据处理传输模块3安装于建设工地现场，基坑监测预警管理平台5通过公共网络下发作业指令给现场传感器1进行数据采集，采集到的数据通过公共网络，实时发送回数据至基坑监测预警管理平台5，在预警平台中，对采集到的数据进行分析和预警处理。

基坑监测预警管理平台5中的基础信息模块包括与项目监测相关的基础资料。

BIM管理模块53用于对基坑开挖时变BIM模型的管理，并能够将数据库中监测信息导入所建模型中，并把监测数据与BIM模型中建立的基坑模型相匹配。

基坑监测预警管理平台5中的GIS信息模块55主要是获取基坑周边信息，GIS信息能够与BIM模型结合，通过GIS技术实现空间图形显示和空间信息查询与分析。

基坑监测预警管理平台中的VR及AR模块56能够与BIM信息模块相结合实现对基坑虚拟场景、现实虚拟结合场景提供平台和条件；

所述传输到数据处理中心4中的服务器，用于接收工控机发送来的数据并存储至数据库；数据库由oracal1.0开发。

PC客户端7、移动客户端8用于对数据库中的数据进行处理、分析和显示。

一种地铁车站基坑的实时监测预警系统的监测预警方法，包括以下步骤：

ⅰ.以达索Catia V6系统为建模平台，并依据其功能进行开发并构建基坑开挖时变BIM模型；

ⅱ.对施工现场进行踏勘布设监测点并同时布设与GPS技术相结合的现场传感器1，并建立控制网，在基坑施工过程中，控制网是不断更新和变化的；

ⅲ.系统通过基坑监测预警管理平台5和基坑开挖时变BIM模型、前端数据处理传输模块3、前端数据采集模块2进行信息交互，实现信息的整合和基坑BIM模型4D的实时可视化监测，模拟并管理基坑工程进度和施工；

ⅳ.基坑监测预警管理平台5根据实测数据进行计算分析，并集成了报警程序，根据设定的预警阈值，系统自动报警提示；

ⅴ.基于PYthon的数据处理及AI预测模块内置有交互式.Inp模板，从Catia读取基坑BIM模型的IFC文件，通过文本转换，写入.Inp模板，其中材料属性、荷载可交互式调整，.inp文件供abaqus调用，用于进行施工过程模拟或预测分析。

步骤ⅴ中运用 abaqus 中的生死单元功能“杀死”土体、“激活”支护结构来实现基坑开挖的过程；采集深基坑实时监测数据，并将实时监测数据传输并生成数据库文件，深基坑开挖变形稳定性三维数值模型实时调用这些数据；根据监测数据进行参数反演计算或施工过程模拟分析。

本发明通过软件集成技术集监测、施工过程有限元分析为一体的基坑自动化监测系统。该系统软件层面集成了abaqus、Catia V6.0、基坑监测预警管理平台等软件，实现了对深基坑围护系统的全时段的数据存储、数据监控与预警，实现基坑施工模拟、参数反演计算、时空显示、预测评估等功能。

是以Catia平台为基础，在Catia集成定制平台框架基础上，按照软件工程思想，对数据处理、风险评估、风险预测、有限元仿真计算进行模块化开发与集成，固化预测与评估的使用流程和专家经验，定制专家化的界面，形成基坑监测预警管理平台，以基坑监测预警管理平台为核心软件，后台集成所需功能软件, 并通过基坑监测预警管理平台的核心模块基于Python的数据处理及AI预测模块对各软件进行调用。形成一个统一的、封装了专家使用知识和方法、可方便快捷进行基坑监测评估的集成软件系统。

监测系统的核心软件为基于PYthon的数据处理及AI预测模块, 所有软件的运行和调用需要通过基于PYthon的数据处理及AI预测模块来完成。通过基于PYthon的数据处理及AI预测模块提供的接口协议实现动态链接库函数的调用。可实现现场数据的实时在线分析。调用abaqus的触发机制可以采用设定阈值进行触发, 当某种类型传感器信号值与事先设定的阈值比较后如果前者达到或超越后者为真, 即调用 abaqus进行模拟分析。

监测预警系统通过基坑监测预警管理平台5和基坑开挖时变BIM模型、前端数据处理传输模块3、前端数据采集模块2的信息交互，实现信息的整合和基坑BIM模型3D的实时可视化监测，模拟并管理基坑工程进度和施工。

通过VR及AR模块56实现基坑的现场虚拟与虚拟现实交互的动态直观的信息集成。

基于PYthon的数据处理及AI预测模块51包括有回归分析子模块和差异分析子模块、图形生成子模块，实现对数据的精确分析；

GIS信息模块55实现对工程信息的精确控制，提高预警后的响应速度。

所述现场传感器1与前端数据采集模块2、前端数据处理传输模块3连接，所述基坑监测预警管理平台与前端数据处理传输模块3无线通信连接。

其中，构建基坑开挖时变BIM模型方法如下：

a.以达索Catia V6系统为建模平台，并依据功能进行二次开发；

b.应用IFC数据存储标准，其数据存储采用数据库的方式；

c.制作组件属性信息表；

d.利用骨架-模板建模思想：骨架表示定位坐标系群，所有结构模块都是通过若干个坐标系进行定位，起到定位功能的坐标系群，即骨架线；模板是指从集合造型上具备通用性的模型，实例化就是把模板变成模型的过程；同时，在此过程中，对模板参数赋值，通过这种方法得到若干个与骨架相关联的模型。

具体为：制作模板库，其中，模板的定位坐标及可调参数做为输入元素加以开发；

在不同位置的骨架坐标系上选择不同类型的组件模板进行实例化，在实例化的同时，为组件模板开放出来的可调参数赋值，为其开放的定位坐标系赋予定位坐标。循环操作，最终完成建模。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种地铁车站基坑的实时监测预警系统，包括设置在基坑中的现场传感器（1），其特征在于：所述现场传感器（1）将采集到的基坑数据传输到前端数据采集模块（2），所述前端数据采集模块（2）与前端数据处理传输模块（3）相连，所述前端数据处理传输模块（3）将数据传输到数据处理中心（4），所述传输到数据处理中心（4）与基坑监测预警管理平台（5）相连，基坑监测预警管理平台（5）与基坑BIM模型（6）相连实现测量数据在模型中的对应映射。

2.根据权利要求1所述的一种地铁车站基坑的实时监测预警系统，其特征在于：所述基坑监测预警管理平台（5）与PC客户端（7）、移动客户端（8）相连实现监测数据的查询。

3.根据权利要求2所述的一种地铁车站基坑的实时监测预警系统，其特征在于：所述基坑监测预警管理平台（5）中包括基于PYthon的数据处理及AI预测模块（51）、信息管理模块（52）、BIM管理模块（53）、基坑监测模块（54）、GIS信息模块（55）、VR及AR模块（56）。

4.根据权利要求3所述的一种地铁车站基坑的实时监测预警系统，其特征在于：所述前端数据处理传输模块（3）包括Ⅰ号工控机（31）、Ⅱ号工控机（32）、Ⅲ号工控机（33）。

5.根据权利要求4所述的一种地铁车站基坑的实时监测预警系统，其特征在于：所述Ⅰ号工控机（31）与前端数据采集模块（2）中的Ⅰ号无线采集终端（21）相连，所述Ⅰ号无线采集终端（21）的数据接收端口与现场传感器（1）中的单点沉降仪（11）、水位计（12）相连。

6.根据权利要求5所述的一种地铁车站基坑的实时监测预警系统，其特征在于：所述Ⅱ号工控机（32）与前端数据采集模块（2）中的Ⅱ号无线采集终端（22）相连，所述Ⅱ号无线采集终端（22）的数据接收端口与现场传感器（1）中的测斜仪（13）、水准仪（14）相连。

7.根据权利要求6所述的一种地铁车站基坑的实时监测预警系统，其特征在于：所述Ⅱ号工控机（32）与前端数据采集模块（2）中的Ⅲ号无线采集终端（23）相连，所述Ⅲ号无线采集终端（23）的数据接收端口与现场传感器（1）中的GPS模块（15）、轴力计（16）相连。

8.根据权利要求1所述的一种地铁车站基坑的实时监测预警系统，其特征在于：所述前端数据处理传输模块（3）将监测数据预处理，并通过GPRS与互联网连接、上传给数据处理中心（4）进行存贮、处理和输出，同时前端数据处理传输模块（3）可接受数据处理中心（4）的控制命令，实现对沉降和倾斜的数据采集监测。

9.一种地铁车站基坑的实时监测预警系统的监测预警方法，其特征在于：包括以下步骤：

（ⅰ）以达索Catia V6系统为建模平台，并依据其功能进行开发并构建基坑开挖时变BIM模型；基坑开挖时变BIM模型以IFC为数据标准格式，作为基坑监测预警管理平台的三维可视化模型，在网络平台上共享，分析用信息及数据通过数据库管理；

（ⅱ）对施工现场进行踏勘布设监测点并同时布设与GPS技术相结合的现场传感器（1），并建立控制网，在基坑施工过程中，控制网是不断更新和变化的；

（ⅲ）系统通过基坑监测预警管理平台（5）和基坑开挖时变BIM模型、前端数据处理传输模块（3）、前端数据采集模块（2）进行信息交互，实现信息的整合和基坑BIM模型4D的实时可视化监测，模拟并管理基坑工程进度和施工；

（ⅳ）基坑监测预警管理平台（5）根据实测数据进行计算分析，并集成了报警程序，根据设定的预警阈值，系统自动报警提示；

（ⅴ）基于PYthon的数据处理及AI预测模块内置有交互式.Inp模板，从Catia读取基坑BIM模型的IFC文件，通过文本转换，写入.Inp模板，其中材料属性、荷载可交互式调整，.inp文件供abaqus调用，用于进行施工过程模拟或预测分析。

10.根据权利要求9所述的一种地铁车站基坑的实时监测预警系统的监测预警方法，其特征在于：步骤（ⅴ）中运用 abaqus 中的生死单元功能“杀死”土体、“激活”支护结构来实现基坑开挖的过程；采集深基坑实时监测数据，并将实时监测数据传输并生成数据库文件，深基坑开挖变形稳定性三维数值模型实时调用这些数据；根据监测数据进行参数反演计算或施工过程模拟分析。