全天候無人監(jiān)測系統(tǒng)初探

陳衛(wèi)林 葉院生 伍艷良

1.安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院；2.廣州南方測繪儀器有限公司

針對以往采集技術(shù)低下以及無線網(wǎng)絡(luò)資源不夠發(fā)達(dá)，地下工程和基坑信息不能夠及時得到反饋，突發(fā)事件不能及時發(fā)現(xiàn)和解決的特點(diǎn)，提出了利用先進(jìn)的自動采集技術(shù)、傳感技術(shù)、無線傳輸技術(shù)等手段實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、實(shí)時上傳、動態(tài)監(jiān)測等功能并對突發(fā)事件進(jìn)行實(shí)時預(yù)警的自動實(shí)時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

概述

隨著地下空間的開發(fā)利用，地下的工程數(shù)量日益增加，急劇卸載開挖、周邊環(huán)境異常變化、暴雨、長時間雨水浸泡等因素，使得基坑開挖存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，有可能會引起其周邊房屋開裂、地面下陷，甚至還會引發(fā)基坑坍塌等安全事故。例如2013年1月28日16 時40 分，廣州荔灣區(qū)康王南路與杉木欄路交界處至少有三幢商鋪倒塌，其事發(fā)地點(diǎn)位于廣州地鐵6 號線文化公園站施工工地旁，有人認(rèn)為這是修建地鐵導(dǎo)致了塌陷。2014年7月11日9：30 左右，深圳市粵鵬建設(shè)有限公司開發(fā)的位于南沙街金沙路海韻君蘭項(xiàng)目發(fā)生了基坑DE 段北側(cè)路面出現(xiàn)大面積沉陷，沉陷面積約250m2，沉陷最深處1.2m南沙海韻蘭庭小區(qū)發(fā)生地陷，數(shù)百戶居民緊急疏散。這些突發(fā)事件引起了我們對地下工程和基坑的安全開發(fā)利用足夠的重視，對地下監(jiān)測提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的地下工程和深基坑監(jiān)測方式主要是通過人工測量，也很少有用到無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和傳感技術(shù)，尤其是對地下工程，人工測量極其的辛苦。測量的過程是按照工程前期3 天一次、開挖中期1 天一次、開挖后7 天一次的測量頻率，通過預(yù)警系統(tǒng)平臺發(fā)布監(jiān)測結(jié)果，在整理監(jiān)測資料后，出具報(bào)告并遞送到相關(guān)負(fù)責(zé)單位。這種傳統(tǒng)的監(jiān)測方式工作效率低下，從開始監(jiān)測到最終監(jiān)測結(jié)果出爐存在一定時間差異，差異時間之內(nèi)，有可能存在各種問題或者安全隱患。此外，當(dāng)出現(xiàn)刮風(fēng)下雨、通視受阻等惡劣條件時，人工測量更加無法實(shí)施。

針對這種問題，我們提出了新的解決方案，根據(jù)現(xiàn)有的自動采集技術(shù)、傳感技術(shù)、無線傳輸技術(shù)等手段設(shè)計(jì)了一個地下工程和深基坑無人值守的實(shí)時監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)打破了時間和空間的局限，克服惡劣環(huán)境，做到了實(shí)時采集、實(shí)時上傳、動態(tài)監(jiān)測。

設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）建立全天候無人監(jiān)守的自動采集監(jiān)測系統(tǒng)，開啟地下工程檢測的新模式。

（2）該系統(tǒng)對突發(fā)事件進(jìn)行實(shí)時警報(bào)，使各方收到通知及時盡快解決突發(fā)事件。

設(shè)計(jì)原理

利用先進(jìn)的自動采集技術(shù)、傳感技術(shù)、無線傳輸技術(shù)等手段實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、實(shí)時傳輸、動態(tài)自動化監(jiān)測等功能。其中，自動采集技術(shù)是指數(shù)據(jù)采集平臺，它包括客戶端與服務(wù)器兩部分，通過無線傳輸技術(shù)（如藍(lán)牙，無線網(wǎng)）等實(shí)現(xiàn)自動采集。在地下工程和深基坑開挖前，技術(shù)人員會預(yù)先預(yù)埋測量力值、變形、水位等參數(shù)的傳感器，通過主動或被動觸發(fā)方式激發(fā)現(xiàn)場測試元件進(jìn)行自動采集數(shù)據(jù)，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)及時予以匯總、判定，實(shí)現(xiàn)無人操作。這種新型的監(jiān)測方式，突破了時間和空間的局限性，在刮風(fēng)、下雨、白天、黑夜的惡劣條件下都可以作業(yè)。該系統(tǒng)需要預(yù)先設(shè)定報(bào)警值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出預(yù)定值的范圍后，系統(tǒng)將會自動向相應(yīng)的管理單位以短信、郵件或者語音等方式發(fā)出警報(bào)通知。監(jiān)測人員可根據(jù)施工進(jìn)展及設(shè)計(jì)文件設(shè)定采集時段，系統(tǒng)便會根據(jù)設(shè)置的采集時間自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。一旦發(fā)生突發(fā)事件、急需監(jiān)測數(shù)據(jù)時，可由人工即時遠(yuǎn)程進(jìn)行觸發(fā)采集。系統(tǒng)包含網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心、用戶管理部分和基坑監(jiān)測部分三大模塊，各個模塊下面再進(jìn)行分工，核心模塊為基坑監(jiān)測部分，主要包括全站儀監(jiān)測和MCU 控制單元檢測 設(shè)計(jì)流程圖如圖1 所示。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

用戶管理

設(shè)置用戶登錄驗(yàn)證，非法用戶無法使用，可做用戶分類，權(quán)限管理。用戶登錄該軟件系統(tǒng)后，可隨時查看現(xiàn)場的監(jiān)測視頻、數(shù)據(jù)流及實(shí)時曲線。軟件會對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，利用折線圖、樹狀圖、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表等多種表現(xiàn)方式，清晰明了且快捷地反應(yīng)實(shí)際情況，這樣就可以無人值守遠(yuǎn)程遙控有效的應(yīng)對突發(fā)事件。

圖1 全天候無人監(jiān)測系統(tǒng)

測量控制

對全自動采集中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括采集時間段、采集點(diǎn)序列、故障自動排出和測量周期等，還包括預(yù)警信息的下發(fā)用戶手機(jī)號和郵箱，使得工作人員第一時間能收到預(yù)警信息，及時處理突發(fā)事件，無人值守在此起到了關(guān)鍵性的作用。

全站儀控制測量

主要是測量基坑的水平位移和豎直位移。水平位移的測量要確定基準(zhǔn)點(diǎn)的位置、工作基點(diǎn)的位置和監(jiān)測點(diǎn)的位置，以基準(zhǔn)點(diǎn)作為整個工程水平位移監(jiān)測的參考標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)在變形影響范圍外地基堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定并利于標(biāo)石長期保存與觀測的地方。工作基點(diǎn)應(yīng)選設(shè)在靠近監(jiān)測點(diǎn)且便于聯(lián)測基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定或相對穩(wěn)定的位置，并且要考慮到現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境。按照相關(guān)設(shè)計(jì)和監(jiān)測要求，沿基坑四周布設(shè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距一般為20m，另外，對于基坑邊緣極易產(chǎn)生水平位移的位置應(yīng)加設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。豎直位移是在深度方向上的變化，有地鐵的地方還要測量地鐵三向。

對這些進(jìn)行全自動監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測的實(shí)時自動采集，實(shí)時上傳，實(shí)時處理。

MCU 控制測量

主要測量水位、測斜和軸力。其中水位是通過水位計(jì)測量，測斜是通過測斜儀獲取的。監(jiān)測人員在基坑圍護(hù)墻頂埋設(shè)了小棱鏡和軸力采集計(jì)，連續(xù)墻里預(yù)埋混凝土應(yīng)力計(jì)。此外，施工工地的監(jiān)測支撐、防護(hù)欄等放置了無線采集模塊，這個無線采集模塊相當(dāng)于中轉(zhuǎn)站。通過接收預(yù)埋機(jī)器發(fā)出的信號，將數(shù)據(jù)整合后發(fā)送到室內(nèi)，電腦接收信息后，無人值守系統(tǒng)即可發(fā)揮在線監(jiān)控和指揮現(xiàn)場的效用了。盡管該系統(tǒng)主要采用了無線、預(yù)埋等措施，但對于監(jiān)控元件的保護(hù)，還需施工方配合，在作業(yè)中注意予以保護(hù)，而且對這些監(jiān)控元件定時的檢查，以保證使用的準(zhǔn)確性與安全性。

數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理是完成用戶數(shù)據(jù)、全站儀終端數(shù)據(jù)、報(bào)警信息以及地下工程或深基坑信息的實(shí)時數(shù)據(jù)的獲取與存儲，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到電腦上，用數(shù)據(jù)庫存儲。用戶可以查看系統(tǒng)中的各種資源，如獲取監(jiān)測的人員時段地點(diǎn)信息、基坑的水平位移以及預(yù)警信息等。另外，還可以獲取現(xiàn)場監(jiān)測視頻、數(shù)據(jù)流和實(shí)時曲線，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比、分析、統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信息資源共享。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況，還可以對相應(yīng)的工程項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)測，可以有效安全的進(jìn)行施工。

預(yù)警

預(yù)警是指在災(zāi)害或?yàn)?zāi)難以及其他需要提防的危險(xiǎn)發(fā)生之前，根據(jù)以往的總結(jié)的規(guī)律或觀測得到的可能性前兆，向相關(guān)部門發(fā)出緊急信號，報(bào)告危險(xiǎn)情況，以避免危害在不知情或準(zhǔn)備不足的情況下發(fā)生，從而最大程度的減低危害所造成損失的行為。無人值守系統(tǒng)需要設(shè)定報(bào)警值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出預(yù)定值后，會觸發(fā)報(bào)警值，系統(tǒng)將自動向相應(yīng)的管理單位發(fā)出警報(bào)通知。警報(bào)通知的形式有以下三種：語音形式，短信形式和郵件形式。可以讓各方及時收到消息，做好安全措施，減少不必要的損失。

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心位于城市建設(shè)部門或基坑管理部門的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，主要負(fù)責(zé)實(shí)施采集的原始數(shù)據(jù)存儲、查詢、開發(fā)以及向各的需求單位分發(fā)重要數(shù)據(jù)報(bào)告。通過利用最新的衛(wèi)星地圖、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)建庫、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類匯總、差異監(jiān)管等功能。其中最新的衛(wèi)星地圖能夠顯示出該工程及其周圍建筑等物質(zhì)的全貌。該網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心的重點(diǎn)為數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，可以監(jiān)控一個區(qū)域乃至一個城市的各個監(jiān)測現(xiàn)場，為城市建設(shè)人員，提供決策支持。

結(jié)束語

隨著無線網(wǎng)絡(luò)與科技的發(fā)展，終端處理器的性能越來越高，測量行業(yè)也日漸成熟。針對諸如深基坑類的高危險(xiǎn)性的作業(yè)環(huán)境（如隧道、深井和尾礦庫等），這種無人值守的自動化監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)在技術(shù)上也將日益完善，使作業(yè)人員的人身安全得到保障，減少了災(zāi)害的危害力度，降低了財(cái)產(chǎn)的損失，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的管理和創(chuàng)新。