基坑微變形遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

劉 星

（1.上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080；2.上海高大結(jié)構(gòu)建造工藝與裝備工程技術(shù)研究中心，上海 201114）

城市化進(jìn)程的加速，促進(jìn)了地下空間的開發(fā)，深基坑工程的數(shù)量越來越多，地域分布越來越廣，對(duì)深基坑施工過程要求越來越嚴(yán)，基坑水平位移變形量等控制精度達(dá)到了cm級(jí)甚至mm級(jí)。

1 研究背景

上海市軌道交通13號(hào)線東明路站位于成山路與東明路交叉口東側(cè)，主體沿成山路東西向走向，13號(hào)線東明路站全長(zhǎng)203.2m,寬度為21.6m，地下3層島式車站。該站基坑采用明挖順做法施工，基坑圍護(hù)由3段組成，沿基坑深度方向設(shè)置6道支撐，所用鋼管支撐包括?609mm、t=16mm的鋼支撐和?800mm、t=20mm的兩種鋼支撐。該工程位于軌交6號(hào)線東明路站旁，建成后6號(hào)線、13號(hào)線可T型換乘；合流污水管距車站東側(cè)端頭井基坑最近處約1.7m，距離車站西側(cè)端頭井基坑最近處約0.8m，存在難點(diǎn)較多。

因此，施工過程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)和信息，出現(xiàn)情況也較為復(fù)雜，僅靠現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、監(jiān)督、管理和控制，難以應(yīng)對(duì)。在復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境、多工種多單位參與施工的情況下，需要大量信息交互，便于推進(jìn)施工。需要對(duì)現(xiàn)有變形控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和快速集中，獲得現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，無需技術(shù)人員親臨現(xiàn)場(chǎng)即可監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及各種參數(shù)，方便多方參與監(jiān)督，減少值守工作人員，維護(hù)施工設(shè)備和系統(tǒng)的正常運(yùn)行，以滿足不同用戶的需要。基坑變形控制要求難度極大，為滿足設(shè)計(jì)及施工要求，使工程順利進(jìn)行，采用了基坑微變形遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)鋼管支撐進(jìn)行軸力補(bǔ)償和實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)應(yīng)對(duì)多種工況，確保鋼支撐受力均勻。

2 基坑微變形遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究

2.1 系統(tǒng)的組成與設(shè)計(jì)

為此，開發(fā)出了基坑微變形遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，由壓力傳感器、現(xiàn)場(chǎng)控制柜、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和無線網(wǎng)卡等組成。系統(tǒng)與現(xiàn)有的鋼支撐補(bǔ)償系統(tǒng)無縫連接，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)目錄入云平臺(tái)，通過網(wǎng)頁端/移動(dòng)端，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，接收和處理預(yù)警信息，最終形成一套網(wǎng)絡(luò)的、實(shí)時(shí)的、多終端的基坑微變形智能監(jiān)控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)提供深基坑項(xiàng)目在施工階段的遠(yuǎn)程智能控制，主體采用B/S架構(gòu)（圖1），數(shù)據(jù)總線采用HTTP/MQTT結(jié)合的方式，系統(tǒng)采用了MySQL數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分布式數(shù)據(jù)請(qǐng)求、前端數(shù)據(jù)緩存等前沿互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，保證了系統(tǒng)的易用性及可移植性，主要的功能模塊有項(xiàng)目中心、項(xiàng)目總覽、項(xiàng)目監(jiān)控、預(yù)警中心等。通過這些功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，提高了信息對(duì)接的效率，同時(shí)保證了數(shù)據(jù)的安全性。系統(tǒng)適用于IOS系統(tǒng)和Android系統(tǒng)、Windows系統(tǒng)，支持相關(guān)人員通過電腦、手機(jī)等設(shè)備實(shí)時(shí)查看施工現(xiàn)場(chǎng)鋼支撐的運(yùn)行狀態(tài)，

圖1 基坑微變形遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理服務(wù)端研究

數(shù)據(jù)處理服務(wù)端系統(tǒng)分為4層架構(gòu)：終端接入層、系統(tǒng)服務(wù)層、集群服務(wù)層、物理層（圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)處理服務(wù)端架構(gòu)

終端接入層的主要作用是提供數(shù)據(jù)接入的入口，同時(shí)提供數(shù)據(jù)展示端的數(shù)據(jù)獲取服務(wù)。數(shù)據(jù)總線采用HTTP/MQTT結(jié)合的方式，有利于總線管理的高效性及數(shù)據(jù)的高可靠性。數(shù)據(jù)下行，主要提供網(wǎng)頁/微信展示及控制所需的數(shù)據(jù)服務(wù)，如用戶認(rèn)證、監(jiān)測(cè)點(diǎn)當(dāng)前數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)詳情、系統(tǒng)狀態(tài)等。數(shù)據(jù)上行，主要提供數(shù)據(jù)接入服務(wù)，按照既定的規(guī)則，將原有鋼支撐補(bǔ)償系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)完整的、可靠的存入當(dāng)前系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

系統(tǒng)服務(wù)層主要為系統(tǒng)提供所需的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如設(shè)備管理、認(rèn)證服務(wù)、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程通知、日志服務(wù)等，該層級(jí)后期可根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)進(jìn)行模塊擴(kuò)展。

集群服務(wù)層主要提供系統(tǒng)微服務(wù)實(shí)例及大數(shù)據(jù)引擎，保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性及穩(wěn)定性。

物理層采用阿里云提供的云虛擬主機(jī)，在這之上構(gòu)建所有的系統(tǒng)組件及服務(wù)，所有虛機(jī)實(shí)例均部署Mesos所需服務(wù)組件進(jìn)行統(tǒng)一維護(hù)。

2.3 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集客戶端研究

基坑微變形遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集客戶端系統(tǒng)分4個(gè)主要模塊： 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上報(bào)、歷史數(shù)據(jù)上報(bào)、傳感器狀態(tài)上報(bào)、其他流程模塊。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上報(bào)流程設(shè)計(jì)原則：把整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PC作為一個(gè)多通道的傳感器看待，在此基礎(chǔ)上，在現(xiàn)場(chǎng)PC部署服務(wù)程序，用于實(shí)時(shí)采集各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行上報(bào)，具體流程如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上報(bào)流程

數(shù)據(jù)上報(bào)流程：①采集隊(duì)列；②采集任務(wù)觸發(fā)器；③實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；④采集數(shù)據(jù)，傳感器數(shù)據(jù)保存為DBF格式的數(shù)據(jù)庫文件，可以在指定時(shí)間間隔T下直接采用SQL語句，查詢指定傳感器的指定時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息；⑤數(shù)據(jù)隊(duì)列，為了提高效率并方便各個(gè)服務(wù)訪問數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列，采用Redis這種于基于內(nèi)存的Key-Value存儲(chǔ)系統(tǒng)；⑥實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上報(bào)，其中為了上報(bào)的可靠性，上報(bào)協(xié)議采用MQTT物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，它被設(shè)計(jì)用于輕量級(jí)的發(fā)布/訂閱式消息傳輸，即使在低帶寬和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，MQTT也能為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；⑦傳感器上報(bào)記錄，當(dāng)傳感器指定時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)上報(bào)成功時(shí)，需要更新MySQL數(shù)據(jù)庫中傳感器上報(bào)記錄的上報(bào)時(shí)間點(diǎn)，該時(shí)間點(diǎn)表示在此時(shí)之前的傳感器數(shù)據(jù)已成功上報(bào)。

歷史數(shù)據(jù)上報(bào)流程設(shè)計(jì)思路：在實(shí)施過程中，還需要處理上報(bào)傳感器的歷史數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)的來源：①由于現(xiàn)場(chǎng)PC服務(wù)程序可能由于升級(jí)或者出現(xiàn)異常退出，導(dǎo)致退出期間的傳感器數(shù)據(jù)沒有上報(bào)到云平臺(tái)，此時(shí)退出期間的數(shù)據(jù)就為歷史數(shù)據(jù)；②由于云平臺(tái)需要升級(jí)或者異常退出，導(dǎo)致退出期間無法接收傳感器數(shù)據(jù)，此時(shí)發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)就為歷史數(shù)據(jù)；③其他異常導(dǎo)致的傳感器數(shù)據(jù)傳輸失敗，也作為歷史數(shù)據(jù)。

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，除了要上報(bào)傳感器的數(shù)據(jù)外，傳感器本身的狀態(tài)也是待采集和管理數(shù)據(jù)的一部分。其他流程包括傳感器數(shù)據(jù)報(bào)告等，由于云平臺(tái)會(huì)保存上報(bào)的傳感器數(shù)據(jù)及狀態(tài)，所以可以直接在云平臺(tái)Web客戶端中生成傳感器數(shù)據(jù)報(bào)告。

3 系統(tǒng)的工程應(yīng)用

基坑微變形遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)用于上海軌道交通13號(hào)線二期東明路站基坑支護(hù)工程的鋼支撐上，平面布置、剖面布置以及施工現(xiàn)場(chǎng)（圖4）。

基坑微變形遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的項(xiàng)目總覽頁面提供了系統(tǒng)總體的數(shù)據(jù)展示，見圖5a。主要的模塊有：項(xiàng)目總體泵站展示，油缸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)展示，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)展示，數(shù)據(jù)報(bào)表獲取，泵站數(shù)據(jù)切換等。右下側(cè)的指示燈展示系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，紅色表示系統(tǒng)故障，綠色為系統(tǒng)正常，黃色為系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)接出錯(cuò)。點(diǎn)擊其他圖標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：箭頭按鈕功能為回到頂端；筆記本圖標(biāo)鏈接的功能為獲取歷史報(bào)表；顯示器圖標(biāo)按鈕則表示的是模型與列表展示頁面切換功能。當(dāng)點(diǎn)擊右下角的日志圖標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)彈出報(bào)表獲取彈窗，用戶可點(diǎn)選任意的過往時(shí)間獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄，保證數(shù)據(jù)的可追溯性，如圖5b。時(shí)間選取后，會(huì)打開新的窗口，提示下載文件，如果瀏覽器支持瀏覽功能，則會(huì)直接打開文件供用戶瀏覽，獲取的報(bào)表數(shù)據(jù)，包括選擇的時(shí)間點(diǎn)的所有油缸數(shù)據(jù)，可作為項(xiàng)目驗(yàn)收及安全保證的數(shù)據(jù)記錄，如圖5c。當(dāng)用戶點(diǎn)擊了相應(yīng)的油泵或者油缸，則會(huì)彈出數(shù)據(jù)展示框，系統(tǒng)通過曲線圖的形式展示了油缸歷史數(shù)據(jù)及當(dāng)前值，時(shí)間可以精確到分鐘。系統(tǒng)也提供了時(shí)間范圍選取的功能，用戶可查看指定日期的數(shù)據(jù)，如圖5d。圖5e為手機(jī)微信端查看該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用情況。

圖4 基坑微變形軸力補(bǔ)償系統(tǒng)布置及現(xiàn)場(chǎng)施工圖

4 結(jié) 語

經(jīng)第三方檢測(cè)單位對(duì)基坑變形監(jiān)測(cè)，連續(xù)墻最大累計(jì)水平位移和地鐵結(jié)構(gòu)最終絕對(duì)沉降量均符合設(shè)計(jì)等相關(guān)要求，說明基坑微變形遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)連續(xù)墻和隧道結(jié)構(gòu)位移變形起到積極有效的控制作用，保障了深基坑工程施工質(zhì)量與安全，同時(shí)也確保了施工進(jìn)度。

基坑微變形遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可視化展示鋼支撐軸力這一關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況，了解深基坑的現(xiàn)場(chǎng)工況，具有多方參與，多人共管，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安全、可靠、易于操作等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼支撐軸力的全天不間斷的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制，對(duì)基坑施工的變形起到了全面有效地控制，減少了施工風(fēng)險(xiǎn)。盡管前期需要投入，但是隨著工程量、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)增加，以及人力成本增加，本系統(tǒng)的應(yīng)用將提高管理效率，減少人工，節(jié)約施工成本，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。基坑微變形遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，進(jìn)一步提高了深基坑微變形風(fēng)險(xiǎn)管控能力，確保基坑施工安全。

圖5 網(wǎng)頁端和移動(dòng)端的系統(tǒng)工程應(yīng)用

[參考文獻(xiàn)]

[1]顧國明，陸 云，王正平，等.深基坑鋼支撐軸力實(shí)時(shí)補(bǔ)償與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].建筑機(jī)械化，2010，(11)：67-69.

[2]王建新，楊世鳳，史永江，等.遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)[J].國外電子測(cè)量技術(shù)，2005，(4)：9-12.

[3]王美華，李榮帥，張文澤.遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)在海門路55#地塊的應(yīng)用[J].海峽科技與產(chǎn)業(yè)，2016，(9)：102-105.

[4]黃 毅，劉國彬，張偉立.基于遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)的深基坑測(cè)斜數(shù)據(jù)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，(S1)：461-464.

[5]朱中衛(wèi).深基坑工程監(jiān)管遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的探索與展望[J].安徽建筑，2014，(5)：159-160.