CN113776589A - 基于物联网的基坑实时监测系统及预警方法 - Google Patents

基于物联网的基坑实时监测系统及预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于物联网的基坑实时监测系统及预警方法，属于建筑施工技术领域，它解决了现有的一些基坑监测系统的监测手段过于单一，造成系统效率低下的问题。本基于物联网的基坑实时监测系统及预警方法，包括自动化监测系统、云端计算与服务平台、土层、基坑围护、围栏和数据传输模块，自动化监测系统包括基坑测斜模块、轴力监测模块、位移监测模块、水位监测模块和邻近建筑物倾斜监测模块。本发明通过各种传感模块对基坑内多种不同的数据进行实时监测，该装置的监测手段更加多样化，监测范围更加广泛，其使得该系统监测到的数据更加客观准确，提高了该监测系统的时效性和效率，同时将监测到的数据上传云平台进行计算，并及时发出事故预警。

Description

基于物联网的基坑实时监测系统及预警方法
技术领域
本发明属于建筑施工技术领域，涉及一种监测系统，特别是基于物联网的基坑实时监测系统及预警方法
背景技术
随着城市化的发展，基坑开挖工程通常处于城市建筑密集处，或者道路和桥梁周围，在这些区域，行人、车流量较密集，如果处理不当，不仅会给施工单位带来严重的经济损失，而且会威胁周围行人的生命安全，有可能引发重大安全责任事故，影响整个城市的建设和发展。基坑施工十分复杂，存在众多未知隐患因素，很难做到本质安全，但通过合理的监测预警方法，及时发现安全隐患，制定科学的应对措施，可以有效的保证施工质量。
经检索，如中国专利文献公开了基坑监测系统【申请号：CN201720232996.8；公开号：CN206635824U】。这种监测系统，包括：三维激光扫描装置，与通讯模块连接，用于采集被测目标的表面形态数据；至少一个采集节点，与通讯模块连接，用于采集监测点数据；通讯模块，与服务器连接，用于无线传送数据；服务器，用于接收所述表面形态数据和监测点数据。
该专利中公开的系统，在监测基坑的过程中，由于监测手段过于单一，无法对基坑内以及周边的多项数据进行监测，导致监测到的数据较为片面，错误率较高，导致系统的效率低下，并无法及时进行预警。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了基于物联网的基坑实时监测系统，该基于物联网的基坑实时监测系统的监测手段更加多样化，监测范围更加广泛。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
基于物联网的基坑实时监测系统，包括自动化监测系统、云端计算与服务平台、土层、基坑围护、围栏和数据传输模块，所述自动化监测系统包括基坑测斜模块、轴力监测模块、位移监测模块、水位监测模块和邻近建筑物倾斜监测模块，所述基坑测斜模块由测斜管和测斜传感器构成，所述测斜传感器安装在测斜管的表面，所述测斜管的下方设置有固定机构，所述轴力监测模块由埋入式振弦应变计和温度传感器构成，所述位移监测模块由测量激光发射装置和光板采集仪构成，所述基坑围护顶部的两侧分别设置有第一防护机构和第二防护机构，所述水位监测模块由压方传感设备和水位传感器构成，所述邻近建筑物倾斜监测模块由MEMS加速度计和高分辨力差分数模转换器构成，所述围栏的顶部设置有太阳能供电机构。
所述固定机构包括固定板、旋转轴、竖板和耙钉，所述耙钉设置在固定板的底部并贯穿至土层的内部，所述竖板设置在固定板的顶部，所述旋转轴的一端与竖板转动连接，所述旋转轴的另一端与测斜管相固定。
采用以上结构，通过固定板、旋转轴、竖板和耙钉的设置，耙钉能够将固定板固定在土层，同时竖板和旋转轴的设置使得测斜管能够旋转倾斜，它们的配合使用能够对测斜管进行固定。
所述第一防护机构包括底座、支撑杆和防护棚，所述测量激光发射装置固定在底座的顶部，所述支撑杆的数量为四组并分别固定在底座顶部的四角，所述防护棚固定在支撑杆的顶端。
采用以上结构，通过底座、支撑杆和防护棚的设置，底座用于对测量激光发射装置进行固定，而支撑杆用于对防护棚进行固定，防护棚能够为测量激光发射装置遮阳挡雨，并防止坠物砸向测量激光发射装置，实现对测量激光发射装置进行保护的效果。
所述第二防护机构包括固定座、连接杆和顶棚，所述光板采集仪固定在固定座的顶部，所述连接杆的数量为四组并分别固定在固定座顶部的四角，所述顶棚固定在连接杆的顶端。
采用以上结构，通过固定座、连接杆和顶棚的设置，连接杆能够对顶棚进行固定，而顶棚则能够为光板采集仪遮阳挡雨，并为光板采集仪提供保护。
所述太阳能供电机构包括太阳能电池板、箱体、蓄电池和供电模块，所述箱体固定在太阳能电池板的顶部，所述太阳能电池板固定在箱体的顶部，所述蓄电池和供电模块均设置在箱体的内部。
采用以上结构，通过太阳能电池板、箱体、蓄电池和供电模块设置，太阳能电池板能够采集阳光变为电能，蓄电池能够收集这部分电能，而供电模块能够将电力输送给该监测系统的各个元件，更加节能环保。
基于物联网的基坑实时监测系统的预警方法，其方法包括如下步骤：
步骤S1：构建神经网络，并将其输入至云端计算与服务平台，基坑测斜模块、轴力监测模块、位移监测模块、水位监测模块和邻近建筑物倾斜监测模块将实时监到的测数据传输给数据传输模块，数据经由数据传输模块上传给云端计算与服务平台；
步骤S2：利用之前已有的监测基坑案例反复训练神经网络，预处理后的监测数据通过深度学习与自适应系统初步计算出未来3-7天基坑的施工信息，并将实时的基坑变形监测数据导入BIM模型中，生成基坑变形BIM可视化动态云图；
步骤S3：实时向平台用户输出基坑变形预测结果，根据需求提供BIM可视化动态变形图，以直观描述基坑实时变形情况，分别根据基坑工程安全等级和环境保护等级制定不同监测变形报警参考值；
步骤S4：当基坑变形预测值超过设定的报警值时，及时通过云端计算与服务平台向平台用户、相关施工人员及相关部门发送报警信息，以提醒提前做好防控措施。
所述步骤S1中，位移监测模块在测量监测点的横向位移与竖向沉降参数时，是通过使用二维面阵激光位移计，并利用测量激光发射装置与光板采集仪之间的相对位移，获得测点位移数据。
所述步骤S1中，邻近建筑物倾斜监测模块是采用MEMS加速度计和高分辨力差分数模转换器，通过数字信号方式直接输出水平倾角数值，水位监测模块采用压方传感技术，并经过温度补偿计算直接测得液位高度。
所述步骤S2中，选取训练样本时，利用前期监测数据作为智能化分析时的基础输入数据，选取多组样本，并采用最大最小值法，将样本数据进行归一化处理。
所述步骤S4中，将数据传输模块分别与物联网和5G网络相连，同时将云端计算与服务平台分别与PC端、手机端和数据库相连。
与现有技术相比，本基于物联网的基坑实时监测系统及预警方法具有以下优点：
1、本发明通过各种传感模块对基坑内多种不同的数据进行实时监测，该装置的监测手段更加多样化，监测范围更加广泛，其使得该系统监测到的数据更加客观准确，提高了该监测系统的时效性和效率，同时将监测到的数据上传云平台进行计算，并及时发出事故预警，减少施工过程中的安全隐患，解决了现有的一些基坑监测系统的监测手段过于单一，并无法对基坑内的多项数据进行监测，造成系统效率低下的问题。
2、通过固定板、旋转轴、竖板和耙钉的设置，使得测斜管能够旋转倾斜，并能够对测斜管进行固定。
3、通过底座、支撑杆和防护棚的设置，它们配合使用能够为测量激光发射装置遮阳挡雨，并防止坠物砸向测量激光发射装置。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中的系统原理框图。
图3是本发明中埋入式振弦应变计的局部剖面结构示意图。
图4是本发明中第一防护机构的结构示意图。
图5是本发明中第二防护机构的结构示意图。
图6是本发明中固定机构的结构示意图。
图7是本发明图1中A处的放大结构示意图。
图中，1、土层；2、基坑围护；3、围栏；4、自动化监测系统；5、基坑测斜模块；51、测斜管；52、测斜传感器；6、轴力监测模块；61、埋入式振弦应变计；62、温度传感器；7、位移监测模块；71、测量激光发射装置；72、光板采集仪；8、水位监测模块；81、压方传感设备；82、水位传感器；9、邻近建筑物倾斜监测模块；91、MEMS加速度计；92、高分辨力差分数模转换器；10、数据传输模块；11、固定机构；111、固定板；112、旋转轴；113、竖板；114、耙钉；12、第一防护机构；121、底座；122、支撑杆；123、防护棚；13、第二防护机构；131、固定座；132、连接杆；133、顶棚；14、太阳能供电机构；141、太阳能电池板；142、箱体；143、蓄电池；144、供电模块。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一：
基于物联网的基坑实时监测系统的预警方法，其方法包括如下步骤：
步骤S1：构建神经网络，并将其输入至云端计算与服务平台，基坑测斜模块5、轴力监测模块6、位移监测模块7、水位监测模块8和邻近建筑物倾斜监测模块9将实时监到的测数据传输给数据传输模块10，数据经由数据传输模块10上传给云端计算与服务平台，位移监测模块7在测量监测点的横向位移与竖向沉降参数时，是通过使用二维面阵激光位移计，并利用测量激光发射装置71与光板采集仪72之间的相对位移，获得测点位移数据；
步骤S2：利用之前已有的监测基坑案例反复训练神经网络，预处理后的监测数据通过深度学习与自适应系统初步计算出未来3-7天基坑的施工信息，并将实时的基坑变形监测数据导入BIM模型中，生成基坑变形BIM可视化动态云图；
步骤S3：实时向平台用户输出基坑变形预测结果，根据需求提供BIM可视化动态变形图，以直观描述基坑实时变形情况，分别根据基坑工程安全等级和环境保护等级制定不同监测变形报警参考值(参考表1和表2)，前者从基坑工程自身的安全角度提出围护结构自身的变形以及受力的报警值，后者则是根据工程经验及大量实测数据的统计结果设定的变形和水位变化报警值；
步骤S4：当基坑变形预测值超过设定的报警值时，及时通过云端计算与服务平台向平台用户、相关施工人员及相关部门发送报警信息，以提醒提前做好防控措施。
实施例二：
基于物联网的基坑实时监测系统的预警方法，其方法包括如下步骤：
步骤S1：构建神经网络，并将其输入至云端计算与服务平台，基坑测斜模块5、轴力监测模块6、位移监测模块7、水位监测模块8和邻近建筑物倾斜监测模块9将实时监到的测数据传输给数据传输模块10，数据经由数据传输模块10上传给云端计算与服务平台，位移监测模块7在测量监测点的横向位移与竖向沉降参数时，是通过使用二维面阵激光位移计，并利用测量激光发射装置71与光板采集仪72之间的相对位移，获得测点位移数据，邻近建筑物倾斜监测模块9是采用MEMS加速度计和高分辨力差分数模转换器，通过数字信号方式直接输出水平倾角数值，水位监测模块8采用压方传感技术，并经过温度补偿计算直接测得液位高度；
步骤S2：利用之前已有的监测基坑案例反复训练神经网络，预处理后的监测数据通过深度学习与自适应系统初步计算出未来3-7天基坑的施工信息，并将实时的基坑变形监测数据导入BIM模型中，生成基坑变形BIM可视化动态云图，选取训练样本时，利用前期监测数据作为智能化分析时的基础输入数据，选取多组样本，并采用最大最小值法，将样本数据进行归一化处理；
步骤S3：实时向平台用户输出基坑变形预测结果，根据需求提供BIM可视化动态变形图，以直观描述基坑实时变形情况，分别根据基坑工程安全等级和环境保护等级制定不同监测变形报警参考值(参考表1和表2)，前者从基坑工程自身的安全角度提出围护结构自身的变形以及受力的报警值，后者则是根据工程经验及大量实测数据的统计结果设定的变形和水位变化报警值；
步骤S4：当基坑变形预测值超过设定的报警值时，及时通过云端计算与服务平台向平台用户、相关施工人员及相关部门发送报警信息，以提醒提前做好防控措施。
实施例三：
基于物联网的基坑实时监测系统的预警方法，其方法包括如下步骤：
步骤S1：构建神经网络，并将其输入至云端计算与服务平台，基坑测斜模块5、轴力监测模块6、位移监测模块7、水位监测模块8和邻近建筑物倾斜监测模块9将实时监到的测数据传输给数据传输模块10，数据经由数据传输模块10上传给云端计算与服务平台，位移监测模块7在测量监测点的横向位移与竖向沉降参数时，是通过使用二维面阵激光位移计，并利用测量激光发射装置71与光板采集仪72之间的相对位移，获得测点位移数据，邻近建筑物倾斜监测模块9是采用MEMS加速度计和高分辨力差分数模转换器，通过数字信号方式直接输出水平倾角数值，水位监测模块8采用压方传感技术，并经过温度补偿计算直接测得液位高度，轴力监测模块6用于测量基础、桩、支撑、梁等的长期应变，其采用埋入式振弦应变计61，其中埋入式振弦应变计61可直接埋入混凝土中，模块内置温度传感器62可同时监测点处的温度；
步骤S2：利用之前已有的监测基坑案例反复训练神经网络，预处理后的监测数据通过深度学习与自适应系统初步计算出未来3-7天基坑的施工信息，并将实时的基坑变形监测数据导入BIM模型中，生成基坑变形BIM可视化动态云图，选取训练样本时，利用前期监测数据作为智能化分析时的基础输入数据，选取多组样本，并采用最大最小值法，将样本数据进行归一化处理；
步骤S3：实时向平台用户输出基坑变形预测结果，根据需求提供BIM可视化动态变形图，以直观描述基坑实时变形情况，分别根据基坑工程安全等级和环境保护等级制定不同监测变形报警参考值(参考表1和表2)，前者从基坑工程自身的安全角度提出围护结构自身的变形以及受力的报警值，后者则是根据工程经验及大量实测数据的统计结果设定的变形和水位变化报警值；
步骤S4：当基坑变形预测值超过设定的报警值时，及时通过云端计算与服务平台向平台用户、相关施工人员及相关部门发送报警信息，以提醒提前做好防控措施，其中将数据传输模块10分别与物联网和5G网络相连，同时将云端计算与服务平台分别与PC端、手机端和数据库相连。
表1根据基坑工程安全等级确定报警值
Figure BDA0003254419770000091
表2根据基坑工程环境保护等级确定报警值
Figure BDA0003254419770000092
本发明通过各种传感模块对基坑内多种不同的数据进行实时监测，该装置的监测手段更加多样化，监测范围更加广泛，其使得该系统监测到的数据更加客观准确，提高了该监测系统的时效性和效率，同时将监测到的数据上传云平台进行计算，并及时发出事故预警，减少施工过程中的安全隐患，解决了现有的一些基坑监测系统的监测手段过于单一，并无法对基坑内的多项数据进行监测，造成系统效率低下的问题。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.基于物联网的基坑实时监测系统，包括自动化监测系统(4)、云端计算与服务平台、土层(1)、基坑围护(2)、围栏(3)和数据传输模块(10)，其特征在于，所述自动化监测系统(4)包括基坑测斜模块(5)、轴力监测模块(6)、位移监测模块(7)、水位监测模块(8)和邻近建筑物倾斜监测模块(9)，所述基坑测斜模块(5)由测斜管(51)和测斜传感器(52)构成，所述测斜传感器(52)安装在测斜管(51)的表面，所述测斜管(51)的下方设置有固定机构(11)，所述轴力监测模块(6)由埋入式振弦应变计(61)和温度传感器(62)构成，所述位移监测模块(7)由测量激光发射装置(71)和光板采集仪(72)构成，所述基坑围护(2)顶部的两侧分别设置有第一防护机构(12)和第二防护机构(13)，所述水位监测模块(8)由压方传感设备(81)和水位传感器(82)构成，所述邻近建筑物倾斜监测模块(9)由MEMS加速度计(91)和高分辨力差分数模转换器(92)构成，所述围栏(3)的顶部设置有太阳能供电机构(14)。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的基坑实时监测系统，其特征在于，所述固定机构(11)包括固定板(111)、旋转轴(112)、竖板(113)和耙钉(114)，所述耙钉(114)设置在固定板(111)的底部并贯穿至土层(1)的内部，所述竖板(113)设置在固定板(111)的顶部，所述旋转轴(112)的一端与竖板(113)转动连接，所述旋转轴(112)的另一端与测斜管(51)相固定。
3.根据权利要求1所述的基于物联网的基坑实时监测系统，其特征在于，所述第一防护机构(12)包括底座(121)、支撑杆(122)和防护棚(123)，所述测量激光发射装置(71)固定在底座(121)的顶部，所述支撑杆(122)的数量为四组并分别固定在底座(121)顶部的四角，所述防护棚(123)固定在支撑杆(122)的顶端。
4.根据权利要求1所述的基于物联网的基坑实时监测系统，其特征在于，所述第二防护机构(13)包括固定座(131)、连接杆(132)和顶棚(133)，所述光板采集仪(72)固定在固定座(131)的顶部，所述连接杆(132)的数量为四组并分别固定在固定座(131)顶部的四角，所述顶棚(133)固定在连接杆(132)的顶端。
5.根据权利要求1所述的基于物联网的基坑实时监测系统，其特征在于，所述太阳能供电机构(14)包括太阳能电池板(141)、箱体(142)、蓄电池(143)和供电模块(144)，所述箱体(142)固定在太阳能电池板(141)的顶部，所述太阳能电池板(141)固定在箱体(142)的顶部，所述蓄电池(143)和供电模块(144)均设置在箱体(142)的内部。
6.基于物联网的基坑实时监测系统的预警方法，其特征在于，其方法包括如下步骤：
步骤S1：构建神经网络，并将其输入至云端计算与服务平台，基坑测斜模块(5)、轴力监测模块(6)、位移监测模块(7)、水位监测模块(8)和邻近建筑物倾斜监测模块(9)将实时监到的测数据传输给数据传输模块(10)，数据经由数据传输模块(10)上传给云端计算与服务平台；
步骤S2：利用之前已有的监测基坑案例反复训练神经网络，预处理后的监测数据通过深度学习与自适应系统初步计算出未来3-7天基坑的施工信息，并将实时的基坑变形监测数据导入BIM模型中，生成基坑变形BIM可视化动态云图；
步骤S3：实时向平台用户输出基坑变形预测结果，根据需求提供BIM可视化动态变形图，以直观描述基坑实时变形情况，分别根据基坑工程安全等级和环境保护等级制定不同监测变形报警参考值；
步骤S4：当基坑变形预测值超过设定的报警值时，及时通过云端计算与服务平台向平台用户、相关施工人员及相关部门发送报警信息，以提醒提前做好防控措施。
7.根据权利要求6所述的基于物联网的基坑实时监测系统的预警方法，其特征在于，所述步骤S1中，位移监测模块(7)在测量监测点的横向位移与竖向沉降参数时，是通过使用二维面阵激光位移计，并利用测量激光发射装置(71)与光板采集仪(72)之间的相对位移，获得测点位移数据。
8.根据权利要求6所述的基于物联网的基坑实时监测系统的预警方法，其特征在于，所述步骤S1中，邻近建筑物倾斜监测模块(9)是采用MEMS加速度计和高分辨力差分数模转换器，通过数字信号方式直接输出水平倾角数值，水位监测模块(8)采用压方传感技术，并经过温度补偿计算直接测得液位高度。
9.根据权利要求6所述的基于物联网的基坑实时监测系统的预警方法，其特征在于，所述步骤S2中，选取训练样本时，利用前期监测数据作为智能化分析时的基础输入数据，选取多组样本，并采用最大最小值法，将样本数据进行归一化处理。
10.根据权利要求6所述的基于物联网的基坑实时监测系统的预警方法，其特征在于，所述步骤S4中，将数据传输模块(10)分别与物联网和5G网络相连，同时将云端计算与服务平台分别与PC端、手机端和数据库相连。
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