土体变形智慧化监控系统

技术领域

本申请涉及的地下土体变形测量技术领域，特别是涉及一种土体变形智慧化监控系统。

背景技术

随着城市的加速发展，高、大、重、深结构不断涌现，相应基坑工程的数量和规模迅速增大，如高层建筑基坑、大型管道的深沟槽、地铁工程的基坑、城市隧道的端头井、大跨度悬索桥的锚碇坑等。客观条件决定越来越多的城市超深基坑工程必须在原有密集建筑物的包围之下进行施工，基坑工程的施工安全及其对临近建筑物的影响与保护是地下建筑领域研究的重要课题，也是一项正在不断发展和完善的工程技术。软土基坑工程正在向着超大超深方向发展，随着基坑的开挖深度与开挖面积的增加，基坑工程的风险也急剧增加，国内外的基坑工程施工中屡有工程事故发生。

针对深大基坑的安全问题，国家及行业主管部门近十年出台了一系列规范性文件，同时国内各大设计、施工、监测企业也积极致力于研究开发新的工艺措施，来降低施工风险；特别是先进的信息化监测技术是保证施工安全的重要手段，已成为业界的共识。

基坑的监测内容包括：挡墙位移、支撑轴力、地面沉降、深层土体位移与分层沉降、土压力、渗压、水位等，其中位移监测主要采用高精度的经纬仪、水准仪或全站仪。

目前基坑变形监测主要依靠人工方式低频度数据采集，监测主要方法是在变化显著位置，布设人工目标点，利用水准测量、光电测量、固定测斜仪、振弦传感器等技术获取测量参数；人工检测方法面临几个固有难题：

(1)频次低，通常一天一次，不利于精细化管理；

(2)测量时间长，即使加急测试，测试与处理往往需要几个小时，严重影响施工效率，隐形成本高；

(3)人工检测存在较大误差,前后数据连续性及可比性差，也难保证数据稳定性,尤其在恶劣天气与环境下；

(4)监测点难以全面覆盖，监测难度高；

(5)尤其在恶劣天气与环境下，测量人员风险高，有些点难以测试；

(6)数据量太少，测试数据难以全面评估结构健康状况。

现有人工监测的低效率给基坑施工带来很大风险隐患，严重迟滞建设速度，与国家经济建设速度、规模不相符；与此同时随着国家经济的发展，人工成本上升很快，人力成本高企是检测部门急需解决的问题。

现阶段为了完成基坑自动化监测，是将多种分散的智能仪器、设备和传感器安装在监测区域，采用多种手段完成多个参数的测量；国内外土工传感器企业、勘测设计院和高校，目前参照电力、化工、热工行业成熟的自动化监测模式，通过在基坑现场安装传感器与采集设备，建设了一些集中式监控系统，由于受基坑施工环境的限制，建立的自动化监测系统成本高、维护困难、往往用户体验不佳。

从基坑监测实际情况出发，归纳目前基坑监测的难点在于：

(1)集成度低，安装与维护困难，从而对从业人员要求高；

(2)缺乏恶劣现场使用的稳定的高精度测量产品，指标停留在试验室，现场实际测量不达标；

(3)高精度测量严重依赖价格昂贵的进口光电测试设备，不利于大规模的使用。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种土体变形智慧化监控系统，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种土体变形智慧化监控系统，所述系统包括：测量模块，其通过在测量点布设一或多种测量模块构成测量链路，以获取多种土体变形相关测量数据；通信单元，用于获取各所述测量模块对应的参考点信息，以及通信传输各所述测量模块获取的测量数据；数据处理平台，用于对所述测量数据进行处理及传输。

于本申请的一实施例中，所述系统还包括：供电单元；所述供电单元采用太阳能或者直流电池组。

于本申请的一实施例中，所述测量数据包括：深层土体位移、水平位移、竖向位移、内力、土压力、拉力、水位、温度、及应力中任意一或多种。

于本申请的一实施例中，所述参考点信息包含时间信息和位置信息；所述通信单元用于获取从高精度GNSS获得的参考点信息或者通过激光二维计获得的参考点。

于本申请的一实施例中，所述测量模块采用测量杆进行布设；所述测量杆两端设有级联机构以供进行级联连接，且能直接埋入测量体内或者安装在标准测量管内。

于本申请的一实施例中，所述测量杆的横截面具有冗余，以适应不同所述测量模块的横截面尺寸变化；所述测量杆内壁与置入的所述测量模块接触贴合，以固定所述测量模块。

于本申请的一实施例中，所述测量杆采用碳纤维和/或玻璃纤维制作。

于本申请的一实施例中，所述通信单元为多个，与各所述测量模块关联设置，以获取各自关联设置所述测量模块所采集的测量数据；或，所述通信单元为集成，分别与各所述测量模块通信连接，以集成获取各所述测量模块所采集的测量数据。

于本申请的一实施例中，所述数据处理平台采用云服务器或配置的服务器群，以完成数据接收、数据库存储、数据处理、及WEB服务，并支持数据可视化应用。

于本申请的一实施例中，所述数据处理平台通过互联网以向监管、监理、业主、施工方、及勘测单位实时发布监测数据或安全预警。

综上所述，本申请的一种土体变形智慧化监控系统，包括：测量模块，其通过在测量点布设一或多种测量模块构成测量链路，以获取多种土体变形相关测量数据；通信单元，用于获取各所述测量模块对应的参考点信息，以及通信传输各所述测量模块获取的测量数据；数据处理平台，用于对所述测量数据进行处理及传输。

具有以下有益效果：

能实现基坑地上地下一体化自动、实时、连续监测，并同步采用大数据挖掘与人工智能等技术对监测信息进行分析与分类预警，减低工程风险，为城市运营安全提供有力技术支撑。

附图说明

图1显示为本申请于一实施例中的土体变形智慧化监控系统的结构示意图。

图2显示为本申请于一实施例中的测量杆级联的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面以附图为参考，针对本申请的实施例进行详细说明，以便本申请所属技术领域的技术人员能够容易地实施。本申请可以以多种不同形态体现，并不限定于此处说明的实施例。

为了明确说明本申请，省略与说明无关的部件，对于通篇说明书中相同或类似的构成要素，赋予了相同的参照符号。

在通篇说明书中，当说某部件与另一部件“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种部件“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。

当说某部件在另一部件“之上”时，这可以是直接在另一部件之上，但也可以在其之间伴随着其它部件。当对照地说某部件“直接”在另一部件“之上”时，其之间不伴随其它部件。

虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，第一接口及第二接口等描述。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

此处使用的专业术语只用于言及特定实施例，并非意在限定本申请。此处使用的单数形态，只要语句未明确表示出与之相反的意义，那么还包括复数形态。在说明书中使用的“包括”的意义是把特定特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份具体化，并非排除其它特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份的存在或附加。

表示“下”、“上”等相对空间的术语可以为了更容易地说明在附图中图示的一部件相对于另一部件的关系而使用。这种术语是指，不仅是在附图中所指的意义，还包括使用中的装置的其它意义或作业。例如，如果翻转附图中的装置，曾说明为在其它部件“下”的某部件则说明为在其它部件“上”。因此，所谓“下”的示例性术语，全部包括上与下方。装置可以旋转90°或其它角度，代表相对空间的术语也据此来解释。

鉴于上述问题，考虑人工成本不断提升和电子信息技术的进步与发展，基坑监测的数字化、网络化、智能化融合是社会发展必然趋势，也能推动产业技术变革和优化升级、推动基坑施工技术和安全管理进步，促进基坑施工与安全管理达到国际先进水平。

为了解决上述至少一个难题，本申请提供了一种“稳定、高精度、实时、免(少)维护、低综合成本、数据分析处理明晰”的土体变形智慧化监控系统，通过将有效传感器安装在监测区域，进行高频度自动数据采集，通过数据传输通信将采集的信息传输到监测平台，通过数据分析来达到实时监测和安全预警。

如图1所示，展示为本申请一实施例中的土体变形智慧化监控系统的结构示意图。如图所示，所述系统100包括：测量模块110，其通过在测量点布设一或多种测量模块110构成测量链路，以获取多种土体变形相关测量数据；通信单元120，用于获取各所述测量模块对应的参考点信息，以及通信传输各所述测量模块110获取的测量数据；数据处理平台130，用于对所述测量数据进行处理及传输。

于本实施例中，根据设计与施工要求布置测量点，通过布设一或多种测量模块110建立了各个测量链路；链路可以测量杆为基础，实现现场测量模块110的快速布设；根据测点位置，在测量杆内，按照就近转化的原则，安置各种测量模块110及测量电缆等。

于本申请一实施例中，所述测量数据包括但不限于：深层土体位移、水平位移、竖向位移、内力、土压力、拉力、水位、温度、及应力中任意一或多种。

于本实施例中，基坑监测参数通常包括深层土体位移、水平位移、竖向位移、内力、土压力、拉力、水位、周边建筑安全监测等内容。在现场采用稳定性高和极强的现场生存能力、便于安装管理的测量数据，对实现自动化监测有很大的帮助。为了测量这些参数，需要在合适的位置，选取一定数量观测点，以符合国家和行业规范要求。

于本申请一实施例中，所述参考点信息包含时间信息和位置信息；所述通信单元120用于获取从高精度GNSS获得的参考点信息或者通过激光二维计获得的参考点。

于本实施例中，通信单元120带有普通精度位置与时间信息，从而能为各测量点打上位置标志，便于在GIS上呈现；同时各测量点带上时间标志，便于整个项目监测的同步实现。所述通信单元120可以获取从高精度GNSS获得的参考点信息或者通过激光二维计获得的参考点，从而将测量模块110获取的相对变形数据转换为绝对变形数据。

于本申请中，现场测量数据设计原则是“就近转化、稳定可靠、硬件标准、软件可控、通信齐全、智能管理、安装便捷、信息共享”；根据基坑监测规范和信息化施工的技术要求，对监测参数进行技术梳理后，地面与地下测量内容可以采用四类模块并配合不同传感器完成。

例如，对水平位移和竖向位移，在地面，GNSS(全球导航卫星系统)良好区域，可以使用GNSS—RTK解决，配合激光位移计，降低水平位移与竖向位移综合测量成本；在GNSS不良区域或者地下，使用激光位移计，配合高精度MEMS测量技术实现，倾斜振动模块和电子水平模块完成水平位移和竖向位移测量；对于应力、压力、拉力、水位等模拟信号，可以使用频率采集模块和微电压采集模块两类模块来采集各种现场模拟量；为了实现高精度数据导入和特殊位移量的测量，采用了新型低成本的激光二维位移计同时完成水平与垂直位移测量；通过测量光路的设计，能完成两点间纵向位移测量。采集完成测量数据，通过数据采集传输模块，通过无线传输到数据平台。

于本实施例中，本申请所述测量模块110可融合多种新IOT技术和先进产品理念，技术先进，通过卫星定位与地下测量结合以实现高精度MEMS测量，同时激光水准技术导入，实现地上地下一体化测量融合，并且支持主流的多种无线通信方案。

于本申请一实施例中，所述测量模块110采用测量杆进行布设；所述测量杆两端设有级联机构以供进行级联连接，且能直接埋入测量体内或者安装在标准测量管内。

于本实施例中，可参考图2所示，所述测量杆可级联连接，可直接埋入测量体内或者安装在标准测量管内。

于本申请一实施例中，所述测量杆的横截面具有冗余，以适应不同所述测量模块110的横截面尺寸变化；所述测量杆内壁与置入的所述测量模块110接触贴合，以固定所述测量模块110。测量模块110与测量杆采用紧配合方式连接，测量模块110挤在测量杆中，不再需要使用任何其他方式固定封装测量模块110。

于本申请中，采用所述测量杆方式解决现场测量模块110的安装和土体内部传感器的布设，具有极强的现场生存能力；各类测量与数据采集的测量模块110均可采用智慧测量杆的模式进行安装与保护；在现场，除了必须与被监测体接触的传感器外，其余的测量模块110或采集传感器和电缆等也可全部安装于所述测量杆中。

于本实施例中，于本申请一实施例中，所述测量杆采用碳纤维和/或玻璃纤维制作，具有很高的机械强度，对环境无污染。优选地，本申请还提供1000mm与500mm等多种规格选择。

于本实施例中，本申请所述测量模块110具有良好的实用性，其具有优势包括：可兼容接入传统传感器；高集成总线级联式单测量井采集与无线分布式各测量点采集结合的整体数据采集结构，安装与维护简便；标准化模块技术，可预制化安装；模块及配套的传感器能完成监测现场所有状态感知。

于本申请一实施例中，所述系统还包括：供电单元；所述供电单元采用太阳能或者直流电池组。

于本实施例中，考虑基坑施工时，对本系统供电不方便，为实现施工简便和运维方便，最好不要使用外界电源，这样需要使用低功耗技术完成现场测量来适应现场多种形式的供电。因此，低功耗、小体积的测量模块110使得微型太阳能供电或者直流电池组成为优选。

于本申请一实施例中，所述通信单元120为多个，与各所述测量模块110关联设置，以获取各自关联设置所述测量模块110所采集的测量数据；或，所述通信单元120为集成，分别与各所述测量模块110通信连接，以集成获取各所述测量模块110所采集的测量数据。

于本实施例中，所述通信单元120可以选择适应现场的无线传输模式或有线传输模式，以及无线与有线结合的传输模式，将现场测量数据及时传输到数据处理平台130。

于本申请中，所述通信单元120可包含一组或多组不同通信方式的模块，例如，与CAN总线通信连接的CAN通信模块。所述通信连接可以是一个或多个有线/无线通讯方式及其组合。通信方式包括：互联网、CAN、内联网、广域网(WAN)、局域网(LAN)、无线网络、数字用户线(DSL)网络、帧中继网络、异步传输模式(ATM)网络、虚拟专用网络(VPN)和/或任何其它合适的通信网络中的任何一个或多个。例如：WIFI、蓝牙、NFC、GPRS、GSM、及以太网中任意一种及多种组合。

举例来说，可令每个测量点安装一个测量模块110，该测量模块110同样可以安装在智慧测量杆内，不仅对各测量模块110供电，而且能实现每个级联为串的测量模块110数据采集，然后通过无线方式连接互联网，实现测量数据上网。

于本申请一实施例中，所述数据处理平台130采用云服务器或配置的服务器群，以完成数据接收、数据库存储、数据处理、及WEB服务，并支持数据可视化应用。例如，所述数据处理平台130采用云技术保证数据安全和与第三方平台实时数据交互。

于本申请一实施例中，所述数据处理平台130通过互联网以向监管、监理、业主、施工方、及勘测单位实时发布监测数据或安全预警。

例如，所述数据处理平台130将测量结果通过互联网，在用户电脑或者移动终端上实时发布，实现基坑监测全部要求，为监管、监理、业主、施工方和勘测单位等提供分等级的服务。

需说明的是，在总体技术上本申请所述系统的实现方式所考虑的恶劣地质、场地和环境条件包括如下：

1)首先完成一系列高精度的测量，是系统实现的基础；高精度测量包括倾斜、振动、振弦信号、应变信号测量等；在此基础上，现场测量模块110还将GNSS位置与时间导入和在合适位置完成标准点参考的导入和高精度GNSS参考导入。

2)考虑基坑施工时，对监测系统供电不方便，为实现施工简便和运维方便，最好不要使用外界电源，这样需要使用低功耗技术完成现场测量来适应现场多种形式的供电。

3)通信单元120选择适应现场的无线传输模式，将现场测量数据及时传输到平台；

4)数据处理平台130的数据采用云技术保证数据安全和与第三方平台实时数据交互；

5)数据处理平台130除了在电脑平台上支持基于GIS的可视化操作，也支持移动终端上快速呈现基坑变形具体信息和实现预警，为作业人员、管理人员、业主等提供及时、有效的监测信息。例如，通过移动终端为最终用户提供需要的服务；移动端应用采用APP和小程序实现。

于本申请中，在使用测量模块110时，为了提高测量效率，提高监测系统的实用性，降低成本，可以采用混合串联模式的采集方式，如可按下列步骤进行：

①总体设计监测链路：各测量模块110，包括倾斜振动模块、电子水平模块、频率模块和微电压检测模块，均可混合串联；在级联前需要仔细勘察，根据勘查结果，按照就近转化的设计原则，选定各功能模块，确定需要外接模拟信号传感器、振弦传感器位置；

②预先级联：通过同一根电缆按设定次序完成级联，并放入测量杆中或者直接埋设测量模块110于监测体中；不能埋设的部分全部放入智慧测量杆；

③开通监测链：连接数据采集传输的通信单元120，接入电源(通常为太阳能或者直流电池组)；

④自动化采集：根据网络指令或设定，完成对数据采集链路的远程设定。

这样的应用方式使得整个现场监测可采用测量模块110形式来完成，具有标准化、小型化、低功耗、免维护、易安装和综合成本低等特点，能够实现地上、地下监测参数全时段、高精度、高频次自动监测，从而完成全面全过程的基坑土体变形监控。

综上所述，本申请所述的土体变形智慧化监控系统，面向业主进行设计，按照“标准设备、绿色环保、本质安全、智能巡检、远程管理、免(少)维护”原则设计进行设计，能全面提升当前监测设备质量和智能化水平，具有“先进传感、状态全面感知、信息互联共享、人机友好交互、诊断高度智能化、安装简便、维护高效、本质安全、先进实用、节能环保”等特点。

本申请所述的土体变形智慧化监控系统基于现有技术的基坑监测智慧化架构能实现基坑地上地下一体化自动、实时、连续监测，并同步采用大数据挖掘与人工智能等技术对监测信息进行分析与分类预警，减低工程风险，为城市运营安全提供有力技术支撑。

本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中包含通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。