CN111894054A - 基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控系统和方法，属于土方开挖领域，检测单元为多个激光测距仪，多个激光测距仪均匀架设在开挖基坑的冠梁侧面或支撑梁下方，每个激光测距仪内部封装有第一无线传输模块；激光测距仪，用于获取某个区段某个时刻的土方开挖基础信息，并通过第一无线数据传输模块将土方开挖基础信息反馈到监控单元，同时通过第一无线数据传输模块接收监控单元的远程控制指令，执行主动/被动控制命令；监控单元包括第二无线数据传输模块、数据处理分析模块、组网控制模块、监测数据展示模块、监测数据存储模块和监测预警模块。本发明获取土方开挖状态的速度快、数据处理难度低、应用成本低。

Description

基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控系统和方法

技术领域

本发明属于土方开挖领域，具体涉及一种基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控系统和方法。

背景技术

随着建筑物地下空间的开发程度越来越高，深基坑的深度越来越大，其安全性也成为各方关注的焦点。基坑工程安全性主要有两大组成部分：1、基坑支护体系的安全性，主要是支护体系本身是否能承受全过程荷载作用，保证施工期间基坑不发生垮塌等事故；2、基坑邻近已有重要结构的安全性，当深基坑邻近地面道路、建筑物、地下城市轨道交通，基坑设计、施工不当会显著影响周边结构安全，进而引发大量的社会问题。

引发基坑工程安全问题最主要的因素就是基坑土方开挖时机或位置不当。在传统的基坑工程施工管理中，虽然采用了多种的监测设备，每天人工或自动化设备监测采集基坑支护及周边结构物安全监测点的数据值进行反馈分析，但对引发基坑工程安全问题的最主要因素：土方开挖，却没有任何监测或量化数据。

长期以来，土方开挖由施工单位管理，监测信息由监测单位提供，存在两家单位信息不能完全集成或集成的一致性不够的问题。当基坑安全问题出现后，各自负责的土方开挖信息和监测信息存在不能整合到一起，往往追溯问题源头时，存在信息一致性差，无法开展分析的问题。此外，土方开挖过程往往在夜间开展，施工单位人员无法准确测量某个时刻某个位置的土方开挖状态信息。

激光测距技术主要分为相位法测距和脉冲法测距：脉冲式激光测距仪是在工作时向目标射出一束或一序列短暂的脉冲激光束，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离；相位法激光测距仪是利用检测发射光和反射光在空间中传播时发生的相位差来检测距离的。在工程领域最常见的是手持或固定式激光测距仪，可以直接在数秒内得到发射点到目标物的距离。

因此，本申请提出一种基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控系统和方法。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控系统和方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控系统，包括检测单元和监控单元；

所述检测单元为多个激光测距仪，多个所述激光测距仪均匀架设在开挖基坑的冠梁侧面或支撑梁下方，每个所述激光测距仪内部封装有第一无线传输模块；

所述激光测距仪，用于获取某个区段某个时刻的土方开挖基础信息，并通过所述第一无线数据传输模块将土方开挖基础信息反馈到所述监控单元，同时通过所述第一无线数据传输模块接所述收监控单元的远程控制指令，执行主动/被动控制命令；

所述监控单元包括第二无线数据传输模块、数据处理分析模块、组网控制模块、监测数据展示模块、监测数据存储模块和监测预警模块；

所述第二无线数据传输模块，与所述第一无线数据传输模块通过无线信号通信连接，用于接收所述第一无线数据传输模块发送的土方开挖基础信息并将其传输到所述数据处理分析模块和监测数据展示模块，发出组网控制模块的主动/被动控制指令；

所述组网控制模块，用于处理激光测距仪组网的被动控制规则和主动控制命令，通过第二无线数据传输模块，控制激光测距仪组网；

所述数据处理分析模块，基于所述土方开挖基础信息，换算得到对应位置的土方标高，并对处理后的数据进行分析，形成图形模式进行展示，得到基坑开挖情况；

所述监测数据展示模块，利用BIM技术三维视角全局化了解项目的变形情况，对BIM模型构建实现编码化，与监测点的土方开挖基础信息实现关联，通过监测信息驱动模型构件的颜色变化；

所述监测数据存储模块，将集成原始文件和分析后的数据文件，分门别类的存储于硬件服务器或云服务器；

所述监测预警模块，当场地内某个监测点达到预警条件时，根据等级情况实施平台派发预警信息。

优选地，所述图形包含：土方开挖面等高线图、土方开挖时程曲线、多角度分析图、土方开挖与其他监测项目叠加图。

优选地，所述土方开挖基础信息包含：测距仪坐标、激光探头角度、探头至土方开挖面距离。

本发明的另一目的在于提供一种基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控系统的监控方法，包括以下步骤：

步骤1、基于开挖基坑的冠梁或支撑梁布置情况，及所述激光测距仪性能、土方监控信息密度需求、基坑设计情况，进行激光测距仪组网设计，在满足土方开挖状态信息密度的情况下，优化组网设备布置和数量，将多个所述激光测距仪均匀架设在开挖基坑的冠梁侧面或支撑梁下方，完成激光测距仪设备安装，自此检测单元安装完成；

步骤2、进行检测单元供电，构建检测单元与监控单元之间的数据传输网络，设置激光测距仪探头方位的被动控制规则；

步骤3、将所述激光测距仪探头对准需要量测的土体开挖面，获取探头观测方位及对应距离数值；对组网中的每个激光测距仪单元，每次测量得到一组测距仪坐标、测距仪探头方位、实测距离组成的基础数据，并将某个区段某个时刻的土方开挖基础信息直接通过所述第一无线数据传输模块反馈到监控单元；

步骤4、所述第二无线数据传输模块接收所述第一无线数据传输模块获得的土方开挖基础信息并将其传输到所述数据处理分析模块；

步骤5、所述数据处理分析模块基于所述土方开挖基础信息，换算得到对应位置的土方标高，并对处理后的数据进行分析，形成图形模式展示，得到基坑开挖情况；

步骤6、所述组网控制模块根据数据处理分析模块的分析结果，基于被动控制规则，给出激光测距仪动作指令，通过第二无线传输模块控制检测单元，进行误差修正；当工作人员对局部位置土方开挖监测状态出现疑问时，通过所述组网控制模块主动发出动作指令，通过第二无线传输模块传输到检测单元，对怀疑位置主动进行土方开挖数据收集；

步骤7、所述监测数据展示模块利用BIM技术三维视角全局化了解项目的变形情况，对BIM模型构建实现编码化，与监测点的土方开挖基础信息实现关联，通过监测信息驱动模型构件的颜色变化；

步骤8、所述监测数据存储模块将集成原始文件和分析后的数据文件，分门别类的存储于硬件服务器或云服务器；

步骤9、当场地内某个监测点达到预警条件时，所述监测预警模块根据等级情况实施平台派发预警信息。

本发明提供的基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控系统具有以下有益效果：

1、在土方开挖范围内组网布置激光测距仪，通过对激光测距仪坐标、测量角度及测得距离的简单数据处理，高效获得开挖土方面标高情况，进而得到土方开挖信息，填补了传统基坑安全监测中土方开挖信息的缺失；较三维激光扫描技术基础设备及技术更为成熟，获取土方开挖状态的速度快、数据处理难度低、应用成本低；

2、可以基于不同性能的激光测距仪、不同的土方监控信息密度需求，通过科学的组网设计，在满足土方开挖状态信息密度的情况下，实现组网设备数量优化。组网内设备可设置被动控制规则进行误差修正，可设置主动控制规则对怀疑位置进行补充量测；

3、可以全时全域作业，监控土方开挖状态，时间空间限制很少，解决了夜间土方开挖监控难题；

4、将其应用于监测平台即集成了土方开挖信息和基坑常规安全监测信息，可解决土方开挖信息和传统基坑安全监测信息不统一的问题，可以提高项目管理质量，为基坑本身和周边结构安全问题溯源、大数据分析与挖掘提供有效支撑；

5、通过开挖基坑的冠梁或支撑梁架设激光测距仪，无需再设置支撑结构来放置测距仪；

6、除了基坑工程，本发明亦可应用于明挖隧道、市政工程、矿山施工等大量存在土方开挖作业的工程场景。

附图说明

图1为本发明实施例1的基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控系统的结构示意图(激光测距仪位于支撑梁下方)；

图2为本发明实施例1的基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控系统的结构示意图(激光测距仪位于冠梁侧面)；

图3为激光测距仪被动控制示意图。

附图标记说明：

激光测距仪1、冠梁2、支撑梁3、监控单元4，支架5。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供了一种基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控系统，具体如图1和图2所示，包括检测单元和监控单元4；

检测单元为多个激光测距仪1，多个激光测距仪1均匀架设在开挖基坑的冠梁2侧面(如图2所示，具体为通过支架5架设在冠梁2侧面)或支撑梁3(如图1所示)下方，每个激光测距仪1内部封装有第一无线传输模块；

激光测距仪1，用于获取某个区段某个时刻的土方开挖基础信息，并通过第一无线数据传输模块将土方开挖基础信息反馈到监控单元4，同时通过第一无线数据传输模块接收监控单元4的远程控制指令，执行主动/被动控制命令；本实施例中，土方开挖基础信息包含：测距仪坐标、激光探头角度、探头至土方开挖面距离等；

监控单元4包括第二无线数据传输模块、数据处理分析模块、组网控制模块、监测数据展示模块、监测数据存储模块和监测预警模块；

第二无线数据传输模块，与第一无线数据传输模块通过无线信号通信连接，用于接收第一无线数据传输模块发送的土方开挖基础信息并将其传输到数据处理分析模块和监测数据展示模块，发出组网控制模块的主动/被动控制指令；

组网控制模块，用于处理激光测距仪1组网的被动控制规则和主动控制命令，通过第二无线数据传输模块，控制激光测距仪1组网；这里的组网指的是多个激光测距仪形成统一的控制、数据反馈网络，网络内收集数据到监控平台端，也可通过平台向个别激光测距仪发出控制指令。其中：

主动控制：通过控制网络主动控制探头方位，主动获得怀疑位置的土方开挖情况；主动控制命令是工作人员在监控平台中主动发出的；

被动控制：如图3所示，由于随着土方开挖，若激光探头探测方位不变，预先设定的土方开挖面监测点平面坐标将逐渐发生移动，导致监控网络误差增大；被动控制通过开挖过程中不断修正激光探测方位，使观测位置平面坐标保持在误差范围内，保证土方开挖监控点平面坐标正确性；

亦可设置其他主动、被动控制规则，实现相应监控目标。

数据处理分析模块，基于土方开挖基础信息，换算得到对应位置的土方标高，并对处理后的数据进行分析，形成图形模式进行展示，得到基坑开挖情况；本实施例中，图形包含：土方开挖面等高线图、土方开挖时程曲线、多角度分析图、土方开挖与其他监测项目叠加图等；

监测数据展示模块，利用BIM技术三维视角全局化了解项目的变形情况，对BIM模型构建实现编码化，与监测点的土方开挖基础信息实现关联，通过监测信息驱动模型构件的颜色变化；

监测数据存储模块，将集成原始文件和分析后的数据文件，分门别类的存储于硬件服务器或云服务器；

监测预警模块，当场地内某个监测点达到预警条件时，根据等级情况实施平台派发预警信息。

基于以上监控系统，本实施例还提供一种基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控监控方法，包括以下步骤：

包括以下步骤：

步骤1、基于开挖基坑的冠梁2或支撑梁3布置情况，及激光测距仪1性能(测量距离/精度、探头活动范围)、土方监控信息密度需求(监控点密度)、基坑设计情况(支撑布置、深度)，进行激光测距仪1组网设计，在满足土方开挖状态信息密度的情况下，优化组网设备布置和数量，将多个激光测距仪1均匀架设在开挖基坑的冠梁2侧面(如图2所示，沿着基坑围沿结构的顶面都设有冠梁，这种不是方式主要是针对基坑内部支撑梁较少或没有的情况)、或支撑梁3下方(如图1所示，支撑梁3架设在基坑上方)，激光探头外伸30～50cm，完成激光测距仪1设备安装，自此检测单元安装完成；

步骤2、进行检测单元供电，构建检测单元与监控单元4之间的数据传输网络，设置激光测距仪1探头方位的被动控制规则；

其中，组网控制分为被动控制及主动控制两大部分，以组网控制模块体现在监控单元中；

步骤3、将激光测距仪1探头对准需要量测的土体开挖面，获取探头观测方位及对应距离数值；对组网中的每个激光测距仪1单元，每次测量得到一组测距仪坐标、测距仪探头方位、实测距离组成的基础数据，并将某个区段某个时刻的土方开挖基础信息直接通过第一无线数据传输模块反馈到监控单元4；

步骤4、第二无线数据传输模块接收第一无线数据传输模块获得的土方开挖基础信息并将其传输到数据处理分析模块；

步骤5、数据处理分析模块基于土方开挖基础信息，换算得到对应位置的土方标高，并对处理后的数据进行分析，形成图形模式展示，得到基坑开挖情况；传统基坑监测数据分析中需要根据不同的监测项目分类整理，处理后的数据进行分析后整理成图表模式，本实施例中图形包含：土方开挖面等高线图、土方开挖时程曲线、多角度分析图、土方开挖与其他监测项目叠加图等；

步骤6、随着土方开挖进行，组网控制模块根据数据处理分析模块的分析结果，基于被动控制规则，给出激光测距仪1动作指令，通过第二无线传输模块控制检测单元，进行误差修正；当工作人员对局部位置土方开挖监测状态出现疑问时，通过组网控制模块主动发出动作指令，通过第二无线传输模块传输到检测单元，对怀疑位置主动进行土方开挖数据收集；其中：

怀疑位置：1、工程推进过程中，土方开挖作业强度高、标高变化显著、原有设备不能完全满足土方开挖状态表达需求的位置；2、监测设备数据存在异常、需要其他监测设备进行量测复核的位置；

步骤7、监测数据展示模块利用BIM技术三维视角全局化了解项目的变形情况，对BIM模型构建实现编码化，与监测点的土方开挖基础信息实现关联，通过监测信息驱动模型构件的颜色变化；例如：在基坑、地铁变形安全预警范围内监测点所关联的构件为绿色；当监测点数值达到预警状态时，可根据预警等级分别展示为“黄橙红”三色，其中黄色为初级预警、橙色为二级预警、红色三级预警(最高等级)；通过鼠标点选BIM模型构件可以轻易的浏览到数据分析模块得到的相关图表；

步骤8、监测数据存储模块将集成原始文件和分析后的数据文件，分门别类的存储于硬件服务器或云服务器，方便有关人员对数据加工和再挖掘分析；

步骤9、当场地内某个监测点达到预警条件时，监测预警模块根据等级情况实施平台派发预警信息。

本实施例提供的激光测距技术与现有的基坑开挖状态监控中用到的三维激光扫描技术相比，有以下不同：1、采集设备不同，三维激光扫描设备属于高精度设备，购买及使用成本更高，操作难度更大；多点激光测距仪属于常用设备，价格相对低廉，技术成熟。2、布置方式不同，三维激光扫描设备由于单价高，常固定在某几个点位实现基坑内土方深度搜索，当面临多道支撑结构的基坑工程，其相对固定的三维激光仪实现容易受到支撑结构的遮挡，导致无法测量坑内土方；而无线激光仪由于价格低廉，可在土方开挖前布置于关键点位大量组网，不受基坑内部结构影响。3、数据处理难度不同，三激光扫描过程发散式发出激光点云，其数据不能直接得到基坑土方开挖深度，需要高性能工作站经过大量算法的二次处理，不具备即时反馈的能力；而无线多点激光测距技术直接将激光测头竖向布置，通过激光测距仪等设备能在数秒内直接得到所需距离，原理简单、技术成熟，即时性强。4、数据产出不同，三维激光扫描目标则是扫描区域内各目标点坐标，激光测距方法主要产出各个观测点位与土方开挖面的距离。

本申请提供的激光测距技术在基坑土方开挖状态监控中，采用激光测距仪组网的方法虽无法达到三维激光扫描的数据密度，但将其组网布置于关键点位，可以快速、便捷、低成本形成土方开挖监控网，也不易受支撑结构遮挡，产出成果亦可满足土方监测需求，具有推广应用的场景和价值。通过激光测距仪组网可以全时全域获得土方开挖状态基础数据，经过监控单元处理获得基坑土方开挖状态。监控单元设置在检测平台中，平台还将集成传统基坑安全监测信息，基于BIM技术进行数据分析、展示、预警、查取，从而实现基坑土方开挖状态的监控目的。经过监控单元处理获得基坑土方开挖状态。平台还将集成传统基坑安全监测信息，基于BIM技术进行数据分析、展示、预警、查取，从而实现基坑土方开挖状态的监控目的。

以上实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控系统，其特征在于，包括检测单元和监控单元(4)；

所述检测单元为多个激光测距仪(1)，多个所述激光测距仪(1)均匀架设在开挖基坑的冠梁(2)侧面或支撑梁(3)下方，每个所述激光测距仪(1)内部封装有第一无线传输模块；

所述激光测距仪(1)，用于获取某个区段某个时刻的土方开挖基础信息，并通过所述第一无线数据传输模块将土方开挖基础信息反馈到所述监控单元(4)，同时通过所述第一无线数据传输模块接所述收监控单元(4)的远程控制指令，执行主动/被动控制命令；

所述监控单元(4)包括第二无线数据传输模块、数据处理分析模块、组网控制模块、监测数据展示模块、监测数据存储模块和监测预警模块；

所述第二无线数据传输模块，与所述第一无线数据传输模块通过无线信号通信连接，用于接收所述第一无线数据传输模块发送的土方开挖基础信息并将其传输到所述数据处理分析模块和监测数据展示模块，发出组网控制模块的主动/被动控制指令；

所述组网控制模块，用于处理激光测距仪(1)组网的被动控制规则和主动控制命令，通过第二无线数据传输模块，控制激光测距仪(1)组网；

所述数据处理分析模块，基于所述土方开挖基础信息，换算得到对应位置的土方标高，并对处理后的数据进行分析，形成图形模式进行展示，得到基坑开挖情况；

所述监测数据展示模块，利用BIM技术三维视角全局化了解项目的变形情况，对BIM模型构建实现编码化，与监测点的土方开挖基础信息实现关联，通过监测信息驱动模型构件的颜色变化；

所述监测数据存储模块，将集成原始文件和分析后的数据文件，分门别类的存储于硬件服务器或云服务器；

所述监测预警模块，当场地内某个监测点达到预警条件时，根据等级情况实施平台派发预警信息。

2.根据权利要求1所述的基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控系统，其特征在于，所述图形包含：土方开挖面等高线图、土方开挖时程曲线、多角度分析图、土方开挖与其他监测项目叠加图。

3.根据权利要求2所述的基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控系统，其特征在于，所述土方开挖基础信息包含：测距仪坐标、激光探头角度、探头至土方开挖面距离。

4.权利要求1至3任一项所述的根据权利要求1所述的基于激光测距仪组网的基坑开挖状态监控系统的监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、基于开挖基坑的冠梁(2)或支撑梁(3)布置情况，及所述激光测距仪(1)性能、土方监控信息密度需求、基坑设计情况，进行激光测距仪(1)组网设计，在满足土方开挖状态信息密度的情况下，优化组网设备布置和数量，将多个所述激光测距仪(1)均匀架设在开挖基坑的冠梁(2)侧面或支撑梁(3)下方，完成激光测距仪(1)设备安装，自此检测单元安装完成；

步骤2、进行检测单元供电，构建检测单元与监控单元(4)之间的数据传输网络，设置激光测距仪(1)探头方位的被动控制规则；

步骤3、将所述激光测距仪(1)探头对准需要量测的土体开挖面，获取探头观测方位及对应距离数值；对组网中的每个激光测距仪(1)单元，每次测量得到一组测距仪坐标、测距仪探头方位、实测距离组成的基础数据，并将某个区段某个时刻的土方开挖基础信息直接通过所述第一无线数据传输模块反馈到监控单元(4)；

步骤4、所述第二无线数据传输模块接收所述第一无线数据传输模块获得的土方开挖基础信息并将其传输到所述数据处理分析模块；

步骤5、所述数据处理分析模块基于所述土方开挖基础信息，换算得到对应位置的土方标高，并对处理后的数据进行分析，形成图形模式展示，得到基坑开挖情况；

步骤6、所述组网控制模块根据数据处理分析模块的分析结果，基于被动控制规则，给出激光测距仪(1)动作指令，通过第二无线传输模块控制检测单元，进行误差修正；当工作人员对局部位置土方开挖监测状态出现疑问时，通过所述组网控制模块主动发出动作指令，通过第二无线传输模块传输到检测单元，对怀疑位置主动进行土方开挖数据收集；

步骤7、所述监测数据展示模块利用BIM技术三维视角全局化了解项目的变形情况，对BIM模型构建实现编码化，与监测点的土方开挖基础信息实现关联，通过监测信息驱动模型构件的颜色变化；

步骤8、所述监测数据存储模块将集成原始文件和分析后的数据文件，分门别类的存储于硬件服务器或云服务器；

步骤9、当场地内某个监测点达到预警条件时，所述监测预警模块根据等级情况实施平台派发预警信息。

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