王曼 步樂樂 冷志鵬 朱立偉

摘 要：文中為城市軌道交通深基坑科學(xué)監(jiān)測及預(yù)警管理提供了設(shè)計(jì)支持，建立了基于自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的深基坑監(jiān)測體系，通過應(yīng)用現(xiàn)代傳感、通信和網(wǎng)絡(luò)等信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)集中式在線監(jiān)測綜合管理平臺(tái)。該平臺(tái)具有多項(xiàng)目深基坑在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)信息處理及安全預(yù)警等功能，可幫助管理部門科學(xué)評(píng)估深基坑的狀態(tài)及其發(fā)展演化趨勢，在基坑接近危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)及時(shí)預(yù)警，從而降低深基坑發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;深基坑;實(shí)時(shí)監(jiān)測;安全評(píng)估;預(yù)警系統(tǒng);信息化技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP393;U231.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）11-00-04

0 引 言

城市空間資源不足限制了城市的建設(shè)和發(fā)展，城市地下空間的開發(fā)與利用在城市建設(shè)和發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。軌道交通作為一種高效便捷、安全舒適的交通工具，極大地緩解了城市公共交通壓力，促進(jìn)了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。隨著地鐵線路不斷增多，深基坑也在向超深、超大方向發(fā)展。近年來，在城市建設(shè)過程中會(huì)出現(xiàn)管線改移、管線被挖損等事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2]，由深基坑施工所造成的基坑坍塌、建（構(gòu)）筑物傾斜或開裂、道路沉陷、管線爆裂等事故屢有發(fā)生，造成了不良的社會(huì)影響。因此，保證深基坑施工安全是目前亟需解決的難題之一。

深基坑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)面向一個(gè)區(qū)域多項(xiàng)目基坑對(duì)象，應(yīng)用現(xiàn)代傳感、通信和網(wǎng)絡(luò)等信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集基坑結(jié)構(gòu)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析處理、預(yù)警評(píng)估等功能于一體的集中式在線監(jiān)測綜合管理平臺(tái)[3]，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及時(shí)掌握深基坑變形演化趨勢，方便建設(shè)單位提前采取措施，避免事故發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體功能概述

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)基坑集中式在線監(jiān)測管理，系統(tǒng)以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的方式進(jìn)行總體規(guī)劃，由底層的分布式基坑現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，中層的共享式數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)以及上層的集中式基坑監(jiān)測管理中心組成。

基坑監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示。其中分布式基坑現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)是區(qū)域級(jí)基坑集群監(jiān)測平臺(tái)基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)。底層的基坑現(xiàn)場信息感知層由自動(dòng)化在線監(jiān)測子系統(tǒng)與電子化人工巡檢子系統(tǒng)組成。自動(dòng)化在線監(jiān)測子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、現(xiàn)場傳輸模塊組成。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要由分布在基坑現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集工作站中的各類采集設(shè)備組成，主要功能是數(shù)據(jù)采集，并按照監(jiān)測信號(hào)種類進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、預(yù)處理、獲取目標(biāo)監(jiān)測量?，F(xiàn)場傳輸模塊將經(jīng)過采集模塊獲得的數(shù)字信號(hào)集中匯聚，調(diào)制成為可供遠(yuǎn)程傳輸?shù)男盘?hào)，并通過現(xiàn)場光纖環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)交蝇F(xiàn)場工作站。電子化人工巡檢子系統(tǒng)由基坑監(jiān)測人員利用PDA設(shè)備進(jìn)行巡檢數(shù)據(jù)及人工監(jiān)測數(shù)據(jù)的錄入，并對(duì)日常巡檢管理、巡檢任務(wù)的執(zhí)行情況進(jìn)行有效監(jiān)控。

中層的共享式數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)是聯(lián)系底層分布式基坑現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)與上層基坑監(jiān)測管理中心的通道。遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)包含基坑公共資源網(wǎng)絡(luò)，如電信、移動(dòng)、聯(lián)通的寬帶光纖網(wǎng)絡(luò)及4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)。

上層基坑監(jiān)測管理中心主要由結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與綜合評(píng)估子系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘及預(yù)測子系統(tǒng)、中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、用戶界面子系統(tǒng)組成，主要功能是完成對(duì)基坑的預(yù)警與安全評(píng)估等，并通過Web應(yīng)用提供給用戶如監(jiān)測、巡檢、預(yù)警等信息。

2 分布式基坑現(xiàn)場信息感知層設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)化在線監(jiān)測子系統(tǒng)

基坑監(jiān)測系統(tǒng)能否對(duì)基坑結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)做出準(zhǔn)確客觀的評(píng)估，取決于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能否及時(shí)采集到真實(shí)反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征信息。監(jiān)測系統(tǒng)方案中傳感器系統(tǒng)的類型和規(guī)模確定后，便立即著手解決傳感信號(hào)的自動(dòng)采集、可靠轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)葐栴}。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由分布在基坑現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集工作站和傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，即基坑數(shù)據(jù)采集中心。對(duì)每個(gè)項(xiàng)目分別設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)采集中心，各數(shù)據(jù)采集中心通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交庸芾頂?shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)處理與控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)以上兩個(gè)模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并提交給后續(xù)各子系統(tǒng)使用[4]，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊的工作進(jìn)行操作控制。數(shù)據(jù)處理與控制模塊實(shí)現(xiàn)功能如下：

（1）數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)脑O(shè)置和控制;

（2）將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)測試量;

（3）評(píng)估數(shù)據(jù)質(zhì)量，剔除異常值，抽取優(yōu)良數(shù)據(jù)，判斷傳感器和數(shù)據(jù)采集板卡工作狀態(tài)，如有異常及時(shí)報(bào)警;

（4）根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和重采樣，提高數(shù)據(jù)信噪比，降低數(shù)據(jù)量;

（5）根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析、提取和變換，包括計(jì)算和提取各類特征量，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)對(duì)比分析、數(shù)據(jù)圖形分析、時(shí)域變換、頻域變換、時(shí)頻變換等;

（6）向自動(dòng)化在線監(jiān)測子系統(tǒng)提交所需數(shù)據(jù)。

同時(shí)，本系統(tǒng)還為現(xiàn)場供電進(jìn)行了防雷電設(shè)計(jì)，將絕大部分電流直接引入地下泄散，防止沿電源線或者數(shù)據(jù)、信號(hào)線引入的過電壓波危害設(shè)備（內(nèi)部保護(hù)及過電壓保護(hù)），限制被保護(hù)設(shè)備的浪涌過電壓幅值（多電壓保護(hù)）[5-6]。

自動(dòng)化在線監(jiān)測子系統(tǒng)中的監(jiān)測項(xiàng)目包括環(huán)境荷載、基坑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置內(nèi)力等參數(shù)，具體見表1所列。

2.2 電子化人工巡檢子系統(tǒng)

對(duì)基坑進(jìn)行全面監(jiān)測不僅要依靠自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，還要建立人工巡檢管理子系統(tǒng)。電子化人工巡檢子系統(tǒng)包括電子化巡檢管理軟件和現(xiàn)場巡檢軟件，其中現(xiàn)場巡檢軟件的主要功能是對(duì)基坑施工過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行現(xiàn)場記錄;電子化巡檢養(yǎng)護(hù)管理軟件主要管理基坑損傷信息、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估、預(yù)測分析、運(yùn)行狀態(tài)等。系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

（1）及時(shí)記錄基坑現(xiàn)場巡視及人工監(jiān)測的內(nèi)容、手段、檢查表格、時(shí)間間隔等;

（2）對(duì)巡檢項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)電子化，制定巡檢計(jì)劃和任務(wù)，并按照規(guī)范提供人工巡檢內(nèi)容電子化表格，規(guī)范巡檢，實(shí)現(xiàn)巡檢信息自動(dòng)上傳[7-8];

（3）制訂基坑的巡檢養(yǎng)護(hù)手冊與養(yǎng)護(hù)指導(dǎo)意見，對(duì)巡檢數(shù)據(jù)、巡檢任務(wù)的執(zhí)行情況進(jìn)行有效管理。

3 基坑遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

建設(shè)區(qū)域范圍的監(jiān)測系統(tǒng)，搭建合適的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)，由現(xiàn)場局域網(wǎng)模塊與城市主干網(wǎng)絡(luò)連接，完成數(shù)據(jù)從基坑現(xiàn)場采集工作站到基坑監(jiān)測管理中心的遠(yuǎn)程傳輸。本項(xiàng)目擬建的監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 上層集中式基坑監(jiān)測管理中心

4.1 結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與綜合評(píng)估子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與綜合評(píng)估子系統(tǒng)分為結(jié)構(gòu)安全預(yù)警模塊和綜合評(píng)估模塊。

結(jié)構(gòu)安全預(yù)警模塊的主要作用是對(duì)基坑出現(xiàn)的危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行藍(lán)色、黃色、橙色、紅色分級(jí)預(yù)警。首先，描述基坑的主要危險(xiǎn)狀態(tài)，建立危險(xiǎn)狀態(tài)信息庫;其次，對(duì)基坑的主要危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別;最后，根據(jù)不同的危險(xiǎn)狀態(tài)和預(yù)警級(jí)別給出相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，并以最快的方式通知基坑建設(shè)單位。

結(jié)構(gòu)綜合評(píng)估模塊主要功能包括結(jié)合人工巡檢信息和自動(dòng)采集數(shù)據(jù)對(duì)基坑的整體工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，在線生成快速評(píng)估報(bào)告，定期生成離線綜合評(píng)估報(bào)告，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果給出相應(yīng)的基坑施工建議。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘及預(yù)測子系統(tǒng)

監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘及預(yù)測子系統(tǒng)須對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。目前數(shù)據(jù)挖掘的主要方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、遺傳算法、決策樹方法、粗集方法、統(tǒng)計(jì)分析方法以及模糊集方法[9]。

基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘流程如圖3所示。

數(shù)據(jù)挖掘的步驟如下：

（1）在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段確定挖掘目標(biāo)，完成數(shù)據(jù)選擇和采樣工作;

（2）在實(shí)施階段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為指標(biāo)，形成模式和模型;

（3）在數(shù)據(jù)挖掘驗(yàn)證階段，通過數(shù)據(jù)驗(yàn)證挖掘得到內(nèi)容的可靠性與適用性[10]。

在確定數(shù)據(jù)挖掘目標(biāo)之后，首先需要尋找各監(jiān)測累計(jì)變形與變形速率的概率分布特征，然后探尋基坑狀態(tài)與監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，進(jìn)而探討基坑施工規(guī)范程度、保護(hù)等級(jí)與監(jiān)測數(shù)據(jù)指標(biāo)間的關(guān)系。通過以上研究，給出考慮實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)的安全警戒值。

4.3 中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基坑監(jiān)測管理中心所有數(shù)據(jù)的平臺(tái)管理工作，完成數(shù)據(jù)的歸檔、查詢、存儲(chǔ)等。通過建立該子系統(tǒng)，可統(tǒng)一管理與組織數(shù)據(jù)信息，不僅可為系統(tǒng)的維護(hù)與管理提供便利，也可為各應(yīng)用子系統(tǒng)提供可靠的分布式數(shù)據(jù)交換與存儲(chǔ)平臺(tái)，方便開發(fā)與使用[11]。

中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)管理、系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)管理、預(yù)警評(píng)估管理共計(jì)四個(gè)模塊，具體功能要求如下：

（1）具有良好的可擴(kuò)展性、通用性強(qiáng);

（2）能夠查看基坑預(yù)警記錄并及時(shí)管理，提供巡檢數(shù)據(jù)評(píng)估、監(jiān)測數(shù)據(jù)評(píng)估和綜合評(píng)估報(bào)告，具有信息查詢、導(dǎo)出和打印功能;

（3）具有用戶權(quán)限管理功能，系統(tǒng)管理員對(duì)系統(tǒng)功能點(diǎn)進(jìn)行授權(quán)訪問，防止非法用戶獲取數(shù)據(jù);

（4）監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，方便用戶定位系統(tǒng)故障位置，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù);

（5）系統(tǒng)能夠?qū)踊拘畔?、?gòu)件結(jié)構(gòu)信息、自動(dòng)化設(shè)備信息、預(yù)警配置信息以及評(píng)估參數(shù)配置信息等進(jìn)行必要的增、刪、查、改操作，使用戶能夠全面了解系統(tǒng)，使軟件系統(tǒng)具有可定義配置能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性。

4.4 用戶界面子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用戶界面子系統(tǒng)劃分為六個(gè)模塊，各模塊的功能描述及對(duì)應(yīng)功能點(diǎn)見表2所列。系統(tǒng)首頁監(jiān)測與預(yù)警界面如圖4所示。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)軌道交通深基坑的監(jiān)測需求設(shè)計(jì)了施工實(shí)時(shí)監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)組成及模塊功能進(jìn)行了闡述說明。該系統(tǒng)可滿足軌道交通深基坑的實(shí)時(shí)監(jiān)控、安全預(yù)警、綜合評(píng)估等管理需求，有效降低了深基坑發(fā)生質(zhì)量安全問題的風(fēng)險(xiǎn)。

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