本實用新型涉及一種基于3D激光掃描的地下工程施工快速監(jiān)測預測裝置。

背景技術(shù)：

中國是目前世界上地下空間開發(fā)利用的大國，許多世界矚目的重大地下工程與基礎(chǔ)設施正在規(guī)劃建設之中。相對土木工程其他領(lǐng)域，由于地下結(jié)構(gòu)是修建在天然巖土體中，施工期涉及到巖土體的開挖，其不可預見風險因素更多。施工期通過監(jiān)測可以實時獲取結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境性狀動態(tài)變化的實際信息，因而，監(jiān)測是保證地下工程安全施工的最有效手段之一。

變形監(jiān)測是地下工程施工安全監(jiān)測的重要監(jiān)測項目，傳統(tǒng)變形監(jiān)測手段多數(shù)為單點式監(jiān)測，測點較少，難以監(jiān)測無監(jiān)測點區(qū)域的變形情況，而局部測點一旦破壞嚴重影響監(jiān)測結(jié)果。同時，地下工程監(jiān)測具有大規(guī)模性，傳統(tǒng)監(jiān)測手段難以滿足地下工程施工監(jiān)測要求。

為了保證地下工程施工安全，通常結(jié)合數(shù)值計算方法預測后續(xù)施工變形情況，由于地下工程巖土體參數(shù)難以準確確定，預測結(jié)果與實測結(jié)果相差較大。采用基于監(jiān)測結(jié)果的反演分析方法，在一定程度提高了預測的準確度，但是由于傳統(tǒng)反演分析計算技術(shù)需大量計算時間，且其反演目標參數(shù)為少量孤立的監(jiān)測點數(shù)據(jù)，同樣，難以保證預測結(jié)果的可靠度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種基于3D激光掃描的地下工程施工快速監(jiān)測預測裝置，能夠本實用新型能夠解決采用傳統(tǒng)監(jiān)測手段僅能獲取單點數(shù)據(jù)且可靠性低而不能滿足地下工程施工要求大范圍、快速監(jiān)測技術(shù)難題，并解決傳統(tǒng)反饋分析預測變形耗時且可靠度低等問題，實現(xiàn)施工變形的快速大范圍監(jiān)測、快速高可靠度預測，保證地下工程施工安全。

為解決上述問題，本實用新型提供一種基于3D激光掃描的地下工程施工快速監(jiān)測預測裝置，包括：

設置于一般施工區(qū)的傳感器實時監(jiān)測模塊；

設置于重點施工區(qū)的3D激光掃描實時監(jiān)測模塊；

分別與所述傳感器實時監(jiān)測模塊和3D激光掃描實時監(jiān)測模塊連接的處理器。

進一步的，在上述裝置中，所述處理器與所述傳感器實時監(jiān)測模塊和3D 激光掃描實時監(jiān)測模塊通過無線的方式進行連接。

進一步的，在上述裝置中，所述傳感器實時監(jiān)測模塊的數(shù)量為多個。

進一步的，在上述裝置中，所述3D激光掃描實時監(jiān)測模塊的數(shù)量為多個。

進一步的，在上述裝置中，還包括分別與所述傳感器實時監(jiān)測模塊和3D 激光掃描實時監(jiān)測模塊連接的顯示器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型通過傳感器實時監(jiān)測模塊、3D激光掃描實時監(jiān)測模塊和分別與所述傳感器實時監(jiān)測模塊、3D激光掃描實時監(jiān)測模塊連接的處理器，解決了地下工程傳統(tǒng)單點式監(jiān)測方法存在監(jiān)測范圍小、信息化較低等問題，可大面積、高精度、非接觸地快速獲取地下結(jié)構(gòu)及環(huán)境變形等數(shù)據(jù)，以評估施工安全。

附圖說明

圖1是本實用新型一實施例的基于3D激光掃描的地下工程施工快速監(jiān)測預測裝置的模塊圖；

圖2是本實用新型一實施例的基于3D激光掃描的地下工程施工快速監(jiān)測預測裝置原理圖；

圖3是本實用新型一實施例的基于3D激光掃描的地下工程施工快速監(jiān)測預測流程圖；

圖4是本實用新型一實施例的反演模塊采用優(yōu)化反演程序流程圖。

具體實施方式

為使本實用新型的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步詳細的說明。

如圖1所示，本實用新型提供一種基于3D激光掃描的地下工程施工快速監(jiān)測預測裝置，包括：

設置于一般施工區(qū)的傳感器實時監(jiān)測模塊1，用于對一般施工區(qū)結(jié)構(gòu)本體和周圍環(huán)境的一般變形控制參數(shù)進行實時遠程自動化監(jiān)測、采集和傳輸；

設置于重點施工區(qū)的3D激光掃描實時監(jiān)測模塊2；設置于重點施工區(qū)的3D 激光掃描實時監(jiān)測模塊，用于對重點施工區(qū)大范圍結(jié)構(gòu)本體和周圍環(huán)境的重點變形控制參數(shù)進行實時遠程自動化快速監(jiān)測、采集和傳輸；在此，3D激光掃描技術(shù)是利用激光雷達探測和測距技術(shù)的全新技術(shù)手段，采用該技術(shù)可大面積、高精度、非接觸地快速獲取被測對象表面的三維坐標點云數(shù)據(jù)；

分別與所述傳感器實時監(jiān)測模塊和3D激光掃描實時監(jiān)測模塊連接的處理器3，解決了地下工程傳統(tǒng)單點式監(jiān)測方法存在監(jiān)測范圍小、信息化較低等問題，可大面積、高精度、非接觸地快速獲取地下結(jié)構(gòu)及環(huán)境變形等數(shù)據(jù)，以評估施工安全。

優(yōu)選的，所述處理器與所述傳感器實時監(jiān)測模塊和3D激光掃描實時監(jiān)測模塊通過無線的方式進行連接，從而更快速高效地傳輸數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，所述傳感器實時監(jiān)測模塊的數(shù)量為多個，從而能更精確地采集一般施工區(qū)的數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，所述3D激光掃描實時監(jiān)測模塊的數(shù)量為多個，從而能更精確地采集重點施工區(qū)的數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，還包括分別與所述傳感器實時監(jiān)測模塊和3D激光掃描實時監(jiān)測模塊連接的顯示器，用于對采集到的數(shù)據(jù)進行顯示。

如圖2和3所示，所述處理器，包括：

與所述傳感器實時監(jiān)測模塊連接的基于單點數(shù)據(jù)目標函數(shù)反演模塊，用于基于所監(jiān)測的單點數(shù)據(jù)目標函數(shù)對所述一般變形控制參數(shù)進行反演分析計算，獲取地下工程巖土體分層分區(qū)的均勻分布等效土性參數(shù)；

與所述目標函數(shù)反演模塊連接的基于反演結(jié)果的正分析預測模塊，用于對均勻分布等效土性參數(shù)進行正分析數(shù)值計算，得到所述一般施工區(qū)的后續(xù)施工期結(jié)構(gòu)本體和周圍環(huán)境變形的一般預測控制參數(shù)；在此，可通過一常規(guī)計算技術(shù)模塊為基于單點數(shù)據(jù)目標函數(shù)反演模塊和基于反演結(jié)果的正分析預測模塊及施工前整體模型計算提供反演分析和正分析的數(shù)值計算平臺；

與所述3D激光掃描實時監(jiān)測模塊連接的基于點云數(shù)據(jù)目標函數(shù)反演模塊，用于基于所監(jiān)測的大范圍點云數(shù)據(jù)目標函數(shù)對所述重點變形控制參數(shù)進行反演分析計算，獲取地下工程巖土體分層分區(qū)的非均勻分布等效土性參數(shù)；

與所述基于點云數(shù)據(jù)目標函數(shù)反演模塊連接的基于反演結(jié)果的高精度預測模塊，用于對所述非均勻分布等效土性參數(shù)進行正分析數(shù)值計算，得到重點施工區(qū)后續(xù)施工期結(jié)構(gòu)本體和周圍環(huán)境的重點預測控制參數(shù)。在此，可通過一高性能計算技術(shù)模塊所述基于點云數(shù)據(jù)目標函數(shù)反演模塊和基于反演結(jié)果的高精度預測模塊提供反演分析和正分析的快速數(shù)值計算平臺。本實用新型能夠解決采用傳統(tǒng)監(jiān)測手段僅能獲取單點數(shù)據(jù)且可靠性低而不能滿足地下工程施工要求大范圍、快速監(jiān)測技術(shù)難題，并解決傳統(tǒng)反饋分析預測變形耗時且可靠度低等問題，實現(xiàn)施工變形的快速大范圍監(jiān)測、快速高可靠度預測，保證地下工程施工安全。

優(yōu)選的，所述顯示器包括：

與所述傳感器實時監(jiān)測模塊連接的離散數(shù)據(jù)采集分析3D可視化模塊，用于對所采集的相對孤立離散的所述一般變形控制參數(shù)進行插值，對插值后的一般變形控制參數(shù)進行3D可視化云圖顯示。

優(yōu)選的，所述顯示器包括：

與所述3D激光掃描實時監(jiān)測模塊連接的點云數(shù)據(jù)采集分析3D可視化模塊，用于對所采集的所述重點變形控制參數(shù)進行3D可視化云圖顯示。

優(yōu)選的，所述處理器還包括：

與所述基于反演結(jié)果的正分析預測模塊和基于反演結(jié)果的高精度預測模塊連接的3D云圖自動預警模塊，用于根據(jù)所述一般預測控制參數(shù)和重點預測控制參數(shù)預測整個施工區(qū)的數(shù)據(jù)變化，并將所述數(shù)據(jù)變化以3D云圖展示，對數(shù)據(jù)變化較大的區(qū)域進行自動預警，以此保證地下工程整個施工區(qū)安全。

如圖2和3所示，上述基于3D激光掃描的地下工程施工快速監(jiān)測預測裝置有使用方法，包括：

地下工程施工前，建立整個施工區(qū)3D模型，進行數(shù)值分析計算，根據(jù)計算結(jié)果將施工擾動變化較小的區(qū)域劃分為一般施工區(qū)，將施工擾動變化較大及重點保護區(qū)劃分為重點施工區(qū)；

對所述一般施工區(qū)采用常規(guī)傳感器實時監(jiān)測模塊，對一般施工區(qū)結(jié)構(gòu)本體和周圍環(huán)境的一般變形控制參數(shù)數(shù)據(jù)進行實時遠程自動化監(jiān)測、采集和傳輸；從而獲取該工況該區(qū)離散監(jiān)測數(shù)據(jù)；

在重點施工區(qū)采用3D激光掃描實時監(jiān)測模塊，對重點施工區(qū)大范圍結(jié)構(gòu)本體和周圍環(huán)境的重點變形控制參數(shù)數(shù)據(jù)進行實時遠程自動化監(jiān)測、采集和傳輸；從而快速獲取該區(qū)大范圍點云數(shù)據(jù)；

與所述傳感器實時監(jiān)測模塊連接的基于單點數(shù)據(jù)目標函數(shù)反演模塊，基于所監(jiān)測的單點數(shù)據(jù)目標函數(shù)對所述一般變形控制參數(shù)進行反演分析計算，獲取地下工程巖土體分層分區(qū)的均勻分布等效土性參數(shù)；

與所述目標函數(shù)反演模塊連接的基于反演結(jié)果的正分析預測模塊，對均勻分布等效土性參數(shù)進行正分析數(shù)值計算，得到所述一般施工區(qū)的后續(xù)施工期結(jié)構(gòu)本體和周圍環(huán)境變形的一般預測控制參數(shù)；

與所述3D激光掃描實時監(jiān)測模塊連接的基于點云數(shù)據(jù)目標函數(shù)反演模塊，基于所監(jiān)測的大范圍點云數(shù)據(jù)目標函數(shù)對所述重點變形控制參數(shù)進行反演分析計算，獲取地下工程巖土體分層分區(qū)的非均勻分布等效土性參數(shù)；

與所述基于點云數(shù)據(jù)目標函數(shù)反演模塊連接的基于反演結(jié)果的高精度預測模塊，對所述非均勻分布等效土性參數(shù)進行正分析數(shù)值計算，得到重點施工區(qū)后續(xù)施工期結(jié)構(gòu)本體和周圍環(huán)境的重點預測控制參數(shù)。在此，一般施工區(qū)采用常規(guī)計算技術(shù)模塊和基于單點數(shù)據(jù)目標函數(shù)反演模塊進行反演分析計算，獲取當前工況下該區(qū)域地下工程巖土體分層分區(qū)的均勻分布等效土性參數(shù)；同時，在重點施工區(qū)采用高性能計算技術(shù)模塊和基于點云數(shù)據(jù)目標函數(shù)反演模塊，進行基于大范圍點云數(shù)據(jù)目標函數(shù)反演分析計算，獲取當前工況下該區(qū)域地下工程巖土體分層分區(qū)的非均勻分布土性參數(shù)。接著，一般施工區(qū)采用基于反演結(jié)果的正分析預測模塊，進行正分析數(shù)值計算，實現(xiàn)該區(qū)下一工況下結(jié)構(gòu)本體和周圍環(huán)境變形等控制參數(shù)的預測；重點施工區(qū)采用基于反演結(jié)果的高精度預測模塊，進行正分析數(shù)值計算，實現(xiàn)該區(qū)下一工況下結(jié)構(gòu)本體和周圍環(huán)境變形等控制參數(shù)的高精度預測。

優(yōu)選的，對一般施工區(qū)結(jié)構(gòu)本體和周圍環(huán)境的一般變形控制參數(shù)數(shù)據(jù)進行實時遠程自動化監(jiān)測、采集和傳輸?shù)牟襟E之后，還包括：

與所述傳感器實時監(jiān)測模塊連接的離散數(shù)據(jù)采集分析3D可視化模塊，對所采集的相對孤立離散的所述一般變形控制參數(shù)進行插值，對插值后的一般變形控制參數(shù)進行3D可視化云圖顯示。在此，對一般施工區(qū)所采集的相對孤立離散數(shù)據(jù)進行插值，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的3D可視化云圖顯示。

優(yōu)選的，對重點施工區(qū)大范圍結(jié)構(gòu)本體和周圍環(huán)境的重點變形控制參數(shù)數(shù)據(jù)進行實時遠程自動化監(jiān)測、采集和傳輸?shù)牟襟E之后，還包括：

與所述3D激光掃描實時監(jiān)測模塊連接的點云數(shù)據(jù)采集分析3D可視化模塊，對所采集的所述重點變形控制參數(shù)進行3D可視化云圖顯示。在此，對重點施工區(qū)所采集的大范圍點云監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的3D可視化云圖顯示。

優(yōu)選的，得到重點施工區(qū)后續(xù)施工期結(jié)構(gòu)本體和周圍環(huán)境的重點預測控制參數(shù)之后，還包括：

與所述基于反演結(jié)果的正分析預測模塊和基于反演結(jié)果的高精度預測模塊連接的3D云圖自動預警模塊，根據(jù)所述一般預測控制參數(shù)和重點預測控制參數(shù)預測整個施工區(qū)的數(shù)據(jù)變化，并將所述數(shù)據(jù)變化以3D云圖展示，對數(shù)據(jù)變化較大的區(qū)域進行自動預警，以此保證地下工程整個施工區(qū)安全。在此，采用3D 云圖自動預警模塊，預測下一工況下整個施工區(qū)的數(shù)據(jù)變化，數(shù)據(jù)以3D云圖展示，數(shù)據(jù)變化較大的區(qū)域自動預警，以此保證該工程地下工程整個施工區(qū)安全。類似地，可以重復上述步驟進行每一下一施工工況的反演分析計算，進行監(jiān)測預測，保證整個施工期安全施工。

實施例：某大型地下綜合體基坑項目，施工面積達到17萬m2，為保證基坑施工過程安全擬采用所開發(fā)的裝置，進行監(jiān)測預測。常規(guī)傳感器實時監(jiān)測模塊主要包括：測斜等自動化無線傳感器裝置及采集傳輸設備、遠程監(jiān)控管理平臺；離散數(shù)據(jù)采集分析3D可視化模塊主要包括：數(shù)據(jù)插值算法子程序和可視化顯示平臺；常規(guī)計算技術(shù)模塊主要采用內(nèi)存為128G，CPU為E5-2697v2(12 核CPU并行)的服務器；基于單點數(shù)據(jù)目標函數(shù)反演模塊，采用優(yōu)化反演方法，其原理圖見圖4，目標函數(shù)F(X)為傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)；基于反演結(jié)果的正分析預測模塊，主要為分層分區(qū)均勻分布等效土性參數(shù)、有限元計算分析程序和基坑計算模型。3D激光掃描實時監(jiān)測模塊，采用FOCUS 3D X330掃描儀和數(shù)據(jù)處理軟件；點云數(shù)據(jù)采集分析3D可視化模塊，主要為點云數(shù)據(jù)處理子程序和可視化顯示平臺；高性能計算技術(shù)模塊主要采用內(nèi)存為1.5TB多計算計算刀片的claster；基于點云數(shù)據(jù)目標函數(shù)反演模塊采用優(yōu)化反演方法，其原理圖見圖4，目標函數(shù)F(X)為點云數(shù)據(jù)；基于反演結(jié)果的高精度預測模塊，主要為分層分區(qū)非均勻分布土性參數(shù)、有限元計算分析程序和基坑計算模型。3D 云圖自動預警模塊主要包括預測結(jié)果3D云圖顯示平臺和自動預警計算子程序。

實施例說明：其中基于點云數(shù)據(jù)目標函數(shù)反演模塊不局限于優(yōu)化反演方法，還可使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、粒子群算法等方法。

綜上所述，本實用新型通過傳感器實時監(jiān)測模塊、3D激光掃描實時監(jiān)測模塊和分別與所述傳感器實時監(jiān)測模塊、3D激光掃描實時監(jiān)測模塊連接的處理器，解決了地下工程傳統(tǒng)單點式監(jiān)測方法存在監(jiān)測范圍小、信息化較低等問題，可大面積、高精度、非接觸地快速獲取地下結(jié)構(gòu)及環(huán)境變形等數(shù)據(jù)，以評估施工安全，并可解決傳統(tǒng)地下工程監(jiān)測反演分析預測方法計算效率低、預測可靠度不高等問題，可快速高精度的預測后續(xù)施工安全。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬于本實用新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本實用新型也意圖包括這些改動和變型在內(nèi)。