基于IoT设备的基坑监测数据成果分析

摘要：随着我国城市建设的快速发展，建筑基坑呈现出大而深的发展特点，相比普通基坑，深基坑在施工过程中更易受到周围环境及水文地质条件的影响，对基坑监测提出了更高要求。因此，在基坑施工中应通过动态监测手段对基坑施工区域及其周边环境进行系统的变形监测，预测基坑及周边建（构）筑物的完整性及变形趋势。在监测过程中，当变形总量达到报警值时，要及时反馈动态设计、动态施工信息，采取必要的工程应急措施，甚至调整施工工艺或修改设计参数，检验支护和止水效果，以确保基坑施工过程的安全及工程的顺利进行。因此，在理论分析指导下有计划地进行现场工程监测是基坑工程的重要组成。本文对上海市某地块基坑监测数据成果进行了分析和总结。

关键词：基坑监测；物联网；数据分析；智能设备

Abstract ： With the rapid development of urban construction in our country， excavations for building foundations are showing characteristics of being large and deep. In comparison to regular excavations， deep excavations are more susceptible to the influence of surrounding environmental and hydrogeological conditions during the construction process， thus imposing higher demands on excavation monitoring. Consequently， during excavation construction， it is essential to employ dynamic monitoring methods to systematically track deformations in the excavation area and its surrounding environment， predicting the integrity and deformation trends of the excavation and nearby structures. Throughout the monitoring process， when the accumulated deformation reaches an alert threshold， it is necessary to promptly provide feedback on dynamic design and construction information， implement necessary engineering contingency measures， and even consider adjusting construction techniques or modifying design parameters. Inspection of support systems and waterproofing effectiveness should be conducted to ensure the safety of the excavation process and the smooth progress of the project. Thus， systematically conducting on-site engineering monitoring under theoretical analysis guidance is an integral component of excavation projects. This article analyzes and summarizes the monitoring data results from an excavation site in Shanghai.

Key Words： Foundation Pit Monitoring；Internet of Things；Data Analysis；Intelligent Device

1  基坑监测的基本概念及意义

1.1  基本概念

基坑监测是在建筑工程中，对基坑（也称为挖土场地）进行实时、系统性的数据采集、分析和评估的过程。基坑是指建筑物地下部分的挖掘坑，通常在开始建设高层建筑、地下结构或其他大型建筑物之前进行挖掘。基坑监测的基本概念包括以下几个方面：

①数据采集： 基坑监测涉及使用传感器和测量仪器，对基坑及其周围的环境参数进行实时数据采集。这些传感器可以监测地下水位、土壤沉降、支撑结构变形、温湿度、振动等各种参数。

②数据传输： 采集到的监测数据通过数据传输模块，如无线通信技术（如4G/5G、LoRa、NB-IoT）等，将数据上传至云平台或监测中心。这使得监测人员可以随时远程访问和分析数据。

③数据分析： 监测数据经过预处理和分析，包括清洗异常值、计算变化趋势、检测异常情况等。数据分析帮助确定基坑的稳定性、安全性和质量状况。

④报警与预警： 基坑监测系统可以设置警报和预警机制，一旦监测数据超出预设的安全范围，系统会发出警报通知监测人员，以便及时采取应对措施。

⑤可视化与报告： 基坑监测数据通常以可视化的形式呈现，通过折线图、散点图、柱状图等图表来展示数据的变化趋势，同时也可以生成监测报告，总结基坑状况、风险和建议。

⑥资源管理和决策支持： 基坑监测为工程团队提供实时数据，支持合理的资源管理和决策制定，以确保工程的顺利进行和风险的最小化。

1.2  实施意义（南昌大学，钟龙凯，深基坑监测技术与数据分析）

在深基坑开挖的过程中，周边土体会时刻受到基坑施工的影响，这种影响可以称之为时空效应。当时空效应所产生的扰动对于坡土体造成过大的影响时，就会造成土体失衡，从而造成安全事故的发生。但通过监测数据我们可以知道，在土体发生失衡之前其数据都会产生一定的波动，我们可以通过监测这些数据波动，来预测事故的发生。

根据施工过程中所产生的时空效应推断，在事故发生之前，通常有2-3天的反应过程，根据信息化的监测数据，并将其整理收集后，我们可以通过分析数据变化和速率变化来提前预警，从而可以有效的降低深基坑施工过程中的安全问题，以及减少不必要的财产经济损失。

除了在对基坑施工过程中的数据进行监测外，还需要对整个工程的施工周期进行监测，主要监测的对象为基坑施工前中后期对周围环境的影响，从而达到能够提前预判施工过程中可能会出现的安全隐患。同时在使用信息化技术对数据进行监测时，可以及时有效地收集到支护结构和钢支撑所受到的内力变化。通过收集这些数据，我们可以将其作为科学研究分析的载体，为以后类似的工程项目的支护结构设计提供有力的帮助，同时可以提升工程的安全性和性价比，达到节约工程投入资金、提高效率的目的。

2  基坑监测智能设备简介与工作流程介绍

2.1 基坑监测智能设备简介

物联网基坑监测设备是一种利用物联网技术实现基坑监测数据采集、传输和分析的智能设备。这些设备通过传感器和数据传输模块，能够实时监测基坑施工过程中的各项参数，并将数据上传至云平台或监测中心，以便工程师和监测人员能够随时远程查看和分析数据，及时采取必要的措施保障施工安全和质量。

物联网基坑监测设备通常会包括以下主要组件：

①传感器：用于感知基坑内外环境的各项参数，如地下水位传感器、倾斜传感器、位移传感器、温湿度传感器、振动传感器等。这些传感器可以检测不同方面的数据，提供全面的基坑监测信息。

数据传输模块：负责将传感器采集到的数据通过无线通信技术传输到云平台或监测中心。常见的通信方式包括4G/5G、LoRa、NB-IoT、Wi-Fi等，确保数据实时、稳定地传送。

②控制单元：对传感器进行控制和数据处理，将采集的原始数据进行处理、整合和存储，并可以根据需要进行预处理或过滤，以降低数据传输压力。

③电源：提供设备所需的电力供应，可以采用电池、太阳能板等多种方式，以确保设备持续运行。

④云平台或监测中心：接收并存储来自各个基坑监测设备的数据，并提供数据可视化、实时监控、数据分析和报警功能。通过云平台，监测人员可以随时远程访问监测数据，并及时作出相应的决策。

⑤物联网基坑监测设备的优势在于它们能够实现远程监测和数据共享，减少了传统监测方式中人工收集数据和现场巡查的工作量，提高了监测效率和准确性，同时也为工程师和决策者提供了更多的实时数据支持，帮助他们更好地管理和控制基坑工程的进展。

2.2 工作流程介绍

数据采集： 基坑监测涉及使用传感器和测量仪器，对基坑及其周围的环境参数进行实时数据采集。这些传感器可以监测地下水位、土壤沉降、支撑结构变形、温湿度、振动等各种参数。

①数据传输： 采集到的监测数据通过数据传输模块，如无线通信技术（如4G/5G、LoRa、NB-IoT）等，将数据上传至云平台或监测中心。这使得监测人员可以随时远程访问和分析数据。

②数据分析： 监测数据经过预处理和分析，包括清洗异常值、计算变化趋势、检测异常情况等。数据分析帮助确定基坑的稳定性、安全性和质量状况。

③报警与预警： 基坑监测系统可以设置警报和预警机制，一旦监测数据超出预设的安全范围，系统会发出警报通知监测人员，以便及时采取应对措施。

④可视化与报告： 基坑监测数据通常以可视化的形式呈现，通过折线图、散点图、柱状图等图表来展示数据的变化趋势，同时也可以生成监测报告，总结基坑状况、风险和建议。

⑤资源管理和决策支持： 基坑监测为工程团队提供实时数据，支持合理的资源管理和决策制定，以确保工程的顺利进行和风险的最小化。

3  基于智能设备的基坑监测工程实例

3.1 项目概况

本项目位于上海市奉贤区，周边毗邻已建成公路、厂房及动迁房，东侧为同期施工工地，南侧为同期施工新建幼儿园校区，场地基坑开挖作业众多，西侧靠近金汇港及高速路段，周边市政管线分布密集，基坑阶段需密切关注管线沉降和现场围护桩情况。

3.2 实施介绍

监测工作贯穿于基坑工程和地下工程施工全过程。监测工作从基坑工程施工前开始，直至地下工程完成止。对有特殊要求的周边环境的监测应根据需要延续至变形趋于稳定后才能结束。本项目基于现场情况，结合现场人工勘测数据报表及点位，针对项目地块东北侧与同期施工工地并行的给水专业市政管线点位，进行基坑监测智能设备点位设立及安装。

3.3 痛难点分析以及实施优势

3.3.1 痛难点分析

基坑监测是一个复杂的任务，涉及到多个因素和技术挑战。对于常规以人工介入为主的基坑监测工作，具有以下痛难点：

①传统人工监测报警不及时、数据受采集数据时操作及仪器影响大。

②劳动密集型，人力投入大，长期成本高，测量仪器投入多。

③数据整理繁琐、每日制表，表格数据停留于电子文件形式，沉降、倾斜趋势无法快速分析。

④基坑监测通常需要在相当长的时间内进行，尤其是在大型工程项目中。确保日常监测点稳定性和持续工作是一个挑战。

⑤基于如上痛难点，运用智能IoT物联网设备进行24小时基坑监测，能为监测单位和施工单位提供更丰富、更可靠的监测勘察：

⑥基坑管线沉降倾斜数据自动采集，监测频率可设定，监测设备精度高、标准化，针对监测阈值可及时报警。

⑦一次性成本投入，可多次重复使用监测设备，综合成本可显著下降。

⑧监测数据可对接至数据采集后台及数据库，结合物联网技术快速上传、入库、成表、出图，数据活用于智慧分析。

3.4 使用技术介绍

3.4.1 GIS地理信息技术

利用专业航测无人机，对地块进行航拍及整体现状数据采集，利用专业建模软件，生成反映场地现状的倾斜摄影模型和高清正射图俯视照片。实景GIS倾斜摄影模型可体现现场监测设备点位，为后续数据可视化提供模型基础和数据支撑。

3.4.2 场地定位技术

GIS航测设备使用RTK M300专业无人机，航拍数据采集时绑定国家北斗定位信息系统，采集的地理模型信息与经纬度坐标一一对应，最高可精确至厘米级经纬度定位。

3.4.3 IoT技术

基坑监测智能设备利用红外光栅发射及接收器，精准测量管线沉降及倾斜数据，精度可达0.01毫米；设备自带物联网通信模块，将固定频率采集的监测数据实时上报至物联设备平台，设备可配置主动推送数据，便于自主开发平台获取设备运行及监测数据。

3.4.4 大数据可视化平台开发及展示

网页端基于轻量化Web图形引擎，加载GIS倾斜摄影，实现网页端图形可视。图形引擎支持测距、测面积、测方位角等功能，支持三维模型POI信息点位标注以及数据监测展示。

移动端微信小程序APP管理系统可对接基坑监测数据库，用户可实时查看点位告警信息、历史点位数据及趋势图表等数据。

3.5 实施方案

3.5.1 设备搭建及固定

在特制的圆环（也称抱箍）上焊接测杆，然后固定在管线上，将测杆与管线连接成个整体，对于埋深浅、管径较大的地下管线直接挖至管线顶表面，露出管线接头或阀门，在凸出部位做上标示作为测点。测点上方固定红外线激光发射仪以及镭射光束接收盘。数据测量以激光偏移量监测，y轴偏移量上正下负，x轴偏移量东正西负，测量精度达到0.01毫米。

3.5.2 采集频率与物联对接

人工采集数据报表每日更新，平台根据每日台账进行解析、数据入库；基坑自动监测设备每半小时采集一轮数据，平台自动接收数据推送入库。

3.5.3 平台可视

智能管线监测平台依托无人机航拍采集的倾斜摄影照片，通过高精度算法生成场地实景地理信息模型，结合场地基坑监测点位图纸及网页端图形引擎轻量化加载，生成数据可视平台。

3.5.4 移动管理

基于基坑监测历史数据库构建移动端基坑监测数据管理平台。施工现场用户登录管理小程序即可同步查询现场点位数据信息。

3.6 项目成果及数据分析

3.6.1 平台建设成果

平台基于Cesium.JS开源web可视化技术，结合倾斜摄影模型，制作GIS信息技术模型可视化底座，还原基坑场地建设现状；结合基坑场布图纸监测点位分布情况，于GIS地理信息底座上标注场地监测点位，

真实体现基坑监测点位位置及周边环境情况布置。

点位信息与监测数据绑定，结合点位实时监测上报数据、日报监测数据进行可视化数模结合，展示点位最新监测数据，包括垂直位移监测、水平位移监测等监测数据类型，可分析展示各点位本次变化、累计变化、阈值告警等功能。

移动端小程序可进行数据统览及实时查看，用户可登录至移动端平台内，可查看场地内所有监测点位沉降变化情况。实时监测点位按数据采集频率，反映场地内实时沉降变化波动，沉降累计数据以报表形式展现于移动端，异常点位信息及位置一目了然。

3.6.2 数据分析

以1号沉降/测斜传感器为例，在为期75天的基坑开挖阶段中，以每1小时的采集频率，采集数据样本约1000条，形成沉降、测斜数据图表如下：

其中检测到从145期数据（2023年4月7日下午12点40分，基坑开挖阶段）开始，传感器沉降、测斜数据有较大偏移，累计变化量触发阈值告警，小程序及监控平台发出对应警告，及时辅助基坑监测单位及建设单位进行现场快速勘测及围护体加固工作；检测到344期数据（2023年4月26日上午11点30分，基坑开挖阶段），出现瞬时变化量超过阈值现象，平台针对突发情况进行数据预警，及时告知施工单位进行紧急加固。

以2号沉降/测斜传感器为例，在为期75天的基坑开挖阶段中，以每1小时的采集频率，采集数据样本约1200条，形成沉降、测斜数据图表如下：

其中检测到从106期数据（2023年4月4日下午15点10分，基坑开挖阶段）开始，传感器沉降、测斜数据出现长时间累计变化处于数据高位位置，小程序及监控平台发出对应警告，通知对应施工单位及勘测单位进行点位数据持续采集及跟踪，点位于第406期数据（2023年4月23日上午10点20分）起恢复至正常变化范围量，解除紧急跟踪状态。

以3号沉降/测斜传感器为例，在为期75天的基坑开挖阶段中，以每1小时的采集频率，采集数据样本约1800条，形成沉降、测斜数据图表如下：

其中检测到从277期数据（2023年4月10日下午13点40分，基坑开挖阶段）开始，传感器沉降、测斜数据有较大偏移，累计变化量触发阈值告警，小程序及监控平台发出对应警告，及时辅助基坑监测单位及建设单位进行现场快速勘测及围护体加固工作。

4 总结

自本文中提及的基坑监测系统上线以来，取得了显著的成就。通过对现有基坑监测数据管理方式的深刻洞察，系统致力于解决现场基坑监测环节存在的一系列问题，包括管理方式滞后、数据共享不便、查询效率低下、基坑预警不及时、数据可视化不足等。本基坑监测系统，集成了先进的数据管理、预测预警、三维可视化和报表生成功能，为用户提供了更便捷、高效、及时、直观的监测体验。

① 成功实现了基坑结构、地层环境和监测信息的三维可视化，克服了传统二维图表展示在直观性方面的不足，从而更好地呈现了监测信息的空间分布属性。

② 通过创建基坑监测信息数据库，实现对监测数据的分类存储，进而提供了诸如批量导入、数据查询、图表分析等功能。这不仅提升了对基坑监测信息的管理水平，同时也提高了信息的共享效率。

③ 成功实现了对基坑变形的预测预警功能，对于及时发现基坑施工中的安全风险具有重要的实际意义。

④ 实现了日报表自动生成，提高了基坑监测的信息化水平。

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简介：盛超婷 1997年1月 女 上海市 本科 助理工程师 研究方向：工程管理