城市級基坑工程安全智能化監測管理平臺的研究與實現

文｜南寧市勘察測繪地理信息院有限公司 汪曉龍 盧鵬/通訊作者：南寧市勘察測繪地理信息院有限公司 陳飛

1 引言

隨著城市化進程不斷發展和城市建設的步伐不斷加快，各種大型復雜的深基坑工程不斷增多。基坑的施工開挖難免會破壞土體的自然平衡狀態，很可能會對基坑和周邊建構筑物等帶來嚴重的安全隱患，所以，在基坑開挖和運行過程中必須對其進行持續監測，一旦發現基坑及周邊環境變化異常，將迅速采取相關措施，為工程項目建設提供安全保障。

近年來，很多地方的地下工程安全監測已由傳統的手動測量逐漸過渡到自動化監測；隨著自動化理論與技術的不斷完善，基坑監測方法也得到了改進和優化。與傳統的人工檢測技術相比，自動化監測技術在基坑監測過程中能夠充分發揮其高效準確的特點，在節約成本、提高效率的同時，也顯著提升了基坑監測智能化水平，從而逐漸成為坑基施工的一項重要技術。

本文通過GIS 技術、物聯網技術、智能傳感技術等的集成，搭建城市級基坑工程安全智能化監測管理平臺，對開挖和運行中的基坑進行持續監測，實時獲取基坑及周邊環境動態變化信息，綜合提升基坑工程安全隱患排查能力，降低事故風險，保障人民生命財產安全與社會和諧穩定。通過在南寧市兩個基坑工程項目上的試點應用，達到了預期的目標。

2 國內外研究現狀

在基坑工程信息化管理平臺建設方面，由于國外發達國家和地區起步較早，目前已取得了一定的成果。例如，新加坡、韓國、意大利等國家，結合Web 技術、GIS 技術、人工神經網絡技術等，建立了地下基坑工程的自動化監測和分析系統，并進行了廣泛的應用，在基坑工程安全監測管理方面取得了一定的成效。近年來，隨著信息技術、自動化技術的不斷發展，國內的學者和工程師也在這方面取得了一定的貢獻。例如，謝偉等研究了基坑監測數據管理系統的設計和實現，姬方、張冬曉對集成預警功能等的基坑監測信息管理系統進行了研究，趙峰研究了集成BIM 技術的基坑安全自動化監測管理系統。隨著城市大型結構基坑開挖深度逐漸加大，施工風險也隨之增加，必須采用信息化管理手段指導施工并對基坑安全加以監管，城市級坑工程安全智能化監測管理平臺的建設必然會成為未來發展的趨勢。

3 平臺總體架構與功能實現

以南寧市相關工作開展為例，基坑工程安全智能化監測管理平臺實際需要開發，以物聯網技術、智能傳感設備為基礎，以GIS 技術、三維可視化技術等為主要技術手段，為第三方監測單位數據建設市級監管平臺提供技術支持，具有自動化采集、傳輸、處理、趨勢預測、預警等功能，監測指標包括維護結構位移、支撐體系位移、周邊地表位移、周邊建筑位移、巖土體深部位移、影響區域的地下水位變化等。

平臺建設主要包括南寧市基坑工程安全智能化監測管理平臺數據庫建設、數據采集與傳輸系統建設、支持保護系統建設、基坑三維建模與可視化子系統建設和監測預警系統建設。平臺總體框架如圖1 所示。

圖1 平臺架構圖

3.1 數據采集系統設計

在基坑工程監測中，會涉及多元異構的不同類型智能傳感設備，因此需要配套設計集成度強的數據采集方式以滿足應用需要。該系統中，數據采集模塊通過信號轉換（A/D 轉換）、數據的預處理、打包壓縮以及發送等處理流程，可將智能傳感設備輸出的電壓、電流等模擬信號轉換為數字信號。同時進一步對數字信號分析計算，得到所需的相關信息，如結構的應變數據等。

此外，數據采集模塊還需要綜合考慮環境因素、惡劣天氣、自然災害等潛在影響，通過設計外殼防護、電磁屏蔽、浪涌防護等對外界不利因素進行應對。同時，還應設計智能復位功能，一點采集系統運行出錯，可自行進行重啟修復，提升系統整體容錯能力。

圖3 基坑工程安全監測平臺監測數據查詢展示

3.2 數據傳輸模塊設計

數據傳輸模塊以保障數據傳輸的實時性、穩定性、兼容性和可靠性為原則，基于TCP/IP 標準，可通過無線或光纖網絡將數據采集模塊采集并預處理后的數據信息傳輸到系統服務器中。該系統的數據傳輸模塊與操作系統完全兼容，并且傳輸故障能在服務器上顯示并發出警報。

數據傳輸模塊可連接多個同類型的傳感器（比如振弦式傳感器），由數據采集系統存儲入數據庫，并將各信號通道進行標識；當由于環境等外界原因引起異常數據時，通過智能算法比對能夠一定程度進行判別，并自動觸發數據重新采集和比對驗證等操作。數據確認無異常后按照各數據標識情況傳輸至相應數據庫，實現全天候24 小時自動實時監測。

3.3 三維可視化系統設計

三維可視化系統改變了傳統的數字化應用模式，將GIS 技術、三維建模技術的特點充分發揮在數字化的日常管理應用中，實現真正意義上的可視化展示與操作。三維可視化系統（見圖2）的設計基于數字化建設的現有成果，提供豐富的數據接口，并可實現與第三方傳感器、視頻或數字化支撐平臺進行集成，實現系統數據與智能傳感設備數據的共享。用戶可根據當前建設情況，直接在三維模型中選擇查看和設置相應的應用集成方案。

圖2 三維可視化系統示意圖

3.4 監測數據處理子系統設計

基坑工程監測平臺在信號采集傳輸的過程中，由于傳感器固有屬性或電路干擾，或環境影響等原因，使得傳輸到測站的信號往往包含噪聲，或存在數據丟失情況。因此，需要采取有效的數據異常分析處理方式，研判數據質量，對異常數據采取糾正措施，以修正異常數據，補全缺失數據，平滑噪聲數據等。

監測數據系統根據信號輸入方式和監測的物理量不同，把整個監測數據子系統劃分為數字信號數據采集軟件和模擬信號數據采集軟件。兩個軟件業務功能相似，但預處理數據的算法不同以及所依賴的硬件設備不同，需分別進行開發，數據統一傳輸到數據庫，進而滿足數據存儲、數據處理和數據實時顯示等需求。

3.5 預警子系統設計

本模塊實現基坑安全預警及狀態評估功能（見圖4），對基坑的危險狀態進行三級預警，三級黃色預警代表監測數據開始表現出標準值邊界的趨勢，二級橙色預警代表監測數據已達到標準值邊界，一級紅色預警代表監測數據已超過標準值邊界1.5倍及以上。針對預警等級，給出相應的應急處理議，進入對應的預警處置流程，并可根據需要生成預警分析報告。

圖4 基坑工程安全監測平臺監測預警信息查詢展示

4 平臺實現與應用

本項目基于新基建建設在基坑安全監測信息化應用中的研究，應用了物聯網、大數據、3D 建模等新興技術，截止目前，系統已在多個項目中參與實際應用（見圖5），如：南寧市某科技研發及展示中心基坑監測項目、南寧市某舊房改造項目基坑監測等，其項目實施中基坑監測布點涵蓋了一級基坑所必須監測的所有監測類型要求，以自動化智能監測手段代替了人工監測，從而避免人工監測主觀因素帶來的各種弊端，取得了良好成效。

圖5 基坑工程安全監測平臺項目分布圖

5 結語

以南寧市為研究范例，針對城市基坑工程安全監測的業務需求，利用物聯網技術、GIS 技術、三維可視化技術等，結合智能傳感設備應用研發了城市級基坑工程安全智能化監測管理平臺，該平臺的建成可便于南寧市施工單位和安全監管部門快速掌握與工程安全密切相關的技術指標的最新動態，有利于及時掌握基坑工程的安全狀況，為城市基坑工程安全監測預警提供數據參考，為決策工作提供科學依據，大大提高了工作效率。