CN115726403A - 基于北斗和5g的沉井施工可视化监控系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗和5G的沉井施工可视化监控系统及监测方法，属于建筑工程技术领域，其特征在于，包括：数据自动采集系统，通过北斗系统获取沉井结构数据和沉井周边数据；数据处理云平台，通过5G网络，接收数据自动采集系统的数据，并对数据进行分析处理；客户端，通过5G网络，接收数据处理云平台的数据，并对数据进行显示和操作。本发明利用北斗系统、监测设备和5G网络，进行沉井制作和下沉过程中的位置和姿态、沉井周围地下水位、沉井周边土体深层水平位移、沉井周边建筑物变形和施工现场实时状况的自动监测，实现数据自动处理，以可视化图片、影像等形式向相关人员提供沉井实时状态。

Description

基于北斗和5G的沉井施工可视化监控系统及监测方法

技术领域

本发明属于建筑工程技术领域，尤其是涉及一种基于北斗和5G的沉井施工可视化监控系统及监测方法。

背景技术

基本概念：沉井是井筒状的结构物，它是以井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础，或者并不填塞井孔，作为地下空间使用。一般在施工大型桥墩的基坑，污水泵站，大型设备基础，人防掩蔽所，盾构拼装井，地下车道与车站水工基础施工围护装置时使用。

现有技术：沉井制作和下沉过程中，对沉井位置与姿态的监测尤为重要，如监测数据不准确、不及时，则可能出现严重后果，比如短时间内下沉过大，甚至发生“突沉”，威胁沉井结构和人员安全，不均匀下沉导致沉井倾斜，沉降过快导致沉井最终下沉量超标、沉井下沉影响周边建(构)筑物等问题。目前工程中多采用人工监测的方式对沉井位置和姿态进行监测，少数采用自动监测的也多为孤例，不成系统。

缺陷：目前常用的沉降位置与姿态监测方式存在诸多问题，比如：

(1)监测受台风、雨等天气影响较大，天气恶劣时人员往往不能及时到现场采集数据；

(2)施工现场环境复杂，测量人员在施工期间对现场数据进行采集过程中，可能会遇到各种危险情况；

(3)施工过程中的设备、人员可能阻挡全站仪等光学监测设备的“视线”，导致无法取得监测数据；

(4)沉井下沉过程中可能下沉速度很快或者发生“突沉”，有时需要很高的监测频率，对监测人员的数量和劳动强度要求较高；

(5)监测结果处理时间较长，建设单位、业主单位相关人员无法及时知道沉井现状。

发明内容

针对以上的技术缺陷，本发明提供了一种基于北斗和5G的沉井施工可视化监控系统及监测方法，利用北斗系统、监测设备和5G网络，进行沉井制作和下沉过程中的位置和姿态、沉井周围地下水位、沉井周边土体深层水平位移、沉井周边建筑物变形和施工现场实时状况的自动监测，实现数据自动处理，以可视化图片、影像等形式向相关人员提供沉井实时状态。

为实现上述技术目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明的第一目的是提供一种基于北斗和5G的沉井施工可视化监控系统，包括：

数据自动采集系统，通过北斗系统获取沉井结构数据和沉井周边数据；

数据处理云平台，通过5G网络，接收数据自动采集系统的数据，并对数据进行分析处理；

客户端，通过5G网络，接收数据处理云平台的数据，并对数据进行显示和操作。

优选地：所述沉井结构数据包括沉井水平位移、沉降和倾角。

优选地：所述沉井周边数据包括沉井外侧地下水位、沉井外侧深层水平位移、沉井周边建筑物位移和施工现场监控视频。

优选地：所述数据自动采集系统包括沉井结构监测系统和沉井周边监测系统。

优选地：所述沉井结构监测系统包括毫米级形变监测终端、倾角传感器、视频监控系统。

优选地：所述沉井周边监测系统包括固定式测斜仪、水位自动采集系统、毫米级形变监测终端和建筑物倾角传感器。

本发明的第二目的是提供一种基于北斗和5G的沉井施工可视化监控方法，包括：

S1、沉井第一段制作完成后，进行监测仪器安装：

在沉井四面距井壁安装固定式测斜仪，在沉降周边建筑物上安装RTK毫米级形变监测终端和倾角仪，将RTK毫米级形变监测终端置于沉井第一段顶面3个内角点处，检测得到3个的角点的初始坐标(x_A0，y_A0，z_A0)、(x_B0，y_B0，z_B0)和(x_C0，y_C0，z_C0)，结合沉井结构设计图，得到沉井的初始姿态、沉井各个位置的坐标；将3个RTK形变监测终端分别安装在沉井内壁顶角A、B、C下方；

S2、开始监测，检测设备进行初始数据采集；

S3、进行沉井下沉施工，下沉过程中进行实时监测；

S4、监测数据通过5G网络传输至数据处理云平台，对数据进行分析处理；

S5、第一段沉井下沉完成，进行第二阶段制作；

S6、沉井第二阶段制作完成，将沉井上的RTK毫米级形变监测终端和倾角仪移至沉井第二段上部并测坐标与倾角，通过RTK毫米级形变监测终端坐标、倾角和已建沉井BIM模型，得到沉井的位置与姿态，沉井下沉，继续进行自动监测；

S7、按照步骤S5-S6完成第三阶段的制作与下沉；

S8、第四阶段制作与下沉阶段，完成沉井的制作与下沉。

优选地：在S1具体为：在沉井四面距井壁3m处各安装1个固定式测斜仪，测斜仪底部深入地基不动土层1m；在沉井对角点距井壁5m处各安装1个水位管和自动采集式水位计，水位管底部低于场地历史最低水位2m；在距离沉井100m处的高层建筑物和施工场地内塔吊上各安装1个高清摄像头；在沉降周边建筑物上安装RTK毫米级形变监测终端和倾角传感器。

优选地：在S1中，沉井为方形，沉井顶面形心的初始坐标为

沉井x和y方向的倾角分别为

本发明具有的优点和技术效果是：

本发明利用北斗系统、监测设备和5G网络，进行沉井制作和下沉过程中的位置和姿态、沉井周围地下水位、沉井周边土体深层水平位移、沉井周边建筑物变形和施工现场实时状况的自动监测，实现数据自动处理，以可视化图片、影像等形式向相关人员提供沉井实时状态。

(1)本发明受台风、雨等恶劣天气影响较小，可以保证按时得到监测数据；

(2)本发明减少了测量人员，减少了人工成本，无需测量人员进出施工现场，减少了现场发生安全事故的可能；

(3)本发明可以根据需要随时调整监测频率，保证沉井的施工安全；

(4)本发明摒弃了全站仪等光学监测仪器，减少了施工过程中人员和设备的影响；

(5)本发明安装在沉井上的沉降位移和倾斜监测设备在沉井制作期间仍可进行工作，不受沉井制作期间模板支护等工作影响，可实现沉井制作和下沉期间数据的连续测量；

(6)本发明进行数据的自动处理，大大节省了监测人员处理数据的时间，避免了数据处理时可能发生的错误；

(7)本发明采用5G网络进行监测数据自动传输、自动处理，具有高速率、低时延和大容量的优点，保证了数据的实时性；

(8)本发明以图片、影像等形式显示监测结果，形象生动，方便相关人员理解和相关成果展示；

(9)相关人员可以非常方便的通过PC端和手机端登录云平台，远隔千里也可知道沉井的实时状态，大大减少了数据的周转环节，提高了对数据的响应效率。

附图说明

图1是本申请优选实施例的系统框图；

图2是本申请优选实施例中监测仪器位置布置示意图；

图3是本申请优选实施例中RTK终端与井壁的相对位置示意图；

图4是本申请优选实施例中是RTK终端与井壁的连接示意图；

图5是本申请优选实施例中固定式测斜仪安装图；

图6是本申请优选实施例中自动采集式水位计水位图。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、设计的控制系及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至图6，一种基于北斗和5G的沉井施工可视化监控系统，包括：

数据自动采集系统，通过北斗定位等技术获取沉井结构数据和沉井周边数据；

数据处理云平台，通过5G网络，接收数据自动采集系统的数据，并对数据进行分析处理；

客户端，通过5G网络，接收数据处理云平台的数据，并对数据进行显示和操作。

本申请主要包括一套数据自动采集系统、数据处理云平台和客户端。系统之间的传输采用5G网络。

其中数据自动采集系统包括沉井水平位移与沉降、倾角、沉井外侧地下水位、沉井外侧深层水平位移、沉井周边建(构)筑物位移、施工现场监控视频等参数的自动监测和数据采集。

数据处理云平台具备接受并记录监测数据，进行数据自动处理与分析，自动生成图表，以图片、影像等形式显示沉井实时状态，远程操控自动监测系统，自动预警等功能。

客户端包括PC端、Web端和手机端，相关人员可以根据各自权限，进行沉井实时状态查询、采集系统操控、平台指令修改等操作。

如图2所示，在沉井外壁1内侧安装RTK毫米级形变监测终端3和倾角传感器4；处于安全要求需进行监测的沉井周边建筑物7上安装RTK毫米级形变监测终端3和倾角传感器4，沉井外壁1周边安装水位自动采集装备6、固定式测斜仪5和高清摄像头8，其中：3个RTK毫米级形变监测终端安装在沉井外壁内侧3个角的同一高度或需要监测的建(构)筑物上，该RTK毫米级形变监测终端通过北斗卫星定位系统提供监测点的三维空间坐标，两次测量所得空间坐标之间的差值即为监测点位移，监测点坐标数据通过5G网络传递至数据处理云平台进行数据处理，该监测终端目前已有成熟设备；倾角传感器安装在沉井外壁内侧，可测定两个正交方向的倾斜角度，数据通过5G网络传输至数据处理云平台，目前市场已有成熟设备；固定式测斜仪可实现监测位置土体表面到测量深度的水平位移的自动监测，监测数据通过5G网络发送至数据处理云平台；水位自动采集装备主要由水位管和自动采集式水位计组成，数据可直接通过5G网络发送至数据处理云平台；高清摄像头安装于沉井周边的建(构)筑物上，安装高度需高于沉井高度。图中A、B、C为沉井三个顶面角点，O为顶面形心点；

如图3所示，3-1，3-2，3-3表示3个RTK终端，A1、B1、C1为沉井内壁顶角。

如图4所示，RTK毫米级形变监测终端3通过螺栓9固定在沉井井壁2上；

如图5所示，测斜管9-3设置在地面9-1和不同土层9-2之间，测斜管9-3包括多个固定式测斜传感器9-4，测斜数据采集与传输设备9-6通过测斜连接线9-5与传感器9-4相连，测斜数据采集与传输设备9-6通过测斜支架9-7安装在地面9-1上；测斜管深入不同土层至少1m；

如图6所示，水位管10-7从地表面10-1向下插入，并深入场地历史最低水位10-2以下，水位数据采集与传输设备10-5通过水位数据线10-4与水位计10-3连接，水位数据采集与传输设备10-5通过水位支架10-6安装在地表面10-1上。

本发明根据设计要求监测项目和监测点位置，监测点上布设监测仪器；利用BIM技术制作沉井数值模型；编写监测云平台，并将沉井BIM模型嵌入云平台，平台可以自动接收或人工输入监测数据；随沉井制作和施工进行各项监测，监测结果输入云平台；监测云平台对监测数据进行自动处理，并将处理结果通过图片、影像等形式进行展示；相关人员通过PC端和手机端登录云平台，根据各自权限对处理结果进行查看、监测要求修改等操作。

实例：沉井平面图见附图1，方形沉井，尺寸31m×28m，总高度29.5m，下沉高度28m，采用分段制作分段下沉，第一段高9m，下沉7.5m，第二段高9m，下沉9m，第三段高9m，下沉9m，第四段高2.5m，下沉3.5m。利用本发明进行施工监测的方法如下：

1、第一段沉井制作，该阶段不进行自动监测。

2、沉井第一段制作完成，进行监测仪器安装。在沉井四面距井壁3m处各安装1个固定式测斜仪，测斜仪底部深入地基不动土层1m；在沉井对角点距井壁5m处各安装1个水位管和自动采集式水位计，水位管底部低于场地最低水位2m；在沉井100m一处高层建筑物和施工场地内塔吊上各安装1个高清摄像头；在需要监测的沉降周边建(构)筑物上安装RTK毫米级形变监测终端和倾角仪，采用螺栓连接；监测仪器数量和安装位置可根据现场实际情况和设计要求进行调整。

3、将RTK毫米级形变监测终端置于沉井第一段顶面3个内角点处，检测得到3个的角点的初始坐标(x_A0，y_A0，z_A0)、(x_B0，y_B0，z_B0)和(x_C0，y_C0，z_C0)，结合沉井结构设计图，即可得到沉井的初始姿态，沉井各个位置的坐标即可获得，比如方形沉井顶面形心的初始坐标为

沉井x和y方向的倾角分别为

4、将3个RTK形变监测终端分别安装在沉井内壁顶角A、B、C下的某一高度上，该高度即可防止沉井第二段制作阶段模板支护与施工损坏RTK形变监测终端，又可避免下沉过程中沉井内土损坏RTK形变监测终端，编号分别记为1、2、3，本例中安装在顶面下1.5m左右。

开始自动监测，进行各检测设备初始数据采集，其中倾角传感器初始值设置为零。附图中编号1、2、3的RTK终端的初始读数分别为(x₁₀，y₁₀，z₁₀)、(x₂₀，y₂₀，z₂₀)和(x₃₀，y₃₀，z₃₀)，则测点1、2、3与相邻角点A、B、C的距离分别为

5、进行沉井下沉施工，下沉过程中进行实时监测。假设t时刻编号1、2、3的RTK终端读数为(x_1t，y_1t，z_1t)、(x_2t，y_2t，z_2t)和(x_3t，y_3t，z_3t)，倾角传感器读数为(θ_xt，θ_yt)，则沉井的倾角为((θ_x0+θ_xt)，(θ_y0+θ_yt))，沉井角点坐标为A(x_1t+L_A1 sin(θ_x0+θ_xt)，y_1t+L_A1sin(θ_y0+θ_yt)，z_1t+L_A1cos(θ_x0+θ_xt)cos(θ_y0+θ_yt))，B(x_2t+L_B2sin(θ_x0+θ_xt)，y_2t+L_B2sin(θ_y0+θ_yt)，z_2t+L_B2cos(θ_x0+θ_xt)cos(θ_y0+θ_yt))，C(x_3t+L_C3sin(θ_x0+θ_xt)，y_3t+L_C3sin(θ_y0+θ_yt)，z_3t+L_C3cos(θ_x0+θ_xt)cos(θ_y0+θ_yt))，顶面形心O((x_2t+L_B2sin(θ_x0+θ_xt)+x_3t+L_C3sin(θ_x0+θ_xt))/2，(y_2t+L_B2sin(θ_y0+θ_yt)+y_3t+L_C3sin(θ_y0+θ_yt))/2，(z_2t+L_B2cos(θ_x0+θ_xt)cos(θ_y0+θ_yt)+z_3t+L_C3cos(θ_x0+θ_xt)cos(θ_y0+θ_yt))/2)。根据3个RTK终端读数和倾角传感器的读数可以求得沉井上任一点的坐标。

6、监测数据通过5G网络传输至数据处理云平台，数据进行自动处理，在由BIM技术等构成的三维沉井及周边场地模型上进行可视化显示，相关人员可以通过手机端、PC端等实时掌握沉井施工进程。施工人员可通过该监控系统，调整开挖顺序与速度，掌握沉井下沉速度和姿态，原则上沉井一侧倾斜或下沉速度过快，则减缓该侧开挖速度，加快对侧开挖速度。

7、第一段沉井下沉完成，进行第二阶段制作，期间自动监测系统持续工作。

8、沉井第二阶段制作完成，将沉井上的RTK毫米级形变监测终端和倾角仪移至沉井第二段上部并测坐标与倾角，其它监测仪器不变，通过新RTK监测终端坐标、倾角和已建沉井BIM模型，可以得到沉井的位置与姿态。沉井下沉，继续进行自动监测。

9、按照步骤7-8完成第三阶段的制作与下沉。

10、第四阶段制作与下沉阶段，RTK毫米级形变监测终端和倾角仪无需移位。完成沉井的制作与下沉。

以上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 (9)

1.一种基于北斗和5G的沉井施工可视化监控系统，其特征在于，包括：

数据自动采集系统，通过北斗系统获取沉井结构数据和沉井周边数据；

数据处理云平台，通过5G网络，接收数据自动采集系统的数据，并对数据进行分析处理；

客户端，通过5G网络，接收数据处理云平台的数据，并对数据进行显示和操作。

2.根据权利要求1所述的基于北斗和5G的沉井施工可视化监控系统，其特征在于：所述沉井结构数据包括沉井水平位移、沉降和倾角。

3.根据权利要求1所述的基于北斗和5G的沉井施工可视化监控系统，其特征在于：所述沉井周边数据包括沉井外侧地下水位、沉井外侧深层水平位移、沉井周边建筑物位移和施工现场监控视频。

4.根据权利要求1所述的基于北斗和5G的沉井施工可视化监控系统，其特征在于：所述数据自动采集系统包括沉井结构监测系统和沉井周边监测系统。

5.根据权利要求4所述的基于北斗和5G的沉井施工可视化监控系统，其特征在于：所述沉井结构监测系统包括毫米级形变监测终端、倾角传感器、视频监控系统。

6.根据权利要求4所述的基于北斗和5G的沉井施工可视化监控系统，其特征在于：所述沉井周边监测系统包括固定式测斜仪、水位自动采集系统、毫米级形变监测终端和建筑物倾角传感器。

7.一种基于北斗和5G的沉井施工可视化监控方法，其特征在于，包括：

S1、沉井第一段制作完成后，进行监测仪器安装：

在沉井四面距井壁安装固定式测斜仪，在沉降周边建筑物上安装RTK毫米级形变监测终端和倾角仪，将RTK毫米级形变监测终端置于沉井第一段顶面3个内角点处，检测得到3个的角点的初始坐标(x_A0，y_A0，z_A0)、(x_B0，y_B0，z_B0)和(x_C0，y_C0，z_C0)，结合沉井结构设计图，得到沉井的初始姿态、沉井各个位置的坐标；将3个RTK形变监测终端分别安装在沉井内壁顶角A、B、C下方；

S2、开始监测，检测设备进行初始数据采集；

S3、进行沉井下沉施工，下沉过程中进行实时监测；

S4、监测数据通过5G网络传输至数据处理云平台，对数据进行分析处理；

S5、第一段沉井下沉完成，进行第二阶段制作；

S6、沉井第二阶段制作完成，将沉井上的RTK毫米级形变监测终端和倾角仪移至沉井第二段上部并测坐标与倾角，通过RTK毫米级形变监测终端坐标、倾角和已建沉井BIM模型，得到沉井的位置与姿态，沉井下沉，继续进行自动监测；

S7、按照步骤S5-S6完成第三阶段的制作与下沉；

S8、第四阶段制作与下沉阶段，完成沉井的制作与下沉。

8.根据权利要求7所述的基于北斗和5G的沉井施工可视化监控方法，其特征在于：在S1具体为：在沉井四面距井壁3m处各安装1个固定式测斜仪，测斜仪底部深入地基不动土层1m；在沉井对角点距井壁5m处各安装1个水位管和自动采集式水位计，水位管底部低于场地历史最低水位2m；在距离沉井100m处的高层建筑物和施工场地内塔吊上各安装1个高清摄像头；在沉降周边建筑物上安装RTK毫米级形变监测终端和倾角传感器。

9.根据权利要求7所述的基于北斗和5G的沉井施工可视化监控方法，其特征在于：在S1中，沉井为方形，沉井顶面形心的初始坐标为

沉井x和y方向的倾角分别为

Images