信息化系統(tǒng)在基坑監(jiān)測(cè)中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

徐尚昭

摘 要：傳統(tǒng)的基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、中間的處理以及信息的反饋建筑、橋梁、馬路等大型建筑基坑情況。但是隨著科技的進(jìn)步和對(duì)基坑監(jiān)測(cè)理解程度的加大，使得傳統(tǒng)的信息化監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足基坑及周邊環(huán)境的監(jiān)測(cè)分析。本文通過(guò)分析基坑監(jiān)測(cè)信息化技術(shù)在在我國(guó)的研究現(xiàn)狀，并分析基坑監(jiān)測(cè)信息化系統(tǒng)存在的局限性，針對(duì)這些局限性構(gòu)建了能夠監(jiān)測(cè)基坑穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、預(yù)測(cè)系統(tǒng)以及可視化系統(tǒng)相結(jié)合的具有動(dòng)態(tài)分析功能的信息化系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；基坑監(jiān)測(cè)；管理系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.156

夯實(shí)的地基是保證建設(shè)高層建筑、大型水利工程、橋梁、隧道以及其他大型建筑的重要基礎(chǔ)。特別是在現(xiàn)代社會(huì)，對(duì)于高層建筑和長(zhǎng)橋、地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)在基坑監(jiān)測(cè)方面的需要變得越來(lái)越明顯。無(wú)論是在監(jiān)測(cè)中出現(xiàn)的深基坑還是多變化、“隱秘”的基坑都需要更高的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的分析和解決所遇到的難題。尤其是在進(jìn)行大型建筑開(kāi)發(fā)和構(gòu)建過(guò)程中基坑對(duì)于建筑的穩(wěn)定性起到了舉重若輕的作用。相對(duì)于以前，現(xiàn)代的建筑建設(shè)過(guò)程中所用的建筑材料變得更加復(fù)雜，在多介質(zhì)和高復(fù)雜的空間分布狀態(tài)下，基坑的情況也變得更加復(fù)雜，所以在監(jiān)測(cè)基坑的過(guò)程中，對(duì)于基坑的實(shí)時(shí)面貌特征和分布情況的預(yù)測(cè)則變得尤為重要。

1 基坑監(jiān)測(cè)的信息化

基坑監(jiān)測(cè)的信息化建設(shè)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和基于安全工程建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生的新技術(shù)。信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)⒆冃伪O(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)等融合為一體，為各種復(fù)雜的工程監(jiān)測(cè)提供有利的信息，對(duì)于基坑監(jiān)測(cè)的信息化研究和建設(shè)課題已經(jīng)是提上日程。

1.1 基坑監(jiān)測(cè)信息化建設(shè)的目的和意義

正因?yàn)榛颖O(jiān)測(cè)是保證工程項(xiàng)目安全工作的前提，如果忽視必要的安全建設(shè)工作，則往往會(huì)造成不可挽回的災(zāi)難。例如長(zhǎng)江三峽的新灘滑坡事故就是由于基坑監(jiān)測(cè)工作的忽視所導(dǎo)致。通過(guò)信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)能夠很好的將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建立預(yù)測(cè)模型，為基坑的安全防護(hù)工作提供了強(qiáng)有力的保障。同時(shí)，利用監(jiān)測(cè)的結(jié)果可以準(zhǔn)確的反饋于工程的施工過(guò)程，為后續(xù)施工的經(jīng)濟(jì)性、安全性、簡(jiǎn)便性建立有效的措施，并且對(duì)于具有爭(zhēng)議性和差異性的監(jiān)測(cè)結(jié)果具有很好的修正作用。

1.2 基坑監(jiān)測(cè)信息化研究現(xiàn)狀

現(xiàn)代的基坑監(jiān)測(cè)信息化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要包含了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工，主要是通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析處理得到所需要的預(yù)測(cè)信息，給予施工的全過(guò)程相應(yīng)的反饋數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。例如，鐘正雄等人利用所檢測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)合成數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，對(duì)施工過(guò)程的所有信息進(jìn)行分析，客觀的評(píng)價(jià)所檢測(cè)的項(xiàng)目的穩(wěn)定性，并以警報(bào)窗口的方式反映信息化處理系統(tǒng)的優(yōu)異性。此外，趙海燕等人提出了非線性變形動(dòng)態(tài)趨勢(shì)線的分析方法，以各個(gè)階段的函數(shù)作為定量信息，量化工程中的基坑，并進(jìn)行了實(shí)際的驗(yàn)證，使得基坑監(jiān)測(cè)信息化技術(shù)中預(yù)測(cè)的信息能力成為必不可少的一部分。由于基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)受到了越來(lái)越多人的關(guān)注，信息化系統(tǒng)的發(fā)展正朝著多元化的檢測(cè)儀器和智能化的分析儀器發(fā)展。

1.3 現(xiàn)有基坑監(jiān)測(cè)信息化系統(tǒng)存在的局限性

現(xiàn)在的建筑工程的開(kāi)展需要考慮到基土性質(zhì)、建筑平面特征以及周?chē)h(huán)境措施的特點(diǎn)而需要選擇合理的支護(hù)方案?，F(xiàn)有的基坑監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)主要是以監(jiān)測(cè)基坑的基本形貌位置，而對(duì)于周邊環(huán)境的信息監(jiān)測(cè)則不太重視，這樣往往會(huì)導(dǎo)致所監(jiān)測(cè)得到的結(jié)果具有單一性，不適于大型基坑項(xiàng)目的開(kāi)展。同時(shí)，由于檢測(cè)信息的復(fù)雜性和大數(shù)據(jù)性，需要能夠進(jìn)行相應(yīng)大數(shù)據(jù)處理的軟件和優(yōu)化算法作為技術(shù)支撐，因此在智能優(yōu)化算法的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用上還需要相對(duì)應(yīng)的調(diào)整。例如，遺傳算法（如圖1所示）就能夠通過(guò)群體的運(yùn)算和個(gè)體的評(píng)價(jià)對(duì)復(fù)雜的基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理，得到最終的優(yōu)化結(jié)果。

2 基坑監(jiān)測(cè)中信息化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需要考慮的因素非常多，例如基體結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)、相鄰建筑群或者環(huán)境介質(zhì)的關(guān)系、建設(shè)工程的經(jīng)驗(yàn)等，都直接影響了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)之后的應(yīng)用特性，綜合的分析基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、預(yù)測(cè)性和可視化特征是完善設(shè)計(jì)所必需的理論。

2.1 基坑穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

2.1.1 影響因素分析

工程項(xiàng)目的穩(wěn)定保證來(lái)源于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果，不僅關(guān)乎基坑的安全性能還影響著使用費(fèi)用的高低。在開(kāi)展監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的過(guò)程中往往會(huì)造成工程費(fèi)用的損失，但是如果對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行減量，同樣也會(huì)對(duì)工程造成不同程度的損失，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重的后果。所以在進(jìn)行基坑穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)之初就應(yīng)該進(jìn)行基坑工程項(xiàng)目等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，合理的規(guī)劃工程的使用費(fèi)用，并統(tǒng)籌基坑周?chē)h(huán)境的特征，具有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)出性價(jià)比較高的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.1.2 設(shè)計(jì)原則

基坑穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除了進(jìn)行影響因素的分析之外，還需要重視開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的原則。主要包括可靠性原則、多元性原則、經(jīng)濟(jì)適宜性原則和關(guān)鍵部位監(jiān)測(cè)原則等。其中可靠性原則是最基本的原則也是首要考慮的設(shè)計(jì)原則，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需要建立在現(xiàn)有可靠的儀器設(shè)備和實(shí)際工況的基礎(chǔ)之上，這樣才能夠保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的合理化。

2.2 基坑穩(wěn)定性預(yù)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

2.2.1 預(yù)測(cè)能力在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的體現(xiàn)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)還需要考慮到其預(yù)測(cè)能力的廣度和深度，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的信息我們發(fā)現(xiàn)，大部分信息是關(guān)于基坑的基本特性，而有少量的信息是為未知信息，通過(guò)提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)能力，合理的運(yùn)用這小部分未知信息進(jìn)行定性、定量的預(yù)測(cè)基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果在復(fù)雜的工程項(xiàng)目開(kāi)展中運(yùn)用的非常廣。例如，通過(guò)監(jiān)測(cè)大量的土壤流變性數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確的預(yù)判在基坑遭受破壞過(guò)程中所受到的位移信息，從而在今后的基體發(fā)掘過(guò)程中需要重視不斷變化的位移數(shù)據(jù)。

2.2.2 預(yù)測(cè)系統(tǒng)中優(yōu)化算法的選擇

在進(jìn)行預(yù)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中優(yōu)化算法的選擇是決定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)能力的重要影響因素。優(yōu)化算法其實(shí)是一種基于某種特定的運(yùn)算過(guò)程的搜索、篩選規(guī)則。在數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)領(lǐng)域中常常運(yùn)用的優(yōu)化算法主要有遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模擬退火算法等等。如前文中所提到的，遺傳算法是基于群體運(yùn)算和個(gè)體評(píng)價(jià)的算法，很好的分析了每一個(gè)個(gè)體數(shù)據(jù)之間存在的關(guān)系。而模擬退火法則在處理數(shù)據(jù)過(guò)程中局部極小值的解釋起到了重要作用。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則是通過(guò)運(yùn)用人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行抽象化，處理的過(guò)雖然具有抽象性但是卻能得到與非線性函數(shù)的真值最為近似的數(shù)值。

2.3 基坑可視化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

可視化系統(tǒng)是近些年在基坑監(jiān)測(cè)研究中新型的檢測(cè)手段，將基坑的檢測(cè)結(jié)果從單一的數(shù)據(jù)分析逐步轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)與圖片相結(jié)合的檢測(cè)方法，在監(jiān)測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性上有了很大的提高。隨著圖片處理水平的不斷提高，監(jiān)測(cè)可視化系統(tǒng)所輸出的圖片有二維變成三維，在形貌特征上更能夠體現(xiàn)出基坑周邊的環(huán)境信息和變化情況。

3 基坑可視化監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

綜上所述，在開(kāi)發(fā)基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中既需要考慮其數(shù)據(jù)處理的能力、預(yù)測(cè)能力還需要兼顧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息反饋能力和可視化系統(tǒng)的合理化。在基坑施工過(guò)程中，準(zhǔn)確的把握基坑開(kāi)發(fā)的速率和后續(xù)輔助工程的進(jìn)行，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所反饋的有效信息和參數(shù)有利于下一階段工程的設(shè)計(jì)和實(shí)施。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和登錄界面

目前，我們所面臨的比較難處理的基坑主要分為兩種，其一為深基坑，其二為具有周邊環(huán)境復(fù)雜的基坑。這兩種難處理的基坑具有很大的共同點(diǎn)，例如工作量大并且復(fù)雜，在對(duì)基坑的施工過(guò)程中對(duì)監(jiān)測(cè)的精度要求較高且監(jiān)測(cè)頻率較密。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能夠真實(shí)的反映出基坑及其環(huán)境周邊的情況，在數(shù)據(jù)的采集上也體現(xiàn)出較為繁瑣的處理過(guò)程。而我們采用Matlab開(kāi)發(fā)的具有可視化監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)的系統(tǒng)則很好的規(guī)避了這些難題。其主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，主要包括了數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及可視化模塊組成。

在啟動(dòng)軟件之后，首先進(jìn)入的是“系統(tǒng)登錄的窗口”（如圖3所示），在點(diǎn)擊進(jìn)入系統(tǒng)之后，則會(huì)通過(guò)核實(shí)用戶的“用戶名”和“密碼”進(jìn)行登錄操作。假如輸入的用戶信息有問(wèn)題則會(huì)彈出窗口提示“您輸入的用戶名或密碼有誤，請(qǐng)重新輸入”，而當(dāng)使用用戶信息登錄成功之后在可以開(kāi)始后續(xù)的系統(tǒng)中各個(gè)模塊的相應(yīng)功能。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)查詢系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理模塊

為了將所檢測(cè)到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的規(guī)劃和分析，本系統(tǒng)利用SQL語(yǔ)言建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的整理和保存，這些數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中可以根據(jù)監(jiān)測(cè)人員、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)日期進(jìn)行數(shù)據(jù)的排序、查詢和修改，特別是對(duì)于建筑物的沉降數(shù)據(jù)的分析和管理最為突出。SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的使用能夠?qū)⒒庸r中不同時(shí)間段、不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的結(jié)果匯總于一張表中為后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的溯源和重新添加或者修改起到很大的便利性。

此外，本系統(tǒng)針對(duì)深基坑、變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基坑監(jiān)測(cè)而采用了卡爾曼濾波技術(shù)，通過(guò)輸入-輸出的信號(hào)噪聲激勵(lì)的特性值統(tǒng)計(jì)，形成了具有時(shí)間段限制的濾波方法，可直接用于動(dòng)態(tài)的檢測(cè)基坑的實(shí)時(shí)情況，并進(jìn)行快速的預(yù)報(bào)。同時(shí)，系統(tǒng)中還結(jié)合了遺傳算法將所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了個(gè)性評(píng)價(jià)，剔除沒(méi)有相關(guān)性的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的預(yù)測(cè)模型的建立提供有效的信息來(lái)源。

3.3 預(yù)測(cè)模型和可視化模塊分析

在建立預(yù)測(cè)模型的過(guò)程中，首先需要設(shè)定相應(yīng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的警戒值允許值，系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型模塊的功能能夠?qū)崿F(xiàn)將處理后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，最后得到預(yù)測(cè)模型。預(yù)測(cè)模型能夠針對(duì)所監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和預(yù)測(cè)。

為了讓可視化模塊所顯示出來(lái)的圖片效果更加明顯和準(zhǔn)確，系統(tǒng)中采用GPS的偽距法進(jìn)行定位，根據(jù)周?chē)鶐r分布，計(jì)算出各個(gè)土層的主要物理力學(xué)性質(zhì)，水文地質(zhì)條件等選擇合理的監(jiān)測(cè)地點(diǎn)，并分別對(duì)維護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和周?chē)h(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。最終通過(guò)系統(tǒng)的可視化功能，將處理后的數(shù)據(jù)文件和預(yù)測(cè)模型在可視化模塊中顯示出來(lái)，通過(guò)三維圖片的形式能夠清晰的觀察到基坑中的具體形貌和對(duì)應(yīng)不可挖掘的地點(diǎn)，在一定程度上解決了工程師因?yàn)閿?shù)據(jù)的誤判和經(jīng)驗(yàn)的限制導(dǎo)致的工程建設(shè)事故的問(wèn)題。

4 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷提升，國(guó)家、地方政府對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施到的建設(shè)正逐步提高重視。在大型建筑和多樣化的建筑群體的建設(shè)中不可避免的會(huì)遇到較為困難的基坑施工情況。雖然國(guó)內(nèi)已經(jīng)許多的學(xué)者和和專(zhuān)家正對(duì)信息化的基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不斷的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)，但是現(xiàn)階段的基坑監(jiān)測(cè)還處于半監(jiān)測(cè)和半經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)狀，由于受到不同外界因素的影響，基坑的情況也變得十分復(fù)雜。信息化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠合理而準(zhǔn)確的得到有利于施工的基坑信息，本文提出的可視化監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)的系統(tǒng)還處于研究階段，僅實(shí)現(xiàn)了基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理和可視化，對(duì)于數(shù)據(jù)模型的預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)可視化的研究還需進(jìn)一步的深化。

參考文獻(xiàn)：

[1]范傳斌，張宏軍.信息化監(jiān)測(cè)技術(shù)在深基坑施工中的應(yīng)用[J]. 建筑施工，2014（11）：1219-1222.

[2]黃銀洲.信息化監(jiān)測(cè)在深基坑工程安全管理中應(yīng)用研究[J].山西建筑，2010（07）：87-88.