基坑安全监测系统的设计与仿真研究*

姬方(广州建通测绘地理信息技术股份有限公司，广东广州　510663)



基坑安全监测系统的设计与仿真研究*

姬方
(广州建通测绘地理信息技术股份有限公司，广东广州510663)

摘要:综合运用数据库管理、办公自动化、计算机网络、GIS、虚拟现实、数据处理与分析等技术，建立一套以数据仓库为数据组织方式、采用计算机网络作为传输和共享平台的基坑监测管理信息系统。提出了基坑监测系统的设计结构思路，并对地铁车站基坑内容进行建模仿真分析。有利于施工进度信息、各类监测信息的同步共享，对保证工程质量和施工安全等具有极其重大的意义。

关键词:基坑安全监测系统;系统设计;系统功能;三维仿真模型

0　引言

近年来，随着城市建设的发展，城市地铁建设发展迅速，基坑工程也随之增加，在基坑变形监测过程中，监测项目多，监测数据量大，花费大量人力、物力，数据采集后需要及时地进行处理，综合分析基坑的状态和变化趋势，发现并消除安全隐患，还需要对所有的监测数据及分析数据进行安全有效的保存和管理，以便于后期数据的查询和分析[1]。采用传统的人工整理管理各种资料，既繁琐影响工作效率又容易出错，且还影响工程决策。在这种情况下，建立一个基坑施工变形监测系统是十分必要的。通过管理系统的计算机信息，可以对基坑监测进行有效的管理，对基坑的变形及其安全性进行正确和及时预报，以便为施工提供及时、准确、可靠的信息，同时，这也满足现代“信息化施工技术”的要求[2]。

1　系统构架

1.1系统体系结构

系统体系结构由下至上分4层，如图1所示。

1.1.1数据层

数据层主要由地质资料、设计资料、地形资料和监控资料等构成，在地层使用关系数据库进行管理，构建大型数据集市。数据组织的有效程度对整个基础平台的运作起到决定性的作用。系统采用应用驱动的数据库设计过程，从需求分析开始、完成概念和逻辑设计、物理设计，再进行示范试验的方式完成系统的原型化架构，最后根据可行的原型进行数据库设计。

1.1.2基础软件层

基础软件层运行支撑系统运行的基础软件，本系统与广泛使用的AutoCAD工程图无缝连接，实现真正意义上的三维设计与建模，并在虚拟现实软件平台下进行全三维展示，针对土木工程设计的行业应用解决方案，保证系统的稳定和效率。

1.1.3核心组件层

核心组件层包含组建三维在线监测系统的组件化工具，包含基本的属性查询，三维建模、分析工具、报表工具等，系统组件以反射模式构建可扩展组件集，方便对新组件模块进行相关扩展。

图1　基坑安全监测系统层次体系结构图Fig.1　Architecture diagram of foundation pit safety monitoring system

1.1.4扩展应用层

基于系统的核心组件，实现对实际业务的扩展应用，如工程资料管理、工程进度管理、三维仿真等功能的实现。

1.2网络拓扑

系统由中央监控中心、二级监控中心和基层监控点3个部分组成，考虑到地铁基坑施工建设期间用于运营的高速通信专属网还没有建成，但又存在大量数据传输的需求，建议直接采用电信高速宽带的形式构建中央监控中心、二级监控中心和基层监控点之间的传输网络，在中央监控中心和二级监控中心内部构建高速局域网。

2　系统软件与数据库开发技术设计

2.1软件结构

鉴于本系统同时兼具数据处理、建库、三维建模及可视化、信息查询、发布等功能，为兼顾良好的用户体验和系统运行效率，拟采用B/S、C/S混合模式架构。在数据生产、数据处理、三维建模和仿真管理方面采用C/S模式构建系统，具有数据处理快、处理过程易纠错、多台计算机协同作业、符合生产单位习惯也易于建设单位接受这样的生产模式。对于信息查询、发布和交流平台采用B/S模式。用户通过安装客户端软件或者直接使用Web浏览器(如IE或者Firefox)便可接入系统，使用相应的功能模块提交数据以及获取相关服务。按照B/S、C/S混合体系结构设计开发模式，由用户层、业务层和数据层组成，见图2。

图2　B/S、C/S混合模式的3层结构图Fig.2 Three-level architecture of B/S and C/S mixed mode

2.2软件及数据库开发平台

2.2.1操作系统

建议在服务器上安装Microsoft Windows Server 2003中文企业版(25客户端)。客户端建议安装Microsoft Windows XP操作系统。

2.2.2数据库管理系统

建议在数据服务器上安装Oracle 10G标准版(10用户)，另配置Oracle Spatial模块支持空间数据库扩展。

2.2.3网络应用服务软件

建议在应用服务器上安装Apache和Tomcat，Apache是Web服务器，Tomcat是应用(Java)服务器。

2.2.4建模软件

采用AutoDesk、AutoCAD作为建模软件，生成DXF格式的工程三维模型。

2.3开发工具选择

C/S模式客户端和应用服务模块开发工具:选择Microsoft Viusal C + +6.0作为集成开发环境，采用SOA架构，进行模块式开发，开发语言选用C + +。

B/S模式客户端和应用服务软件开发工具:采用新型的敏捷开发模式，基于Grails框架快速构建Web应用服务，以Netbeans6.5和JDK1.6作为集成开发环境，开发语言选用Java或者ASP.NET。

3　系统功能

系统主要功能模块，如图3所示。

图3　系统功能模块图Fig.3 System function module

3.1指挥调度

系统将建设单位和参与单位(勘察、设计、施工、监理、监测、质检)之间的合同进行数据抽取和建模，将合同中的条款进行量化，形成目标值。项目参与单位按照量化后的合同，根据实际执行情况更新相应的数据，形成合同实际值。系统自动进行对比分析可得出履约情况，建设单位依据履约情况下达相应的指挥调度指令，参与单位接收指令后形成整改目标，再依据新的执行情况更新合同实际值，如此循环反复进行，实现合同履约管理的目标。指挥调度流程，见图4。

3.2视频监控

对于监控视频数据，系统利用先进的视频压缩技术和网络视频装置，在网络上进行视频广播，实时传输远程监控工地现场的施工情况。并通过远程控制云台的转动、俯仰以及焦距的变化，察看到工地各处的情况。这样就可以及时传送工地现场的视频图像，从而使管理者足不出户，即可了解工程进展、工程现场施工的情况等，实现远程控制。

图4　指挥调度流程图Fig.4　Flow chart of scheduling

3.3监测管理

监测管理包括施工监测和第三方监测管理。两种类型监测的对象和内容有一定程度的差异，但都包括以下3个方面的内容。

3.3.1监测数据采集

系统的数据采集模块的数据对象包括自动监测、人工监测、各类巡视。系统将研发一套监测数据编码技术，对监测数据按照工程标段、施工项目、监测项目、监测点的顺序逐级筛选归类，数据的填报人员就可以在相应的标段内找到相应的监测项目和监测点的界面，并可以批量化地导入监测数据。填报的监测项目、监测点号、布点位置都可以随时添加和修改，外业的监测数据在规定时间后将不允许更改，这样既使数据填报具有了相当的灵活性，同时又保证了数据的安全。

3.3.2监测信息编码

大型桥隧施工在线监测与仿真管理系统要求对所有监测点进行编码，并保证监测点编码类型的唯一性，监测点编码由10位字符组成，编码规则如下:

第1－2个字符为线路编号:01－99;

第3个字符为标段编号:一标段为A，二标段为B;

第4－5个字符为工点编号:01－99;

第6个字符为－;

第7位为监测类别编号:A－Z;

第8－10位为测点流水号:001－999流水号。

3.3.3监测数据发布

系统提供第三方监测数据与施工监测数据对比分析功能，将双方监测成果差异以不同颜色进行标记，通过设置一定的限差(如两倍测量中误差)，对双方数据差异大小进行评价(如设定以下等级:符合要求、误差较大、粗差)。同时对施工监测数据进行分析，找出最优解决方案。

3.4风险预警

系统提供安全预警功能，包括3个方面的功能。

3.4.1安全现状展示

针对施工和运营过程中出现的安全进行风险提示，结合分析模块作出综合判断，在系统的网页首页专门开辟安全信息发布专栏，以状态列表、表单或者曲线的形式表达预、报警监测点的数据变化趋势。

3.4.2预、报警

针对各项监测数据，设立相应的预、报警值，系统根据上传的监测数据判断是否预警或报警。数据一旦进入预警区或者报警区后，就应该实施报警。

3.4.3预测分析

系统基于一定样本数量的监测数据，提供预测分析功能，提供多个分析模型供用户比较选择:如回归分析、指数平滑法、灰色理论模型等;分析结果以变形曲线和表格等形式提供给用户查看和下载，作为综合决策的依据。

3.5应急预案

施工单位提交的应急预案需经建设单位审批，系统提供相应的审批功能。建设单位、施工单位编制的应急预案应当报同级人民政府和上一级安全生产监督管理部门备案。

应急预案经审批备案后，建设和施工单位应当制定本单位的应急预案演练计划，根据本单位的事故预防重点，每年至少组织一次综合应急预案演练或者专项应急预案演练，每半年至少组织一次现场处置方案演练。相应的应急预案演练计划通过系统接口提交，并在演练完成后提交总结报告。

当工程安全质量事故发生后，根据应急预案启动预案指挥工作，相关的指令信息可通过指挥调度模块实现。

3.6质量监控

质量监控管理流程，如图5所示。

图5　质量监控管理流程图Fig.5 Flow chart of quality control and management

针对土建工程中的各类检测值，通过与设计值进行比较，得出质量优劣结论。在检测过程中发现有结构安全检测结果不合格、严重影响使用功能等情况，检测单位应通过预警等方式及时向建设、监理单位反馈。

3.7三维仿真模型的建立与更新

3.7.1地形和地质三维曲面模型的构成

地形和地质三维建模方法主要有4种[3]:基于散点数据的建模、基于规则格网(GRID)的建模、基于不规则三角网(主要是TIN)的建模和将其中任意两种结合起来的混合建模方法。但在本质上，最基本的DTM建模方法有两种，即规则网格模型和不规则三角网模型TIN。

为使构建的TIN模型能尽可能逼真地反映实际地形的特征，在生成TIN时，应将这些地性线、地物边缘线、断裂线等特征线作为预先定义的限制条件予以考虑，通称构建带约束条件的不规则三角网。本系统在构建地形时，会对特殊的地貌和地物进行处理，主要分为几个方面:断裂线的处理、地性线的处理、地物闭合线段的处理、影响TIN的其它因素。DTM曲面模型，如图6所示。

图6　DTM曲面模型Fig.6 DTM surface model

3.7.2三维地层建模

地层信息是进行地下工程建设的重要数据，建立三维地层模型是进行三维设计和分析的基础，而三维地层模型的结构一般比较复杂，很难用简单的建模工具进行构建。本系统将Auto-CAD中的三角面片和放样实体相结合实现三维地层建模。

1)数据获取:在构建三维地层建模前，首先需要获取顶底板等高线数据，并根据顶底板等高线相关数据构建三维地层模型。顶底板等高线，一般可以通过钻孔地层分析的方式进行获取，基于钻孔某一地层的岩性资料基于系统提供的曲面构建工具生成地层曲面，然后再创建地层模型。

2)流程设计:获得了地层上下表面的信息之后，由用户指定一条参考多段线生成模型的边界，只需要一个命令，系统就可以自动创建三维地层模型。

3.7.3三维隧道建模

可通过导入原有的隧道设计工程图纸来实现三维的直接建模，也可以基于步距法对特定段内的不规则隧道进行模型放样，从而实现复杂隧道模型的构建。具体如下:

1)规则隧道的建模。地下隧道布局设计是地下隧道工程设计的重要内容，并且许多其他相关的分析，如地下隧道监测、灾害预警、沉降监测等，都与地下巷道系统密切相关。规则的三维隧道模型，如图7所示。

2)步距法生成不规则隧道模型。在生成隧道模型中，往往会遇到不规则的隧道模型，可以采用在不规则隧道的各个特征点进行剖面采样的方式，预先定义好不同特征差异的多个断面信息，然后通过放样算法将断面进行连接插值，从而生成不规则隧道的方式。隧道断面可以由多个参数构成，如图8所示。

3.7.4工程模型建模

仿真管理系统中还存在大量与施工过程密切相关的工程构件，如支撑结构、围护结构、车站主体以及与监测相关的各类监测点和对象，这些对象在仿真系统中的建模需要AutoCAD等专业工具来实现。利用AutoCAD建模的方法一般有以下几种[4]:基本体素法、拉伸旋转扫描变换法和放样法。

图7　规则三维隧道模型Fig.7 3D regular tunnel model

3.7.5三维仿真模型更新

三维仿真模型的更新是指利用监测数据、施工进度数据、设计变更自动进行模型状态更新。在此基础上进行三维动态进度管理，其管理功能包括:

图8　隧道概念模型效果图Fig.8 Effect drawing of tunnel concept model

1)指定任意施工起始时间和时间间隔，实时查看工程的施工进度。三维模型上的不同的颜色代表不同工序。

2)在图形屏幕上选取任意构件、构件组或流水段，可实时查看施工对象的施工状态和工程信息，包括当前施工时间、施工工序、施工单位、计划完成的起止时间以及工程量等。

3)修改施工对象的进度时间和当前施工状态，系统会自动更新进度数据库，调整进度计划，同时刷新三维模型。

4)系统还允许建立多套进度计划和实际进度，并提供不同进度计划之间、计划进度与实际进度之间的比较和分析。三维施工进度更新和发布流程，如图9所示。

图9　三维施工进度更新和发布流程图Fig.9　Flow chart of 3D construction progress update and release

由于3D模型对象与进度计划中的施工工序不一一对应的关系，其映射关系十分复杂，通过组件定义、工序模板、WBS、过程表示以及过程更新，可以实现3D模型与计划信息之间的双向数据交流。用户在外部进度计划系统中调整和修改进度信息，系统可自动刷新图形系统中的施工模型;用户也可在图形环境中对施工模型进行直接修改，系统则自动更新进度数据库，启动进度计划系统可对当前和后续计划进行调整。

3.8系统管理

实现系统日常维护管理，包括用户资料及权限管理、数据库备份恢复、系统日志维护等。系统将采用定期数据备份的方式最大限度地防止不可预期和抗拒的自然及人为灾害对数据的破坏。本系统在设计时将采用数据和程序分离的方式，所有核心观测数据和属性数据都以关系数据库单独存放，并拟采用二级数据备份(日备份、季度备份)的方式确保数据安全性。

4　结束语

该平台的构建，将有利于业主及工程参与各方轻松实现工程资料、施工进度信息、各类监测信息以及专家知识的同步共享，对建设管理单位控制投资、保证工程质量和施工安全等具有极其重大的意义。此外，由于地下环境的隐蔽性，对地下资源的规划、开发及地下工程的设计、施工等各方面的研究缺乏有效的手段。通过建立地上、地下一体化的三维环境仿真，当地层、地下构筑物及整个施工过程和现象能便捷的展现于研究者面前时，这必将有力地促进地下资源开发与地下工程建设研究的发展。

[参考文献]

[1]彭曙光.基于虚拟现实的隧道施工监测系统研究[J].现代隧道技术，2010，47(4):142－147.

[2]韦有双，王飞.虚拟现实与系统仿真[M].北京:国防工业出版社，2004.

[3]谢伟，高正国.基于Web方式的深基坑监测管理信息系统的设计[J].电脑与信息技术，2005(5):62－64.

[4]石丽，李坚.数据仓库与决策支持[M].北京:国防工业出版社，2003.

Research on Design and Simulation of Foundation Pit Safety Monitoring System

JI Fang
(Guangzhou Jiantong Surveying，Mapping and Geoinformation Co.，LTD，Guangzhou Guangdong 510663，China)

Abstract:Based on technologies of database，office automation，network，GIS，visualization，and data processing and analysis，a monitoring management information system for foundation pit is established，which uses a set of data warehouse for data organization way and computer network as the transmission and sharing platform.The way of structure design of the system is presented，and modeling and simulation analysis of foundation pif for metro station is carried out.This is in favor of synchronous sharing of construction schedule information and all kinds of monitoring information，has a great significance to ensure construction quality and safety.

Key words:pit safety monitoring system; system design; system function; 3D simulation model

作者简介:姬方(1986～)，女，河南漯河人，硕士，现主要从事机载激光雷达数据处理、变形监测分析与处理等方面的工作。

*收稿日期:2015－03－21

文章编号:1007－9394(2015)02－0023－05

文献标识码:A

中图分类号:P 208; P 209