地鐵施工監測信息系統的設計與開發[摘要]目前地鐵施工監測數據的文件管理模式已無法滿足大量監測數據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據庫技術和網絡技術的信息化解決方案,即建立一套以分布式數據庫為數據存儲方式、采用計算機網絡作為傳輸和共享平臺的地鐵施工監測信息系統,讓用戶及時、準確地獲取各施工現場的監測信息。[關鍵詞]地鐵施工;監測;分布式數據庫;信息系統 地鐵大多位于人口稠密的城區,通常周圍有重要的建筑物和地下管網,地鐵施工有可能使其產生位移、沉降和變形,以至遭受破壞,造成嚴重的工程事故。通過施工現場監測數據的分析,可以及時掌握支護結構變位和周圍環境條件的變化,反饋信息以指導施工。因此,現場監測數據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,現場監測數據的管理也存在許多問題[1～3],主要表現在現場監測數據還停留在文件管理模式下。如:監測數據的計算由人工完成,監測報表用Ｗｏｒｄ或Ｅｘｃｅｌ手工制作;導致數據不能共享,查詢困難,降低了工作效率和管理分析水平,而且由于施工現場的設施簡單,環境較差,人員流動性強,監測數據的保存缺乏安全性和可靠性。 隨著信息化技術的發展,以數字化信息為核心的信息系統對土木工程領域原有的設計模式、檢測和監測技術產生了深遠的影響[4]。信息系統的自動化、網絡化、以及分布式數據庫技術[5]為解決現存地鐵監測工作的不足提供了重要途徑。為了能及時對監測對象的狀態、穩定程度和變形進行分析,并能長期安全地保存監測信息,以實現地鐵的信息化施工,本文提出基于分布式數據庫的信息化解決方案,即建立一套以分布式數據庫為數據存儲方式、采用計算機網絡作為傳輸和共享平臺的地鐵施工監測信息系統。它不僅用于分散的、各自獨立的施工現場的監測數據的管理,還對所有監測數據進行集中統一管理和長期保存,讓用戶及時、準確地獲取監測信息,而且還可為以后類似地鐵施工方案設計及規范修改提供數據參考。1 系統的結構設計 在進行地鐵施工時,施工現場需要及時分析處理監測數據,但由于各施工現場的設施簡單,流動性強,不易長期保存監測數據。而地鐵管理單位計算機設備較好,環境穩定,適合統一維護各施工現場的監測數據。根據上述情況,將整個系統分成2個部分:(1) 現場監測系統 現場監測系統布設在地鐵各施工段上,由現場監測人員使用,采集監測數據并將該施工段的概況信息錄入到系統,存儲于本地數據庫,管理分析數據庫中的監測數據,并將其及時傳送到地鐵管理單位。現場監測系統的建立使現場監測人員改變現有的遞送監測報告、數據報表的方式,數據自動遠程傳輸,進一步提高工作效率,實現信息化施工。(2)監測中心管理系統 監測中心管理系統布設在地鐵管理單位,從多個現場監測系統及時收集監測數據,進行集中管理和存儲,實現各施工現場監測數據的對比分析,以及對外發布監測信息,使各類用戶可通過Ｉｎｔｒａｎｅｔ或Ｉｎｔｅｒｎｅｔ方便地檢索查詢所需要的信息。 地鐵施工監測信息系統可以有效地服務于對地鐵施工監測的全面、準確、及時的管理和反饋,并對監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,系統物理結構框架如圖1所示。
2 系統的功能設計2.1現場監測系統功能設計 現場監測系統是一套具有本地數據管理分析功能,同時還具備網絡傳輸功能的傳統Ｗｉｎｄｏｗｓ桌面應用程序。其具體功能模塊如下:(1)數據采集預處理模塊 現場監測系統從監測儀器采集接口自動讀取監測數據,不能自動采集的監測數據,采用人工錄入,并對各種原始數據進行監測值序列的系統誤差檢驗,把含有粗差的監測值定位和剔除。(2)數據管理和預警模塊 把監測數據存入本地數據庫內,由數據庫管理系統管理,實現數據顯示、更新、增刪、查詢、打印等。如果某項監測數據的分析結果超過預定的警戒值,該模塊將自動報警。(3)數據圖形化模塊 該模塊主要完成現場監測點布置圖的繪制,以及各測點沉降過程線圖、水平位移過程線圖等動態顯示。(4)數據預測模塊 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,對測點的監測數據進行分析,以預測該測點狀態變化的趨勢。(5)數據上傳模塊 采用消息隊列技術(ＭＳＭＱ)[6],即使現場監測系統離線或斷線,所有的數據都會被緩存起來,重新連入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ之后,可自動將數據上傳到地鐵管理單位內的數據庫服務器,保證了監測數據傳輸的可靠性和效率。2.2監測中心管理系統功能設計 監測中心管理系統是一個典型的Ｗｅｂ應用程序,系統運行在Ｉｎｔｒａｎｅｔ企業網內部環境中,采用多種網絡技術,可以方便地和其它網絡互聯,充分利用網絡資源,同各現場監測系統進行可靠的數據通訊,提供方便、快捷、全面的數據查詢。其具體功能模塊如下:(1)數據管理和預警模塊 把各現場監測系統上傳的監測數據根據施工現場編號存入服務器的數據庫內,由數據庫管理系統有效地管理監測數據,對數據進行分類、組織、編碼、儲存、檢索和維護,保證數據的完整性、安全性和無冗余性。如果某項監測數據的分析結果超過預定的警戒值,該模塊將自動報警。(2)數據圖形化模塊 該模塊主要完成地鐵各施工現場監測點布置圖的繪制,以及各測點沉降過程線圖、水平位移過程線圖等的動態顯示。(3)數據預測模塊 運用數理統計模型,由人機對話或計算機自動選擇合適的函數,對測點的監測數據進行回歸分析,以預測該測點狀態變化的趨勢。(4)數據發布模塊 基于Ｗｅｂ技術將各施工現場監測信息以網頁形式發布,供相關設計單位和用戶參考,實現監測工作的開放化和透明化。3分布式數據庫設計 分布式數據庫是在分布式管理模式下,每個遠端分部的數據信息存放在本地數據庫內,平時可獨立操作使用,同時定期將本地所有數據信息或匯總數據信息通過遠程通信線路發送到遠程總部,總部接收各個分部發送的數據信息,將其存儲到總部的數據庫服務器中,以滿足總部對數據的分析決策和長期安全保存的需要。根據上述分布式數據庫的特點,把地鐵施工監測信息系統數據庫分成以下兩類:(1) 現場監測數據庫設計 按照地鐵現場施工的方法,把現場監測系統數據庫劃分為3類:①明挖監測數據庫;②暗挖監測數據庫;③盾構監測數據庫。然后在上述3類數據庫中根據監測內容建立相應的測點監測表,如明挖圍護樁墻頂沉降監測表、暗挖拱頂下沉監測表和盾構預制管片凹凸接縫處法向應力監測表,以及本地施工現場概況信息表。現場監測數據庫結構如圖2所示。(2)監測中心數據庫設計 除了上述現場監測數據庫的內容,還要包括各施工現場概況信息表,以及用戶訪問權限信息表,監測中心數據庫結構如圖3所示。4 系統的開發環境和應用平臺4.1系統開發環境 現場監測系統是在ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏＮＥＴ2003開發環境中使用Ｃ++開發的ＷｉｎＦｏｒｍ風格的桌面應用程序,監測數據存儲在Ａｃｃｅｓｓ數據庫中,現場數據上傳使用ＸＭＬ格式的消息隊列。監測中心管理系統則是典型的ＡＳＰ.ＮＥＴＷｅｂ應用程序,使用ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ.ＮＥＴ2003開發,ｗｅｂ服務器軟件使用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＩＩＳ,數據庫使用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＳＱＬＳｅｒｖｅｒ2000。4.2系統應用平臺 現場監測系統安裝在靠近施工現場的計算機上,其系統要求如下:①中文ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＷｉｎｄｏｗｓＸＰ專業版操作系統;②安裝.ＮＥＴＦｒａｍｅｗｏｒｋＤｉｓｔｒｉｂｕｔａｂｌｅ1 1版;③安裝ＭＳＭＱ3 0組件;④能夠訪問Ｉｎｔｅｒｎｅｔ。 監測中心管理系統安裝在地鐵管理單位的專用服務器上,其系統要求如下:①中檔服務器平臺,以專線聯入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網絡,擁有獨立ＩＰ及域名;②中文ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＷｉｎｄｏｗｓＳｅｒｖｅｒ2003操作系統;③安裝.ＮＥＴＦｒａｍｅｗｏｒｋＳＤＫ1 1版;④安裝ＩＩＳ6 0Ｗｅｂ服務器軟件;⑤安裝ＳＱＬＳｅｒｖｅｒ2000數據庫系統。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 熊貓環島區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測信息及時反饋,以便相互配合,并根據監測結果,采取得當措施,保證施工質量安全。本系統開發試運行階段將應用在上述工程中,即分別在兩施工現場設置現場監測系統,而監測中心管理系統設置在設計院。現場監測系統通過各種途徑采集監測數據錄入本地數據庫的同時,經由Ｉｎｔｅｒｎｅｔ發送到設計院的數據庫服務器,數據庫服務器在匯總施工現場數據的同時,又對這些數據進行分類,并加以分析和對比,總結出一些規律和經驗,為監測管理人員和相關設計人員提供幫助。6結語 地鐵施工監測信息系統的實現是地鐵施工監測工作向數字化、信息化、網絡化、高效率管理層次發展的一次飛躍,通過現場監測系統我們能夠及時對監測對象的狀態、穩定程度和變形進行分析,修正設計參數,優化施工工藝,變更施工方法。通過監測中心管理系統我們能夠存放地鐵線路的多個施工現場的監測數據,使其具有更全面的數據對比分析功能,并通過網上信息的發布,讓相關單位和用戶及時、準確地獲取地鐵施工監測信息,為以后地鐵施工及規范修改提供參考。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.盾構隧道信息化施工智能管理系統設計及應用[Ｊ].巖石力學與工程學報,2004,23(增2).[4]羅詞兵.網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.多層分布式數據庫在大壩安全監測系統中的應用[Ｊ].水電能科學,2004,22(3).[6]劉曉華.Ｃ++編程指南[Ｍ].北京:電子工業出版社,2002
2 系統的功能設計2.1現場監測系統功能設計 現場監測系統是一套具有本地數據管理分析功能,同時還具備網絡傳輸功能的傳統Ｗｉｎｄｏｗｓ桌面應用程序。其具體功能模塊如下:(1)數據采集預處理模塊 現場監測系統從監測儀器采集接口自動讀取監測數據,不能自動采集的監測數據,采用人工錄入,并對各種原始數據進行監測值序列的系統誤差檢驗,把含有粗差的監測值定位和剔除。(2)數據管理和預警模塊 把監測數據存入本地數據庫內,由數據庫管理系統管理,實現數據顯示、更新、增刪、查詢、打印等。如果某項監測數據的分析結果超過預定的警戒值,該模塊將自動報警。(3)數據圖形化模塊 該模塊主要完成現場監測點布置圖的繪制,以及各測點沉降過程線圖、水平位移過程線圖等動態顯示。(4)數據預測模塊 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,對測點的監測數據進行分析,以預測該測點狀態變化的趨勢。(5)數據上傳模塊 采用消息隊列技術(ＭＳＭＱ)[6],即使現場監測系統離線或斷線,所有的數據都會被緩存起來,重新連入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ之后,可自動將數據上傳到地鐵管理單位內的數據庫服務器,保證了監測數據傳輸的可靠性和效率。2.2監測中心管理系統功能設計 監測中心管理系統是一個典型的Ｗｅｂ應用程序,系統運行在Ｉｎｔｒａｎｅｔ企業網內部環境中,采用多種網絡技術,可以方便地和其它網絡互聯,充分利用網絡資源,同各現場監測系統進行可靠的數據通訊,提供方便、快捷、全面的數據查詢。其具體功能模塊如下:(1)數據管理和預警模塊 把各現場監測系統上傳的監測數據根據施工現場編號存入服務器的數據庫內,由數據庫管理系統有效地管理監測數據,對數據進行分類、組織、編碼、儲存、檢索和維護,保證數據的完整性、安全性和無冗余性。如果某項監測數據的分析結果超過預定的警戒值,該模塊將自動報警。(2)數據圖形化模塊 該模塊主要完成地鐵各施工現場監測點布置圖的繪制,以及各測點沉降過程線圖、水平位移過程線圖等的動態顯示。(3)數據預測模塊 運用數理統計模型,由人機對話或計算機自動選擇合適的函數,對測點的監測數據進行回歸分析,以預測該測點狀態變化的趨勢。(4)數據發布模塊 基于Ｗｅｂ技術將各施工現場監測信息以網頁形式發布,供相關設計單位和用戶參考,實現監測工作的開放化和透明化。3分布式數據庫設計 分布式數據庫是在分布式管理模式下,每個遠端分部的數據信息存放在本地數據庫內,平時可獨立操作使用,同時定期將本地所有數據信息或匯總數據信息通過遠程通信線路發送到遠程總部,總部接收各個分部發送的數據信息,將其存儲到總部的數據庫服務器中,以滿足總部對數據的分析決策和長期安全保存的需要。根據上述分布式數據庫的特點,把地鐵施工監測信息系統數據庫分成以下兩類:(1) 現場監測數據庫設計 按照地鐵現場施工的方法,把現場監測系統數據庫劃分為3類:①明挖監測數據庫;②暗挖監測數據庫;③盾構監測數據庫。然后在上述3類數據庫中根據監測內容建立相應的測點監測表,如明挖圍護樁墻頂沉降監測表、暗挖拱頂下沉監測表和盾構預制管片凹凸接縫處法向應力監測表,以及本地施工現場概況信息表。現場監測數據庫結構如圖2所示。(2)監測中心數據庫設計 除了上述現場監測數據庫的內容,還要包括各施工現場概況信息表,以及用戶訪問權限信息表,監測中心數據庫結構如圖3所示。4 系統的開發環境和應用平臺4.1系統開發環境 現場監測系統是在ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏＮＥＴ2003開發環境中使用Ｃ++開發的ＷｉｎＦｏｒｍ風格的桌面應用程序,監測數據存儲在Ａｃｃｅｓｓ數據庫中,現場數據上傳使用ＸＭＬ格式的消息隊列。監測中心管理系統則是典型的ＡＳＰ.ＮＥＴＷｅｂ應用程序,使用ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ.ＮＥＴ2003開發,ｗｅｂ服務器軟件使用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＩＩＳ,數據庫使用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＳＱＬＳｅｒｖｅｒ2000。4.2系統應用平臺 現場監測系統安裝在靠近施工現場的計算機上,其系統要求如下:①中文ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＷｉｎｄｏｗｓＸＰ專業版操作系統;②安裝.ＮＥＴＦｒａｍｅｗｏｒｋＤｉｓｔｒｉｂｕｔａｂｌｅ1 1版;③安裝ＭＳＭＱ3 0組件;④能夠訪問Ｉｎｔｅｒｎｅｔ。 監測中心管理系統安裝在地鐵管理單位的專用服務器上,其系統要求如下:①中檔服務器平臺,以專線聯入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網絡,擁有獨立ＩＰ及域名;②中文ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＷｉｎｄｏｗｓＳｅｒｖｅｒ2003操作系統;③安裝.ＮＥＴＦｒａｍｅｗｏｒｋＳＤＫ1 1版;④安裝ＩＩＳ6 0Ｗｅｂ服務器軟件;⑤安裝ＳＱＬＳｅｒｖｅｒ2000數據庫系統。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 熊貓環島區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測信息及時反饋,以便相互配合,并根據監測結果,采取得當措施,保證施工質量安全。本系統開發試運行階段將應用在上述工程中,即分別在兩施工現場設置現場監測系統,而監測中心管理系統設置在設計院。現場監測系統通過各種途徑采集監測數據錄入本地數據庫的同時,經由Ｉｎｔｅｒｎｅｔ發送到設計院的數據庫服務器,數據庫服務器在匯總施工現場數據的同時,又對這些數據進行分類,并加以分析和對比,總結出一些規律和經驗,為監測管理人員和相關設計人員提供幫助。6結語 地鐵施工監測信息系統的實現是地鐵施工監測工作向數字化、信息化、網絡化、高效率管理層次發展的一次飛躍,通過現場監測系統我們能夠及時對監測對象的狀態、穩定程度和變形進行分析,修正設計參數,優化施工工藝,變更施工方法。通過監測中心管理系統我們能夠存放地鐵線路的多個施工現場的監測數據,使其具有更全面的數據對比分析功能,并通過網上信息的發布,讓相關單位和用戶及時、準確地獲取地鐵施工監測信息,為以后地鐵施工及規范修改提供參考。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.盾構隧道信息化施工智能管理系統設計及應用[Ｊ].巖石力學與工程學報,2004,23(增2).[4]羅詞兵.網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.多層分布式數據庫在大壩安全監測系統中的應用[Ｊ].水電能科學,2004,22(3).[6]劉曉華.Ｃ++編程指南[Ｍ].北京:電子工業出版社,2002
