陳杰 張澤瑞 宋楚平

摘 要：針對(duì)深基坑水位監(jiān)測(cè)不到位導(dǎo)致過度抽水或水位過高出現(xiàn)基坑失穩(wěn)的問題，提出基于云平臺(tái)的智能應(yīng)用系統(tǒng)用于水位的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)主要由傳感器、PLC控制器、GPRS和應(yīng)用程序構(gòu)成。為實(shí)時(shí)感知基坑水位的變化和預(yù)測(cè)可能發(fā)生的水情，通過計(jì)算某時(shí)刻水位的變化幅度和利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)計(jì)未來2 h的水位，以達(dá)到水位智能監(jiān)測(cè)和主動(dòng)預(yù)警的目的。應(yīng)用測(cè)試表明：系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，完全能滿足深基坑水位安全監(jiān)測(cè)要求。

關(guān)鍵詞：深基坑;傳感器;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);智能監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP399文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）34-0097-03

Design of Intelligent Monitoring System for Water Level

of Deep Excavation Based on Cloud Platform

CHEN Jie ZHANG Zerui SONG Chuping

（School of Information Engineering， Nanjing Polytechnic Institute，Nanjing Jiangsu 210048）

Abstract： In view of the problem of excessive pumping because of the failure to monitor water level of deep excavation or the instability of excavation due to the high water level， an intelligent application system based on cloud platform was proposed to monitor water level， which is mainly composed of sensors， PLC controllers， GPRS and Application programs. In order to perceive the real-time change of water level in excavation and predict the possible water situation， the change range of water level at a certain time was calculated and the water level in the next 2 hours was predicted by BP neural network， so as to achieve the purpose of intelligent water level monitoring and active early warning. Application test shows that the system has good stability and reliability， and can fully meet the requirements of deep foundation pit water level safety monitoring.

Keywords： deep excavation;sensor;BP neural network;intelligent monitoring

隨著土地資源的稀缺和超高層建筑施工技術(shù)的成熟，基坑工程向大深度、大面積發(fā)展。由于基坑開挖面下部的承壓水會(huì)引起坑底隆起、底板涌水等問題，容易導(dǎo)致基坑失穩(wěn)等安全事故的發(fā)生[1]，因此必須對(duì)基坑的承壓水進(jìn)行有效控制，以保障施工安全，確保工程質(zhì)量。目前普遍采用井點(diǎn)降水法來控制基坑水位，即采用水泵不間斷抽水，另派專人巡查。這種工作模式下，由于缺乏對(duì)地下水位的精確觀察數(shù)據(jù)，因此，容易出現(xiàn)“無水空抽”“過度抽水”等現(xiàn)象，極易造成抽水不及時(shí)引起的基坑失穩(wěn)，或者過度降排水引起周圍建筑物沉降等安全事故。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)和傳感器的不斷發(fā)展，基于云平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以其數(shù)據(jù)采集便捷、監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工況及時(shí)、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，正在取代傳統(tǒng)的PC-Based監(jiān)測(cè)方案或人工模式。因此，為適應(yīng)深基坑安全施工要求，有必要對(duì)基坑水位的監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入研究。

1 深基坑水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架

深基坑水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)如圖1所示。水位傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和流量傳感器將采集到的基坑水位、水泵工況和排水流量等數(shù)據(jù)通過GPRS傳送到云服務(wù)器，一旦發(fā)生水位警情或排水故障，云服務(wù)器就會(huì)向PC端和APP端發(fā)送報(bào)警消息，管理人員能在第一時(shí)間通過PLC控制器發(fā)出正確的控制指令和運(yùn)行參數(shù)，調(diào)整水泵的運(yùn)行狀態(tài)，或緊急處理系統(tǒng)故障，以達(dá)到穩(wěn)定安全水位的目的。終端應(yīng)用層的PC或手機(jī)能主動(dòng)調(diào)用云平臺(tái)數(shù)據(jù)接口，以圖表形式動(dòng)態(tài)顯示深基坑水位變化，并接收云服務(wù)推送的預(yù)警和其他工況信息。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件主要包括傳感器模塊、PLC控制模塊、GPRS通信模塊和云存儲(chǔ)。整個(gè)硬件的連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。

水位傳感器選用TEB SDI-12液位傳感器，通過水的壓力變化感知水位高度，經(jīng)RS-485將數(shù)字信號(hào)輸出到控制模塊中的采集單元。流量傳感器采用上海嘉圖SN51B電子式傳感器，具有體積小、設(shè)定簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，可任意設(shè)置流量上下限報(bào)警值。轉(zhuǎn)速傳感器采用拓普瑞晟RC7100磁電傳感器，該傳感器體積小、結(jié)實(shí)可靠、無須外接電源、價(jià)格低廉，采用非接觸式來測(cè)量水泵的轉(zhuǎn)速。

PLC控制器采用STC15單片機(jī)開發(fā)，由于其內(nèi)置高精度R/C時(shí)鐘和高可靠復(fù)位電路，因此通信速度快、抗干擾能力強(qiáng)[2]?？刂破鞯牟杉瘑卧ㄟ^RS-485串口與傳感器通信，每隔5 min采集水位傳感器數(shù)據(jù)，并通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器。

云服務(wù)器是選用阿里云ECS，通過租賃的方式即可獲得可靠的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)，減少了人工運(yùn)營(yíng)成本。云服務(wù)器通過TCP/IP協(xié)議與GPRS模塊和應(yīng)用層通信，利用云服務(wù)器提供的透?jìng)髟O(shè)置，能將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)推送到系統(tǒng)管理員和施工人員的APP或現(xiàn)場(chǎng)PC上。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

云服務(wù)器的組件和接口設(shè)計(jì)以及基于APP的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)客戶端開發(fā)是此系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

3.1 PLC控制器與云服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信

根據(jù)云服務(wù)器提供的IP地址和端口，PLC通過GRRS模塊與云服務(wù)器建立UDP/IP連接，然后再根據(jù)PLC注冊(cè)的ID和傳感器ID生成協(xié)議，協(xié)議內(nèi)容主要包括用于維護(hù)與服務(wù)器通信的心跳包協(xié)議和傳感數(shù)據(jù)包。

3.2 云服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)

該部分設(shè)計(jì)主要包括服務(wù)組件和數(shù)據(jù)接口。例如，傳感數(shù)據(jù)服務(wù)組件需要對(duì)上傳的信號(hào)數(shù)據(jù)及時(shí)處理，通過建立上報(bào)數(shù)據(jù)線程，調(diào)用數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換函數(shù)和數(shù)據(jù)庫通信接口，將解析后的水位采集數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，以供其他組件對(duì)數(shù)據(jù)的處理和訪問。水位預(yù)警監(jiān)測(cè)組件的基本設(shè)計(jì)思想是：基于基坑歷史水位數(shù)據(jù)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測(cè)未來水位變化，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2.1 輸入層的計(jì)算。輸入層節(jié)點(diǎn)24個(gè)，對(duì)應(yīng)每天間隔5 min連續(xù)2 h內(nèi)采集的水位數(shù)據(jù)，該層接收輸入水位樣本數(shù)據(jù)，樣本數(shù)據(jù)由[24×K]的矩陣構(gòu)成，輸入向量[X={x1，x2，…，x24}]，即每個(gè)樣本數(shù)據(jù)為連續(xù)2 h內(nèi)水位的時(shí)序值，[K]為樣本數(shù)，建議取值為[40，50]，預(yù)測(cè)未來2 h后的水位變化。

3.2.2 隱藏層的計(jì)算。隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)[m]為13，節(jié)點(diǎn)激活函數(shù)選高斯函數(shù)，在MATLAB中利用NEWRB函數(shù)設(shè)計(jì)近似BP網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)均方誤差為10-6。經(jīng)多次迭代試驗(yàn)，[m]=13時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能較為穩(wěn)定，故隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)取值為13。

3.2.3 輸出層的計(jì)算。輸出層的輸出值就是水位預(yù)測(cè)值，用一個(gè)實(shí)數(shù)表示，因此輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)[k]為1，該節(jié)點(diǎn)的輸出值[y]為：

[y=fj=1nwjkφj]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中，[wjk]為第個(gè)隱藏層節(jié)點(diǎn)到輸出節(jié)點(diǎn)[k]的權(quán)值;[φj]是隱層第[j]個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出值;[f]為高斯激活函數(shù)，根據(jù)輸出層的輸出值[y]就可以得到水位2 h后的預(yù)計(jì)值[3]。

3.3 APP端設(shè)計(jì)

該部分的程序設(shè)計(jì)采用Android和HTML5混合編程，頁面后端采用time線程控制頁面數(shù)值的變化和指令的發(fā)出。前端頁面通過對(duì)HTML5標(biāo)簽的靈活使用完成整個(gè)頁面布局，運(yùn)用echars圖表框架接收服務(wù)器傳來的水位變化數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示水位的變化。

4 系統(tǒng)主要性能測(cè)試

系統(tǒng)的性能表現(xiàn)事關(guān)深基坑工程施工和人員安全，必須進(jìn)行穩(wěn)定性和可靠性方面的測(cè)試。

4.1 穩(wěn)定性測(cè)試

系統(tǒng)的主要安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是基坑水位，要確保系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，其相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。為此，讓系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在實(shí)際工作環(huán)境下，隨機(jī)抽取一天24 h共288條記錄，提取整點(diǎn)時(shí)刻的24條數(shù)據(jù)與人工測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，檢查系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常。檢查結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，連續(xù)的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)值與實(shí)際值的誤差波動(dòng)位于標(biāo)準(zhǔn)范圍，且沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常有效。

4.2 可靠性測(cè)試

可靠性測(cè)試是指當(dāng)系統(tǒng)工作狀態(tài)異常或水位環(huán)境發(fā)生巨變時(shí)，系統(tǒng)能否主動(dòng)發(fā)出提示消息或仍保持正常工作，主要測(cè)試點(diǎn)及測(cè)試結(jié)果如表2所示。

通過調(diào)整系統(tǒng)的水位閾值參數(shù)來模擬深基坑現(xiàn)場(chǎng)水位的險(xiǎn)情。這種模擬只涉及監(jiān)測(cè)水位的閾值變化，其他的工作參數(shù)和外部環(huán)境與真實(shí)的運(yùn)行工況是一致的，因此這方面的測(cè)試結(jié)果是有效的，說明系統(tǒng)具有良好的可靠性和抗災(zāi)能力。

5 結(jié)語

①水位的監(jiān)測(cè)既要考慮傳感器的選型，保證測(cè)量成本和數(shù)據(jù)精度，又要考慮水位的異常變化和水泵的運(yùn)行狀態(tài)，全面觀測(cè)基坑工作現(xiàn)場(chǎng)，由此建立的系統(tǒng)才能滿足可靠性和穩(wěn)定性要求。

②水位的智能監(jiān)測(cè)關(guān)鍵在于“智”?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的服務(wù)控件能實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)2 h后的水位變化，為施工安全應(yīng)急爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間。

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