張鳴宇 王紹君

?

基坑變形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化建設(shè)

張鳴宇 王紹君

（昆明市測(cè)繪研究院 云南昆明 650091）

監(jiān)測(cè)自動(dòng)化是集成了工程測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)程序語言、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為一體的作業(yè)系統(tǒng)。目的是從外業(yè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，再到輸出監(jiān)測(cè)成果，都能快速反應(yīng)。能夠通過分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況，建立起分析預(yù)測(cè)模型，從而輸出較為合理的預(yù)測(cè)值，以此判斷基坑變化情況的發(fā)展方向，作為應(yīng)對(duì)各種突變情況時(shí)，進(jìn)行決策的理論依據(jù)。

基坑 變形監(jiān)測(cè) 自動(dòng)化

1 引言

隨著城市建設(shè)的速度和規(guī)模的繼續(xù)擴(kuò)張，城市監(jiān)管部門勢(shì)必要對(duì)建設(shè)工程開展過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)加強(qiáng)監(jiān)管力度，無論是從施工安全還是從規(guī)劃核實(shí)等方面都需要各種測(cè)量數(shù)據(jù)成果用作監(jiān)管依據(jù)。目前，城市建設(shè)工程中，各種建筑結(jié)構(gòu)都包括必要的基坑工程，通過開挖深基坑來扎實(shí)建筑物基礎(chǔ)和擴(kuò)展地下利用空間?；幼冃伪O(jiān)測(cè)工作，在各個(gè)層面來說都將是一項(xiàng)重要工作，其監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)能作為基坑支護(hù)穩(wěn)定情況的判斷依據(jù)，以保障施工的安全，變形監(jiān)測(cè)工作也將成為施工安全監(jiān)管的重要手段。

基于基坑變形監(jiān)測(cè)工作的繼續(xù)發(fā)展，有必要將該工作更加詳盡地細(xì)節(jié)化，之后流程化、最終自動(dòng)化，從而可以快速地進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集工作、處理和分析工作整合起來，將成果準(zhǔn)確高效的反饋出去，作為實(shí)時(shí)判斷基坑是否處于安全狀態(tài)的準(zhǔn)確依據(jù)。

2 基坑變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的意義

監(jiān)測(cè)自動(dòng)化是集成了工程測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)程序語言、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為一體的作業(yè)系統(tǒng)，目的是從外業(yè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，再到輸出監(jiān)測(cè)成果，都能快速反應(yīng)。能夠通過分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況，建立起分析預(yù)測(cè)模型，輸出較為合理的預(yù)測(cè)值，從而判斷基坑變化情況的發(fā)展方向，作為應(yīng)對(duì)各種突變情況時(shí)，進(jìn)行決策的理論依據(jù)。

自動(dòng)化流程的建立，能夠幫助我們將監(jiān)測(cè)工作從外業(yè)測(cè)量到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的整個(gè)過程清晰地梳理出來，通過必要的技術(shù)改進(jìn)和規(guī)范流程，確定出其作業(yè)過程的必要性和可操作性，逐一完善每一個(gè)細(xì)節(jié)的工作，最終快速合理地從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取出有價(jià)值的數(shù)據(jù)分析成果。

另外，變形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化可以體現(xiàn)出監(jiān)測(cè)工作的科技含量，用計(jì)算機(jī)程序語言，開發(fā)出適合自己運(yùn)用的應(yīng)用程序；用數(shù)學(xué)的方法，建立起數(shù)據(jù)分析模型，用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，整合實(shí)時(shí)的成果反饋給用戶。這樣可以減少人工處理數(shù)據(jù)的繁瑣，避免失誤和錯(cuò)誤，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，同時(shí)，將成果發(fā)布到專有的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，不但可以降低普通監(jiān)測(cè)快報(bào)的紙張成本、人工成本，還可以給用戶以良好的用戶體驗(yàn)，體現(xiàn)出監(jiān)測(cè)工作的科技含量，傳達(dá)給用戶更多的可靠性和安全性，從而提升在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

3 自動(dòng)化操作流程

自動(dòng)化操作流程，即是將從外業(yè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理再到成果反饋三大部分綜合起來，以流水作業(yè)的方式，分別完成各項(xiàng)工作，實(shí)現(xiàn)最終輸出的過程，如圖1所示：

4 自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集及處理

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移的數(shù)據(jù)采集處理

豎向位移數(shù)據(jù)的采集按照監(jiān)測(cè)等級(jí)劃分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)，通常均使用電子水準(zhǔn)儀以鄰近基準(zhǔn)點(diǎn)為起點(diǎn)，按垂直位移監(jiān)測(cè)三等的要求與各觀測(cè)點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)形成閉合水準(zhǔn)路線的方法來進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)點(diǎn)每站高差中誤差≤0.3mm，閉合路線閉合差≤0. 6mm（n為測(cè)站數(shù)）。測(cè)量完成后通過水準(zhǔn)平差軟件進(jìn)行測(cè)量精度評(píng)定后輸出成果，輸出字段名稱、點(diǎn)號(hào)、本次測(cè)試值(m)、單次變化量(mm)、變化速率(mm/d)、累計(jì)變化量(mm)等字段成果，以供分析。

4.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移的數(shù)據(jù)采集處理

水平位移數(shù)據(jù)的采集工作受到測(cè)量環(huán)境的限制，容易被遮擋，且測(cè)量外符合精度受影響因素較多，宜采用邊角網(wǎng)測(cè)量交匯的方式，與固定的通視情況較好的基準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)系，建立獨(dú)立坐標(biāo)系后經(jīng)過平差后得到任意設(shè)站工作點(diǎn)的平面坐標(biāo)，再采用極坐標(biāo)的方式，設(shè)置多測(cè)站進(jìn)行觀測(cè)后獲取平面坐標(biāo)位置的均值來進(jìn)行成果比較，分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化情況。

由于現(xiàn)場(chǎng)平差工作點(diǎn)坐標(biāo)成果不利于提高工作效率和自動(dòng)化進(jìn)程，可采用例如TCA2003型號(hào)的全站儀進(jìn)行觀測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是全站儀可以自動(dòng)旋轉(zhuǎn)照準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)和記錄，可通過上載程序，交互式地完成基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量后對(duì)其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多測(cè)回觀測(cè)，測(cè)量速度快且精度高。缺點(diǎn)是需要對(duì)每一個(gè)設(shè)計(jì)好需要觀測(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在開始進(jìn)行測(cè)量前，放置好棱鏡反射目標(biāo)以等候觀測(cè)。

另外監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)立及棱鏡放置的位置為了確保固定，去除放置棱鏡時(shí)的對(duì)中誤差，理想的方式是將棱鏡的連接桿直接預(yù)埋設(shè)于需要監(jiān)測(cè)的邊坡或冠梁當(dāng)中，那么每次安裝棱鏡時(shí)將能確保位置的準(zhǔn)確性。此方法雖然前期監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)埋工作較為繁瑣，且需要多個(gè)棱鏡參與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，但卻能十分有效地提升測(cè)點(diǎn)精度及工作效率，保證了測(cè)量成果的準(zhǔn)確性。

后期監(jiān)測(cè)成果的變化情況，較為重要的信息是需要明確監(jiān)測(cè)點(diǎn)位偏移的方向，即判斷監(jiān)測(cè)點(diǎn)位是向基坑內(nèi)傾斜還是向基坑外傾斜。由于基坑邊的不規(guī)則性限制，一般不能直接通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的變化來判斷上述變形情況，所以可選用基坑各邊的趨于一致的規(guī)則線性關(guān)系建立基坑各條邊的線性函數(shù)，通過分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)成果相關(guān)于各函數(shù)邊的向量關(guān)系來得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)各監(jiān)測(cè)周期的偏移量和偏移方向。

綜上所述，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的外業(yè)監(jiān)測(cè)可自動(dòng)化快速測(cè)量，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理可根據(jù)建立好的數(shù)據(jù)計(jì)算和分析模型統(tǒng)計(jì)出各關(guān)鍵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)字段，字段包括：字段名稱、點(diǎn)號(hào)、X測(cè)試值、Y測(cè)試值、單次變化量(mm)、變化速率(mm/d)、累計(jì)變化量(mm)。

4.3 其他監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)采集處理

1） 深層土體位移監(jiān)測(cè)

深層土體的位移監(jiān)測(cè)要通過預(yù)埋測(cè)斜管后使用專業(yè)測(cè)斜儀進(jìn)行各層土體的水平位移量觀測(cè)，且測(cè)斜儀的軌道槽需正對(duì)基坑開挖的方向，以確定測(cè)試值的向量偏移方向是與基坑邊線垂直的，以分析開挖后深層土體的移動(dòng)方向來判斷基坑支護(hù)是否處于安全狀態(tài)。內(nèi)業(yè)使用配套軟件計(jì)算分析測(cè)量數(shù)據(jù)，也可通過獲取各層次的讀數(shù)值、通過編寫軟件模塊進(jìn)行計(jì)算和數(shù)據(jù)管理，其字段包括：字段名稱、孔號(hào)、(1)深度、(1)正、(1)負(fù)、……、(n)深度、(n)正、(n)負(fù)。

2） 水位變化監(jiān)測(cè)

水位監(jiān)測(cè)同樣是需要預(yù)埋測(cè)水孔，其預(yù)埋深度和測(cè)斜孔的預(yù)埋深度基本一致，通過確定管口的高程基準(zhǔn)，記錄每監(jiān)測(cè)周期地下水位的變化情況，判斷土體保水情況，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)范衡量基坑支護(hù)是否安全。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和豎向位移監(jiān)測(cè)關(guān)鍵字段相似，包括：字段名稱、孔號(hào)、本次測(cè)試值(m)、單次變化量(mm)、累計(jì)變化量(mm)。

3） 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

應(yīng)力監(jiān)測(cè)包括支護(hù)樁應(yīng)力監(jiān)測(cè)和錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)，需要預(yù)埋應(yīng)力傳感計(jì)，通過讀數(shù)儀計(jì)算或直接讀取每次應(yīng)力變化進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。內(nèi)業(yè)根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的值，分析其每次監(jiān)測(cè)周期應(yīng)力的變化情況，主要用于判斷具體支護(hù)結(jié)構(gòu)如冠梁、支護(hù)樁是否應(yīng)力過于緊張或松弛，從而判斷支護(hù)是否安全。其監(jiān)測(cè)成果關(guān)鍵字段包括：字段名稱、傳感器編號(hào)、本次測(cè)試值(KN)、單次變化量(KN)、累計(jì)變化量(KN)。

4.4 整合監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)意義及一般需求分析

將上述各監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)通過技術(shù)整合后，建立起監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)各周期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，制作專業(yè)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌全部監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，快速輸出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析成果、相關(guān)專業(yè)報(bào)表，網(wǎng)上發(fā)布成果報(bào)表等工作，從而可避免內(nèi)業(yè)人工統(tǒng)計(jì)和處理數(shù)據(jù)出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤，提高解算效率，方便儲(chǔ)存和管理各監(jiān)測(cè)內(nèi)容監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)反饋給用戶監(jiān)測(cè)情況，方便查詢各監(jiān)測(cè)周期監(jiān)測(cè)情況，較容易制作階段性的和總結(jié)性的報(bào)告。其顯示意義不但可以提升自身監(jiān)測(cè)工作的科學(xué)技術(shù)含量，也能方便地儲(chǔ)存、管理、檢查監(jiān)測(cè)各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還可以給用戶以良好的用戶體驗(yàn)。

結(jié)合上述情況，需要建立適合于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)用的數(shù)據(jù)庫，以存儲(chǔ)各階段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果，綜合數(shù)據(jù)處理的需求，開發(fā)一套監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)軟件系統(tǒng)，使技術(shù)人員可以方便的存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，快速地實(shí)現(xiàn)上述功能。

4.5 自動(dòng)化分析預(yù)測(cè)模塊

在數(shù)據(jù)庫建立和監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)制作完成后，為了滿足市場(chǎng)需求，需要對(duì)成果數(shù)據(jù)建立適合實(shí)際情況的預(yù)測(cè)分析模型，制作預(yù)測(cè)分析函數(shù)模塊，加載到監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)當(dāng)中，用于預(yù)測(cè)基坑變形量值以輔助用戶做出應(yīng)對(duì)決策。綜合現(xiàn)在的研究方向來看，預(yù)測(cè)分析模型主要有灰色GM(1,1)模型、曲線擬合模型、BP網(wǎng)絡(luò)模型，而BP網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元模型是較為理想的基坑變形預(yù)測(cè)模型，具備了預(yù)測(cè)和分析的能力，基坑的變形監(jiān)測(cè)工作將更具有科學(xué)依據(jù)，同時(shí)，根據(jù)預(yù)測(cè)成果，能夠更為有效地預(yù)測(cè)基坑的變化情況，確保安全預(yù)警和報(bào)警的可靠性，為支護(hù)安全提供保障，豎立起變形監(jiān)測(cè)工作的必要性。

5 自動(dòng)化成果

為了能給客戶以良好的用戶體驗(yàn)，能夠?yàn)楸O(jiān)測(cè)工作實(shí)施單位降低人力和辦公資源成本，自動(dòng)化的成果輸出將會(huì)較為理想地解決上述問題，快捷高效的反饋給用戶監(jiān)測(cè)結(jié)果，能夠方便地整理各項(xiàng)監(jiān)測(cè)報(bào)表，可以輸出電子報(bào)表發(fā)送給用戶，讓用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)的查詢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，打印監(jiān)測(cè)快報(bào)，形成一套良好的作業(yè)流程系統(tǒng)，自動(dòng)化成果的意義尤為可見。因此，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理完成之后，通過專有互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)布和更新監(jiān)測(cè)成果，給出預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，將是體現(xiàn)自動(dòng)化成果價(jià)值的重要組成部分。自動(dòng)化成果的作用原理如圖2：

6 結(jié)束語

基坑變形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化，是對(duì)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目統(tǒng)一管理，是集成了存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、處理分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，輸出監(jiān)測(cè)成果為一體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是處理繁瑣監(jiān)測(cè)工作各環(huán)節(jié)的一套行之有效的解決方案，具備諸多優(yōu)勢(shì)。建立這樣的系統(tǒng)，能夠整合有限的資源，以高效的方式完成各種規(guī)模的基坑監(jiān)測(cè)工作，能夠?qū)⒆鳂I(yè)流程清晰化，系統(tǒng)化，易操作化，能夠幫助擁有自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的單位在基坑變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目市場(chǎng)中具備有更大的優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到較好的市場(chǎng)效益。

[1] 侯建國，王騰軍，周秋生.變形監(jiān)測(cè)理論與應(yīng)用[M].北京：測(cè)繪出版社，2008.

{2} 傅薈璇，趙紅.MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3] 馮尊德，史玉峰.基于灰色系統(tǒng)理論的變形數(shù)據(jù)處理方法[J].淄博學(xué)院學(xué)報(bào)，2001,3(2):57-59.

[4] 鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1992.

[5] 張廣春，余志偉，張建旭.地鐵施工第三方監(jiān)測(cè)WebGIS系統(tǒng)[J].地理空間信息，2008,6(5):92-93.

[6] GB50026-2007，工程測(cè)量規(guī)范[S].

[7] 孔祥元，梅是義.控制測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1996.