CN114844922A - 基于物联网的基坑安全监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于物联网的基坑安全监测系统，包括现场数据采集模块、集成通讯模块、云服务器、移动终端和电脑端，所述现场数据采集模块用于采集基坑安全数据，并通过集成通讯模块将基坑安全数据发送至云服务器，所述云服务器用于基于基坑安全数据和预设数学模型计算趋势预测值，生成并分发安全报告，实现预测预警，所述移动终端和电脑端用于接收预测预警信息，所述电脑端还用于接入云服务器进行数据管理和系统运行参数设置，所述系统能够基于物联网设备实现对基坑的实时安全监测，从而帮助工作人员及时排查安全隐患，保障基坑施工安全。

Description

基于物联网的基坑安全监测系统

技术领域

本发明涉及基坑安全监测系统技术领域，尤其涉及一种基于物联网的基坑安全监测系统。

背景技术

基坑是在基础设计位置按基底标高和基础平面尺寸所开挖的土坑，是一切工程项目的基础。所以保证基坑安全尤其重要。基坑的安全稳定状态决定了整个工程建设能否顺利完成，对基坑进行监测就是为了防患于未然，保障工程安全。基坑内的安全监测包含水平位移监测、竖向位移监测、深层位移监测、地下水位监测、支护结构内力监测等多个方面，目前工地上主要是采用人工监测的方式获取相关监测数据，存在着数据获取效率低、难以汇总全局分析、信息化程度低、较为依赖主观经验判断等问题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于物联网的基坑安全监测系统，以克服或至少部分解决现有技术所存在的上述问题。

为实现上述发明目的，本发明提供一种基于物联网的基坑安全监测系统，包括现场数据采集模块、集成通讯模块、云服务器、移动终端和电脑端，所述现场数据采集模块用于采集基坑安全数据，并通过集成通讯模块将基坑安全数据发送至云服务器，所述云服务器用于基于基坑安全数据和预设数学模型计算趋势预测值，生成并分发安全报告，实现预测预警，所述移动终端和电脑端用于接收预测预警信息，所述电脑端还用于接入云服务器进行数据管理和系统运行参数设置。

进一步的，所述现场数据采集模块包括用于采集位移和沉降数据的测量机器人、用于采集地下水位数据的地下水位监测仪、用于采集支护结构应力数据的应力监测装置、用于采集深层位移数据的深层位移仪器、用于采集建筑沉降数据的静力水准仪、用于采集倾斜数据的倾角计、用于采集裂缝形变数据的裂缝监测仪、用于采集现场视频和图像资料的视频监控装置。

进一步的，所述应力监测装置包括一圆筒，所述圆筒的两个端部均开设有开口，所述开口内壁上设有螺纹，圆筒内两个开口下方均设有正对开口用于固定钢筋的固定筒，圆筒内设置有用于检测钢筋在竖直方向和水平方向上位移及形变的测量机构。

进一步的，所述开口处设置有磁化机构，所述固定筒外套设有弹簧，所述弹簧的一端与圆筒端部连接，另一端与固定筒底部连接，所述测量机构包括软磁薄片、弹性布和阻抗传感器，所述软磁薄片设置于固定筒内壁上，软磁薄片与钢筋之间设置有多块环绕钢筋的弹性布，所述弹性布上端与圆筒端部连接，下端与固定筒底部连接，弹性布表面涂覆有石墨烯层，所述软磁薄片与阻抗传感器电性连接，所述阻抗传感器用于监测软磁薄片的阻抗值。

进一步的，所述弹性布的两端分别设置有第一电极和第二电极，所述第一电极、第二电极与电阻传感器组成闭合回路。

进一步的，所述圆筒中间设有元件腔，所述阻抗传感器、电阻传感器设置于元件腔内，所述元件腔内还设置有电源、信号放大器和模数转换器，所述电源分别与阻抗传感器、电阻传感器电性连接，所述信号放大器分别与阻抗传感器、电阻传感器信号相连，所述信号放大器、模数转换器、信号传输线依次相连接，所述信号传输线贯穿圆筒侧壁与通讯模块相连接，所述通讯模块设置于通讯盒内。

进一步的，所述通讯盒内设置有无线充电接收线圈，元件腔内还设有电源管理芯片，所述无线充电接收线圈与电源管理芯片电性连接，所述电源管理芯片分别与电源、通讯模块相连接。

进一步的，所述云服务器包括：

数据接收模块，用于通过集成通讯模块获取各个现场数据采集模块所采集的数据；

数据转换模块，用于将现场数据采集模块直接采集的数据转换为相应的基坑安全数据；

数据计算模块，用于将基坑安全数据按照规范要求进行计算，并输出反映基坑安全数据变化情况的计算结果；

趋势预测模块，用于将历史基坑安全数据和实时基坑安全数据输入到预设数学模型中，计算各项基坑安全数据的趋势预测值；

模型生成模块，用于基于基坑工程规划数据、实时基坑安全数据生成基坑三维模型，根据历史基坑安全数据、实时基坑安全数据和趋势预测值为基坑三维模型添加动画效果；

可视化模块，用于通过可视化人机交互界面展示基坑三维模型；

预测预警模块，用于判断实时基坑安全数据和趋势预测值是否超出用户设置的预警阈值，若超出预警阈值则向用户指定的电脑端和/或移动终端发送预警信息；

人工专家评审模块，用于将预测预警结果远程发送给专家进行人工判断；

视频采集分析模块，用于获取现场视频和图像资料，基于现场视频和图像资料分析基坑周边潜在安全隐患。

进一步的，所述预测预警模块还用于确定用户指定的移动终端所对应的用户身份信息，根据移动终端所对应的用户身份信息确定向相应移动终端发送的预警信息内容。

进一步的，所述云服务器还包括安全案例分析模块，所述安全案例分析模块用于获取安全案例数据，分析安全案例数据中安全事故发生时间段内各项基坑安全数据的趋势变化，判断实时基坑安全数据和趋势预测值是否与安全案例数据的趋势变化相匹配，若相匹配则向用户指定的电脑端和/或移动终端发送预警信息，所述安全案例数据为其他应用所述系统的基坑施工项目的基坑三维模型数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所提供的一种基于物联网的基坑安全监测系统，通过现场数据采集模块采集各项基坑安全数据，并通过集成通讯模块将基坑安全数据发送至云服务器，云服务器基于基坑安全数据和预设数学模型计算趋势预测值，生成安全报告并分发到用户指定的电脑端和移动终端，从而实现预测预警，所述系统能够基于物联网设备实现对基坑的实时安全监测，从而帮助工作人员及时排查安全隐患，保障基坑施工安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，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。

图1是本发明一实施例提供的一种基于物联网的基坑安全监测系统整体结构示意图。

图2是本发明一实施例提供的应力监测装置整体结构示意图。

图3是本发明一实施例提供的固定筒俯视结构示意图。

图4是本发明一实施例提供的弹性布局部放大结构形变示意图。

图5是本发明一实施例提供的应力监测装置电路原理示意图。

图6是本发明一实施例提供的云服务器功能模块示意图。

图中，1现场数据采集模块，2集成通讯模块，3云服务器，301数据接收模块，302数据转换模块，303趋势预测模块，304模型生成模块，305可视化模块，306预测预警模块，307安全案例分析模块，308数据计算模块，309人工专家评审模块，310视频采集分析模块，4移动终端，5电脑端，6测量机器人，7地下水位监测仪，8应力监测装置，81圆筒，82开口，83固定筒，84磁化机构，85弹簧，86软磁薄片，87弹性布，88阻抗传感器，89第一电极，810第二电极，811电阻传感器，812元件腔，813电源，814信号放大器，815模数转换器，816信号传输线，817通讯模块，818通讯盒，819无线充电接收线圈，820电源管理芯片，9深层位移仪器，10静力水准仪，11倾角计，12裂缝监测仪，13视频监控装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所列举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

参照图1，本实施例提供一种基于物联网的基坑安全监测系统，所述系统包括现场数据采集模块1、集成通讯模块2、云服务器3、移动终端4和电脑端5，所述现场数据采集模块1用于采集基坑安全数据，并通过集成通讯模块2将基坑安全数据发送至云服务器3；所述云服务器3用于基于基坑安全数据和预设数学模型计算趋势预测值，生成并分发安全报告，实现预测预警；所述移动终端4和电脑端5用于接收预测预警信息，所述电脑端5还用于接入云服务器3进行数据管理和系统运行参数设置。所述基坑安全数据包括但不限于水平位移数据、竖向位移数据、建筑沉降数据、地下水位数据、支护结构应力数据、深层位移数据、倾角数据、裂缝形变数据。

示例性的，所述现场数据采集模块1包括用于采集位移和沉降数据的测量机器人6、用于采集地下水位数据的地下水位监测仪7、用于采集支护结构应力数据的应力监测装置8、用于采集深层位移数据的深层位移仪器9、用于采集建筑沉降数据的静力水准仪10、用于采集倾斜数据的倾角计11、用于采集裂缝形变数据的裂缝监测仪12、用于采集现场视频和图像资料的视频监控装置13。

参照图2和图3，本实施例中提供了一种用于采集支护结构应力数据的应力监测装置，所述应力监测装置包括一圆筒81，所述圆筒81的两个端部均开设有开口82，所述开口82的内壁上设有螺纹，圆筒81内两端均设有用于固定钢筋的固定筒83，固定筒83的一端开口，且其开口的一端朝向开口82。对于采用钢筋混凝土支撑的支护结构，例如支护桩，可将两节钢筋分别通过螺纹连接固定在开口82处，并确保钢筋的插入端伸入到固定筒83内，再将两节钢筋的两端焊接到支护结构的主筋上，圆筒81内设置有用于检测钢筋在竖直方向和水平方向上位移及形变的测量机构。现有的应力检测计通常只能检测钢筋长度方向上所受到的压力和拉力，若要分析支护结构在不同方向上的应力，则需要设置多个应力检测计，成本较高且实施更加繁琐耗时，本实施例提供的应力监测装置能够根据钢筋在竖直方向和水平方向上的位移和形变判断其不同方向上的应力，从而通过单一设备实现更加全面的应力检测，有助于降低安全监测成本，并且实施更加便捷。

具体的，所述开口82处设置有磁化机构84，所述固定筒83外套设有弹簧85，所述弹簧85的一端与圆筒81的端部相连接，其另一端与固定筒83的底部相连接，即固定筒83与圆筒81之间处于非固定的活动连接状态。所述测量机构包括软磁薄片86、弹性布87和阻抗传感器88，所述软磁薄片86共有多片，环绕固定筒83的内壁设置。固定筒83内还呈环形排列设有多块弹性布87，当钢筋插入到固定筒83内后，弹性布87位于软磁薄片86与钢筋之间，并包裹住钢筋插入到固定筒83内的部分，弹性布87的上端与圆筒81的端部相连接，其下端与固定筒83的底部连接，弹性布87的表面涂覆有石墨烯层。所述软磁薄片86与阻抗传感器88电性连接，所述阻抗传感器88用于监测软磁薄片86的阻抗值。当钢筋插入到固定筒83内时，磁化机构84对插入到圆筒81内的部分进行磁化，示例性的，磁化机构84可以采用永磁铁实现。石墨烯具有良好的磁屏蔽性能，涂覆有石墨烯层的弹性布87在包裹住钢筋的磁化部分后能够有效的起到磁屏蔽的效果，而磁场会对软磁薄片86的阻抗性能产生影响，外加磁场强度产生变化时，软磁薄片86的阻抗也会相应变化。弹性布87由多股线相互纵横交错编织而成，每股线上均涂覆有石墨烯层，因此可以将其看成由多个网格构成。参照图4，在完成应力监测装置的安装后，由于钢筋受到的应力影响，弹簧85和弹性布87均会产生一定的形变，当应力变化时，弹性布87的横线股和竖线股之间的间距也会产生变化，从而使其表面的空隙面积发生改变。具体的，当钢筋受到平行于其长度方向的拉力时，钢筋被向外拉，弹簧85有向开口82方向收缩的趋势，弹性布87也会收缩，使得其表面的空隙面积变小，钢筋的磁化部分漏磁量变小，软磁薄片86的阻抗随之变化；当钢筋受到平行于其长度方向的压力时，钢筋被向圆筒81内推，弹簧85有向远离开口82方向伸长的趋势，弹性布87也会伸长，使得其表面的空隙面积变大，钢筋的磁化部分漏磁量变大，软磁薄片86的阻抗随之变化，阻抗传感器88实时监测软磁薄片86的阻抗值，根据软磁薄片86阻抗值的变化情况可以分析出钢筋在平行于其长度方向上的应力情况。

同时，所述弹性布87的两端分别设置有第一电极89和第二电极810，所述第一电极89、第二电极810与电阻传感器811组成闭合回路，石墨烯具有良好的导电性能，所述电阻传感器811用于测量弹性布87所在回路的阻值变化。当钢筋受到垂直于其长度方向的应力时，会产生形变，钢筋的下端——即插入到固定筒83内的一端会有往某个方向移动的趋势，位于该方向上的弹性布87会受力，石墨烯层受力时其阻值会发生变化，总体而言，弹性布87的总体阻值与所受压力大小成正比，基于电阻传感器811所监测的不同方向上弹性布87的阻值变化情况，可以分析出钢筋在垂直于其长度方向上的应力情况。

作为一种优选的示例，所述圆筒81中间设有元件腔812，所述阻抗传感器88、电阻传感器811设置于元件腔812内，所述元件腔812内还设置有电源813、信号放大器814和模数转换器815，所述电源813分别与阻抗传感器88、电阻传感器811电性连接，所述信号放大器814分别与阻抗传感器88、电阻传感器811信号相连，所述信号放大器814、模数转换器815、信号传输线816依次相连接，所述信号传输线816贯穿圆筒81侧壁与通讯模块817相连接，所述通讯模块817设置于通讯盒818内。所述信号放大器814将阻抗传感器88、电阻传感器811所测得信号放大后传输到模数转换器815以转换为数字信号，模数转换器815将信号通过信号传输线816传输到通讯模块817，由通讯模块817将信号传输到集成通讯模块2再上传到云服务器3。所述通讯盒818与信号传输线816之间可以是采用可拆卸连接设计，在安装好所述应力监测装置8后，需要对钢筋浇注水泥，此时需信号传输线816的端口放置在水泥外保护，在完成水泥浇注后将外露的信号传输线816端口与通讯盒818连接，使得应力监测装置采集的数据可以上传到云服务器3。

参照图5，作为一种优选的示例，所述通讯盒818内还设置有无线充电接收线圈819，元件腔812内还设有电源管理芯片820，所述无线充电接收线圈819与电源管理芯片820电性连接，所述电源管理芯片820分别与电源813、通讯模块817相连接。电源管理芯片用于监测电源813的电量并通过通讯模块817上传到云服务器3，在电量不足时云服务器3可以向负责维护的工作人员所持有的移动终端4发送提示信息，工作人员在收到信息后可以将无线充电设备靠近通讯盒818，从而通过无线充电方式为电源813充电。

参照图6，所述云服务器3包括数据接收模块301、数据转换模块302、趋势预测模块303、模型生成模块304、可视化模块305、预测预警模块306、数据计算模块308、人工专家评审模块309和视频采集分析模块310。

其中所述数据接收模块301用于通过集成通讯模块2获取各个现场数据采集模块1所采集的数据。

所述数据转换模块302用于将现场数据采集模块直接采集的数据转换为相应的基坑安全数据，例如，对于应力监测装置8所采集的电阻和阻抗数据，需要经过转换计算和分析得到相应的支护结构应力数据。

所述趋势预测模块303用于将历史基坑安全数据和实时基坑安全数据输入到预设数学模型中，计算各项基坑安全数据的趋势预测值。所述趋势预测值为下一时刻基坑安全数据的具体数值。

所述模型生成模块304用于基于基坑工程规划数据、实时基坑安全数据生成基坑三维模型，根据历史基坑安全数据、实时基坑安全数据和趋势预测值为基坑三维模型添加动画效果。所述基坑工程规划数据为基坑工程相关的所有施工规划数据、地质水文数据，例如基坑面积、深度、土质情况、周边建筑物情况、地下水数据、基坑工程设计方案、施工方案等。所述基坑三维模型通过三维模型的形式体现出基坑的形状、基坑内各项设备设施、周边环境等，用户可以通过选中基坑三维模型中的某个设备设施查看其相关数据，例如当选中某个支护结构时，能够显示出该支护结构的实时应力数据。所述动画效果可以是通过为基坑三维模型中数据出现异常或有可能出现异常的设备设施或事物添加颜色变化、闪烁、震动等动画效果，以引起工作人员的注意，便于工作人员及时发现存在异常的基坑内设备设施并进行实地检查。

所述可视化模块305用于通过移动终端4或电脑端5的可视化人机交互界面展示基坑三维模型。

所述预测预警模块306用于判断实时基坑安全数据和趋势预测值是否超出用户设置的预警阈值，若超出预警阈值则向用户指定的电脑端5和/或移动终端4发送预警信息。用户可以通过移动终端4或电脑端5设置预警阈值的具体数值，以及基坑安全数据的采集、分发频率。

所述数据计算模块308用于将基坑安全数据按照规范要求进行计算，并输出反映基坑安全数据变化情况的计算结果。

所述人工专家评审模块309用于将预测预警结果远程发送给专家进行人工判断。基坑监测是一项需要结合实测和经验的工作，需要借助专家经验来判断分析预测预警结果是否合理，专家通过该模块对预测预警结果进行远程分析判断，可以解决特殊情况下专家无法实地评审的问题。

所述视频采集分析模块310用于通过视频监控装置13获取现场视频和图像资料，基于现场视频和图像资料通过图像识别技术分析基坑周边的潜在安全隐患，例如基坑周边过量堆放建筑材料、超挖等。

作为一种优选的示例，所述预测预警模块306还用于确定用户指定的移动终端所对应的用户身份信息，根据移动终端所对应的用户身份信息确定向相应移动终端发送的预警信息内容。例如，若移动终端所对应的用户为负责支护结构施工维护的工作人员，则向其发送与支护结构有关的基坑安全数据。

作为一种优选的示例，所述云服务器3还包括安全案例分析模块307，所述安全案例分析模块307用于获取安全案例数据，分析安全案例数据中安全事故发生时间段内各项基坑安全数据的趋势变化，判断实时基坑安全数据和趋势预测值是否与安全案例数据的趋势变化相匹配，若相匹配则向用户指定的电脑端和/或移动终端发送预警信息，所述安全案例数据为其他应用所述系统的基坑施工项目的基坑三维模型数据。所述安全事故发生时间段为安全事故发生前一段时间至安全事故发生后一段时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于物联网的基坑安全监测系统，其特征在于，所述系统包括现场数据采集模块、集成通讯模块、云服务器、移动终端和电脑端，所述现场数据采集模块用于采集基坑安全数据，并通过集成通讯模块将基坑安全数据发送至云服务器，所述云服务器用于基于基坑安全数据和预设数学模型计算趋势预测值，生成并分发安全报告，实现预测预警，所述移动终端和电脑端用于接收预测预警信息，所述电脑端还用于接入云服务器进行数据管理和系统运行参数设置。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的基坑安全监测系统，其特征在于，所述现场数据采集模块包括用于采集位移和沉降数据的测量机器人、用于采集地下水位数据的地下水位监测仪、用于采集支护结构应力数据的应力监测装置、用于采集深层位移数据的深层位移仪器、用于采集建筑沉降数据的静力水准仪、用于采集倾斜数据的倾角计、用于采集裂缝形变数据的裂缝监测仪、用于采集现场视频和图像资料的视频监控装置。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的基坑安全监测系统，其特征在于，所述应力监测装置包括一圆筒，所述圆筒的两个端部均开设有开口，所述开口内壁上设有螺纹，圆筒内两个开口下方均设有正对开口用于固定钢筋的固定筒，圆筒内设置有用于检测钢筋在竖直方向和水平方向上位移及形变的测量机构。

4.根据权利要求3所述的一种基于物联网的基坑安全监测系统，其特征在于，所述开口处设置有磁化机构，所述固定筒外套设有弹簧，所述弹簧的一端与圆筒端部连接，另一端与固定筒底部连接，所述测量机构包括软磁薄片、弹性布和阻抗传感器，所述软磁薄片设置于固定筒内壁上，软磁薄片与钢筋之间设置有多块环绕钢筋的弹性布，所述弹性布上端与圆筒端部连接，下端与固定筒底部连接，弹性布表面涂覆有石墨烯层，所述软磁薄片与阻抗传感器电性连接，所述阻抗传感器用于监测软磁薄片的阻抗值。

5.根据权利要求4所述的一种基于物联网的基坑安全监测系统，其特征在于，所述弹性布的两端分别设置有第一电极和第二电极，所述第一电极、第二电极与电阻传感器组成闭合回路。

6.根据权利要求5所述的一种基于物联网的基坑安全监测系统，其特征在于，所述圆筒中间设有元件腔，所述阻抗传感器、电阻传感器设置于元件腔内，所述元件腔内还设置有电源、信号放大器和模数转换器，所述电源分别与阻抗传感器、电阻传感器电性连接，所述信号放大器分别与阻抗传感器、电阻传感器信号相连，所述信号放大器、模数转换器、信号传输线依次相连接，所述信号传输线贯穿圆筒侧壁与通讯模块相连接，所述通讯模块设置于通讯盒内。

7.根据权利要求6所述的一种基于物联网的基坑安全监测系统，其特征在于，所述通讯盒内设置有无线充电接收线圈，元件腔内还设有电源管理芯片，所述无线充电接收线圈与电源管理芯片电性连接，所述电源管理芯片分别与电源、通讯模块相连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于物联网的基坑安全监测系统，其特征在于，所述云服务器包括：

数据接收模块，用于通过集成通讯模块获取各个现场数据采集模块所采集的数据；

数据转换模块，用于将现场数据采集模块直接采集的数据转换为相应的基坑安全数据；

数据计算模块，用于将基坑安全数据按照规范要求进行计算，并输出反映基坑安全数据变化情况的计算结果；

趋势预测模块，用于将历史基坑安全数据和实时基坑安全数据输入到预设数学模型中，计算各项基坑安全数据的趋势预测值；

模型生成模块，用于基于基坑工程规划数据、实时基坑安全数据生成基坑三维模型，根据历史基坑安全数据、实时基坑安全数据和趋势预测值为基坑三维模型添加动画效果；

可视化模块，用于通过可视化人机交互界面展示基坑三维模型；

预测预警模块，用于判断实时基坑安全数据和趋势预测值是否超出用户设置的预警阈值，若超出预警阈值则向用户指定的电脑端和/或移动终端发送预警信息；

人工专家评审模块，用于将预测预警结果远程发送给专家进行人工判断；

视频采集分析模块，用于获取现场视频和图像资料，基于现场视频和图像资料分析基坑周边潜在安全隐患。

9.根据权利要求8所述的一种基于物联网的基坑安全监测系统，其特征在于，所述预测预警模块还用于确定用户指定的移动终端所对应的用户身份信息，根据移动终端所对应的用户身份信息确定向相应移动终端发送的预警信息内容。

10.根据权利要求8所述的一种基于物联网的基坑安全监测系统，其特征在于，所述云服务器还包括安全案例分析模块，所述安全案例分析模块用于获取安全案例数据，分析安全案例数据中安全事故发生时间段内各项基坑安全数据的趋势变化，判断实时基坑安全数据和趋势预测值是否与安全案例数据的趋势变化相匹配，若相匹配则向用户指定的电脑端和/或移动终端发送预警信息，所述安全案例数据为其他应用所述系统的基坑施工项目的基坑三维模型数据。

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