基坑及边坡工程安全数字化监管系统研究及开发

时间：2024-07-28

李衍航，高祥祥，周才文，伍佳

（深圳市房屋安全和工程质量检测鉴定中心深圳 518000）

0 引言

数字化技术的高速发展带来了全球普遍的信息化浪潮，世界各国政府组织都不约而同地提出了依赖互联网和数字技术来改变城市未来发展蓝图的计划［1］。推进新型“智慧城市”建设，是党中央、国务院立足于时代发展趋势和我国信息化和新型城镇化发展实际，为提升城市管理服务水平而做出的重大决策。“智慧城市”及其相关领域的信息化建设，是今后城市规划、建设、管理、服务的重点发展方向。

基坑和边坡作为城市建设工程质量安全综合管理范畴，为全面落实党中央、国务院相关要求，2019年，深圳市政府常务会议提出制定建筑深基坑安全管理办法［2］，提出采取现代信息技术手段对基坑进行实时全面监管。为解决以上问题，结合深圳地方“科技强安”基坑边坡管理实际，深圳市搭建了一个基坑和边坡监测预警平台（含移动端），实现对全市范围内在建的基坑边坡工程安全状态的实时监控，并支持查看深基坑的历史报警信息，在统一的平台上进行数字化监测监管。深圳市基坑和边坡监测预警平台自2018 年开发建设，2020年1月全市试运行，2020年6月要求全市基坑及边坡工程项目接入平台实施实时上传监测数［3］。平台的投入使用后，不仅解决了国内行业的痛点问题，也为深圳市行政主管部门高效精细化监督管理和电子执法管理工作提供可靠的数据支撑及技术保障；平台和与之相匹配的行业管理规定和技术法规等综合管理体系保证在建基坑边坡始终处于安全可控状态，避免事故发生。

1 基坑和边坡监测预警平台的研究

1.1 设计目标

⑴监测管理。实现监测机构对监测的工程信息进行工程项目登记，包括监测方案上传；监测进程中，每次巡检记录、简报登记；同时，可查询基坑地理分布及原始数据。报警工程，发送短信通知相关负责人。

⑵实时监控。现主管部门监控整体的基坑现行情况，可按安监站、监测时间进行查询；主要内容有：安全状态（当前状态与历史状态）、工程名称、工程地点、地理分布、监测情况及处理情况［4］。

⑶监督管理。实现报警未处理、报警处理中、报告已处理3 个状态统计各工程数量，每个状态进行分类统计，点击可查看相关工程信息内容及监测情况。

1.2 技术路线

预警平台研究采用从“基础研究”，到“标准、规范研究”，再到“应用研究”的技术路线［5］。

基础研究主要包括城市深基坑、高边坡工程项目质量监管所涉及的监管模型的研究，同时进行相关技术的调研与分析。标准规范的研究主要是研究基坑、边坡工程监测与质量安全监督数据标准，同时编制配套的技术管理规范。应用研究主要依据上述数据标准和技术规范，建立工程质量安全数字化监管系统应用软件。最后将应用研究产生的成果，在全市现场工程项目中进行实际应用和检验。再根据实际应用效果进行完善，最后全面推广。

1.3 主要研究工作

1.3.1 理论研究

基于现有的工程，对现有的监控理论、方法、数据进行梳理、汇总及分析，梳理平台需兼容的监测方法及各类型监测方法。在自动设备对接方面，服务器和传感器之间采取TCP/IP协议，设备与服务器的通讯过程如图1所示。

图1 设备与服务器的通讯过程Fig.1 Communication Process between Device and Server

1.3.2 数据平台的建立

⑴监测管理平台的搭建。管理平台主要供不同用户群体使用，同时接收和处理数据的接入、展示和报警触发等功能模块。监督管理模块需要包含机构管理、监督检查、异常监督审查、监督跟进、报警闭合管理等功能板块；监测管理模块包括机构管理、人员管理、设备管理、监测项目管理、监测数据管理、数据查询、异常处理、自动化监测数据接收与处理等。监测预警平台功能设置如图2所示。

图2 监测预警平台功能设置Fig.2 Function Settings of Monitoring and Early Warning Platform

⑵数据接入与展示端。数据的接入与展示提供给3 个用户群体使用，监督管理单位主要用于数据监督、报警闭合管理、异常审查及项目归档等功能；监测单位主要用于监测数据接收及上传、结果查询展示、设备控制、报警审批等。其中对数据接入和展示最主要的作用是提供给平台用户进行预警处置，该功能预设内置的警情操作流程，也可以依据不同区域、工程行业和预警类型实现差异化的预设［6］。监测预警闭合管理程序如图3所示。

图3 监测预警闭合管理程序Fig.3 Monitoring and Early Warning Closure Management Procedure

⑶与现有工程质量监管平台互联互通。工程的基本信息来源应统一由住建局已发文启用全市统一的“智能建造”平台创建生成，监测预警平台与其依据位移识别码进行数据交互，并将监测预警平台产生的监测数据、预警信息等交换给“智能建造”平台。监测预警平台架构拓扑图如图4所示。

图4 监测预警平台架构拓扑Fig.4 Architecture Topology of Monitoring and Early Warning Platform

⑷平台的基本框架设计思路。数据平台可参考类似系统进行功能架构设计，基于本项目实际需求进行细化编程，在前期采用模拟数据进行测试，接入实测试验数据进行测试，直至整个流程初步完成后，上线试运行。

1.3.3 软件平台架构设计思路

规划深圳市基坑和边坡监测预警平台业务流程及系统可用性、软件性能要求、管理分权分域等相关业务进行研讨和规划，在业务理解和功能优化上做好充足的准备。主要体现如下：

⑴平台建设的软件技术选型思路。选择快速搭建分布式环境的通用模式，采用SpringCloud 框架，基于SpringBoot 和Java 技术开发，每个组件都对应一个起步依赖，组件之间可以整合到一起发挥作用。

⑵为保证系统能全天候不宕机，需提高系统并发访问能力，设计分布式数据存储架构设计，便于信息化项目将在全市推广应用，具有数据维度高、范围广、建设周期长等特点，分布式数据库设计如图5所示。

图5 分布式数据库设计Fig.5 Distributed Database Design

⑶安全架构设计。信息安全管理是系统质量保证的核心，对于系统部署发布，采用堡垒机方案运维，保障网络和数据不受来自外部和内部用户的入侵和破坏。主要考虑采用Web 防火墙、SSL 证书、高仿IP、VPN等隔离技术手段和措施，保证系统安全。

⑷软件测试上线部署流程。制定完整且具体的测试路线和上线部署流程，为软件应用实施提供管理保障。

1.3.4 推广应用，优化升级

选取8～10 个具有一定规模和技术实力的监测单位，开展监测管理平台的初步应用试点。确保平台各个业务流程畅通后，再实施全面应用推广计划。在平台初步应用到全面推广过程中，搜集各有关单位反馈的意见和建议，经整理汇总后，分析问题产生原因，优化升级监测平台，使之具有更好的兼容性和先进性。

1.3.5 制度建设，巡视督查

公布监测预警平台数据采集专用接口技术标准、监测预警平台标准化作业指导书、监测报警后续闭合管理要求后，结合全市的管理状况及各有关单位的应用情况，出具深圳市基坑和边坡监测管理办法。

2 数字化监管系统实现

2.1 系统登录管理功能实现

用户打开系统，展示登录页面。超级管理员可以分配机构管理员及其他账号，输入账号、初始密码、选择角色后创建帐号成功。若人员发生职级调动，也需机构管理员进行职级更改。开通成功后人员可以进行密码修改，账号无法进行修改，监测人员帐号需要人脸识别后方可正常上传数据［7］。基坑和边坡监测预警平台登入界面如图6所示。

2.2 基础信息管理功能实现

⑴在管理活动中产生了大量的数据，如单位、人员、设备、项目及报告等信息，数据来源众多，格式各异。建立完善基础信息监管网络，围绕施工过程管理，对工程实体质量安全和参建各方行为信息进行采集，整合人员管理、设备运行监控和监测等数据信息，构建覆盖主管部门、企业、工程现场和监测单位多方联动的可视化的物联感知体系［8］。并实现区属感知平台数据全面汇聚，以支撑数字指挥、智慧监管、服务在线的目标实现。

⑵工程项目。市住建局观看监督机构下的工程状况时，深基坑/高边坡监督项目概况，根据支护形式、深度、高度以及项目风险源分布情况进行数量统计，并以统计图的形式进行展示。

⑶监测单位、人员、设备和报告。查看监测单位详细信息时；监测报告台账、日报、周报及总结报告等。

⑷监督机构、人员信息。查看监督机构和人员信息时，监督人员操作（查看、修改、删除、变更）。

2.3 安全监管单位用户功能实现

⑴市住建局。以住建全周期、全链条、全方位、全要素监管为内容，实现监管一张图。通过一张图，支持从宏观到微观，从静态到动态的的指挥与监管，通过监控指标和数据分析，实现业务的数字化指挥；通过智能分析，智能监控和智能预警等技术与手段，实现监管的智慧化。住建局首页界面如图7所示。

图7 住建局首页界面Fig.7 Home Interface of Housing and Urban Rural Development Bureau

①预警地图。点击预警地图上的各区跳转页面展示对应监督机构下的工程信息。

②深基坑、高边坡项目。汇总系统内的深基坑、高边坡项目进行项目总数、各级风险分布数量，并以统计图的形式进行展示。

③监测单位。对系统内的正在开展业务和无监测业务的监测单位进行统计，并以图表的形式进行展示。

④ 人员信息。对系统内的监测人员的职级按测量人员、审核人员和批准人员进行数量统计，并以统计图的形式进行展示。

⑵ 监督机构。监督机构人员观看数据统计时，包括安全等级数量统计、工程预警数据统计、各组项目数量统计和监督各组人员数量统计。截至2022年10月9日，已接入基坑监测预警平台的1 350个；已上传监测数据的1 336个，占比约98%；上传数据完整的1 286个，占比95%。市、区各监督站在监基坑边坡工程接入监测预警平台情况统计如图8所示。

图8 接入监测预警平台情况统计Fig.8 Statistics of Access to Monitoring and Early Warning Platform

⑶ 监测单位。监测单位人员观看数据统计时，包括工程预警数量统计、项目进度统计、人员信息、该监测单位在监工程台账［9］。监测单位首页界面如图9所示。

图9 监测单位首页界面Fig.9 Home Interface of Monitoring Unit

① 工程预警数据统计。展示该监测单位的正常、超预警未处理、超预警已处理、超预警未处理、超预警已处理的工程数量。预警程度按照等级分为三类等级：第一类是A类警情：个别测点变形或受力超过预警值或复测超时未上传；第二类是B类警情：多个监测项目超预警值或超控制值；第三类是C 类警情：多个监测项目超控制值或变形不稳定。分级预警情况及通知对象图如图10所示。

图10 分级预警情况及通知对象Fig.10 Hierarchical Early Warning and Notification Object

②项目进度统计。展示该监测单位的未开工、深度10 m 以下、深度10～15 m、深度15～20 m、深度20 m以上的项目工程数量。

③人员信息。展示该监测单位下的测量人员、报告编写人员、审核人员、批准人员的数量。

④监测单位在监工程台账。序号、工程名称、施工工况、报警状态、项目类别、报警详情、处理情况、建设单位、施工单位、监督机构、最后一次上传时间和操作。