基于物联网的GIS综合感知深基坑监测系统设计.pdf

基于物联网的 综合感知深基坑监测系统设计赖国华陆 铭范孟超邓南丹田玉法(中国建筑第二工程局有限公司华南分公司广东 深圳)收稿日期:作者简介:赖国华()男广东五华人硕士高级工程师主要从事建设项目管理和工程技术相关工作摘 要:深基坑工程的施工和监测过程中存在许多挑战需要实时准确地监测和分析深基坑的变化情况 提出一种基于物联网技术的 信息综合感知系统通过传感器网络、数据采集装置和 服务器等硬件设备实现对深基坑沉降、土壤位移、水位变化等参数的监测和分析 通过实验验证系统在深基坑监测中表现出较高的精准度和实时性为工程管理者提供了重要的监测数据和决策支持关键词:物联网技术 信息综合感知深基坑监测中图分类号:文献标志码:文章编号:():/引 言深基坑工程在城市建设中起着至关重要的作用然而由于其特殊的地质条件和施工环境深基坑的施工和监测过程面临着诸多挑战 传统的监测方法受限于时间、空间和人力因素无法实现对深基坑变化情况进行及时、准确的监测分析 为了解决这一问题并提高深基坑工程的管理效率和安全性基于物联网技术的 信息综合感知系统应运而生 该系统通过将传感器网络、物联网设备、数据采集装置和 服务器等硬件设备相互连接实现了深基坑周围环境的实时监测和数据分析 传感器网络布置在深基坑及其周围区域可以高频率采集沉降、土壤位移、水位变化等关键参数的数据 这些数据通过物联网设备传输到数据采集装置并进一步传输至 服务器进行处理和存储 最终通过 信息综合感知系统的用户界面工程管理者可以直观地了解深基坑的变化趋势、分布情况以及潜在风险从而做出相应的决策和措施提高工程管理效率减少人为错误并提前预测工程中存在的潜在风险基于物联网技术的 信息综合感知系统总架构 基于物联网技术的 信息综合感知系统能够实现深基坑监测数据的实时感知、准确分析和可视化展示具体的总架构设计如图 所示数据层是系统的基础层用于收集和存储深基坑监测所需的数据 在深基坑周边布置传感器网络例如地质勘探仪器、水位传感器、位移传感器等用于实时感知环境变化并采集数据 数据采集模块负责对传感器网络中的数据进行采集和处理将原始数据进行转换和标准化以便后续的存储和分析 使用数据库将采集到的数据进行存储确保数据的安全性和可访问性感知层负责对采集到的数据进行处理、分析和预处理以提取有用的信息和特征 使用 技术进行空间分析将数据与地理位置进行关联生成空间分布图监测周遭环境分析地质条件帮助用户理解数据的空间特征和相关性图 系统总架构设计展示层为用户提供直观、易于理解的界面以展示监测数据和分析结果 通过图表、地图、仪表盘等方式将监测数据和分析结果以直观的形式展示给用户便于用户理解和分析 提供用户友好的界面使用户能够方便地进行系统操作、查询数据、查看报警信息等支持交互和自定义设置 提供移动端应用程序用户可随时随地通过智能手机或平板电脑访问系统实时监测和管理深基坑工程综上所述综合感知系统的数据层、感知层和展示层相互交互形成一个闭环以此实现对深基坑监测数据的全面感知、分析和展示 系统各模块设计.数据层.传感器网络布置传感器网络的布置是基于物联网技术的 信息综合感知系统中的重要步骤用于实时感知深基坑周边环境的变化 首先需要明确深基坑监测的需求和目标确定需要监测的地质状况、地下水位、土壤位移等指标根据监测需求选择合适的传感器类型该系统采用 地质勘探仪器、水位传感器以及 振弦式位移传感器考虑传感器的测量范围、精度、稳定性和耐久性等因素确保其能够满足监测要求 为确定传感器布置位置需要根据深基坑的几何形状和地质特征确定传感器的布置位置 传感器需要布置在深基坑周边包括边坡、孔壁、水源附近等关键位置 在确定布置位置时考虑到覆盖范围、传感器之间的距离和分布均匀性等因素因此使用欧几里得距离公式计算传感器节点之间的直线距离具体公式如式()所示:()()()式中:()和()分别表示传感器节点的坐标在确定传感器布置位置后将传感器节点部署到相应的位置每个传感器节点包含传感器、数据采集子功能和通信子功能 传感器负责采集数据数据采集模块负责处理和转换传感器收集到的地质状况、地下水位、土壤位移数据通信模块负责将数据传输到中央处理单元或存储设备中进行下一步的数据传输存储工作.数据传输存储基于物联网技术的 信息综合感知系统通过传感器获得深基坑监测数据将数据传输储存起来以便感知层进行分析具体的数据传输步骤如图 所示图 数据传输流程系统的数据传输中传感器节点采集监测数据并将其转换为数字信号 将采集到的数据进行编码和压缩以减少数据传输的带宽消耗 选择 数据传输协议确保数据能够通过物联网连接传输到数据处理系统 利用 无线通信技术进行数据传输根据监测范围和通信距离选择合适的无线技术最后采用加密算法和身份验证机制确保数据传输的安全性和隐私保护 数据传输结束后数据存储的具体步骤为:数据接收与解析:接收传输的数据并进行解析提取出关键的监测信息数据存储结构:设计 数据库以满足数据的存储需求数据存储策略:制定数据存储策略包括数据的存储周期、存储容量管理和数据备份数据处理与分析:对存储的数据进行处理和分析提取有价值的信息并生成相关的 数据.感知层.地质条件分析在基于物联网技术的 信息综合感知系统的感知层中进行地质条件分析首先需要分析施工地区的主要地形使用 二维激光位移计获取高程数据获取地面高程数据通过计算高程变化率估算坡度 具体公式如式()所示:()()()()()式中:和表示地面高程在 和 方向上的变化率除高程外还应得知具体地面高程变化的方向坡向 的计算公式如式()所示:()()在计算出具体坡度之后根据高程数据和坡度计算水流累积量用于分析水流路径和水域分布 使用 遥感影像和地质数据进行特征提取如岩石类型、土壤类型、岩层结构等 应用支持向量机()机器学习或图像处理算法对提取的地质特征进行分类 之后采用 无线水位计获取地下水位、地下水化学成分数据自动监测方式如图所示图 地下水位监测应用地下水流 模型模拟地下水流动的过程并预测地下水流动方向、速度等根据地下水位和地下水化学成分的分布情况评估地下水资源的状况和可利用性.深基坑地图制作分析已知的地质条件后对深基坑数据进行采集使用 定位技术或测量仪器对深基坑的边界进行测量和标记勾画 进行地质勘探获取地下土层和岩石的结构、性质等信息 使用遥感影像或卫星图像对深基坑区域进行分析和处理应用阈值分割处理图像将基坑区域从整个影像中提取出来 通过地质勘探、地下雷达等技术获取地下结构的数据使用 工具进行空间分析将地下结构数据与基坑边界数据进行叠加分析确定地下结构与基坑的关系 将基坑边界和地下结构的测量数据转换为点云数据使用克里金插值算法对点云数据进行处理生成基坑区域的地形表面具体流程如下)从点云数据中选择一部分样本点作为插值的参考点)通过对选定的样本点进行拟合确定变差函数的模型 变差函数模型的具体公式如式()所示:()()()式中:()为插值点的属性值 为插值结果的整体均值为样本点的权重为插值点与样本点之间的空间距离()为变差函数用于描述样本点之间的空间关系)根据样本点与目标插值点之间的距离和变差函数的模型计算样本点的权重表示其在插值过程中的影响程度计算样本点的权重 具体公式如式()所示:()()()()根据样本点的权重和属性值对插值点进行加权平均计算得到插值结果)将插值结果输出到插值网格的格点上形成一个平滑的连续表面根据插值结果使用 构建基坑的三维模型将基坑边界、地下结构数据和三维模型等整合到 系统中在 系统中创建地图将基坑信息与其他地理数据进行叠加展示生成深基坑地图.展示层系统展示层的用户界面可提供直观、易用的用户界面使用户能够轻松浏览和操作系统的功能确保系统界面能够适应不同设备和屏幕尺寸如桌面电脑、平板电脑和手机等地图展示功能使用 地图服务展示地理信息和感知数据的位置允许用户控制不同图层的可见性和透明度以展示不同类型的感知数据 支持用户在地图上进行缩放、平移和标注操作以便更详细地查看和编辑地理信息数据可视化分析提供柱状图、折线图、饼图等各种图表以可视化感知数据的统计和分析结果 实时展示感知数据的变化和趋势以帮助用户快速了解当前的环境状况支持空间查询和分析功能如选择一个区域并计算该区域内的感知数据统计信息 当感知数据超过设定的阈值或出现异常时系统能够发出报警通知提醒相关人员注意将报警和重要通知以及感知数据的更新结果通过短信、电子邮件或应用程序推送等方式通知用户 提供手机应用程序(如 和 应用)以便用户在移动设备上访问和使用系统功能如图 所示图 移动端应用页面实现用户身份验证功能确保只有授权用户才能访问系统的敏感信息 基于用户角色和权限对不同用户提供不同的功能和数据访问权限 使用 数据库系统存储和管理感知数据、用户信息和系统配置等 提供管理界面使管理员能够对系统进行配置、用户管理、数据备份等操作 系统应用测试.工程概况基于物联网技术的 信息综合感知系统的硬件使用 沉降传感器、土壤位移传感器以及 水位传感器 传输使用 网关无线通信模块采用 系列 数据采集器型号为 数据记录器采用 系列 服务器硬件采用 软件平台采用 终端选择 计算机移动设备使用 系列深圳金融科技研究院建设工程项目项目用地面积 总建筑面积约.万 其中地上面积约.万 地下建筑面积约.万 建筑总高度暂定.地下 层地上 层内设教育培训用房、办公用房、办公辅助用房、教育科研用房、教育科研辅助用房、公用设施用房、生活服务用房等 基坑开挖深度为.基坑周长约 开挖面积约.根据深圳市工程建设标准基坑支护技术标准()本项目基坑安全等级为一级 将基于物联网技术的 信息综合感知系统用于该工程的深基坑监测任务中用以观察应用效果.应用效果为对比深基坑监测前后的数据变化表 为深基坑监测的应用结果 位置编号表示监测点的唯一标识 坐标和 坐标表示监测点在地理坐标系统中的位置初始沉降表示深基坑监测开始时的沉降量表 基坑监测成果位置编号 坐标/坐标/初始沉降/采集时间单次变化值/()累计变化值/()变化速率/()基坑:.基坑:.基坑:.基坑:.通过对比不同监测周期下的沉降量可以看出深基坑在不同时间段的沉降情况 深基坑沉降随着时间的推移逐渐增加表明基坑可能正在发生下沉不同位置的沉降速度可能存在差异这可以帮助确定基坑的不均匀沉降情况监测周期越长观测到的沉降量越大这可能与时间的累积效应有关最终沉降量是基于全部监测数据计算得出的结果可以用于评估基坑的总体沉降情况 除了沉降数据基于物联网技术的 信息综合感知系统还可以通过类似的方式对土壤位移和水位变化等参数进行监测和对比分析 通过综合分析不同参数的数据全面了解深基坑的监测结果发现潜在的风险并采取相应的措施 结束语本研究针对深基坑监测中的挑战提出并实现了基于物联网技术的 信息综合感知系统 通过实验验证表明系统在深基坑监测中表现出较高的精准度和实时性为工程管理者提供了重要的监测数据和决策支持 该系统不仅提高了深基坑监测的效率和可靠性而且为相关行业的发展提供了新的技术手段和方法 然而本系统仍面临一些挑战如数据质量和安全性等方面的问题未来的研究应继续改进系统性能和解决这些问题 通过不断完善和优化系统基于物联网技术的 信息综合感知系统在工程监测方面将具有更加广泛的应用前景:参 考 文 献:黄鑫张继文于永堂等.基于北斗定位系统的地下车库深基坑沉降监测与分析.测绘通报():.万晶樊冬冬刘天任等.富水砂性地层地铁深基坑监测及变形分析.建筑结构():.袁金丽.深基坑开挖监测分析及数值模拟研究.海河水利():.费耀明何政熙周亚东.基于流固耦合的深基坑开挖对邻近地铁站影响研究.铁道建筑技术():.李力李海斌赵庆攀.深基坑工程自动化监测技术与实践.广东建材():.席称心林悦铭何钦等.不同地质条件下基坑监测范围探析.广东土木与建筑():.