CN112502162B - 一种地铁车站深基坑钢支撑架设及时性预警系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地铁车站深基坑钢支撑架设及时性预警系统及方法，属于深基坑施工智能监测领域。该系统包括数字模型建模模块、数字模型库、钢支撑架设及时性预警模块；专用于实现地铁深基坑开挖过程中，通过现场数据采集，生成数字模型，自动判断土层开挖深度、钢支撑架设及时性，对钢支撑的架设进行安全预警。本发明通过自动化的检测方法，为深基坑施工安全提供有效保障，并形象反映深基坑施工进度。

Description

一种地铁车站深基坑钢支撑架设及时性预警系统及方法
技术领域
本发明属于深基坑施工智能监测领域，更具体地，涉及一种地铁车站深基坑钢支撑架设及时性预警系统及方法。
背景技术
随着城市轨道交通的建设规模不断发展，地下工程的建设特别是深基坑施工过程中面临着各种问题和威胁。在深基坑开挖过程中，应遵循“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的原则。但是在具体的施工过程中，存在着未及时架设钢支撑的情况。通常情况下，现有的安全防患工作主要通过工作人员以现场巡查或视频监控巡查的方式来对深基坑钢支撑架设进行人工监控，这些方法都需要安排一定的人员定期的进行巡查，不能全天候无人值守，且无法获取具体的工程形象进度资料，因此仍容易存在疏漏。
因此，亟需一种既可以监控深基坑开挖过程中钢支撑架设，又可以获取深基坑施工的形象进度，满足自动化监控的新型钢支撑自动识别与预警方法。
发明内容
针对现有方法的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种地铁车站深基坑钢支撑架设及时性预警系统及方法，其目的在于，通过架设基坑摄像头阵列，周期性采集基坑施工信息，通过生成实景点云模型，以及实景点云算法判断基坑土层开挖深度，根据土层开挖深度判断是否需要架设钢支撑，针对不及时的钢支撑架设行为进行预警，在钢支撑架设进行过程中，判断钢支撑是否在规定时间内全部完成架设，针对未在规定时间内完成全部钢支撑架设的行为进行预警，并根据实际监控情况和3D BIM设计模型，生成反映形象进度的4DBIM进度模型，从而有助于实现针对地铁深基坑钢支撑的架设进行自动化的监控和预警，及时反映基坑进度信息。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种地铁车站深基坑钢支撑架设及时性预警系统，包括数字模型建模模块、数字模型库和钢支撑架设及时性预警模块；
所述数字模型建模模块用于按照预设的时间点根据采集的深基坑施工现场视频数据进行实景点云模型建模；
所述数字模型库包括数字模型储存模块、自动化检测算法模块和进度模型更新模块；其中，
数字模型储存模块用于储存不同时期所建立的的实景点云模型；
自动化检测算法模块包括：点云变化检测算法子模块，用于通过比较不同时间的实景点云模型差异，获取土层开挖深度；点云模型聚类算法子模块，用于在不同时间的实景点云模型中进行钢支撑的三维立体识别，从而通过在预设时间是否能够识别到钢支撑的三维立体模型，判断钢支撑的架设是否及时；
进度模型更新模块，用于按照如下方法进行进度模型更新：在深基坑的3D BIM设计模型的基础上，若自动化检测算法模块检测出施工现场钢支撑已架设完成，则在3D BIM设计模型中将其标记为已架设状态，并在3D BIM设计模型中添加进度信息，由此生成4DBIM进度模型；
所述钢支撑架设及时性预警模块，用于在点云变化检测算法子模块检测到土层开挖至设计深度时，开启钢支撑架设及时性预警，并在预警功能开启后调用自动化检测算法模块判断钢支撑是否架设及时，针对未及时架设的情况采取预设的相应预警处理。
为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了采用如前所述的一种地铁车站深基坑钢支撑架设及时性预警系统进行钢支撑架设及时性预警的方法，在施工现场便于取景的安全部位分布式布置多个摄像头，从而获取现场全面无遮挡的钢支撑架设的实景点云模型，同时获取每个摄像头安装的坐标点点位；其中，进行钢支撑架设及时性预警的方法如下：
(1)按照预设的实景点云模型收集频率，每进行一次数据收集，就将所生成的反映土方情况的实景点云模型与BIM模型进行比较，判断土层深度是否达到架设钢支撑的要求；
(2)若挖到指定土层深度后，在一次数据收集周期内未检测出数量大于1的钢支撑，则判定为未及时进行钢支撑架设工作，上报未及时进行钢支撑架设的预警信息，提醒施工方及时进行钢支撑架设；
(3)若挖到指定土层深度后，在一次数据收集周期内检测出数量大于1的钢支撑，则判定为已经开始钢支撑架设工作，则继续进行数据采集；每进行一次数据采集，就将所生成的反映钢支撑架设情况的实景点云模型与BIM模型进行比较，检测该层所有钢支撑是否在规定时间内架设完毕，架设完毕的判断标准为实景点云模型中的所有钢支撑模型均与BIM模型匹配一致；若在规定时间内检测出未将所有钢支撑架设完毕，则上报未及时完成钢支撑架设的预警信息，提醒施工方及时完成钢支撑架设；若在规定时间内检测出所有钢支撑架设完毕，则添加钢支撑进度信息，更新进度模型，并结束该层监控，开始下一层监控。
进一步地，步骤(1)中，根据土层开挖进度调整数据采集频率。
进一步地，数据采集频率包括土层开挖期数据采集频率和钢支撑架设期数据采集频率，其中，钢支撑架设期数据采集频率大于土层开挖期数据采集频率；当土层开挖至指定深度的预定进度时，数据采集频率由土层开挖期数据采集频率切换为钢支撑架设期数据采集频率；同时，一旦土层开挖至指定深度，此时开始进行钢支撑架设及时性预警；当前层所有钢支撑全部架设完毕后，数据采集频率切换为土层开挖期数据采集频率。
进一步地，摄像头的布设应根据基坑的开挖进行及时的调整，具体包括如下步骤：
(a)每一层摄像头阵列监测下方两层钢支撑，其中：第一层摄像头阵列在第一层钢支撑所在土层开挖前进行布设；第二层摄像头阵列在第二层钢支撑架设完毕到第三层土层开挖前进行布设，如此设置直至最后一层；每个阵列分为平行于钢支撑的两个截面和垂直于钢支撑的两个截面，共组成四个截面用于监测；
(b)在平行于钢支撑的前后两个断面上，平行于钢支撑的首尾两端均布设摄像头，且在中间部位摄像头的取景范围覆盖整个钢支撑；
(c)在垂直于钢支撑的左右两个断面上，采用之字形布设方式，在第一个和第二个钢支撑间的右侧或左侧架设摄像头，在第二个和第三个钢支撑间的左侧或右侧架设摄像头，如此设置直至最后两个钢支撑。
为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如前任一项所述的方法。
为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种地铁车站深基坑钢支撑架设及时性预警系统，包括如前所述的计算机可读存储介质以及处理器，处理器用于调用和处理计算机可读存储介质中存储的计算机程序。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得如下有益效果：
1.本发明通过建立数字模型建模模块，采用摄像头阵列的方式采集基坑数据，建立数字模型，通过建立钢支撑架设及时性预警模块中的实景点云算法，判断深基坑土层开挖深度，在需要架设钢支撑的情况下判断钢支撑架设是否及时、判断所有钢支撑是否在规定时间内完成架设，针对架设不及时的问题，及时进行预警处理，防止发生因钢支撑架设不及时所导致的安全事故。
2.本发明通过采集到的进度信息，再结合3D BIM设计模型，能够生成带有进度信息的4D BIM进度模型，由此生成的进度模型可为后期施工方案讨论、工程施工情况存档、工程款支付、施工成果展示等提供具体凭证。
附图说明
图1是本发明优选实施例的系统架构图；
图2是本发明优选实施例的监控流程图；
图3是本发明优选实施例的摄像头架设示意图；
图4是本发明优选实施例的监测要求示意图；
图5是本发明优选实施例的预警流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、图2所示，本发明优选的一种地铁车站深基坑钢支撑架设及时性预警系统，包括数字模型建模模块、数字模型库和钢支撑架设及时性预警模块；所述数字模型建模模块用于按照预设的时间点根据采集的深基坑施工现场视频数据进行实景点云模型建模；所述数字模型库包括数字模型储存模块、自动化检测算法模块和进度模型更新模块。
其中：
数字模型储存模块用于储存不同时期所建立的的实景点云模型；
自动化检测算法模块包括：点云变化检测算法子模块，用于通过比较不同时间的实景点云模型差异，获取土层开挖深度；点云模型聚类算法子模块，用于在不同时间的实景点云模型中进行钢支撑的三维立体识别，从而通过在预设时间是否能够识别到钢支撑的三维立体模型，判断钢支撑的架设是否及时。
进度模型更新模块，用于按照如下方法进行进度模型更新：在深基坑的3D BIM设计模型的基础上，若自动化检测算法模块检测出施工现场钢支撑已架设完成，则在3D BIM设计模型中将其标记为已架设状态，并在3D BIM设计模型中添加进度信息，由此生成4DBIM进度模型。
所述钢支撑架设及时性预警模块，用于在点云变化检测算法子模块检测到土层开挖至设计深度时，开启钢支撑架设及时性预警，并在预警功能开启后调用自动化检测算法模块判断钢支撑是否架设及时，针对未及时架设的情况采取预设的相应预警处理。
优选地。上述地铁车站深基坑钢支撑架设及时性预警系统进行钢支撑架设及时性预警的方法，是通过在施工现场便于取景的安全部位分布式布置多个摄像头，从而获取现场全面无遮挡的钢支撑架设的实景点云模型，同时获取每个摄像头安装的坐标点点位；其中，进行钢支撑架设及时性预警的方法如下：
(1)按照预设的实景点云模型收集频率，每进行一次数据收集，就将所生成的反映土方情况的实景点云模型与BIM模型进行比较，判断土层深度是否达到架设钢支撑的要求；
(2)若挖到指定土层深度后，在一次数据收集周期内未检测出数量大于1的钢支撑，则判定为未及时进行钢支撑架设工作，上报未及时进行钢支撑架设的预警信息，提醒施工方及时进行钢支撑架设；
(3)若挖到指定土层深度后，在一次数据收集周期内检测出数量大于1的钢支撑，则判定为已经开始钢支撑架设工作，则继续进行数据采集；每进行一次数据采集，就将所生成的反映钢支撑架设情况的实景点云模型与BIM模型进行比较，检测该层所有钢支撑是否在规定时间内架设完毕，架设完毕的判断标准为实景点云模型中的所有钢支撑模型均与BIM模型匹配一致；若在规定时间内检测出未将所有钢支撑架设完毕，则上报未及时完成钢支撑架设的预警信息，提醒施工方及时完成钢支撑架设；若在规定时间内检测出所有钢支撑架设完毕，则添加钢支撑进度信息，更新进度模型，并结束该层监控，开始下一层监控。
优选地，步骤(1)中，根据土层开挖进度调整数据采集频率。
优选地，数据采集频率包括土层开挖期数据采集频率和钢支撑架设期数据采集频率，其中，钢支撑架设期数据采集频率大于土层开挖期数据采集频率；当土层开挖至指定深度的预定进度时，数据采集频率由土层开挖期数据采集频率切换为钢支撑架设期数据采集频率；同时，一旦土层开挖至指定深度，此时开始进行钢支撑架设及时性预警；当前层所有钢支撑全部架设完毕后，数据采集频率切换为土层开挖期数据采集频率。
优选地，摄像头的布设应根据基坑的开挖进行及时的调整，具体包括如下步骤：
(a)每一层摄像头阵列监测下方两层钢支撑，其中：第一层摄像头阵列在第一层钢支撑所在土层开挖前进行布设；第二层摄像头阵列在第二层钢支撑架设完毕到第三层土层开挖前进行布设，如此设置直至最后一层；每个阵列分为平行于钢支撑的两个截面和垂直于钢支撑的两个截面，共组成四个截面用于监测；
(b)在平行于钢支撑的前后两个断面上，平行于钢支撑的首尾两端均布设摄像头，且在中间部位摄像头的取景范围覆盖整个钢支撑；
(c)在垂直于钢支撑的左右两个断面上，采用之字形布设方式，在第一个和第二个钢支撑间的右侧或左侧架设摄像头，在第二个和第三个钢支撑间的左侧或右侧架设摄像头，如此设置直至最后两个钢支撑。
下面结合一个更为具体的应用实例，对本发明的地铁车站深基坑钢支撑架设及时性预警系统及方法进行更为详细的介绍：
S101，根据设计的钢支撑架设图纸，提前建立包含深基坑和钢支撑的BIM模型，根据建立的BIM模型，根据架设位置要求设计好现场摄像头阵列安装位置：在平行于钢支撑的前后两个断面上，平行于钢支撑的首尾两端必须布设摄像头，中间部位摄像头的取景范围应覆盖整个钢支撑；在垂直于钢支撑的左右两个断面上，采用“之”字形布设方式，在第一个和第二个钢支撑间的右侧(或左侧)架设摄像头，在第二个和第三个钢支撑间的左侧(或右侧)架设摄像头，以此类推，具体要求如图3所示。
S102，根据提前设计的摄像头阵列，进行现场摄像头安装，获取每个摄像头安装的点位坐标，用于生成实景点云模型，并根据现场情况，提前采集现场数据，针对出现的意外情况及时进行调整。
S103，摄像头阵列架设调试完毕，基坑土方开挖前，开启土层监测，监测频率为土层开挖期数据采集频率，采集频率为1天1次。
S104，将采集到的现场实际情况照片，导入数字模型库生成现场的实景模型。土层开挖期每进行一次数据采集，则将土层的实景模型，与BIM模型进行一次比较。比较方法：将BIM模型转换为STL格式，因为STL格式中模型均为点、线和面组成，通过采样技术，将点、线和面进行采样，生成BIM点云模型，再将土层实景点云模型与BIM生成的点云模型，采用八叉树算法，计算其中的不同之处，得出土层开挖的深度信息。
S105，一旦检测出土层开挖深度达到该层需要架设钢支撑深度的80％时，调整数据采集频率为钢支撑架设期数据采集频率，为1次/8h，即一天三次。一旦系统检测到土层开挖至指定深度，此时开始进行钢支撑架设及时性预警。具体要求如图4所示。
S106，在开始钢支撑架设及时性预警时，该项目要求土层挖到指定深度的8小时内开始进行钢支撑的架设。钢支撑架设及时性检测方法：采集的反映钢支撑实际情况的实景点云模型，采用聚类算法，检测是否在实景点云模型中出现数量大于1的钢支撑类，若未检测出数量大于1的钢支撑，则判定为未及时进行钢支撑架设工作，则向工程相关方上报未及时进行钢支撑架设的预警信息，提醒施工方及时进行钢支撑架设。
S107，在检测到钢支撑已经开始架设后，开始检测该层所有支撑是否在规定时间内架设完毕，检测方法为：采集的反映钢支撑实际情况的实景点云模型，与反映钢支撑设计情况的BIM模型进行比较，采用八叉树算法，检测是否在规定时间内完成钢支撑架设。若在规定时间内检测出未将所有钢支撑架设完毕，则向工程相关方上报未及时完成钢支撑架设的预警信息，提醒施工方及时完成钢支撑架设；若在规定时间内检测出所有钢支撑架设完毕，则添加钢支撑进度信息，更新进度模型。预警流程示意图如图5所示。
S108，进度模型更新方法：钢支撑完成架设，则在3D BIM设计模型中将其标记为“已架设”状态，并根据实景点云模型中钢支撑实际架设的位置，调整BIM模型中钢支撑模型的位置，位置调整完毕则进行架设时间信息的添加，通过查看模型即可知道该层钢支撑何时开始架设，并于何时完成架设，为后期施工方案讨论、工程施工情况存档、工程款支付、施工成果展示等提供具体凭证。进度模型更新完毕，储存于数字模型库中。
S109，一层钢支撑架设完毕，及时调整摄像头朝向，用于监测下一层土层开挖情况和钢支撑架设情况。若出现意外情况，则对摄像头的数量以及布设位置进行及时调整，以便获取完整的现场信息。
S110，第二层的钢支撑监测与第一层类似，期间出现的意外情况应及时调整，完成整个土层开挖及架设周期的监测。
S111，在第二层钢支撑架设完毕，完成进度模型的更新后，则在第二层土层的高度附近，安装摄像头阵列，用于监测第三、第四层的钢支撑架设情况，具体监测方法同第一、第二层的方法一样，出现的意外情况及时进行调整。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种地铁车站深基坑钢支撑架设及时性预警系统，其特征在于，包括数字模型建模模块、数字模型库和钢支撑架设及时性预警模块；
所述数字模型建模模块用于按照预设的时间点根据采集的深基坑施工现场视频数据进行实景点云模型建模；
所述数字模型库包括数字模型储存模块、自动化检测算法模块和进度模型更新模块；其中，
数字模型储存模块用于储存不同时期所建立的实景点云模型；
自动化检测算法模块包括：点云变化检测算法子模块，用于通过比较不同时间的实景点云模型差异，获取土层开挖深度；点云模型聚类算法子模块，用于在不同时间的实景点云模型中进行钢支撑的三维立体识别，从而通过在预设时间是否能够识别到钢支撑的三维立体模型，判断钢支撑的架设是否及时；
进度模型更新模块，用于按照如下方法进行进度模型更新：在深基坑的3D BIM设计模型的基础上，若自动化检测算法模块检测出施工现场钢支撑已架设完成，则在3D BIM设计模型中将其标记为已架设状态，并在3DBIM设计模型中添加进度信息，由此生成4D BIM进度模型；
所述钢支撑架设及时性预警模块，用于在点云变化检测算法子模块检测到土层开挖至设计深度时，开启钢支撑架设及时性预警，并在预警功能开启后调用自动化检测算法模块判断钢支撑是否架设及时，针对未及时架设的情况采取预设的相应预警处理。
2.采用权利要求1所述的一种地铁车站深基坑钢支撑架设及时性预警系统进行钢支撑架设及时性预警的方法，其特征在于，在施工现场便于取景的安全部位分布式布置多个摄像头，从而获取现场全面无遮挡的钢支撑架设的实景点云模型，同时获取每个摄像头安装的坐标点点位；其中，进行钢支撑架设及时性预警的方法如下：
(1)按照预设的实景点云模型收集频率，每进行一次数据收集，就将所生成的反映土方情况的实景点云模型与BIM模型进行比较，判断土层深度是否达到架设钢支撑的要求；
(2)若挖到指定土层深度后，在一次数据收集周期内未检测出数量大于1的钢支撑，则判定为未及时进行钢支撑架设工作，上报未及时进行钢支撑架设的预警信息，提醒施工方及时进行钢支撑架设；
(3)若挖到指定土层深度后，在一次数据收集周期内检测出数量大于1的钢支撑，则判定为已经开始钢支撑架设工作，则继续进行数据采集；每进行一次数据采集，就将所生成的反映钢支撑架设情况的实景点云模型与BIM模型进行比较，检测该层所有钢支撑是否在规定时间内架设完毕，架设完毕的判断标准为实景点云模型中的所有钢支撑模型均与BIM模型匹配一致；若在规定时间内检测出未将所有钢支撑架设完毕，则上报未及时完成钢支撑架设的预警信息，提醒施工方及时完成钢支撑架设；若在规定时间内检测出所有钢支撑架设完毕，则添加钢支撑进度信息，更新进度模型，并结束该层监控，开始下一层监控。
3.如权利要求2所述的进行钢支撑架设及时性预警的方法，其特征在于，步骤(1)中，根据土层开挖进度调整数据采集频率。
4.如权利要求3所述的进行钢支撑架设及时性预警的方法，其特征在于，数据采集频率包括土层开挖期数据采集频率和钢支撑架设期数据采集频率，其中，钢支撑架设期数据采集频率大于土层开挖期数据采集频率；当土层开挖至指定深度的预定进度时，数据采集频率由土层开挖期数据采集频率切换为钢支撑架设期数据采集频率；同时，一旦土层开挖至指定深度，此时开始进行钢支撑架设及时性预警；当前层所有钢支撑全部架设完毕后，数据采集频率切换为土层开挖期数据采集频率。
5.如权利要求2～4任一项所述的进行钢支撑架设及时性预警的方法，其特征在于，摄像头的布设应根据基坑的开挖进行及时的调整，具体包括如下步骤：
(a)每一层摄像头阵列监测下方两层钢支撑，其中：第一层摄像头阵列在第一层钢支撑所在土层开挖前进行布设；第二层摄像头阵列在第二层钢支撑架设完毕到第三层土层开挖前进行布设，如此设置直至最后一层；每个阵列分为平行于钢支撑的两个截面和垂直于钢支撑的两个截面，共组成四个截面用于监测；
(b)在平行于钢支撑的前后两个断面上，平行于钢支撑的首尾两端均布设摄像头，且在中间部位摄像头的取景范围覆盖整个钢支撑；
(c)在垂直于钢支撑的左右两个断面上，采用之字形布设方式，在第一个和第二个钢支撑间的右侧或左侧架设摄像头，在第二个和第三个钢支撑间的左侧或右侧架设摄像头，如此设置直至最后两个钢支撑。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求2-5任一项所述的方法。
7.一种地铁车站深基坑钢支撑架设及时性预警系统，其特征在于，包括如权利要求6所述的计算机可读存储介质以及处理器，处理器用于调用和处理计算机可读存储介质中存储的计算机程序。
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