地鐵施工監(jiān)測信息系統(tǒng)的設計與開發(fā)[摘要]目前地鐵施工監(jiān)測數(shù)據(jù)的文件管理模式已無法滿足大量監(jiān)測數(shù)據(jù)快速分析和長期安全保存的要求。本文提出了基于分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的信息化解決方案,即建立一套以分布式數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)存儲方式、采用計算機網(wǎng)絡作為傳輸和共享平臺的地鐵施工監(jiān)測信息系統(tǒng),讓用戶及時、準確地獲取各施工現(xiàn)場的監(jiān)測信息。[關鍵詞]地鐵施工;監(jiān)測;分布式數(shù)據(jù)庫;信息系統(tǒng) 地鐵大多位于人口稠密的城區(qū),通常周圍有重要的建筑物和地下管網(wǎng),地鐵施工有可能使其產(chǎn)生位移、沉降和變形,以至遭受破壞,造成嚴重的工程事故。通過施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,可以及時掌握支護結(jié)構(gòu)變位和周圍環(huán)境條件的變化,反饋信息以指導施工。因此,現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時分析和保存在地鐵施工過程中具有特別重要的意義。然而,現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理也存在許多問題[1～3],主要表現(xiàn)在現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)還停留在文件管理模式下。如:監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算由人工完成,監(jiān)測報表用Ｗｏｒｄ或Ｅｘｃｅｌ手工制作;導致數(shù)據(jù)不能共享,查詢困難,降低了工作效率和管理分析水平,而且由于施工現(xiàn)場的設施簡單,環(huán)境較差,人員流動性強,監(jiān)測數(shù)據(jù)的保存缺乏安全性和可靠性。 隨著信息化技術(shù)的發(fā)展,以數(shù)字化信息為核心的信息系統(tǒng)對土木工程領域原有的設計模式、檢測和監(jiān)測技術(shù)產(chǎn)生了深遠的影響[4]。信息系統(tǒng)的自動化、網(wǎng)絡化、以及分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)[5]為解決現(xiàn)存地鐵監(jiān)測工作的不足提供了重要途徑。為了能及時對監(jiān)測對象的狀態(tài)、穩(wěn)定程度和變形進行分析,并能長期安全地保存監(jiān)測信息,以實現(xiàn)地鐵的信息化施工,本文提出基于分布式數(shù)據(jù)庫的信息化解決方案,即建立一套以分布式數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)存儲方式、采用計算機網(wǎng)絡作為傳輸和共享平臺的地鐵施工監(jiān)測信息系統(tǒng)。它不僅用于分散的、各自獨立的施工現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理,還對所有監(jiān)測數(shù)據(jù)進行集中統(tǒng)一管理和長期保存,讓用戶及時、準確地獲取監(jiān)測信息,而且還可為以后類似地鐵施工方案設計及規(guī)范修改提供數(shù)據(jù)參考。1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計 在進行地鐵施工時,施工現(xiàn)場需要及時分析處理監(jiān)測數(shù)據(jù),但由于各施工現(xiàn)場的設施簡單,流動性強,不易長期保存監(jiān)測數(shù)據(jù)。而地鐵管理單位計算機設備較好,環(huán)境穩(wěn)定,適合統(tǒng)一維護各施工現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)上述情況,將整個系統(tǒng)分成2個部分:(1) 現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng) 現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)布設在地鐵各施工段上,由現(xiàn)場監(jiān)測人員使用,采集監(jiān)測數(shù)據(jù)并將該施工段的概況信息錄入到系統(tǒng),存儲于本地數(shù)據(jù)庫,管理分析數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測數(shù)據(jù),并將其及時傳送到地鐵管理單位。現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的建立使現(xiàn)場監(jiān)測人員改變現(xiàn)有的遞送監(jiān)測報告、數(shù)據(jù)報表的方式,數(shù)據(jù)自動遠程傳輸,進一步提高工作效率,實現(xiàn)信息化施工。(2)監(jiān)測中心管理系統(tǒng) 監(jiān)測中心管理系統(tǒng)布設在地鐵管理單位,從多個現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)及時收集監(jiān)測數(shù)據(jù),進行集中管理和存儲,實現(xiàn)各施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析,以及對外發(fā)布監(jiān)測信息,使各類用戶可通過Ｉｎｔｒａｎｅｔ或Ｉｎｔｅｒｎｅｔ方便地檢索查詢所需要的信息。 地鐵施工監(jiān)測信息系統(tǒng)可以有效地服務于對地鐵施工監(jiān)測的全面、準確、及時的管理和反饋,并對監(jiān)測信息進行分析和長期保存,提供信息交流的平臺,提高資源的共享水平,進而在功能上達到縱向信息反饋及時,橫向信息共享,系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。2 系統(tǒng)的功能設計2.1現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)功能設計 現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)是一套具有本地數(shù)據(jù)管理分析功能,同時還具備網(wǎng)絡傳輸功能的傳統(tǒng)Ｗｉｎｄｏｗｓ桌面應用程序。其具體功能模塊如下:(1)數(shù)據(jù)采集預處理模塊 現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)從監(jiān)測儀器采集接口自動讀取監(jiān)測數(shù)據(jù),不能自動采集的監(jiān)測數(shù)據(jù),采用人工錄入,并對各種原始數(shù)據(jù)進行監(jiān)測值序列的系統(tǒng)誤差檢驗,把含有粗差的監(jiān)測值定位和剔除。(2)數(shù)據(jù)管理和預警模塊 把監(jiān)測數(shù)據(jù)存入本地數(shù)據(jù)庫內(nèi),由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理,實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、更新、增刪、查詢、打印等。如果某項監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果超過預定的警戒值,該模塊將自動報警。(3)數(shù)據(jù)圖形化模塊 該模塊主要完成現(xiàn)場監(jiān)測點布置圖的繪制,以及各測點沉降過程線圖、水平位移過程線圖等動態(tài)顯示。(4)數(shù)據(jù)預測模塊 運用時間序列模型和灰色理論模型,由人機對話或計算機自動選擇合適的預測函數(shù),對測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,以預測該測點狀態(tài)變化的趨勢。(5)數(shù)據(jù)上傳模塊 采用消息隊列技術(shù)(ＭＳＭＱ)[6],即使現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)離線或斷線,所有的數(shù)據(jù)都會被緩存起來,重新連入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ之后,可自動將數(shù)據(jù)上傳到地鐵管理單位內(nèi)的數(shù)據(jù)庫服務器,保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托省?.2監(jiān)測中心管理系統(tǒng)功能設計 監(jiān)測中心管理系統(tǒng)是一個典型的Ｗｅｂ應用程序,系統(tǒng)運行在Ｉｎｔｒａｎｅｔ企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部環(huán)境中,采用多種網(wǎng)絡技術(shù),可以方便地和其它網(wǎng)絡互聯(lián),充分利用網(wǎng)絡資源,同各現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)進行可靠的數(shù)據(jù)通訊,提供方便、快捷、全面的數(shù)據(jù)查詢。其具體功能模塊如下:(1)數(shù)據(jù)管理和預警模塊 把各現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)根據(jù)施工現(xiàn)場編號存入服務器的數(shù)據(jù)庫內(nèi),由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有效地管理監(jiān)測數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行分類、組織、編碼、儲存、檢索和維護,保證數(shù)據(jù)的完整性、安全性和無冗余性。如果某項監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果超過預定的警戒值,該模塊將自動報警。(2)數(shù)據(jù)圖形化模塊 該模塊主要完成地鐵各施工現(xiàn)場監(jiān)測點布置圖的繪制,以及各測點沉降過程線圖、水平位移過程線圖等的動態(tài)顯示。(3)數(shù)據(jù)預測模塊 運用數(shù)理統(tǒng)計模型,由人機對話或計算機自動選擇合適的函數(shù),對測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析,以預測該測點狀態(tài)變化的趨勢。(4)數(shù)據(jù)發(fā)布模塊 基于Ｗｅｂ技術(shù)將各施工現(xiàn)場監(jiān)測信息以網(wǎng)頁形式發(fā)布,供相關設計單位和用戶參考,實現(xiàn)監(jiān)測工作的開放化和透明化。3分布式數(shù)據(jù)庫設計 分布式數(shù)據(jù)庫是在分布式管理模式下,每個遠端分部的數(shù)據(jù)信息存放在本地數(shù)據(jù)庫內(nèi),平時可獨立操作使用,同時定期將本地所有數(shù)據(jù)信息或匯總數(shù)據(jù)信息通過遠程通信線路發(fā)送到遠程總部,總部接收各個分部發(fā)送的數(shù)據(jù)信息,將其存儲到總部的數(shù)據(jù)庫服務器中,以滿足總部對數(shù)據(jù)的分析決策和長期安全保存的需要。根據(jù)上述分布式數(shù)據(jù)庫的特點,把地鐵施工監(jiān)測信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分成以下兩類:(1) 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)庫設計 按照地鐵現(xiàn)場施工的方法,把現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫劃分為3類:①明挖監(jiān)測數(shù)據(jù)庫;②暗挖監(jiān)測數(shù)據(jù)庫;③盾構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。然后在上述3類數(shù)據(jù)庫中根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容建立相應的測點監(jiān)測表,如明挖圍護樁墻頂沉降監(jiān)測表、暗挖拱頂下沉監(jiān)測表和盾構(gòu)預制管片凹凸接縫處法向應力監(jiān)測表,以及本地施工現(xiàn)場概況信息表。現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖2所示。(2)監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫設計 除了上述現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容,還要包括各施工現(xiàn)場概況信息表,以及用戶訪問權(quán)限信息表,監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖3所示。4 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和應用平臺4.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)是在ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏＮＥＴ2003開發(fā)環(huán)境中使用Ｃ++開發(fā)的ＷｉｎＦｏｒｍ風格的桌面應用程序,監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在Ａｃｃｅｓｓ數(shù)據(jù)庫中,現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳使用ＸＭＬ格式的消息隊列。監(jiān)測中心管理系統(tǒng)則是典型的ＡＳＰ.ＮＥＴＷｅｂ應用程序,使用ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ.ＮＥＴ2003開發(fā),ｗｅｂ服務器軟件使用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＩＩＳ,數(shù)據(jù)庫使用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＳＱＬＳｅｒｖｅｒ2000。4.2系統(tǒng)應用平臺 現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)安裝在靠近施工現(xiàn)場的計算機上,其系統(tǒng)要求如下:①中文ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＷｉｎｄｏｗｓＸＰ專業(yè)版操作系統(tǒng);②安裝.ＮＥＴＦｒａｍｅｗｏｒｋＤｉｓｔｒｉｂｕｔａｂｌｅ1 1版;③安裝ＭＳＭＱ3 0組件;④能夠訪問Ｉｎｔｅｒｎｅｔ。 監(jiān)測中心管理系統(tǒng)安裝在地鐵管理單位的專用服務器上,其系統(tǒng)要求如下:①中檔服務器平臺,以專線聯(lián)入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網(wǎng)絡,擁有獨立ＩＰ及域名;②中文ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＷｉｎｄｏｗｓＳｅｒｖｅｒ2003操作系統(tǒng);③安裝.ＮＥＴＦｒａｍｅｗｏｒｋＳＤＫ1 1版;④安裝ＩＩＳ6 0Ｗｅｂ服務器軟件;⑤安裝ＳＱＬＳｅｒｖｅｒ2000數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。5 應用實例 北京地鐵4、5、10號線及奧運專線的土建施工幾乎同期進行,其中地鐵5號線雍和宮站和地鐵10號線奧支 熊貓環(huán)島區(qū)間由北京城建設計研究總院設計,為保證工地施工安全,設計院要求施工單位將監(jiān)測信息及時反饋,以便相互配合,并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,采取得當措施,保證施工質(zhì)量安全。本系統(tǒng)開發(fā)試運行階段將應用在上述工程中,即分別在兩施工現(xiàn)場設置現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng),而監(jiān)測中心管理系統(tǒng)設置在設計院。現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)通過各種途徑采集監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入本地數(shù)據(jù)庫的同時,經(jīng)由Ｉｎｔｅｒｎｅｔ發(fā)送到設計院的數(shù)據(jù)庫服務器,數(shù)據(jù)庫服務器在匯總施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)的同時,又對這些數(shù)據(jù)進行分類,并加以分析和對比,總結(jié)出一些規(guī)律和經(jīng)驗,為監(jiān)測管理人員和相關設計人員提供幫助。6結(jié)語 地鐵施工監(jiān)測信息系統(tǒng)的實現(xiàn)是地鐵施工監(jiān)測工作向數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化、高效率管理層次發(fā)展的一次飛躍,通過現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)我們能夠及時對監(jiān)測對象的狀態(tài)、穩(wěn)定程度和變形進行分析,修正設計參數(shù),優(yōu)化施工工藝,變更施工方法。通過監(jiān)測中心管理系統(tǒng)我們能夠存放地鐵線路的多個施工現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù),使其具有更全面的數(shù)據(jù)對比分析功能,并通過網(wǎng)上信息的發(fā)布,讓相關單位和用戶及時、準確地獲取地鐵施工監(jiān)測信息,為以后地鐵施工及規(guī)范修改提供參考。參考文獻:[1]孫玉國.隧道工程信息化管理與施工系統(tǒng)研究[Ｊ].鐵道工程學報,2004,9(3).[2]楊松林,王夢恕.城市地鐵安全施工第三方監(jiān)測的研究與實施[Ｊ].中國安全科學學報,2004,14(10).[3]周文波.盾構(gòu)隧道信息化施工智能管理系統(tǒng)設計及應用[Ｊ].巖石力學與工程學報,2004,23(增2).[4]羅詞兵.網(wǎng)絡時代的土木建筑工程[Ｊ].福州大學學報(自然科學版),2002,30(1) [5]盧兆輝.多層分布式數(shù)據(jù)庫在大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中的應用[Ｊ].水電能科學,2004,22(3).[6]劉曉華.Ｃ++編程指南[Ｍ].北京:電子工業(yè)出版社,2002