随着地铁建设规模的扩大, 地铁车站深基坑的开挖深度也越来越大, 部分换乘站的基坑开挖深度甚至可达30m, 呈现出“大、深、紧、近”的特点^[1]。根据相关学者的统计, 在国内外地铁工程事故中, 基坑坍塌事故发生频率占到了总事故的55%, 所产生的影响也极具灾难性^[2]。目前对于基坑的开挖, 需要通过定期的监测以掌握基坑的安全状态, 钢支撑轴力的监测就是其中关键的一项^[3]。钢支撑轴力的监测大多是依靠人工采集数据, 存在劳动强度大和数据传递时效性差的缺点^[4]。采用PLC控制自适应钢支撑系统保证了数据的实时监测与传输, 但存在着安装与更换困难的问题^[5]。利用无线传感技术进行轴力数据采集极大地降低了劳动强度, 但也存在着难以快速直观地掌握测点位置信息的难题^[6]。综上所述, 提供一种钢支撑轴力实时采集并可视化显示测点监测信息的系统具有十分重要的意义, 而信息化技术的飞速发展为此提供了可能。

BIM技术在建筑安全预警领域具有广泛的应用, 其三维可视化的特点有助于管理者直观地掌握现场紧急情况, 并快速做出决策指导现场抢险工作^[7]。同时, 与施工进度相关联的4D-BIM模型实时反映现场最新进度状态, 保证了管理决策的准确性^[8]。WSID技术是由RFID (radio frequency identification, 无线射频识别) 与WSN (wireless sensor networks, 无线传感网络) 技术两者融合而成, 通过两种技术的融合不仅可以大范围实时地感知外界信息、远距离无线传输数据, 而且为监测对象各个位置提供了标识的能力^[9,10]。目前为止, WSID技术在施工现场险兆事件的监控、安全信息的协同管理以及物品快速识别与定位已有了较好的应用^[11,12]。

然而, 上述信息化技术在施工安全预警领域的研究均只解决某一方面问题, 而对于一整套从数据实时采集、快速传输以及预警反馈的安全监控系统的研究还很少。鉴于此, 本研究将BIM与WSID技术有效集成, 以基坑内的钢支撑轴力为监测对象, 提出一种新的地铁车站深基坑实时感知预警系统, 以满足预警工作的数据快速采集、快速传输以及应急指令的快速反馈。

地铁车站深基坑钢支撑轴力实时感知预警系统是由WSID数据采集与传输模块、数据处理与判断模块、BIM模块和预警反馈模块组成。WSID数据采集与传输模块是整个系统布置于现场的感知末梢, 通过众多的无线传感器节点实时采集钢支撑轴力数据并相互协作感知进行无线的数据传输;数据处理与判断模块负责对传回的钢支撑轴力数据进行分析, 并判断预警等级;BIM模块不仅仅是地铁车站深基坑与支护体系的三维模型, 而且通过与开挖进度情况相集成, 是带有时间参数的4D模型。另一方面, BIM模块也是实时存储与显示监测数据的数据库, 基坑内的钢支撑受力安全状态实时反映在BIM模型当中;预警反馈模块则包括了报警信号的发布与应急方案的制定。整个系统架构如图1所示。

数据采集是整个预警系统的第1步, 数据的获取是否精确与便捷直接影响到预警工作的准确性, 而现有的利用纸质文档上报监测情况和手动导入监测数据至预警平台的方式都无法保证预警的及时性。因此, 将WSID技术应用于地铁车站深基坑钢支撑轴力的数据采集与传输以解决现有的问题。

WSID融合一体化构架可分为以下4种:RFID标签融合传感器、RFID标签融合传感器节点、射频读写模块融合传感器节点以及RFID读写器融合汇聚节点^[13]。4种构架在融合方式、数据传输、能量供给以及具体功能上均有所不同, 如表1所示。为保证地铁车站深基坑大范围的钢支撑轴力实时数据采集、无线快速传输以及钢支撑位置信息的实时掌握, 经过4种不同WSID构架的对比, 本研究选取RFID标签融合传感器节点作为数据采集与传输模块。该融合形式是将RFID电子标签与无线传感器节点融合在一起, 形成智能RFID传感器标签。智能RFID传感器标签不仅能够与RFID阅读器进行通信, 而且通过IEEE802.15.4和Zig Bee协议组网使整个监测范围内的节点互相通信, 实时动态传递包括位置信息与所监测的外界信息在内的数据。

钢支撑运至现场, 智能RFID传感器标签已安置在钢支撑端头, 管理人员通过手持式阅读器识别不同受力标准的钢支撑, 保证钢支撑架设的准确性。随着基坑的开挖与钢支撑逐步架设, 布置在钢支撑端头的智能RFID传感器标签对钢支撑轴力进行实时的数据采集。考虑到电池的使用寿命, 数据采集并传输的频率设置为1次/2h。所述智能RFID传感器标签的数据采集模块采用无线光纤光栅应力传感器^[14], 同时RFID标签模块采用带发光二极管的有源电子标签。基坑内以智能RFID传感器标签作为普通节点和簇头节点, 普通节点负责数据的采集, 簇头节点负责数据的聚集与路由, 在基坑外以RFID阅读器作为汇聚节点对数据进行接收与处理, 采用IEEE802.15.4和Zig Bee协议组网通信, 最终接入现场数据中心并传回远程系统平台。整个数据采集与传输模块如图2所示。

数据处理与判断模块是整个系统的中枢, 负责对现场采集到的数据进行分析计算并判断风险等级, 进而在BIM模块显示架设的钢支撑受力安全状态, 同时将判断结果传至预警反馈模块。系统设计人员会事先根据设计单位所确定的钢支撑设计极限值来确定各个预警等级的阈值, 所述预警等级分为安全、一级预警、二级预警以及三级预警, 级数越高说明风险越大。数据处理与判断模块将判断结果传至BIM模块, BIM模块以不同的颜色显示钢支撑的预警等级, 若出现报警情况则会直接通过预警反馈模块将报警信号反馈至现场, 现场智能RFID传感器标签的发光二极管闪光以起到警示作用。在地铁工程安全预警实践经验的基础之上, 结合GB50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》, 本文给出了数据处理与判断模块的计算规则如表2所示。

为了保证深基坑内安全风险的实时可视化监控, BIM模块将监测数据与4D模型相关联, 用户可实时查看钢支撑轴力的监测数据以及快速定位进入报警状态的钢支撑。BIM模块包括BIM模型与数据库, 其中, 数据库负责将数据处理与判断模块传回的数据进行存储, 同时利用插件将数据库与BIM模型两者关联, 实现数据库与BIM模型的实时联动更新。由于每天的施工进度难以把控, 故系统管理人员需要在每天施工结束之后更新BIM模型, 以保证模型与现场情况的一致性。钢支撑架设完毕并开始起测, 数据会实时传回BIM模块进行存储, 钢支撑被选中后可在属性框显示当前轴力数据各类信息, 拖动BIM模型可查看钢支撑所在位置。如图3所示。

预警反馈模块的功能主要包括报警信号的发布与应急方案的制定。根据表2的描述可知, 报警信号的发布是指在出现三级预警的情况下直接由预警反馈模块通过WSID网络向现场发出报警信号, 钢支撑端头上智能RFID传感器标签接收到报警信号并发出警示的闪光。现场管理人员在警示闪光出现后, 会立即停止基坑的开挖并指挥基坑内的施工人员安全离开基坑, 待基坑内所有人员安全撤离后, 现场管理人员拍照记录基坑内情况并传回预警反馈模块, 系统管理人员核实人员均安全撤离后, 警示闪光停止。应急方案的制定是指将进入一级预警及以上的钢支撑轴力数据走势情况、钢支撑在BIM模型中的位置信息以及现场巡视人员的巡视情况推送至参建各单位, 参建各单位的专家根据自身的专业知识与经验给出参考建议并推送至管理决策者, 管理决策者综合专家建议后, 给出相应的应急方案并推送至现场管理人员指导抢险。图4展示了整个预警反馈的应急方案制定。

针对钢支撑轴力进行实时监测、数据分析并预警反馈的整个系统, 其工作流程如图5所示。首先, 需根据最新进度情况更新BIM模型以保证与现场情况的一致性;同时已预设智能RFID传感器标签的钢支撑架设完成, 与基坑外数据中心站旁的RFID阅读器组成WSID网络;启动远程系统平台, 并将数据计算分析规则提前导入系统。其次, 当钢支撑的轴力数据开始监测并传回远程系统平台后, 通过数据处理与判断模块将某钢支撑的安全状态进行等级划分:安全、一级预警、二级预警以及三级预警。出现某钢支撑被判断为三级预警时, 可直接通过预警反馈模块向现场发出报警信号, 现场出现三级预警的钢支撑端头上智能RFID传感器标签发出报警闪光, 基坑内所有施工人员安全撤离并经确认后报警闪光方可取消。另一方面, 当出现一级预警及以上时, 系统中预警反馈模块会将监测数据、位置信息 (以BIM模型的形式展示) 以及现场巡视人员的巡视情况推送至参建各单位的专家, 专家对风险进行分析评估并给出参考建议推送至最高管理决策者, 管理决策者综合参考建议给出最终应急方案, 并指导现场管理人员抢险。

如何保证地铁建设的安全开展是当前政府、社会以及地铁建设的各方参与者最为关心的问题, 而以信息化技术为主导的地铁建设安全预警已然成为了施工安全的重要保证。为进一步提高安全预警工作的效率, 本研究将WSID技术和BIM技术有效集成, 提出了一种地铁车站深基坑钢支撑轴力实时感知预警系统。该系统具有以下优点。

1) 利用基坑内所有钢支撑端头上的智能RFID传感器标签与基坑外RFID阅读器形成可以覆盖整个基坑的WSID网络, 智能RFID传感器标签采集的钢支撑轴力数据与自身位置信息通过WSID网络进行无线传输, 实现了监测数据与位置信息的快速采集与传输。

2) 基于BIM技术的远程监控平台充分发挥了BIM可视化的优点, 管理决策人员无须赶赴现场即可实现基坑安全状况的实时掌握、安全隐患的快速定位以及应急抢险工作的远程指挥协调。

3) 通过WSID与BIM技术的有效集成, 实现了安全预警工作的数据快速采集、快速传输以及应急指令的快速反馈这一整套流程, 提高了预警工作的效率。

另一方面, 由于技术条件的限制, 本研究的一些地方还有待完善。例如, 如何将地表沉降、桩顶水平位移以及建筑物倾斜等其他类型的监测数据进行集成, 以综合判定基坑的安全状态。同时, 本系统尚未在具体项目中进行相关实践与检验。在之后进一步的研究中, 会对本系统存在的不足做出相应的改进与优化, 并在具体项目中实施以检验系统的有效性。