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基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與仿真研究

文檔作者：姬方文檔來源：廣州建通測繪地理信息技術(shù)股份有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年10月13日
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地礦測繪 2015，31(2)：23—27
Surveying and Mapping of Geology and Mineral Resources
· 23 ·
CN 53—1124／TD ISSN 1OO7—9394
基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與仿真研究
姬 方
(廣州建通測繪地理信息技術(shù)股份有限公司，廣東廣州 510663)
摘要：綜合運用數(shù)據(jù)庫管理、辦公自動化、計算機網(wǎng)絡(luò)、GIS、虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)處理與分析等技術(shù)，建立一套以數(shù)據(jù)倉庫為數(shù)據(jù)組織
方式、采用計算機網(wǎng)絡(luò)作為傳輸和共享平臺的基坑監(jiān)測管理信息系統(tǒng)。提出了基坑監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)思路，并對地鐵車站基坑內(nèi)
容進行建模仿真分析。有利于施工進度信息、各類監(jiān)測信息的同步共享，對保證工程質(zhì)量和施工安全等具有極其重大的意義。
關(guān)鍵詞：基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計；系統(tǒng)功能；三維仿真模型
中圖分類號：P 208；P 209 文獻標識碼：A 文章編號：1007—9394(2015)02—0023—05
Research on Design and Simulation of Foundation Pit
Safety M onitoring System
JI Fang
(Guangzhou Jiantong Surveying，Mapping and Geoinformation Co．，LTD，Gnangzhou Gnangdong 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．Th is is in
favor of synchronous sharing of construction schedule information and all kinds of monitoring inform ation，has a great significance
to ensure construction quality an d safety．
Key words：pit safety monitoring system；system design ；system function；3 D simulation model
0 引言
近年來，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市地鐵建設(shè)發(fā)展迅速，基
坑工程也隨之增加，在基坑變形監(jiān)測過程中，監(jiān)測項目多，監(jiān)測
數(shù)據(jù)量大，花費大量人力、物力，數(shù)據(jù)采集后需要及時地進行處
理，綜合分析基坑的狀態(tài)和變化趨勢，發(fā)現(xiàn)并消除安全隱患，還
需要對所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析數(shù)據(jù)進行安全有效的保存和管
理，以便于后期數(shù)據(jù)的查詢和分析 。采用傳統(tǒng)的人工整理管
理各種資料，既繁瑣影響工作效率又容易出錯，且還影響工程決
策。在這種情況下，建立一個基坑施工變形監(jiān)測系統(tǒng)是十分必
要的。通過管理系統(tǒng)的計算機信息，可以對基坑監(jiān)測進行有效
的管理，對基坑的變形及其安全性進行正確和及時預報，以便為
施工提供及時、準確、可靠的信息，同時，這也滿足現(xiàn)代“信息化
施工技術(shù)”的要求 J。
1 系統(tǒng)構(gòu)架
1．1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)由下至上分4層，如圖1所示。
+ 收稿日期：2015—03—21
1．1．1 數(shù)據(jù)層
數(shù)據(jù)層主要由地質(zhì)資料、設(shè)計資料、地形資料和監(jiān)控資料等
構(gòu)成，在地層使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行管理，構(gòu)建大型數(shù)據(jù)集市。數(shù)
據(jù)組織的有效程度對整個基礎(chǔ)平臺的運作起到?jīng)Q定性的作用。
系統(tǒng)采用應用驅(qū)動的數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程，從需求分析開始、完成概
念和邏輯設(shè)計、物理設(shè)計，再進行示范試驗的方式完成系統(tǒng)的原
型化架構(gòu)，最后根據(jù)可行的原型進行數(shù)據(jù)庫設(shè)計。
1．1．2 基礎(chǔ)軟件層
基礎(chǔ)軟件層運行支撐系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)軟件，本系統(tǒng)與廣泛
使用的AutoCAD工程圖無縫連接，實現(xiàn)真正意義上的三維設(shè)計
與建模，并在虛擬現(xiàn)實軟件平臺下進行全三維展示，針對土木工
程設(shè)計的行業(yè)應用解決方案，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和效率。
1．1．3 核心組件層
核心組件層包含組建三維在線監(jiān)測系統(tǒng)的組件化工具，包
含基本的屬性查詢，三維建模、分析工具、報表工具等，系統(tǒng)組件
以反射模式構(gòu)建可擴展組件集，方便對新組件模塊進行相關(guān)
擴展。
· 24· 地礦測繪 2015年6月
圖l 基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)層次體系結(jié)構(gòu)圖
Fig．1 Architecture diagram of foundation pit safety monitoring
system
1．1．4 擴展應用層
基于系統(tǒng)的核心組件，實現(xiàn)對實際業(yè)務的擴展應用，如工程
資料管理、 I=程進度管理、-i維仿真等功能的實現(xiàn)。
1．2 網(wǎng)絡(luò)拓撲
系統(tǒng)由中央監(jiān)控中心、二級監(jiān)控中心和基層監(jiān)控點3個部
分組成，考慮到地鐵基坑施工建沒期間用于運營的高速通信專
屬網(wǎng)還沒有建成，但又存住大越數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，建議直接采用
電信高速寬帶的形式構(gòu)建中央監(jiān)控中心、二級監(jiān)控中心和基層
監(jiān)控點之間的傳輸網(wǎng)絡(luò)，在中央齡控t 和二級監(jiān)控中心內(nèi)部
構(gòu)建高速局域網(wǎng)。
2 系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)設(shè)計
2．1 軟件結(jié)構(gòu)
鑒于本系統(tǒng)同時兼具數(shù)槲處理、建庫、_二維建模及可視化、
信息查詢、發(fā)布等功能，為兼顧良好的”J戶體驗和系統(tǒng)運行效
率，擬采用B／S、C／S混合模式架構(gòu) 數(shù)據(jù)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)處理、
維建模和仿真管理方面采用C／S模式構(gòu)建系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)處理
快、處理過程易糾錯、多臺計算機 作業(yè)、符合生產(chǎn)單位習慣
也易于建設(shè)單位接受這樣的生產(chǎn)模式。對于信息查渤、發(fā)布干¨
交流平臺采用B／S模式。用戶通過安裝客F】端軟件或肯商接
使用Web瀏覽器(如IE或者Firefox)便可接人系統(tǒng)，使剛相虛
的功能模塊提交數(shù)據(jù)以及獲取相關(guān)服；，。按照B／S、C／S混合
體系結(jié)構(gòu)沒計開發(fā)模式，由川 層、業(yè)務層和數(shù)據(jù)層組成，見
圖2。
用戶層
業(yè)務層
數(shù)據(jù)層
圖2 B／S、C／S混合模式的3層結(jié)構(gòu)圖
Fig．2 Three—level architecture of B／S and C／S mixed mode
2．2 軟件及數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺 2．2．4 建模軟件
2．2．1 操作系統(tǒng) 采用AutoDesk、AutoCAD作為建模軟件，生成DXF格式的
建議在服務器f 安裝Microsoft Windows Server 2003中文企
業(yè)版(25客戶端) 、客戶端建議安裝Microsoft Windows XP操作
系統(tǒng)。
2．2．2 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)
建議在數(shù)據(jù)服務器l：安裝Oracle 10G標準版(10』}j戶)，另
配置Oracle Spatial模塊支持空問數(shù)據(jù)庫擴展。
2．2．3 網(wǎng)絡(luò)應用服務軟件
建議在應用服務器上安裝Apache和Tomcat，Apache是
Web服務器，Tomcat是應用(Java)服務器。
工程i維模型。
2．3 開發(fā)工具選擇
C／S模式客戶端和應用服務模塊開發(fā)工具：選擇Microsoft
Viusal C++6．0作為集成開發(fā)環(huán)境，采用SOA架構(gòu)，進行模塊
式開發(fā)，開發(fā)語言選用C++．．
B／S模式客戶端和應用服務軟件開發(fā)I：具：采用新型的敏
捷開發(fā)模式，基于Grails框架快速構(gòu)建Web應用服務，以Net．
beans6．5和JDKI．6作為集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)語言選用Java或
者ASP．NET
第31卷第2期 姬方：基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與仿真研究 ·25·
3 系統(tǒng)功能
系統(tǒng)主要功能模塊，如圖3所示。
地鐵基坑監(jiān)測與仿真管理系統(tǒng)
施
工
管
理
信
息
采
集
工
程
原
始
數(shù)
據(jù)
建
庫
監(jiān)
測
與
管
理
成
果
數(shù)
據(jù)
建
庫
三
維
仿
真
模
型
建
立
與
更
新
安
全
信
息
發(fā)
布
監(jiān)
測
信
息
發(fā)
布
圖3 系統(tǒng)功能模塊圖
Fig．3 System function module
工
程
信
息
發(fā)
布
信
息
查
詢
分
析
3．1 指揮調(diào)度
系統(tǒng)將建設(shè)單位和參與單位(勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)理、監(jiān)
測、質(zhì)檢)之間的合同進行數(shù)據(jù)抽取和建模，將合同中的條款進
行量化，形成目標值。項目參與單位按照量化后的合同，根據(jù)實
際執(zhí)行情況更新相應的數(shù)據(jù)，形成合同實際值。系統(tǒng)自動進行
對比分析可得出履約情況，建設(shè)單位依據(jù)履約情況下達相應的
指揮調(diào)度指令，參與單位接收指令后形成整改目標，再依據(jù)新的
執(zhí)行情況更新合同實際值，如此循環(huán)反復進行，實現(xiàn)合同履約管
理的目標。指揮調(diào)度流程，見圖4。
3．2 視頻監(jiān)控
對于監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)，系統(tǒng)利用先進的視頻壓縮技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)
視頻裝置，在網(wǎng)絡(luò)上進行視頻廣播，實時傳輸遠程監(jiān)控工地現(xiàn)場
的施工情況。并通過遠程控制云臺的轉(zhuǎn)動、俯仰以及焦距的變
化，察看到工地各處的情況。這樣就可以及時傳送工地現(xiàn)場的
視頻圖像，從而使管理者足不出戶，即可了解工程進展、工程現(xiàn)
場施工的情況等，實現(xiàn)遠程控制。
數(shù)據(jù)的填報人員就可以在相應的標段內(nèi)找到相應的監(jiān)測項目和 據(jù)進行分析，找出最優(yōu)解決方案。
監(jiān)測點的界面，并可以批量化地導入監(jiān)測數(shù)據(jù)。填報的監(jiān)測項 3·4 l警 。 ．．
星 ： ! ， 3 包括3爪方面的功能。
簍 喜 ! 墨 ，蘭 既使數(shù)據(jù)填報具有了相當 針 的靈活性 程中出現(xiàn)的安全進行風險提示，結(jié)合分
，同時又保證了數(shù)據(jù)的安全。 析?？?綜各 17 三羞
3·3·2 監(jiān)測信息編碼 布專欄
， 以狀態(tài)列表、表單或者曲線的形式表達預、報警監(jiān)測點
大型橋隧施工在線監(jiān)測與仿真管理系統(tǒng)要求對所有監(jiān)測點 的數(shù)據(jù)變化趨勢
。
· 26· 地礦測繪 2015年6月
供多個分析模型供用戶比較選擇：如回歸分析、指數(shù)平滑法、灰
色理論模型等；分析結(jié)果以變形曲線和表格等形式提供給用戶
查看和下載，作為綜合決策的依據(jù)。
3．5 應急預案
施工單位提交的應急預案需經(jīng)建設(shè)單位審批，系統(tǒng)提供相
應的審批功能。建設(shè)單位、施工單位編制的應急預案應當報同
級人民政府和上一級安全生產(chǎn)監(jiān)督管理部門備案。
應急預案經(jīng)審批備案后，建設(shè)和施工單位應當制定本單位
的應急預案演練計劃，根據(jù)本單位的事故預防重點，每年至少組
織一次綜合應急預案演練或者專項應急預案演練，每半年至少
組織一次現(xiàn)場處置方案演練。相應的應急預案演練計劃通過系
統(tǒng)接口提交，并在演練完成后提交總結(jié)報告。
當工程安全質(zhì)量事故發(fā)生后，根據(jù)應急預案啟動預案指揮
工作，相關(guān)的指令信息可通過指揮調(diào)度模塊實現(xiàn)。
3．6 質(zhì)量監(jiān)控
質(zhì)量監(jiān)控管理流程，如圖5所示。
對比分析
圖5 質(zhì)量監(jiān)控管理流程圖
Fig．5 Flow chart of quality control and management
針對土建工程中的各類檢測值，通過與設(shè)計值進行比較，得
出質(zhì)量優(yōu)劣結(jié)論。在檢測過程中發(fā)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)安全檢測結(jié)果不合
格、嚴重影響使用功能等情況，檢測單位應通過預警等方式及時
向建設(shè)、監(jiān)理單位反饋。
3．7 三維仿真模型的建立與更新
3．7．1 地形和地質(zhì)三維曲面模型的構(gòu)成
地形和地質(zhì)三維建模方法主要有4種 j：基于散點數(shù)據(jù)的
建模、基于規(guī)則格網(wǎng)(GRID)的建模、基于不規(guī)則三角網(wǎng)(主要
是TIN)的建模和將其中任意兩種結(jié)合起來的混合建模方法。
但在本質(zhì)上，最基本的DTM建模方法有兩種，即規(guī)則網(wǎng)格模型
和不規(guī)則三角網(wǎng)模型TIN。
為使構(gòu)建的TIN模型能盡可能逼真地反映實際地形的特
征，在生成TIN時，應將這些地性線、地物邊緣線、斷裂線等特征
線作為預先定義的限制條件予以考慮，通稱構(gòu)建帶約束條件的
不規(guī)則三角網(wǎng)。本系統(tǒng)在構(gòu)建地形時，會對特殊的地貌和地物
進行處理，主要分為幾個方面：斷裂線的處理、地性線的處理、地
物閉合線段的處理、影響TIN的其它因素。DTM曲面模型，如
圖6所示。
圖6 DTM 曲面模型
Fig．6 DTM surface model
3．7．2 三維地層建模
地層信息是進行地下工程建設(shè)的重要數(shù)據(jù)，建立三維地層
模型是進行三維設(shè)計和分析的基礎(chǔ)，而三維地層模型的結(jié)構(gòu)一
般比較復雜，很難用簡單的建模工具進行構(gòu)建。本系統(tǒng)將Auto．
CAD中的三角面片和放樣實體相結(jié)合實現(xiàn)三維地層建模。
1)數(shù)據(jù)獲?。涸跇?gòu)建三維地層建模前，首先需要獲取頂?shù)?
板等高線數(shù)據(jù)，并根據(jù)頂?shù)装宓雀呔€相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地層模
型。頂?shù)装宓雀呔€，一般可以通過鉆孔地層分析的方式進行獲
取，基于鉆孔某一地層的巖性資料基于系統(tǒng)提供的曲面構(gòu)建工
具生成地層曲面，然后再創(chuàng)建地層模型。
2)流程設(shè)計：獲得了地層上下表面的信息之后，由用戶指
定一條參考多段線生成模型的邊界，只需要一個命令，系統(tǒng)就可
以自動創(chuàng)建三維地層模型。
3．7．3 三維隧道建模
可通過導入原有的隧道設(shè)計工程圖紙來實現(xiàn)三維的直接建
模，也可以基于步距法對特定段內(nèi)的不規(guī)則隧道進行模型放樣，
從而實現(xiàn)復雜隧道模型的構(gòu)建。具體如下：
1)規(guī)則隧道的建模。地下隧道布局設(shè)計是地下隧道工程
設(shè)計的重要內(nèi)容，并且許多其他相關(guān)的分析，如地下隧道監(jiān)測、
災害預警、沉降監(jiān)測等，都與地下巷道系統(tǒng)密切相關(guān)。規(guī)則的三
維隧道模型，如圖7所示。
2)步距法生成不規(guī)則隧道模型。在生成隧道模型中，往往
會遇到不規(guī)則的隧道模型，可以采用在不規(guī)則隧道的各個特征
點進行剖面采樣的方式，預先定義好不同特征差異的多個斷面
信息，然后通過放樣算法將斷面進行連接插值，從而生成不規(guī)則
隧道的方式。隧道斷面可以由多個參數(shù)構(gòu)成，如圖8所示。
3．7．4 工程模型建模
仿真管理系統(tǒng)中還存在大量與施工過程密切相關(guān)的工程構(gòu)
件，如支撐結(jié)構(gòu)、圍護結(jié)構(gòu)、車站主體以及與監(jiān)測相關(guān)的各類監(jiān)
測點和對象，這些對象在仿真系統(tǒng)中的建模需要AutoCAD等專
第31巷第2期 姬方：基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與仿真研究 ·27·
圖7 規(guī)則三維隧道模型
Fig．7 3 D regular tumlel model
業(yè)工具來實現(xiàn)。利用AutoCAD建模的 法一般有以下幾種 ：
基本體素法、拉伸旋轉(zhuǎn)掃描變換法和放樣法。
3．7．5 三維仿真模型更新
三維仿真模型的更新是指利J}】監(jiān)測數(shù)據(jù)、施工進度數(shù)據(jù)、設(shè)
計變更自動進行模型狀態(tài)更新。在此 礎(chǔ)上進行三維動態(tài)進度
管理，其管理功能包括：
施工進度數(shù)據(jù)采集
圖8 隧道概念模型效果圖
Fig．8 Effect drawing of tunnel concept 1110(tel
1)指定任意施1二起始時間和時間 隔，實時查行J：程的施
工進度。三維模型 的不 的顏色代表 州I 序。
2)在圖形屏幕L選取任意構(gòu)件、構(gòu)件組或流水段，可實時
查看施工對象的施1二狀態(tài)和工程信息，包括當前施 l 『1lf間、施]：
工序、施工 位、計劃完成的起止時問以及_=[程 等、
3)修改施 對象的進度時問和當前施]-狀態(tài)，系統(tǒng)會fj動
更新進度數(shù)據(jù)障，淵整進度 ‘劃，同時刷新■維模
4)系統(tǒng)還允許建立多套進度計劃和實際進度，并提供小
進度計劃之間、計劃進度‘j實際進度之問的比較和分析。 維
施工進度更新和發(fā)布流程，如 9所示
圖9 三維施工進度更新和發(fā)布流程圖
Fig．9 Fh)w chart ('f 3 D construction progress update and release
由于3D模型對象與進度計劃中的施LET．序不一一對 的
關(guān)系，其映射關(guān)系十分復雜，通過組件定義、工序模板、WBS、過
程表示以及過程更新，可以實現(xiàn)3D模型 計劃信息之間的雙
向數(shù)據(jù)交流。用戶在外部進度汁劃系統(tǒng)中淵整和修改進度信
息，系統(tǒng)可自動刷新圖形系統(tǒng)中的施1二模型；用戶也町在圖形環(huán)
境中對施工模型進行直接修改，系統(tǒng)則自動更新進度數(shù)據(jù)庫，啟
動進度計劃系統(tǒng)可對當前和后續(xù)計劃進行調(diào)整。
3．8 系統(tǒng)管理
實現(xiàn)系統(tǒng)日常維護管理，包括用戶資料及權(quán)限管理、數(shù)據(jù)庫
備份恢復、系統(tǒng)13志維護等。系統(tǒng)將采用定期數(shù)據(jù)備份的方式
最大限度地防止不可預期和抗 的自然及人為災害對數(shù)據(jù)的破
壞。本系統(tǒng)在沒汁時將采用數(shù)據(jù)和程序分離的方式，所有核心
觀測數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)都以關(guān)系數(shù)據(jù)庫單獨存放，并擬采}fj二級
數(shù)據(jù)備份(日備份、季度備份)的方式確保數(shù)據(jù)安全性。
享，對建設(shè)管理單位控制投資、保證工程質(zhì)造和施I 安傘等j土行
極其蓖大的意義。此外，m于地下環(huán)境的隱蔽性，時地下資源的
規(guī)劃、開發(fā)及地下T程的設(shè)計、施] 等各方面的研究缺乏有效的
手段。通過建立地j 、地下一體化的 維環(huán)境仿真，、L，地層、地F
構(gòu)筑物及整個施工過程和現(xiàn)象能便捷的展現(xiàn)于研究櫛 fj{『時，這必
將有力地促進地下資源開發(fā)與地下 建設(shè)研究的，皮展。
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4 結(jié)束語
該平臺的構(gòu)建，將有利于業(yè)主及工程參與各方輕松實現(xiàn)J二
，
作者簡 ：姬方(1986～),-k-,河南 河人，碩士，現(xiàn)主要
程資料 施工進度信息、各類監(jiān)測信息以及專家知識的同步共 事機載激光雷達數(shù)據(jù)處理、變形監(jiān)測分析與處理等方面的工作

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