基于3D激光扫描的地下工程施工快速监测预测系统及方法

摘要

本发明提供了一种基于3D激光扫描的地下工程施工快速监测预测系统及方法，本发明通过传感器实时监测模块、基于单点数据目标函数反演模块、基于反演结果的正分析预测模块、3D激光扫描实时监测模块、基于点云数据目标函数反演模块、高精度预测模块和3D云图自动预警模块，解决了地下工程传统单点式监测方法存在监测范围小、信息化较低等问题，可大面积、高精度、非接触地快速获取地下结构及环境变形等数据，以评估施工安全；并可解决传统地下工程监测反演分析预测方法计算效率低、预测可靠度不高等问题，可快速高精度的预测后续施工安全。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于3D激光扫描的地下工程施工快速监测预测系统及方法。

背景技术

中国是目前世界上地下空间开发利用的大国，许多世界瞩目的重大地下工程与基础设施正在规划建设之中。相对土木工程其他领域，由于地下结构是修建在天然岩土体中，施工期涉及到岩土体的开挖，其不可预见风险因素更多。施工期通过监测可以实时获取结构和周围环境性状动态变化的实际信息，因而，监测是保证地下工程安全施工的最有效手段之一。

变形监测是地下工程施工安全监测的重要监测项目，传统变形监测手段多数为单点式监测，测点较少，难以监测无监测点区域的变形情况，而局部测点一旦破坏严重影响监测结果。同时，地下工程监测具有大规模性，传统监测手段难以满足地下工程施工监测要求。

为了保证地下工程施工安全，通常结合数值计算方法预测后续施工变形情况，由于地下工程岩土体参数难以准确确定，预测结果与实测结果相差较大。采用基于监测结果的反演分析方法，在一定程度提高了预测的准确度，但是由于传统反演分析计算技术需大量计算时间，且其反演目标参数为少量孤立的监测点数据，同样，难以保证预测结果的可靠度。

因此，有必要提出一种结合3D激光扫描、高性能计算和基于三维点云监测数据反演分析技术的地下工程施工快速监测和高可靠度预测方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于3D激光扫描的地下工程施工快速监测预测系统及方法，能够本发明能够解决采用传统监测手段仅能获取单点数据且可靠性低而不能满足地下工程施工要求大范围、快速监测技术难题，并解决传统反馈分析预测变形耗时且可靠度低等问题，实现施工变形的快速大范围监测、快速高可靠度预测，保证地下工程施工安全。

为解决上述问题，本发明提供一种基于3D激光扫描的地下工程施工快速监测预测系统，包括：

设置于一般施工区的传感器实时监测模块，用于对一般施工区结构本体和周围环境的一般变形控制参数进行实时远程自动化监测、采集和传输；

与所述传感器实时监测模块连接的基于单点数据目标函数反演模块，用于基于所监测的单点数据目标函数对所述一般变形控制参数进行反演分析计算，获取地下工程岩土体分层分区的均匀分布等效土性参数；

与所述目标函数反演模块连接的基于反演结果的正分析预测模块，用于对均匀分布等效土性参数进行正分析数值计算，得到所述一般施工区的后续施工期结构本体和周围环境变形的一般预测控制参数；

设置于重点施工区的3D激光扫描实时监测模块，用于对重点施工区大范围结构本体和周围环境的重点变形控制参数进行实时远程自动化快速监测、采集和传输；

与所述3D激光扫描实时监测模块连接的基于点云数据目标函数反演模块，用于基于所监测的大范围点云数据目标函数对所述重点变形控制参数进行反演分析计算，获取地下工程岩土体分层分区的非均匀分布等效土性参数；

与所述基于点云数据目标函数反演模块连接的基于反演结果的高精度预测模块，用于对所述非均匀分布等效土性参数进行正分析数值计算，得到重点施工区后续施工期结构本体和周围环境的重点预测控制参数。

进一步的，在上述系统中，基于3D激光扫描的地下工程施工快速监测预测系统，还包括：

与所述传感器实时监测模块连接的离散数据采集分析3D可视化模块，用于对所采集的相对孤立离散的所述一般变形控制参数进行插值，对插值后的一般变形控制参数进行3D可视化云图显示。

进一步的，在上述系统中，基于3D激光扫描的地下工程施工快速监测预测系统，还包括：

与所述3D激光扫描实时监测模块连接的点云数据采集分析3D可视化模块，用于对所采集的所述重点变形控制参数进行3D可视化云图显示。

进一步的，在上述系统中，基于3D激光扫描的地下工程施工快速监测预测系统，还包括：

与所述基于反演结果的正分析预测模块和基于反演结果的高精度预测模块连接的3D云图自动预警模块，用于根据所述一般预测控制参数和重点预测控制参数预测整个施工区的数据变化，并将所述数据变化以3D云图展示，对数据变化较大的区域进行自动预警，

根据本发明的另一面，提供一种基于3D激光扫描的地下工程施工快速监测预测方法，包括：

地下工程施工前，建立整个施工区3D模型，进行数值分析计算，根据计算结果将施工扰动变化较小的区域划分为一般施工区，将施工扰动变化较大及重点保护区划分为重点施工区；

对所述一般施工区采用常规传感器实时监测模块，对一般施工区结构本体和周围环境的一般变形控制参数数据进行实时远程自动化监测、采集和传输；从而获取该工况该区离散监测数据；

在重点施工区采用3D激光扫描实时监测模块，对重点施工区大范围结构本体和周围环境的重点变形控制参数数据进行实时远程自动化监测、采集和传输；从而快速获取该区大范围点云数据；

与所述传感器实时监测模块连接的基于单点数据目标函数反演模块，基于所监测的单点数据目标函数对所述一般变形控制参数进行反演分析计算，获取地下工程岩土体分层分区的均匀分布等效土性参数；

与所述目标函数反演模块连接的基于反演结果的正分析预测模块，对均匀分布等效土性参数进行正分析数值计算，得到所述一般施工区的后续施工期结构本体和周围环境变形的一般预测控制参数；

与所述3D激光扫描实时监测模块连接的基于点云数据目标函数反演模块，基于所监测的大范围点云数据目标函数对所述重点变形控制参数进行反演分析计算，获取地下工程岩土体分层分区的非均匀分布等效土性参数；

与所述基于点云数据目标函数反演模块连接的基于反演结果的高精度预测模块，对所述非均匀分布等效土性参数进行正分析数值计算，得到重点施工区后续施工期结构本体和周围环境的重点预测控制参数。

进一步的，在上述方法中，对一般施工区结构本体和周围环境的一般变形控制参数数据进行实时远程自动化监测、采集和传输的步骤之后，还包括：

与所述传感器实时监测模块连接的离散数据采集分析3D可视化模块，对所采集的相对孤立离散的所述一般变形控制参数进行插值，对插值后的一般变形控制参数进行3D可视化云图显示。

进一步的，在上述方法中，对重点施工区大范围结构本体和周围环境的重点变形控制参数数据进行实时远程自动化监测、采集和传输的步骤之后，还包括：

与所述3D激光扫描实时监测模块连接的点云数据采集分析3D可视化模块，对所采集的所述重点变形控制参数进行3D可视化云图显示。

进一步的，在上述方法中，得到重点施工区后续施工期结构本体和周围环境的重点预测控制参数之后，还包括：

与所述基于反演结果的正分析预测模块和基于反演结果的高精度预测模块连接的3D云图自动预警模块，根据所述一般预测控制参数和重点预测控制参数预测整个施工区的数据变化，并将所述数据变化以3D云图展示，对数据变化较大的区域进行自动预警。

与现有技术相比，本发明通过传感器实时监测模块、基于单点数据目标函数反演模块、基于反演结果的正分析预测模块、3D激光扫描实时监测模块、基于点云数据目标函数反演模块、高精度预测模块和3D云图自动预警模块，解决了地下工程传统单点式监测方法存在监测范围小、信息化较低等问题，可大面积、高精度、非接触地快速获取地下结构及环境变形等数据，以评估施工安全；并可解决传统地下工程监测反演分析预测方法计算效率低、预测可靠度不高等问题，可快速高精度的预测后续施工安全。

附图说明

图1是本发明一实施例的基于3D激光扫描的地下工程施工快速监测预测系统原理图；

图2是本发明一实施例的基于3D激光扫描的地下工程施工快速监测预测流程图；

图3是本发明一实施例的反演模块采用优化反演程序流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和2所示，本发明提供一种基于3D激光扫描的地下工程施工快速监测预测系统，包括：

设置于一般施工区的传感器实时监测模块，用于对一般施工区结构本体和周围环境的一般变形控制参数进行实时远程自动化监测、采集和传输；

与所述传感器实时监测模块连接的基于单点数据目标函数反演模块，用于基于所监测的单点数据目标函数对所述一般变形控制参数进行反演分析计算，获取地下工程岩土体分层分区的均匀分布等效土性参数；

与所述目标函数反演模块连接的基于反演结果的正分析预测模块，用于对均匀分布等效土性参数进行正分析数值计算，得到所述一般施工区的后续施工期结构本体和周围环境变形的一般预测控制参数；在此，可通过一常规计算技术模块为基于单点数据目标函数反演模块和基于反演结果的正分析预测模块及施工前整体模型计算提供反演分析和正分析的数值计算平台；

设置于重点施工区的3D激光扫描实时监测模块，用于对重点施工区大范围结构本体和周围环境的重点变形控制参数进行实时远程自动化快速监测、采集和传输；在此，3D激光扫描技术是利用激光雷达探测和测距技术的全新技术手段。采用该技术可大面积、高精度、非接触地快速获取被测对象表面的三维坐标点云数据；

与所述3D激光扫描实时监测模块连接的基于点云数据目标函数反演模块，用于基于所监测的大范围点云数据目标函数对所述重点变形控制参数进行反演分析计算，获取地下工程岩土体分层分区的非均匀分布等效土性参数；

与所述基于点云数据目标函数反演模块连接的基于反演结果的高精度预测模块，用于对所述非均匀分布等效土性参数进行正分析数值计算，得到重点施工区后续施工期结构本体和周围环境的重点预测控制参数。在此，可通过一高性能计算技术模块所述基于点云数据目标函数反演模块和基于反演结果的高精度预测模块提供反演分析和正分析的快速数值计算平台。本发明能够解决采用传统监测手段仅能获取单点数据且可靠性低而不能满足地下工程施工要求大范围、快速监测技术难题，并解决传统反馈分析预测变形耗时且可靠度低等问题，实现施工变形的快速大范围监测、快速高可靠度预测，保证地下工程施工安全。

优选的，基于3D激光扫描的地下工程施工快速监测预测系统，还包括：

与所述传感器实时监测模块连接的离散数据采集分析3D可视化模块，用于对所采集的相对孤立离散的所述一般变形控制参数进行插值，对插值后的一般变形控制参数进行3D可视化云图显示。

优选的，基于3D激光扫描的地下工程施工快速监测预测系统，还包括：

与所述3D激光扫描实时监测模块连接的点云数据采集分析3D可视化模块，用于对所采集的所述重点变形控制参数进行3D可视化云图显示。

优选的，基于3D激光扫描的地下工程施工快速监测预测系统，还包括：

与所述基于反演结果的正分析预测模块和基于反演结果的高精度预测模块连接的3D云图自动预警模块，用于根据所述一般预测控制参数和重点预测控制参数预测整个施工区的数据变化，并将所述数据变化以3D云图展示，对数据变化较大的区域进行自动预警，以此保证地下工程整个施工区安全。

如图1和2所示，根据本发明的另一面，还提供一种基于3D激光扫描的地下工程施工快速监测预测方法，包括：

地下工程施工前，建立整个施工区3D模型，进行数值分析计算，根据计算结果将施工扰动变化较小的区域划分为一般施工区，将施工扰动变化较大及重点保护区划分为重点施工区；

对所述一般施工区采用常规传感器实时监测模块，对一般施工区结构本体和周围环境的一般变形控制参数数据进行实时远程自动化监测、采集和传输；从而获取该工况该区离散监测数据；

在重点施工区采用3D激光扫描实时监测模块，对重点施工区大范围结构本体和周围环境的重点变形控制参数数据进行实时远程自动化监测、采集和传输；从而快速获取该区大范围点云数据；

与所述传感器实时监测模块连接的基于单点数据目标函数反演模块，基于所监测的单点数据目标函数对所述一般变形控制参数进行反演分析计算，获取地下工程岩土体分层分区的均匀分布等效土性参数；

与所述目标函数反演模块连接的基于反演结果的正分析预测模块，对均匀分布等效土性参数进行正分析数值计算，得到所述一般施工区的后续施工期结构本体和周围环境变形的一般预测控制参数；

与所述3D激光扫描实时监测模块连接的基于点云数据目标函数反演模块，基于所监测的大范围点云数据目标函数对所述重点变形控制参数进行反演分析计算，获取地下工程岩土体分层分区的非均匀分布等效土性参数；

与所述基于点云数据目标函数反演模块连接的基于反演结果的高精度预测模块，对所述非均匀分布等效土性参数进行正分析数值计算，得到重点施工区后续施工期结构本体和周围环境的重点预测控制参数。在此，一般施工区采用常规计算技术模块和基于单点数据目标函数反演模块进行反演分析计算，获取当前工况下该区域地下工程岩土体分层分区的均匀分布等效土性参数；同时，在重点施工区采用高性能计算技术模块和基于点云数据目标函数反演模块，进行基于大范围点云数据目标函数反演分析计算，获取当前工况下该区域地下工程岩土体分层分区的非均匀分布土性参数。接着，一般施工区采用基于反演结果的正分析预测模块，进行正分析数值计算，实现该区下一工况下结构本体和周围环境变形等控制参数的预测；重点施工区采用基于反演结果的高精度预测模块，进行正分析数值计算，实现该区下一工况下结构本体和周围环境变形等控制参数的高精度预测。

优选的，对一般施工区结构本体和周围环境的一般变形控制参数数据进行实时远程自动化监测、采集和传输的步骤之后，还包括：

与所述传感器实时监测模块连接的离散数据采集分析3D可视化模块，对所采集的相对孤立离散的所述一般变形控制参数进行插值，对插值后的一般变形控制参数进行3D可视化云图显示。在此，对一般施工区所采集的相对孤立离散数据进行插值，实现监测数据的3D可视化云图显示。

优选的，对重点施工区大范围结构本体和周围环境的重点变形控制参数数据进行实时远程自动化监测、采集和传输的步骤之后，还包括：

与所述3D激光扫描实时监测模块连接的点云数据采集分析3D可视化模块，对所采集的所述重点变形控制参数进行3D可视化云图显示。在此，对重点施工区所采集的大范围点云监测数据进行处理，实现监测数据的3D可视化云图显示。

优选的，得到重点施工区后续施工期结构本体和周围环境的重点预测控制参数之后，还包括：

与所述基于反演结果的正分析预测模块和基于反演结果的高精度预测模块连接的3D云图自动预警模块，根据所述一般预测控制参数和重点预测控制参数预测整个施工区的数据变化，并将所述数据变化以3D云图展示，对数据变化较大的区域进行自动预警，以此保证地下工程整个施工区安全。在此，采用3D云图自动预警模块，预测下一工况下整个施工区的数据变化，数据以3D云图展示，数据变化较大的区域自动预警，以此保证该工程地下工程整个施工区安全。类似地，可以重复上述步骤进行每一下一施工工况的反演分析计算，进行监测预测，保证整个施工期安全施工。

实施例：某大型地下综合体基坑项目，施工面积达到17万m2，为保证基坑施工过程安全拟采用所开发的系统，进行监测预测。常规传感器实时监测模块主要包括：测斜等自动化无线传感器装置及采集传输设备、远程监控管理平台；离散数据采集分析3D可视化模块主要包括：数据插值算法子程序和可视化显示平台；常规计算技术模块主要采用内存为128G，CPU为E5-2697v2(12核CPU并行)的服务器；基于单点数据目标函数反演模块，采用优化反演方法，其原理图见图3，目标函数F(X)为传感器的监测数据；基于反演结果的正分析预测模块，主要为分层分区均匀分布等效土性参数、有限元计算分析程序和基坑计算模型。3D激光扫描实时监测模块，采用FOCUS 3D X330扫描仪和数据处理软件；点云数据采集分析3D可视化模块，主要为点云数据处理子程序和可视化显示平台；高性能计算技术模块主要采用内存为1.5TB多计算计算刀片的claster；基于点云数据目标函数反演模块采用优化反演方法，其原理图见图3，目标函数F(X)为点云数据；基于反演结果的高精度预测模块，主要为分层分区非均匀分布土性参数、有限元计算分析程序和基坑计算模型。3D云图自动预警模块主要包括预测结果3D云图显示平台和自动预警计算子程序。

实施例说明：其中基于点云数据目标函数反演模块不局限于优化反演方法，还可使用人工神经网络、遗传算法、粒子群算法等方法。

综上所述，本发明解决了地下工程传统单点式监测方法存在监测范围小、信息化较低等问题，可大面积、高精度、非接触地快速获取地下结构及环境变形等数据，以评估施工安全；并可解决传统地下工程监测反演分析预测方法计算效率低、预测可靠度不高等问题，可快速高精度的预测后续施工安全。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。