CN110130421B - 一种基坑变形监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程监测领域，公开了一种基坑变形监测方法及系统，其方法包括：设置一基准传感器网络和多个监测传感器网络；基准传感器网络的各传感器节点发送频率不同的两个无线电波给第一个监测传感器网络，其它监测传感器网络依次将自身的测量数据和接收到的测量数据发送给其后的监测传感器网络，直到最后一个监测传感器网络将所有测量数据发送至基准传感器网络；服务器接收基准传感器网络发送所有测量数据，并根据所有测量数据获取各监测传感器网络的中心点位置；服务器根据多次获取的各监测传感器网络的中心点位置，计算得到基坑的变形量。本发明通过传感器网络来监测基坑的变形，无需人工进行测量，且对安装条件要求不高，提高测量的便捷性。

Description

一种基坑变形监测方法及系统

技术领域

本发明属于工程监测技术领域，特别涉及一种基坑变形监测方法及系统。

背景技术

基坑变形监测主要用于测量建筑工程基坑施工过程中基坑的位移与沉降、基坑内部立柱的位移与沉降等数据。实时的基坑变形监测，可以为基坑的安全施工诊断提供必要的信息，以便施工人员及时发现问题并采取相应措施。

目前，常用的基坑变形监测仪器主要有水准仪、全站仪、静力水准和带马达驱动的自动全站仪等。水准仪和全站仪为人工测量，不仅观测时间长，现场监测人员的人身安全受到威胁；而且后期数据处理量大，已经越来越不能满足现代社会对效率的要求。

静力水准、带马达驱动的自动全站仪等新设备虽然不需要人工进行测量，但是安装比较困难，需要通视条件，若通视条件不好，那么仪器就无法直接进行观测。

发明内容

本发明的目的是提供一种基坑变形监测方法及系统，通过传感器网络来监测基坑的变形，无需人工进行测量，且对安装条件要求不高，提高测量的便捷性。

本发明提供的技术方案如下：

一方面，提供一种基坑变形监测方法，包括：

设置若干个传感器网络，所述若干个传感器网络包括一基准传感器网络和多个监测传感器网络，所述基准传感器网络设置在基坑外稳定区域；所述多个监测传感器网络设置在基坑围护体边；所述基准传感器网络和所述监测传感器网络分别包括至少四个传感器节点，所述至少四个传感器节点形成正多面体；

所述若干个传感器网络中的基准传感器网络的各传感器节点发送频率不同的两个无线电波给第一个监测传感器网络，所述若干个传感器网络中的其它监测传感器网络依次将自身的测量数据和接收到的测量数据发送给其后的监测传感器网络，直到最后一个监测传感器网络将所有测量数据发送至所述基准传感器网络；所述测量数据为各传感器节点接收到所述两个无线电波的时间点；

服务器接收所述基准传感器网络发送的自身的测量数据和所述所有测量数据，并根据所述所有测量数据获取各监测传感器网络的中心点位置；

所述服务器每间隔预设时间，获取一次各监测传感器网络的中心点位置，根据多次获取的各监测传感器网络的中心点位置，计算得到基坑的变形量。

进一步优选地，所述服务器接收基准传感器网络发送的所述所有测量数据，并根据所述所有测量数据获取各监测传感器网络的中心点位置具体包括：

所述服务器获取所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标；

所述服务器根据所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标和所述第一个监测传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述第一个监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标；

所述服务器根据上一监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标和当前监测传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述当前监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标；

所述服务器根据所述监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标，获取所述监测传感器网络的中心点位置。

进一步优选地，所述服务器根据所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标和所述第一个监测传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述第一个监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标具体包括：

所述服务器根据所述第一个监测传感器网络的当前传感器节点的测量数据，计算得到当前传感器节点与所述基准传感器网络的各传感器节点的距离；

所述服务器根据所述第一个监测传感器网络的当前传感器节点与所述基准传感器网络的各传感器节点的距离和所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标，计算得到所述当前传感器节点的三维坐标。

进一步优选地，所述服务器根据上一监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标和当前监测传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述当前监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标之后还包括：

所述服务器根据所述基准传感器网络的自身的测量数据和最后一个监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标，计算得到所述基准传感器的各传感器节点的测量三维坐标；

所述服务器根据所述初始三维坐标和所述测量三维坐标之间的差值，对各监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标进行三维平差处理；

所述服务器根据所述监测传感器网络中的各传感器节点的三维坐标，获取所述监测传感器网络的中心点位置具体包括：

所述服务器根据三维平差处理后的所述监测传感器网络中的各传感器节点的三维坐标，获取所述监测传感器网络的中心点位置。

进一步优选地，还包括：

在基坑外稳定区域设置至少两个备用传感器网络；所述备用传感器网络与所述基准传感器网络结构相同；

所述基准传感器网络的各传感器节点发送频率不同的两个无线电波给第一个备用传感器网络；

所述第一个备用传感器网络的各传感器节点向后一备用传感器网络的各传感器节点发送所述两个无线电波和自身的测量数据；

所述后一备用传感器网络的各传感器节点将接收到的前一备用传感器网络发送的测量数据、所述两个无线电波和自身的测量数据，发送至其后一备用传感器网络的各传感器节点，直至最后一个备用传感器网络的各传感器节点将接收到的前一备用传感器网络发送的测量数据、所述两个无线电波和自身的测量数据返回至所述基准传感器网络的各传感器节点；每个传感器节点发送所述两个无线电波的时刻相同；

所述基准传感器网络的各传感器节点将自身的测量数据和备用传感器网络的各传感器节点的测量数据发送给所述服务器；

所述服务器根据所述基准传感器网络的测量数据和所述备用传感器网络的测量数据，判断所述基准传感器网络的设置区域是否稳定。

进一步优选地，所述服务器根据所述基准传感器网络的测量数据和所述备用传感器网络的测量数据，判断所述基准传感器网络的设置区域是否稳定具体包括：

所述服务器获取所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标；

所述服务器根据所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标和所述第一个备用传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述第一个备用传感器网络的各传感器节点的三维坐标；

所述服务器根据上一备用传感器网络的各传感器节点的三维坐标和当前备用传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述当前备用传感器网络的各传感器节点的三维坐标；

所述服务器根据最后一个备用传感器网络中的各传感器节点的三维坐标和所述基准传感器网络中的各传感器节点的测量数据，计算得到所述基准传感器网络中的各传感器节点的测量三维坐标；

所述服务器根据所述初始三维坐标和所述测量三维坐标，判断所述基准传感器网络的设置区域是否稳定。

进一步优选地，所述服务器根据所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标和所述第一个备用传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述第一个备用传感器网络的各传感器节点的三维坐标具体包括：

所述服务器根据所述第一个备用传感器网络的当前传感器节点的测量数据，计算得到当前传感器节点与所述基准传感器网络的各传感器节点的距离；

所述服务器根据所述第一个备用传感器网络的当前传感器节点与所述基准传感器网络的各传感器节点的距离和所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标，计算得到所述当前传感器节点的三维坐标。

进一步优选地，所述若干个传感器网络中的基准传感器网络的各传感器节点发送频率不同的两个无线电波给第一个监测传感器网络，所述若干个传感器网络中的其它监测传感器网络依次将自身的测量数据和接收到的测量数据发送给其后的监测传感器网络，直到最后一个监测传感器网络将所有测量数据发送至所述基准传感器网络具体包括：

所述基准传感器网络的各传感器节点发送频率不同的两个无线电波给第一个监测传感器网络的各传感器节点；

所述第一个监测传感器网络的各传感器节点向后一监测传感器网络的各传感器节点发送所述两个无线电波和自身的测量数据；

所述后一监测传感器网络的各传感器节点将接收到的前一监测传感器网络发送的测量数据、所述两个无线电波和自身的测量数据，发送至其后一监测传感器网络的各传感器节点，直至最后一个监测传感器网络的各传感器节点将接收到的前一监测传感器网络发送的测量数据、所述两个无线电波和自身的测量数据发送给所述基准传感器网络的各传感器节点；每个传感器节点发送所述两个无线电波的时刻相同。

另一方面，还提供一种基坑变形监测系统，包括若干个传感器网络和服务器；

所述若干个传感器网络包括一基准传感器网络和多个监测传感器网络，所述基准传感器网络设置在基坑外稳定区域；所述多个监测传感器网络设置在基坑围护体边；所述基准传感器网络和所述监测传感器网络分别包括至少四个传感器节点，所述至少四个传感器节点形成正多面体；

所述若干个传感器网络中的基准传感器网络的各传感器节点用于发送频率不同的两个无线电波给第一个监测传感器网络；

所述若干个传感器网络中的其它监测传感器网络用于依次将自身的测量数据和接收到的测量数据发送给其后的监测传感器网络，直到最后一个监测传感器网络将所有测量数据发送至所述基准传感器网络；所述测量数据为各传感器节点接收到所述两个无线电波的时间点；

所述服务器用于接收所述基准传感器网络发送的自身的测量数据和所述所有测量数据，并根据所述所有测量数据获取各监测传感器网络的中心点位置；

所述服务器还用于每间隔预设时间，获取一次各监测传感器网络的中心点位置，根据多次获取的各监测传感器网络的中心点位置，计算得到基坑的变形量。

进一步优选地，还包括至少两个备用传感器网络；

至少两个所述备用传感器网络设置在基坑外稳定区域；所述备用传感器网络与所述基准传感器网络结构相同；

所述基准传感器网络的各传感器节点用于发送频率不同的两个无线电波给第一个备用传感器网络；

所述第一个备用传感器网络的各传感器节点用于向后一备用传感器网络的各传感器节点发送所述两个无线电波和自身的测量数据；

所述后一备用传感器网络的各传感器节点用于将接收到的前一备用传感器网络发送的测量数据、所述两个无线电波和自身的测量数据，发送至其后一备用传感器网络的各传感器节点，直至最后一个备用传感器网络的各传感器节点将接收到的前一备用传感器网络发送的测量数据、所述两个无线电波和自身的测量数据返回至所述基准传感器网络的各传感器节点；每个传感器节点发送所述两个无线电波的时刻相同；

所述基准传感器网络的各传感器节点用于将自身的测量数据和备用传感器网络的各传感器节点的测量数据发送给所述服务器；

所述服务器还用于根据所述基准传感器网络的测量数据和所述备用传感器网络的测量数据，判断所述基准传感器网络的设置区域是否稳定。

与现有技术相比，本发明提供的一种基坑变形监测方法及系统具有的有益效果为：本发明通过设置若干个传感器网络，并通过传感器网络发射无线电波的方式测量各监测传感器网络的中心点位置，再根据各监测传感器网络的中心点位置发生的变化，来计算得到基坑的变形量，可实现自动采集数据，无需人工进行操作，不仅提高了测量效率，而且提高了测量人员的人身安全；同时，传感器网络通过发射无线电波的方式进行测量，使得传感器网络在安装时，对通视条件要求不高，提高了测量的便捷性。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种基坑变形监测方法及系统的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明一种基坑变形监测方法的实施例一的流程示意图；

图2是本发明一种基坑变形监测方法的传感器网络的布置示意图；

图3是本发明一种基坑变形监测方法的实施例二的流程示意图；

图4是本发明一种基坑变形监测方法的实施例三的流程示意图一；

图5是本发明一种基坑变形监测方法的实施例三的流程示意图二；

图6是本发明一种基坑变形监测系统的一个实施例的结构示意框图。

附图标号说明

100、服务器；110、坐标获取模块；120、坐标计算模块；121、距离计算单元；122、坐标计算单元；123、三维平差单元；200、基准传感器网络；300、监测传感器网络；400、备用传感器网络。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

图1是本发明实施例一提供的一种基坑变形监测方法的流程图，该基坑变形监测方法包括以下步骤：

S100设置若干个传感器网络，所述若干个传感器网络包括一基准传感器网络和多个监测传感器网络，所述基准传感器网络设置在基坑外稳定区域；所述多个监测传感器网络设置在基坑围护体边；所述基准传感器网络和所述监测传感器网络分别包括至少四个传感器节点，所述至少四个传感器节点形成正多面体；

具体地，为了监测基坑是否发生变形，需要先设置若干个传感器网络，该若干个传感器网络包括一基准传感器网络和多个监测传感器网络，基准传感器网络布置在基坑外受影响较小且比较稳定的区域，基准传感器网络为基准点，一般认为基准传感器网络布置的区域是稳定的。多个监测传感器网络分别布置在基坑围护体边，各监测传感器网络用于监测基坑是否发生变形。如图2所示，图2展示了监测基坑变形时，基准传感器网络和监测传感器网络的布置示意图，BM₁表示基准传感器网络，在监测时，W₁、W₂、W₃、W₄、W₅、W₆、W₇、W₈分别表示监测传感器网络，BM_1-1、BM_1-2、BM_1-3、BM_1-4分别表示基准传感器网络的各传感器节点；W_1-1、W_1-2、W_1-3、W_1-4分别表示第一个监测传感器网络的各传感器节点。基准传感器网络和监测传感器网络都为正多面体，基准传感器网络和监测传感器网络都至少包含四个传感器，至少四个传感器组成正多面体，如四个传感器组成正四面体，即正四面体的每个顶点上设置一个传感器，每个顶点上设置的传感器称为传感器节点。基准传感器网络和监测传感器网络还可以是由五个传感器组成的正五面体或六个传感器组成的正六面体等。

S200所述若干个传感器网络中的基准传感器网络的各传感器节点发送频率不同的两个无线电波给第一个监测传感器网络，所述若干个传感器网络中的其它监测传感器网络依次将自身的测量数据和接收到的测量数据发送给其后的监测传感器网络，直到最后一个监测传感器网络将所有测量数据发送至所述基准传感器网络；所述测量数据为各传感器节点接收到所述两个无线电波的时间点；

具体地，在基坑外布置好传感器网络后，以基准传感器网络(BM₁)为起始点，基准传感器网络中的各传感器节点发送频率不同的两个无线电波给第一个监测传感器网络中的各传感器节点；

第一个监测传感器网络的各传感器节点向后一监测传感器网络的各传感器节点发送该两个无线电波和自身的测量数据；测量数据为各传感器节点接收到所述两个无线电波的时间点。

后一监测传感器网络的各传感器节点将接收到的前一监测传感器网络发送的测量数据、两个无线电波和自身的测量数据，发送至其后一监测传感器网络的各传感器节点，直至最后一个监测传感器网络的各传感器节点将接收到的前一监测传感器网络发送的测量数据，两个无线电波和自身的测量数据发送给基准传感器网络的各传感器节点；且每个传感器节点发送两个无线电波的时刻相同。

信号和测量数据的发送路径为BM₁-W₁-W₂-…-W_n-BM₁。每个传感器网络中的各传感器节点可接收上一个传感器网络中的各传感器节点发送过来的测量数据和无线电波，再将自身的测量数据、接收的测量数据和两种无线电波发送到下一传感器网络中的各传感器节点。

即BM₁发送两个无线电波给W₁的过程为：BM_1-1至W_1-1，BM_1-2至W_1-1，BM_1-3至W_1-1；BM_1-4至W_1-1；BM_1-1至W_1-2，BM_1-2至W_1-2，BM_1-3至W_1-2；BM_1-4至W_1-2；BM_1-1至W_1-3，BM_1-2至W_1-3，BM_1-3至W_1-3；BM_1-4至W_1-3；BM_1-1至W_1-4，BM_1-2至W_1-4，BM_1-3至W_1-4；BM_1-4至W_1-4。

多个监测传感器网络之间的数据和无线电波也是按上述方式进行传输。监测传感器网络将自身的测量数据和接收到的测量数据都发送给下一个监测传感器网络。如W₃发送给W₄的测量数据包括了W₁、W₂和W₃的测量数据。

发送的频率不同的两个无线电波都为UWB超宽带无线电波，UWB超宽带无线电波为纳秒或纳秒级以下具有非正弦特性的极窄脉冲。UWB脉冲具有精准的到达时间计算能力；良好的抗干扰性、抗多路径效应能力；良好的隐蔽性，不易对其他的通讯系统产生干扰。各传感器节点通过发射和接收极窄脉冲，来传输数据，并进行数据测量，可提高数据测量的准确率。

S300服务器接收所述基准传感器网络发送的自身的测量数据和所述所有测量数据，并根据所述所有测量数据获取各监测传感器网络的中心点位置；

具体地，基准传感器网络的各传感器节点接收到最后一个监测传感器网络的各传感器节点发送的所有测量数据后，将该所有的测量数据以及自身的测量数据发送给服务器。

服务器接收到的测量数据中包括了W₁、W₂、…W_n和BM₁中的各传感器节点的测量数据。服务器接收到测量数据后，根据这些测量数据计算各监测传感器网络中的各传感器节点的三维坐标。然后根据每个监测传感器网络中的多个传感器节点的三维坐标，计算每个监测传感器网络的中心点位置。

S400所述服务器每间隔预设时间，获取一次各监测传感器网络的中心点位置，根据多次获取的各监测传感器网络的中心点位置，计算得到基坑的变形量。

具体地，BM₁—W₁—W₂—…—W_n—BM₁为一次测量的路径；即第二次测量时的路径仍是BM₁—W₁—W₂—…—W_n—BM₁；第n次测量时的路径仍是BM₁—W₁—W₂—…—W_n—BM₁。每间隔一定时间通过该测量路径获取一次各监测传感器网络的中心点位置，然后根据多次获取的各监测传感器网络的中心点位置，计算得到基坑的变形量。

示例性的，在监测过程中，第一次测量得到的测量数据为：监测传感器网络1的中心点位置为(X₁₁，Y₁₁，Z₁₁)，监测传感器网络2的中心点位置为(X₂₁，Y₂₁，Z₃₁)，监测传感器网络n的中心点位置为(X_n1，Y_n1，Z_n1)。

第二次测量得到测量数据为：监测传感器网络1的中心点位置为(X₁₂，Y₁₂，Z₁₂)，监测传感器网络2的中心点位置为(X₂₂，Y₂₂，Z₂₂)，监测传感器网络n的中心点位置为(X_n2，Y_n2，Z_n2)；

则监测传感器网络1的中心点位置变化量为：ΔX₁＝X₁₂-X₁₁、ΔY₁＝Y₁₂-Y₁₁、ΔZ₁＝Z₁₂-Z₁₁。

监测传感器网络2的中心点位置变化量为：ΔX₂＝X₂₂-X₂₁、ΔY₂＝Y₂₂-Y₂₁、ΔZ₂＝Z₂₂-Z₂₁。

监测传感器网络n的中心点位置变化量为：ΔX_n＝X_n2-X_n1、ΔY_n＝Y_n2-Y_n1、ΔZ_n＝Z_n2-Z_n1。

各监测传感器网络的中心点位置变化量ΔX₁、ΔY₁、ΔZ₁、ΔX₂、ΔY₂、ΔZ₂、ΔX_n、ΔY_n、ΔZ_n即为基坑变形量。

在监测过程中，可每5分钟测量一次各监测传感器网络的中心点的三维坐标；然后每小时将各监测传感器网络的中心点的三维坐标进行加权平均取算术平均值，以求得最或然值。然后根据每小时前后两次求得的最或然值计算得到基坑的变形量。

服务器可和立体三维模型结合，立体展示各监测传感器网络的中心点的三维坐标的变化情况，并按照统一格式制作报表，相关人员通过不同权限登陆系统，可进行设备参数配置、变形数据查询、图表曲线查看、生成监测报表等操作。服务器还可和网络平台结合，实时动态发布监测数据和变形情况，以便监测单位和委托方的数据共享。

本实施例中，通过设置若干个传感器网络，并通过传感器网络发射无线电波的方式测量各监测传感器网络的中心点位置，再根据各监测传感器网络的中心点位置发生的变化，来计算得到基坑的变形量，可实现自动采集数据，无需人工进行操作，不仅提高了测量效率，而且提高了测量人员的人身安全；同时，传感器网络通过发射无线电波的方式进行测量，使得传感器网络在安装时，对通视条件要求不高，提高了测量的便捷性。

图3是本发明实施例二提供的一种基坑变形监测方法的流程图，在上述实施例一的基础上，步骤S300服务器接收所述基准传感器网络发送的自身的测量数据和所述所有测量数据，并根据所述所有测量数据获取各监测传感器网络的中心点位置具体包括：

S310所述服务器获取所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标；

具体地，服务器在根据各监测传感器网络的测量数据计算各监测传感器网络的中心点位置时，需要先获取基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标。

示例性的，假设基准传感器网络和监测传感器网络都为正四面体。根据基准传感器网络(BM₁)正四面体设定直角坐标系。假设正四面体的边长为a，基准传感器网络中的四个传感器节点的坐标BM_1-1设为(0，0，0)、BM_1-2设为(0，a，0)、BM_1-3设为

BM_1-3设为

根据上述设定的基准传感器网络中的各传感器节点的三维坐标，可计算得到基准传感器网络的中心点的三维坐标为

S320所述服务器根据所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标和所述第一个监测传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述第一个监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标；

具体地，获取基准传感器网络中的各传感器节点的初始三维坐标后，即可根据第一监测传感器网络中的各传感器节点对两个无线电波的接收时间差和初始三维坐标，计算得到第一个监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标。

优选地，步骤S320具体包括：

S321所述服务器根据所述第一个监测传感器网络的当前传感器节点的测量数据，计算得到当前传感器节点与所述基准传感器网络的各传感器节点的距离；

S322所述服务器根据所述第一个监测传感器网络的当前传感器节点与所述基准传感器网络的各传感器节点的距离和所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标，计算得到所述当前传感器节点的三维坐标。

具体地，假设第一个监测传感器网络中的当前传感器节点为W_1-1，根据W_1-1的测量数据计算得到W_1-1对两个无线电波的接收时间差为t₁-t₂；t₁为W_1-1接收第一个无线电波的时间点；t₂为W_1-1接收第二个无线电波的时间点。

根据传感器节点接收两个无线电波的时间差，可精确计算传感器节点之间的距离d。计算公式如下：

其中，v₁和v₂分别为两个无线电波的传播速率。

无线电波在发送过程中的发射路径为：BM_1-1—W_1-1、BM_1-2—W_1-1、BM_1-3—W_1-1、BM_1-4—W_1-1。利用以下4个方程组即可计算W_1-1的坐标(Xw_1-1，Yw_1-1，Zw_1-1)。

其中，d1为传感器节点BM_1-1与传感器节点W_1-1的距离；d2为传感器节点BM_1-2与传感器节点W_1-1的距离；d3为传感器节点BM_1-3与传感器节点W_1-1的距离；d4为传感器节点BM_1-4与传感器节点W_1-1的距离。

根据上述的计算方法即可继续计算出第一个监测传感器节点中的W_1-2、W_1-3、W_1-4的三维坐标。

当基准传感器网络和监测传感器网络为正五面体或正六面体时，可求出多组解，然后从多组解中选取最优的解。

S330所述服务器根据上一监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标和当前监测传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述当前监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标；

具体地，服务器计算出第一个监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标后，根据第一个监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标以及第二个监测传感器网络的各传感器节点的测量数据，并采用上述的计算方法，可计算出第二个监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标。

同理，根据上述的计算方法，可计算出所有的监测传感器网络中的各传感器节点的三维坐标。

S340所述服务器根据所述监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标，获取所述监测传感器网络的中心点位置。

具体地，得到各监测传感器网络中的各传感器节点的三维坐标后，即可根据正四面体的中心点的坐标计算公式，计算得到各监测传感器网络的中心点的三维坐标。

优选地，步骤S330之后还包括：

S335所述服务器根据所述基准传感器网络的自身的测量数据和最后一个监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标，计算得到所述基准传感器的各传感器节点的测量三维坐标；

S336所述服务器根据所述初始三维坐标和所述测量三维坐标之间的差值，对各监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标进行三维平差处理；

具体地，在一次测量过程中，无线电波和测量数据的发送路径为BM₁—W₁—W₂—…—W_n—BM₁；自BM₁回到BM₁，BM₁最后将所有的测量数据发送给服务器时，还包含了无线电波返回至BM₁时，BM₁自身的测量数据，即无线电波返回BM₁时，BM₁中各传感器节点对接收两个无线电波的时间点。

服务器根据BM₁自身的测量数据以及计算得到的最后一个监测传感器网络中的各传感器节点的三维坐标，可计算得到基准传感器网络中的各传感器节点的测量三维坐标。理论上，若设置基准传感器网络的区域是稳定的，则基准传感器网络中的各传感器节点的三维坐标是不会变化的，即初始三维坐标和测量三维坐标是相符的，但是，因为传播过程中存在误差，因此，实际上测量三维坐标与初始三维坐标往往有些差别，需要进行空间三维平差消除差别后求得各监测传感器网络中的各传感器节点的三维坐标。三维平差是将传播过程中的误差(即不符值)按与距离成正比的原则，分配到各个传感器节点的坐标上，即对各监测传感器网络中的各传感器节点的三维坐标进行校正，消除误差。

步骤S340所述服务器根据所述监测传感器网络中的各传感器节点的三维坐标，获取所述监测传感器网络的中心点位置具体包括：

S341所述服务器根据三维平差处理后的所述监测传感器网络中的各传感器节点的三维坐标，获取所述监测传感器网络的中心点位置。

图4是本发明实施例三提供的一种基坑变形监测方法的流程图，在上述实施例一或实施例二的基础上，还包括：

S510在基坑外稳定区域设置至少两个备用传感器网络；所述备用传感器网络与所述基准传感器网络结构相同；

S520所述基准传感器网络的各传感器节点发送频率不同的两个无线电波给第一个备用传感器网络；

S530所述第一个备用传感器网络的各传感器节点向后一备用传感器网络的各传感器节点发送所述两个无线电波和自身的测量数据；

S540所述后一备用传感器网络的各传感器节点将接收到的前一备用传感器网络发送的测量数据、所述两个无线电波和自身的测量数据，发送至其后一备用传感器网络的各传感器节点，直至最后一个备用传感器网络的各传感器节点将接收到的前一备用传感器网络发送的测量数据、所述两个无线电波和自身的测量数据返回至所述基准传感器网络的各传感器节点；每个传感器节点发送所述两个无线电波的时刻相同；

S550所述基准传感器网络的各传感器节点将自身的测量数据和备用传感器网络的各传感器节点的测量数据发送给所述服务器；

S560所述服务器根据所述基准传感器网络的测量数据和所述备用传感器网络的测量数据，判断所述基准传感器网络的设置区域是否稳定。

优选地，如图5所示，步骤S560具体包括：

S561所述服务器获取所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标；

S562所述服务器根据所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标和所述第一个备用传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述第一个备用传感器网络的各传感器节点的三维坐标；

S563所述服务器根据上一备用传感器网络的各传感器节点的三维坐标和当前备用传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述当前备用传感器网络的各传感器节点的三维坐标；

S564所述服务器根据最后一个备用传感器网络中的各传感器节点的三维坐标和所述基准传感器网络中的各传感器节点的测量数据，计算得到所述基准传感器网络中的各传感器节点的测量三维坐标；

S565所述服务器根据所述初始三维坐标和所述测量三维坐标，判断所述基准传感器网络的设置区域是否稳定。

优选地，步骤S562具体包括：

所述服务器根据所述第一个备用传感器网络的当前传感器节点的测量数据，计算得到当前传感器节点与所述基准传感器网络的各传感器节点的距离；

所述服务器根据所述第一个备用传感器网络的当前传感器节点与所述基准传感器网络的各传感器节点的距离和所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标，计算得到所述当前传感器节点的三维坐标。

具体地，在基坑外的稳定区域设置至少两个备用传感器网络，备用传感器网络可与基准传感器网络组成闭合传输路线，以对基准传感器网络的稳定性进行分析，并在基准传感器网络的布置区域不稳定时，由备用传感器网络替换基准传感器网络，即以备用传感器网络为起始发送无线电波，并以备用传感器网络为基准计算各监测传感器网络的中心点的三维坐标。备用传感器网络与基准传感器网络的结构相同。

示例性的，如图2所示，图2中还展示了备用传感器网络的布置示意图；图2中备用传感器网络的数量为两个，分别为BM₂和BM₃，传感器信号的发送路径设置为BM₁——BM₂——BM₃——BM₁。对BM₁进行稳定性分析时，两个传感器网络之间的信号传输方式与在监测基坑变形时，两个传感器网络之间的信号传输方式相同；备用传感器网络中的各传感器节点的三维坐标计算方法也与上述的监测传感器网络中的各传感器节点的三维坐标计算方法相同。对BM₁进行稳定性分析时，BM₁的测量三维坐标的计算方法也与在监测基坑变形时，BM₁的测量三维坐标的计算方法相同。上述实施例已对具体的传输方式和三维坐标的计算方式进行了详细说明，此处不再进行赘述。

根据上述实施例二的计算方法，计算出BM₁、BM₂、BM₃的三维坐标后，将BM₁、BM₂和BM₃分别按两两组合，分别计算每次测量三维平差后的三维坐标与上次测量三维平差后的三维坐标的差值。当差值有异常时，通过现场勘察分析，舍弃不稳定的布置位置，并将基准传感器网络或备用传感器网络重新布置在受基坑影响较小的稳定区域。在BM₁、BM₂、BM₃中，一般认为基准传感器网络BM₁稳定，如果判断BM₁位置不稳定，则可在监测时，将基准传感器网络BM₁更换为备用传感器网络BM₂或BM₃。

本方案中，对基准传感器网络的布置位置进行稳定性分析，并在不稳定时进行更换，可保证在监测基坑变形时，基准传感器网络处于稳定状态，进而保证通过基准传感器网络计算得到的监测数据是准确的，提高基坑监测的测量精度。

应理解，在上述各实施例中，各步骤序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各步骤的执行顺序应以功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

图6是本发明实施例四提供的一种基坑变形监测系统的结构示意框图。该基坑变形监测系统包括若干个传感器网络和服务器100；

若干个传感器网络包括一基准传感器网络200和多个监测传感器网络300，基准传感器网络200设置在基坑外稳定区域；多个监测传感器网络300设置在基坑围护体边；基准传感器网络200和监测传感器网络300分别包括至少四个传感器节点，至少四个传感器节点形成正多面体；

若干个传感器网络中的基准传感器网络200的各传感器节点用于发送频率不同的两个无线电波给第一个监测传感器网络300；

若干个传感器网络中的其它监测传感器网络300用于依次将自身的测量数据和接收到的测量数据发送给其后的监测传感器网络300，直到最后一个监测传感器网络300将所有测量数据发送至基准传感器网络200；测量数据为各传感器节点接收到两个无线电波的时间点；

服务器100用于接收基准传感器网络200发送的自身的测量数据和所有测量数据，并根据所有测量数据获取各监测传感器网络300的中心点位置；

服务器100还用于每间隔预设时间，获取一次各监测传感器网络300的中心点位置，根据多次获取的各监测传感器网络300的中心点位置，计算得到基坑的变形量。

优选地，服务器100包括：

坐标获取模块110，用于获取基准传感器网络200的各传感器节点的初始三维坐标；

坐标计算模块120，用于基准传感器网络200的各传感器节点的初始三维坐标和第一个监测传感器网络300的各传感器节点的测量数据，计算得到第一个监测传感器网络300的各传感器节点的三维坐标；

坐标计算模块120，还用于根据上一监测传感器网络300的各传感器节点的三维坐标和当前监测传感器网络300的各传感器节点的测量数据，计算得到当前监测传感器网络300的各传感器节点的三维坐标；

坐标计算模块120，还用于根据监测传感器网络300的各传感器节点的三维坐标，获取监测传感器网络300的中心点位置。

优选地，坐标计算模块120包括：

距离计算单元121，用于根据第一个监测传感器网络300的当前传感器节点的测量数据，计算得到当前传感器节点与基准传感器网络200的各传感器节点的距离；

坐标计算单元122，用于根据第一个监测传感器网络300的当前传感器节点与基准传感器网络200的各传感器节点的距离和基准传感器网络200的各传感器节点的初始三维坐标，计算得到当前传感器节点的三维坐标。

优选地，坐标计算模块120还包括三维平差单元123；

坐标计算单元122，还用于根据基准传感器网络200的自身的测量数据和最后一个监测传感器网络300的各传感器节点的三维坐标，计算得到基准传感器200的各传感器节点的测量三维坐标；

三维平差单元123，用于根据初始三维坐标和测量三维坐标之间的差值，对各监测传感器网络300的各传感器节点的三维坐标进行三维平差处理；

坐标计算单元122，还用于根据三维平差处理后的监测传感器网络300中的各传感器节点的三维坐标，获取监测传感器网络300的中心点位置。

优选地，还包括至少两个备用传感器网络400；

至少两个备用传感器网络400设置在基坑外稳定区域；备用传感器网络400与基准传感器网络200结构相同；

基准传感器网络200的各传感器节点用于发送频率不同的两个无线电波给第一个备用传感器网络400；

第一个备用传感器网络400的各传感器节点用于向后一备用传感器网络400的各传感器节点发送两个无线电波和自身的测量数据；

后一备用传感器网络400的各传感器节点用于将接收到的前一备用传感器网络400发送的测量数据、两个无线电波和自身的测量数据，发送至其后一备用传感器网络400的各传感器节点，直至最后一个备用传感器网络400的各传感器节点将接收到的前一备用传感器网络400发送的测量数据、两个无线电波和自身的测量数据返回至基准传感器网络200的各传感器节点；每个传感器节点发送两个无线电波的时刻相同；

基准传感器网络200的各传感器节点用于将自身的测量数据和备用传感器网络400的各传感器节点的测量数据发送给服务器100；

服务器100还用于根据基准传感器网络200的测量数据和备用传感器网络400的测量数据，判断基准传感器网络200的设置区域是否稳定。

优选地，距离计算单元121，还用于根据第一个备用传感器网络400的当前传感器节点的测量数据，计算得到当前传感器节点与基准传感器网络200的各传感器节点的距离；

坐标计算单元122，还用根据第一个备用传感器网络400的当前传感器节点与基准传感器网络200的各传感器节点的距离和基准传感器网络200的各传感器节点的初始三维坐标，计算得到当前传感器节点的三维坐标。

优选地，基准传感器网络200的各传感器节点用于发送频率不同的两个无线电波给第一个监测传感器网络300的各传感器节点；

第一个监测传感器网络300的各传感器节点用于向后一监测传感器网络300的各传感器节点发送两个无线电波和自身的测量数据；

后一监测传感器网络300的各传感器节点用于将接收到的前一监测传感器网络300发送的测量数据、两个无线电波和自身的测量数据，发送至其后一监测传感器网络300的各传感器节点，直至最后一个监测传感器网络300的各传感器节点将接收到的前一监测传感器网络300发送的测量数据、两个无线电波和自身的测量数据发送给基准传感器网络200的各传感器节点；每个传感器节点发送两个无线电波的时刻相同。

本实施例中的各个传感器节点和模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。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)

1.一种基坑变形监测方法，其特征在于，包括：

设置若干个传感器网络，所述若干个传感器网络包括一基准传感器网络和多个监测传感器网络，所述基准传感器网络设置在基坑外稳定区域；所述多个监测传感器网络设置在基坑围护体边；所述基准传感器网络和所述监测传感器网络分别包括至少四个传感器节点，所述至少四个传感器节点形成正多面体；

所述基准传感器网络中的每个传感器节点均发送频率不同的两个无线电波给第一个监测传感器网络，所述若干个传感器网络中的其它监测传感器网络依次将自身的测量数据和接收到的测量数据发送给其后的监测传感器网络，直到最后一个监测传感器网络将所有测量数据发送至所述基准传感器网络；所述测量数据为各传感器节点接收到所述两个无线电波的时间点；

服务器接收所述基准传感器网络发送的自身的测量数据和所述所有测量数据，并根据所述所有测量数据获取各监测传感器网络的中心点位置；

所述服务器每间隔预设时间，获取一次各监测传感器网络的中心点位置，根据多次获取的各监测传感器网络的中心点位置，计算得到基坑的变形量。

2.根据权利要求1所述的一种基坑变形监测方法，其特征在于，所述服务器接收基准传感器网络发送的所述所有测量数据，并根据所述所有测量数据获取各监测传感器网络的中心点位置具体包括：

所述服务器获取所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标；

所述服务器根据所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标和所述第一个监测传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述第一个监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标；

所述服务器根据上一监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标和当前监测传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述当前监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标；

所述服务器根据所述监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标，获取所述监测传感器网络的中心点位置。

3.根据权利要求2所述的一种基坑变形监测方法，其特征在于，所述服务器根据所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标和所述第一个监测传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述第一个监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标具体包括：

所述服务器根据所述第一个监测传感器网络的当前传感器节点的测量数据，计算得到当前传感器节点与所述基准传感器网络的各传感器节点的距离；

所述服务器根据所述第一个监测传感器网络的当前传感器节点与所述基准传感器网络的各传感器节点的距离和所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标，计算得到所述当前传感器节点的三维坐标。

4.根据权利要求2所述的一种基坑变形监测方法，其特征在于，所述服务器根据上一监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标和当前监测传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述当前监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标之后还包括：

所述服务器根据所述基准传感器网络的自身的测量数据和最后一个监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标，计算得到所述基准传感器的各传感器节点的测量三维坐标；

所述服务器根据所述初始三维坐标和所述测量三维坐标之间的差值，对各监测传感器网络的各传感器节点的三维坐标进行三维平差处理；

所述服务器根据所述监测传感器网络中的各传感器节点的三维坐标，获取所述监测传感器网络的中心点位置具体包括：

所述服务器根据三维平差处理后的所述监测传感器网络中的各传感器节点的三维坐标，获取所述监测传感器网络的中心点位置。

5.根据权利要求1所述的一种基坑变形监测方法，其特征在于，还包括：

在基坑外稳定区域设置至少两个备用传感器网络；所述备用传感器网络与所述基准传感器网络结构相同；

所述基准传感器网络的各传感器节点发送频率不同的两个无线电波给第一个备用传感器网络；

所述第一个备用传感器网络的各传感器节点向后一备用传感器网络的各传感器节点发送所述两个无线电波和自身的测量数据；

所述后一备用传感器网络的各传感器节点将接收到的前一备用传感器网络发送的测量数据、所述两个无线电波和自身的测量数据，发送至其后一备用传感器网络的各传感器节点，直至最后一个备用传感器网络的各传感器节点将接收到的前一备用传感器网络发送的测量数据、所述两个无线电波和自身的测量数据返回至所述基准传感器网络的各传感器节点；每个传感器节点发送所述两个无线电波的时刻相同；

所述基准传感器网络的各传感器节点将自身的测量数据和备用传感器网络的各传感器节点的测量数据发送给所述服务器；

所述服务器根据所述基准传感器网络的测量数据和所述备用传感器网络的测量数据，判断所述基准传感器网络的设置区域是否稳定。

6.根据权利要求5所述的一种基坑变形监测方法，其特征在于，所述服务器根据所述基准传感器网络的测量数据和所述备用传感器网络的测量数据，判断所述基准传感器网络的设置区域是否稳定具体包括：

所述服务器获取所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标；

所述服务器根据所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标和所述第一个备用传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述第一个备用传感器网络的各传感器节点的三维坐标；

所述服务器根据上一备用传感器网络的各传感器节点的三维坐标和当前备用传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述当前备用传感器网络的各传感器节点的三维坐标；

所述服务器根据最后一个备用传感器网络中的各传感器节点的三维坐标和所述基准传感器网络中的各传感器节点的测量数据，计算得到所述基准传感器网络中的各传感器节点的测量三维坐标；

所述服务器根据所述初始三维坐标和所述测量三维坐标，判断所述基准传感器网络的设置区域是否稳定。

7.根据权利要求6所述的一种基坑变形监测方法，其特征在于，所述服务器根据所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标和所述第一个备用传感器网络的各传感器节点的测量数据，计算得到所述第一个备用传感器网络的各传感器节点的三维坐标具体包括：

所述服务器根据所述第一个备用传感器网络的当前传感器节点的测量数据，计算得到当前传感器节点与所述基准传感器网络的各传感器节点的距离；

所述服务器根据所述第一个备用传感器网络的当前传感器节点与所述基准传感器网络的各传感器节点的距离和所述基准传感器网络的各传感器节点的初始三维坐标，计算得到所述当前传感器节点的三维坐标。

8.根据权利要求1所述的一种基坑变形监测方法，其特征在于，所述若干个传感器网络中的基准传感器网络的各传感器节点发送频率不同的两个无线电波给第一个监测传感器网络，所述若干个传感器网络中的其它监测传感器网络依次将自身的测量数据和接收到的测量数据发送给其后的监测传感器网络，直到最后一个监测传感器网络将所有测量数据发送至所述基准传感器网络具体包括：

所述基准传感器网络的各传感器节点发送频率不同的两个无线电波给第一个监测传感器网络的各传感器节点；

所述第一个监测传感器网络的各传感器节点向后一监测传感器网络的各传感器节点发送所述两个无线电波和自身的测量数据；

所述后一监测传感器网络的各传感器节点将接收到的前一监测传感器网络发送的测量数据、所述两个无线电波和自身的测量数据，发送至其后一监测传感器网络的各传感器节点，直至最后一个监测传感器网络的各传感器节点将接收到的前一监测传感器网络发送的测量数据、所述两个无线电波和自身的测量数据发送给所述基准传感器网络的各传感器节点；每个传感器节点发送所述两个无线电波的时刻相同。

9.一种基坑变形监测系统，其特征在于，包括若干个传感器网络和服务器；

所述若干个传感器网络包括一基准传感器网络和多个监测传感器网络，所述基准传感器网络设置在基坑外稳定区域；所述多个监测传感器网络设置在基坑围护体边；所述基准传感器网络和所述监测传感器网络分别包括至少四个传感器节点，所述至少四个传感器节点形成正多面体；

所述若干个传感器网络中的基准传感器网络的各传感器节点用于发送频率不同的两个无线电波给第一个监测传感器网络；

所述若干个传感器网络中的其它监测传感器网络用于依次将自身的测量数据和接收到的测量数据发送给其后的监测传感器网络，直到最后一个监测传感器网络将所有测量数据发送至所述基准传感器网络；所述测量数据为各传感器节点接收到所述两个无线电波的时间点；

所述服务器用于接收所述基准传感器网络发送的自身的测量数据和所述所有测量数据，并根据所述所有测量数据获取各监测传感器网络的中心点位置；

所述服务器还用于每间隔预设时间，获取一次各监测传感器网络的中心点位置，根据多次获取的各监测传感器网络的中心点位置，计算得到基坑的变形量。

10.根据权利要求9所述的一种基坑变形监测系统，其特征在于，还包括至少两个备用传感器网络；

至少两个所述备用传感器网络设置在基坑外稳定区域；所述备用传感器网络与所述基准传感器网络结构相同；

所述基准传感器网络的各传感器节点用于发送频率不同的两个无线电波给第一个备用传感器网络；

所述第一个备用传感器网络的各传感器节点用于向后一备用传感器网络的各传感器节点发送所述两个无线电波和自身的测量数据；

所述后一备用传感器网络的各传感器节点用于将接收到的前一备用传感器网络发送的测量数据、所述两个无线电波和自身的测量数据，发送至其后一备用传感器网络的各传感器节点，直至最后一个备用传感器网络的各传感器节点将接收到的前一备用传感器网络发送的测量数据、所述两个无线电波和自身的测量数据返回至所述基准传感器网络的各传感器节点；每个传感器节点发送所述两个无线电波的时刻相同；

所述基准传感器网络的各传感器节点用于将自身的测量数据和备用传感器网络的各传感器节点的测量数据发送给所述服务器；

所述服务器还用于根据所述基准传感器网络的测量数据和所述备用传感器网络的测量数据，判断所述基准传感器网络的设置区域是否稳定。

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