城市级基坑工程安全智能化监测管理平台的研究与实现

文｜南宁市勘察测绘地理信息院有限公司 汪晓龙 卢鹏/通讯作者：南宁市勘察测绘地理信息院有限公司 陈飞

1 引言

随着城市化进程不断发展和城市建设的步伐不断加快，各种大型复杂的深基坑工程不断增多。基坑的施工开挖难免会破坏土体的自然平衡状态，很可能会对基坑和周边建构筑物等带来严重的安全隐患，所以，在基坑开挖和运行过程中必须对其进行持续监测，一旦发现基坑及周边环境变化异常，将迅速采取相关措施，为工程项目建设提供安全保障。

近年来，很多地方的地下工程安全监测已由传统的手动测量逐渐过渡到自动化监测；随着自动化理论与技术的不断完善，基坑监测方法也得到了改进和优化。与传统的人工检测技术相比，自动化监测技术在基坑监测过程中能够充分发挥其高效准确的特点，在节约成本、提高效率的同时，也显著提升了基坑监测智能化水平，从而逐渐成为坑基施工的一项重要技术。

本文通过GIS 技术、物联网技术、智能传感技术等的集成，搭建城市级基坑工程安全智能化监测管理平台，对开挖和运行中的基坑进行持续监测，实时获取基坑及周边环境动态变化信息，综合提升基坑工程安全隐患排查能力，降低事故风险，保障人民生命财产安全与社会和谐稳定。通过在南宁市两个基坑工程项目上的试点应用，达到了预期的目标。

2 国内外研究现状

在基坑工程信息化管理平台建设方面，由于国外发达国家和地区起步较早，目前已取得了一定的成果。例如，新加坡、韩国、意大利等国家，结合Web 技术、GIS 技术、人工神经网络技术等，建立了地下基坑工程的自动化监测和分析系统，并进行了广泛的应用，在基坑工程安全监测管理方面取得了一定的成效。近年来，随着信息技术、自动化技术的不断发展，国内的学者和工程师也在这方面取得了一定的贡献。例如，谢伟等研究了基坑监测数据管理系统的设计和实现，姬方、张冬晓对集成预警功能等的基坑监测信息管理系统进行了研究，赵峰研究了集成BIM 技术的基坑安全自动化监测管理系统。随着城市大型结构基坑开挖深度逐渐加大，施工风险也随之增加，必须采用信息化管理手段指导施工并对基坑安全加以监管，城市级坑工程安全智能化监测管理平台的建设必然会成为未来发展的趋势。

3 平台总体架构与功能实现

以南宁市相关工作开展为例，基坑工程安全智能化监测管理平台实际需要开发，以物联网技术、智能传感设备为基础，以GIS 技术、三维可视化技术等为主要技术手段，为第三方监测单位数据建设市级监管平台提供技术支持，具有自动化采集、传输、处理、趋势预测、预警等功能，监测指标包括维护结构位移、支撑体系位移、周边地表位移、周边建筑位移、岩土体深部位移、影响区域的地下水位变化等。

平台建设主要包括南宁市基坑工程安全智能化监测管理平台数据库建设、数据采集与传输系统建设、支持保护系统建设、基坑三维建模与可视化子系统建设和监测预警系统建设。平台总体框架如图1 所示。

图1 平台架构图

3.1 数据采集系统设计

在基坑工程监测中，会涉及多元异构的不同类型智能传感设备，因此需要配套设计集成度强的数据采集方式以满足应用需要。该系统中，数据采集模块通过信号转换（A/D 转换）、数据的预处理、打包压缩以及发送等处理流程，可将智能传感设备输出的电压、电流等模拟信号转换为数字信号。同时进一步对数字信号分析计算，得到所需的相关信息，如结构的应变数据等。

此外，数据采集模块还需要综合考虑环境因素、恶劣天气、自然灾害等潜在影响，通过设计外壳防护、电磁屏蔽、浪涌防护等对外界不利因素进行应对。同时，还应设计智能复位功能，一点采集系统运行出错，可自行进行重启修复，提升系统整体容错能力。

图3 基坑工程安全监测平台监测数据查询展示

3.2 数据传输模块设计

数据传输模块以保障数据传输的实时性、稳定性、兼容性和可靠性为原则，基于TCP/IP 标准，可通过无线或光纤网络将数据采集模块采集并预处理后的数据信息传输到系统服务器中。该系统的数据传输模块与操作系统完全兼容，并且传输故障能在服务器上显示并发出警报。

数据传输模块可连接多个同类型的传感器（比如振弦式传感器），由数据采集系统存储入数据库，并将各信号通道进行标识；当由于环境等外界原因引起异常数据时，通过智能算法比对能够一定程度进行判别，并自动触发数据重新采集和比对验证等操作。数据确认无异常后按照各数据标识情况传输至相应数据库，实现全天候24 小时自动实时监测。

3.3 三维可视化系统设计

三维可视化系统改变了传统的数字化应用模式，将GIS 技术、三维建模技术的特点充分发挥在数字化的日常管理应用中，实现真正意义上的可视化展示与操作。三维可视化系统（见图2）的设计基于数字化建设的现有成果，提供丰富的数据接口，并可实现与第三方传感器、视频或数字化支撑平台进行集成，实现系统数据与智能传感设备数据的共享。用户可根据当前建设情况，直接在三维模型中选择查看和设置相应的应用集成方案。

图2 三维可视化系统示意图

3.4 监测数据处理子系统设计

基坑工程监测平台在信号采集传输的过程中，由于传感器固有属性或电路干扰，或环境影响等原因，使得传输到测站的信号往往包含噪声，或存在数据丢失情况。因此，需要采取有效的数据异常分析处理方式，研判数据质量，对异常数据采取纠正措施，以修正异常数据，补全缺失数据，平滑噪声数据等。

监测数据系统根据信号输入方式和监测的物理量不同，把整个监测数据子系统划分为数字信号数据采集软件和模拟信号数据采集软件。两个软件业务功能相似，但预处理数据的算法不同以及所依赖的硬件设备不同，需分别进行开发，数据统一传输到数据库，进而满足数据存储、数据处理和数据实时显示等需求。

3.5 预警子系统设计

本模块实现基坑安全预警及状态评估功能（见图4），对基坑的危险状态进行三级预警，三级黄色预警代表监测数据开始表现出标准值边界的趋势，二级橙色预警代表监测数据已达到标准值边界，一级红色预警代表监测数据已超过标准值边界1.5倍及以上。针对预警等级，给出相应的应急处理议，进入对应的预警处置流程，并可根据需要生成预警分析报告。

图4 基坑工程安全监测平台监测预警信息查询展示

4 平台实现与应用

本项目基于新基建建设在基坑安全监测信息化应用中的研究，应用了物联网、大数据、3D 建模等新兴技术，截止目前，系统已在多个项目中参与实际应用（见图5），如：南宁市某科技研发及展示中心基坑监测项目、南宁市某旧房改造项目基坑监测等，其项目实施中基坑监测布点涵盖了一级基坑所必须监测的所有监测类型要求，以自动化智能监测手段代替了人工监测，从而避免人工监测主观因素带来的各种弊端，取得了良好成效。

图5 基坑工程安全监测平台项目分布图

5 结语

以南宁市为研究范例，针对城市基坑工程安全监测的业务需求，利用物联网技术、GIS 技术、三维可视化技术等，结合智能传感设备应用研发了城市级基坑工程安全智能化监测管理平台，该平台的建成可便于南宁市施工单位和安全监管部门快速掌握与工程安全密切相关的技术指标的最新动态，有利于及时掌握基坑工程的安全状况，为城市基坑工程安全监测预警提供数据参考，为决策工作提供科学依据，大大提高了工作效率。