一種用于深基坑實時感知與病害檢查的方法與流程

本發明屬于基坑工程領域，更具體地，涉及一種用于深基坑實時感知與病害檢查的方法。

背景技術：

隨著城市化的進程不斷推進，我國的地上土地資源越來越少，于是紛紛將目光轉向了地下空間。近年來，城市軌道交通的大力發展，城市出現了越來越多深度很深、跨度很大以及開挖速度很快的深基坑工程，城市內深基坑工程施工階段除了受其“深、大、快”的自身特點影響外，由于臨近高大建筑物、深基坑挖出的土體未及時運走堆在深基坑周邊以及自身施工質量不過關等各因素影響，深基坑工程施工的安全事故頻頻發生，其導致的人員死傷、直接經濟損失以及社會負面影響均是十分巨大。因此，對于深基坑工程施工階段進行實時的預警感知與病害及時檢查，實現安全風險扼殺在搖籃之中具有很重要意義。

目前，對于深基坑工程施工階段，主要通過對深基坑周邊地表沉降、地下連續墻變形以及支撐構件的應力等進行監測來掌握深基坑的安全狀態，監測方式多為人工利用傳統儀器設備進行定期的數據采集(通常為1到兩天一次)。例如：地表沉降通過水準儀進行測量，地下連續墻變形通過測斜儀進行數據采集，而混凝土支撐則是通過事先在鋼筋處預埋應力計，然后定期用頻率儀連接裸露在混凝土外的線頭進行數據的獲取。采集的數據經監測人員上傳至預警平臺后，現場巡視人員查看數據，若發現數據異常的情況則前往現場對深基坑進行全方面的排查工作，找到數據異常的原因。

然而，現有的數據監測與病害檢查方法存在一些問題：1、由于其采用人工數據采集，從數據獲取到數據被傳至預警平臺，再到現場巡視人員查看數據發現問題，整個過程耗費的時間較長，而在這段時間結構的變形可能進一步加大，會與現場巡視人員手中的監測數據不匹配，存在嚴重的監測滯后性，影響深基坑安全風險的判斷；2、由于深基坑很深，跨度很大，現有方法單純是憑借現場巡視人員的肉眼進行病害檢查，容易出現無法近距離觀察到的位置，這些位置若出現安全隱患，則很容易被忽略；3、傳統的監測手段僅能獲取關鍵點的監測數據，存在感知的盲區，不利于深基坑監測的完整性；若加大測點的布置數量，又會導致監測成本大幅增加；4、現場巡視人員對存在安全隱患的位置無法快速精準地定位，導致分析判斷存在誤差；5、若存在的安全隱患過大，指派現場巡視人員下深基坑進行檢查無法保證其人身安全；6、隨著深基坑開挖的越來越深，地下連續墻的深度也會隨之增加，當出現局部地下連續墻變形過大，測斜儀則會難以下放或難以上提，這不僅會導致設立的測點失效，監測設備本身也可能報廢。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種用于深基坑實時感知與病害檢查的方法，其目的在于，解決現有方法中存在的嚴重滯后性、某些位置無法被近距離觀察引起的不準確性、存在感知盲區引起的不完整性、無法快速精確定位安全隱患的位置、無法保證現場巡視人員人身安全的技術問題，本發明的方法能夠保證深基坑監測的實時性與全面性，以及病害檢查的及時性、精準性與安全性。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種用于深基坑實時感知與病害檢查的方法，包括以下步驟：

(1)將多個第一光纖傳感器設置于深基坑周邊地表上的測點處，以對基坑周邊地表的沉降進行實時的感知，將多個第二光纖傳感器以水平貫穿且成對的方式設置在深基坑內混凝土支撐內部的上方和下方，以獲取混凝土支撐上下表面的應力和應變，將多個第三光纖傳感器沿深基坑的深度方向設置于地下連續墻的內部，以獲取地下連續墻的應力和應變，并將第一光纖傳感器、第二光纖傳感器和第三光纖傳感器獲取的數據發送到數據分析與指令發布裝置；

(2)數據分析與指令發布裝置根據來自于第一光纖傳感器、第二光纖傳感器和第三光纖傳感器的數據判斷對應光纖傳感器所在位置是否處于危險狀態，如果是，則向無人機發送病害檢查指令，然后轉入步驟(3)，否則繼續接收隨后的數據，并持續執行本步驟；

(3)智能巡視飛行器根據來自于數據分析與指令發布裝置的病害檢查指令中傳感器編號查詢其自身三維坐標庫，以通過傳感器編號確定危險狀態發生的具體三維坐標；

(4)智能巡視飛行器到達該三維坐標所在的位置并獲取該位置處的圖像，對獲取到的圖像進行清晰化處理，將清晰化處理后的圖像與智能巡視飛行器預先采集并存儲于其圖像數據庫中的該位置處的原始圖像數據進行比對，并將比對結果提供給深基坑項目的管理者。

優選地，該方法還包括在步驟(1)之后、步驟(2)之前，將來自于第一光纖傳感器、第二光纖傳感器和第三光纖傳感器的數據轉換為電信號，并經由服務器將該電信號以無線的形式傳遞到深基坑項目的各參與方。

優選地，第一光纖傳感器是光纖布拉格光柵沉降位移計，第二光纖傳感器是分布式光纖應變傳感器，第三光纖傳感器是分布式光纖應變傳感器。

優選地，針對來自第一光纖傳感器的數據，判斷對應光纖傳感器所在位置是否處于危險狀態具體是：從初次獲得的時刻到當前時刻的累加值大于或等于一個第一閾值，或者最近p次獲得的數據的累加值大于或等于一個第二閾值，則表明第一光纖傳感器所在位置處于危險狀態，否則表示第一光纖傳感器所在位置處于安全狀態，其中p是自然數。

優選地，針對來自第二光纖傳感器的數據，判斷對應光纖傳感器所在位置是否處于危險狀態具體是：從初次獲得的時刻到當前時刻的累加值大于或等于一個第三閾值，或者最近p次獲得的數據的累加值大于或等于一個第四閾值，則表明該第二光纖傳感器所在位置處于危險狀態，否則表示第二光纖傳感器所在位置處于安全狀態。

優選地，針對來自第三光纖傳感器的數據，判斷對應光纖傳感器所在位置是否處于危險狀態具體是：從初次獲得的時刻到當前時刻的累加值大于或等于一個第五閾值，或者最近p次獲得的數據的累加值大于或等于一個第六閾值，則表明該第三光纖傳感器所在位置處于危險狀態，否則表示第三光纖傳感器所在位置處于安全狀態。

優選地，步驟(4)具體是，智能巡視飛行器根據來自于數據分析與指令發布裝置的病害檢查指令中指示的對應傳感器的編號查詢其自身的三維坐標庫，以確定危險狀態發生的具體三維坐標。

優選地，清晰化處理的過程依次包括：畸變修復、降噪增強、閾值分割、以及線性識別，其中降噪增強采用的是小波去噪技術以及CIELab技術，線性識別采用的是霍夫變換方法。

優選地，若判斷到第一光纖傳感器所在位置處于危險狀態，則比對結果是測點位置在垂直方向的下沉或隆起、地表出現裂縫、地表出現塌陷，若判斷到第二光纖傳感器所在位置處于危險狀態，則比對結果是混凝土支撐的局部位置出現的下撓、上拱或裂縫，若判斷到第三光纖傳感器所在位置處于危險狀態，則比對結果是地下連續墻的局部位置出現的凸起、凹陷、裂縫、水平位移、或整幅地下連續墻出現的傾斜。

優選地，多個第一光纖傳感器彼此光連接，并與數據分析與指令發布裝置光連接，多個第二光纖傳感器彼此光連接，并與數據分析與指令發布裝置光連接，多個第三光纖傳感器彼此光連接，并與數據分析與指令發布裝置光連接，智能巡視飛行器設置于深基坑的上方，并與數據分析與指令發布裝置通過無線方式連接。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)由于本發明采用光纖傳感體系對深基坑進行實時的安全感知，并直接通過無線通信的方式實現病害檢查指令向智能巡視飛行器6的發布，使其對處于危險狀態中的位置進行圖像識別和判斷，整個過程無須人工的介入，確保了深基坑監測和病害檢查的及時性；

(2)由于本發明采用智能巡視飛行器6代替人工進行病害檢查，可以對深基坑現場的任何位置進行近距離的圖像識別，從而確保了病害檢查的準確性；

(3)本發明通過有效集成三種不同類型的光纖傳感器，實現了整個深基坑的全面感知，從而避免了深基坑監測的感知盲區。

(4)本發明的智能巡視飛行器6存儲有整個基坑所有位置(包括所有傳感器)的三維坐標，各類傳感器編號與其三維坐標一一對應，從而能夠確保智能巡視飛行器6能夠根據來自數據分析與指令發布裝置4的病害檢查指令中傳感器的編號快速獲取對應的三維坐標，并前往該三維坐標對應的位置進行圖像識別，從而實現了快速而精準的定位；

(5)由于本發明使用智能巡視飛行器6代替人工進行病害檢查，因此在深基坑出現嚴重險情時，能夠避免人工檢查導致的人身安全隱患。

(6)由于所有光纖傳感器均預埋在混凝土內，避免了設備出現人為或機械損壞。

附圖說明

圖1是本發明用于深基坑實時感知與病害檢查的方法的流程圖。

圖2是本發明用于深基坑實時感知與病害檢查的裝置的示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

本發明的主要目的在于，克服現有的深基坑監測與病害檢查方法的缺陷，提供一種用于深基坑實時感知與病害檢查的方法(在本發明中，以大于等于5米的基坑為深基坑)。

如圖1所示，本發明用于深基坑實時感知與病害檢查的方法包括以下步驟：

(1)將多個第一光纖傳感器設置于深基坑周邊地表上的測點處，以對基坑周邊地表的沉降進行實時的感知，將多個第二光纖傳感器以水平貫穿且成對的方式設置在深基坑內混凝土支撐內部的上方和下方，以獲取混凝土支撐上下表面的應力和應變，將多個第三光纖傳感器沿深基坑的深度方向設置于地下連續墻的內部，以獲取地下連續墻的應力和應變，并將第一光纖傳感器、第二光纖傳感器和第三光纖傳感器獲取的數據發送到數據分析與指令發布裝置；

(2)數據分析與指令發布裝置根據來自于第一光纖傳感器、第二光纖傳感器和第三光纖傳感器的數據判斷對應光纖傳感器所在位置是否處于危險狀態，如果是，則向無人機發送病害檢查指令，然后轉入步驟(3)，否則繼續接收隨后的數據，并持續執行本步驟；

作為優選的，本方法還可包括在步驟(1)之后、步驟(2)之前，將來自于第一光纖傳感器、第二光纖傳感器和第三光纖傳感器的數據轉換為電信號，并經由服務器將該電信號以無線的形式傳遞到深基坑項目的各參與方。

(3)智能巡視飛行器根據來自于數據分析與指令發布裝置的病害檢查指令中傳感器編號查詢其自身三維坐標庫，以通過傳感器編號確定危險狀態發生的具體三維坐標；

(4)智能巡視飛行器到達該三維坐標所在的位置并獲取該位置處的圖像，對獲取到的圖像進行清晰化處理，將清晰化處理后的圖像與智能巡視飛行器預先采集并存儲于其圖像數據庫中的該位置處的原始圖像數據進行比對，并將比對結果(比對結果包括該位置當前的圖像、原始圖像以及比對的文字說明)提供給深基坑項目的管理者。

如圖2所示，本發明方法對應的裝置包括多個第一光纖傳感器1、多個第二光纖傳感器2、多個第三光纖傳感器3、數據分析與指令發布裝置4、服務器5、以及智能巡視飛行器6。

多個第一光纖傳感器1彼此光連接，并與數據分析與指令發布裝置4光連接。在本實施方式中，第一光纖傳感器1是光纖布拉格(Bragg)光柵沉降位移計。在本發明中，光連接指的是通過光纖光纜實現彼此的連接。

第一光纖傳感器1設置于深基坑周邊地表上的測點處，用于對基坑周邊地表的沉降進行實時的感知(其中在基坑開挖階段進行感知的頻率為1至2小時，具體視開挖情況而定；在基坑底板澆筑階段進行感知的頻率為4到5小時，具體視開挖情況而定)，并將感知到的基坑周邊地表的沉降值以光信號的形式傳送到數據分析與指令發布裝置4；具體而言，基坑周邊地表上的測點是由工程設計單位在工程設計階段預先設定的。

多個第二光纖傳感器2彼此光連接，并與數據分析與指令發布裝置4光連接。在本實施方式中，第二光纖傳感器2是分布式光纖應變傳感器。

第二光纖傳感器2是以水平貫穿且成對的方式設置在深基坑內混凝土支撐內部的上方和下方，用于分別獲取混凝土支撐上下表面的應力和應變(其中在基坑開挖階段獲取的頻率為1至2小時，具體視開挖情況而定；在基坑底板澆筑階段獲取的頻率為4到5小時，具體視開挖情況而定)，并將獲取到的混凝土支撐上下表面的應力值和應變值以光信號的形式傳送到數據分析與指令發布裝置4；

多個第三光纖傳感器3彼此光連接，并與數據分析與指令發布裝置4光連接。在本實施方式中，第三光纖傳感器3是分布式光纖應變傳感器。

第三光纖傳感器3沿深基坑的深度方向設置于地下連續墻的內部，用于獲取地下連續墻的應力和應變(其中在基坑開挖階段獲取的頻率為1至2小時，具體視開挖情況而定；在基坑底板澆筑階段獲取的頻率為4到5小時，具體視開挖情況而定)，并將獲取到的地下連續墻的應力值和應變值以光信號的形式傳送到數據分析與指令發布裝置4。

數據分析與指令發布裝置4與服務器5電連接，用于將來自于第一光纖傳感器1、第二光纖傳感器2和第三光纖傳感器3的光信號轉換為電信號，并經由服務器5將該無線信號傳遞到深基坑項目的各參與方。

此外，數據分析與指令發布裝置4還用于根據來自于第一光纖傳感器1、第二光纖傳感器2和第三光纖傳感器3的數據判斷對應光纖傳感器所在位置的安全狀態，并在危險狀態時向無人機發送病害檢查指令；具體而言，如果來自第一光纖傳感器1的數據，從初次獲得的時刻到當前時刻的累加值大于或等于一個第一閾值(其取值是由由工程設計單位提供，并在數據分析與指令發布裝置4初次工作前設置完成)，或者最近p次獲得的數據的累加值大于或等于一個第二閾值(其取值是由由工程設計單位提供，并在數據分析與指令發布裝置4初次工作前設置完成)，則表明第一光纖傳感器1所在位置處于危險狀態，否則表示第一光纖傳感器1所在位置處于安全狀態，其中p是自然數，其取值范圍是2至5；

如果來自第二光纖傳感器2的數據，從初次獲得的時刻到當前時刻的累加值大于或等于一個第三閾值(其取值是由由工程設計單位提供，并在數據分析與指令發布裝置4初次工作前設置完成)，或者最近p次獲得的數據的累加值大于或等于一個第四閾值(其取值是由由工程設計單位提供，并在數據分析與指令發布裝置4初次工作前設置完成)，則表明該第二光纖傳感器2所在位置處于危險狀態，否則表示第二光纖傳感器2所在位置處于安全狀態；

如果來自第三光纖傳感器3的數據，從初次獲得的時刻到當前時刻的累加值大于或等于一個第五閾值(其取值是由由工程設計單位提供，并在數據分析與指令發布裝置4初次工作前設置完成)，或者最近p次獲得的數據的累加值大于或等于一個第六閾值(其取值是由由工程設計單位提供，并在數據分析與指令發布裝置4初次工作前設置完成)，則表明該第三光纖傳感器3所在位置處于危險狀態，否則表示第三光纖傳感器2所在位置處于安全狀態。

服務器5用于實時存儲數據分析與指令發布裝置4從第一、第二、第三光纖傳感器3接收到的數據。

智能巡視飛行器6設置于深基坑的上方，并與數據分析與指令發布裝置4通過無線方式連接，用于根據來自于數據分析與指令發布裝置4的病害檢查指令中指示的對應傳感器的編號(該編號與光纖傳感器的三維坐標一一對應)查詢其自身三維坐標庫，以確定危險狀態發生的具體三維坐標，到達該三維坐標所在的位置并獲取該位置處的圖像，對獲取到的圖像進行清晰化處理(在本發明中，清晰化處理的過程依次包括：畸變修復、降噪增強、閾值分割、以及線性識別，其中降噪增強采用的是小波去噪技術以及CIELab技術，線性識別采用的是霍夫變換方法)，將清晰化處理后圖像的特征與智能巡視飛行器6預先采集并存儲于其圖像數據庫中的該位置處原始圖像數據的特征進行比對，并將比對結果提供給深基坑項目的管理者。

具體而言，如果數據分析與指令發布裝置4判斷到第一光纖傳感器1所在位置處于危險狀態，智能巡視飛行器6拍攝該位置的照片，并對其進行上述圖像處理后，將其與圖像數據庫中的原始圖像數據進行比對，以發現存在于拍攝到的圖像中的形變特征(例如測點位置在垂直方向的下沉或隆起、地表出現裂縫、地表出現塌陷等)，并將發現的形變特征以文字說明的形式(例如“xx測點處地表出現5毫米寬的裂縫”)連同兩幅對比圖像一起發送到深基坑項目的管理者。

如果數據分析與指令發布裝置4判斷到第二光纖傳感器2所在位置處于危險狀態，智能巡視飛行器6拍攝該位置的照片，并對其進行上述圖像處理后，將其與圖像數據庫中的原始圖像數據進行比對，以發現存在于拍攝到的圖像中的形變特征(例如混凝土支撐的局部位置出現下撓、上拱或裂縫)，并將發現的形變特征以文字說明的形式(例如“第5號混凝土支撐的中部出現5毫米的裂縫，且存在6毫米的上拱”)連同兩幅對比圖像一起發送到深基坑項目的管理者。

如果數據分析與指令發布裝置4判斷到第三光纖傳感器3所在位置處于危險狀態，智能巡視飛行器6拍攝該位置的照片，并對其進行上述圖像處理后，將其與圖像數據庫中的原始圖像數據進行比對，以發現存在于拍攝到的圖像中的形變特征(例如地下連續墻的局部位置出現凸起、凹陷、裂縫、水平位移、或整幅地下連續墻出現一定角度的傾斜)，并將發現的形變特征以文字說明的形式(例如“第3幅地下連續墻在深度方向上同一Z軸上的水平位移自上往下呈遞減狀態，該地下連續墻存在相對于深基坑內部的傾斜角度10°”)連同兩幅對比圖像一起發送到深基坑項目的管理者。

此外，智能巡視飛行器6還用于為深基坑項目的管理者遠程指揮深基坑項目提供語音控制功能，包括實時語音通信和指揮調度等。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。