復雜地質條件下地鐵施工監測管控系統的研究

王 洪 義， 王 曙 光

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

復雜地質條件下地鐵施工監測管控系統的研究

王 洪 義， 王 曙 光

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

復雜地質條件下地鐵施工監測項目種類多、周邊環境復雜、受干擾程度大，往往需要多種監測信息互相印證，相互補充，以判斷工程主體及周邊環境的穩定狀態，指導施工的順利進行。通過對多種監測數據實施綜合管理，使預警判識信息準確、迅速反饋到施工、設計、監理等各部門，為施工保駕護航。

復雜地質條件；地鐵；系統；施工監測

1 概 述

在全國地鐵建設迎來高潮的背景下，地鐵建設的安全尤為重要。但因我國的地鐵建設起步相對較晚，對于施工監測的重要性各個單位的理解不一致，重視程度不夠高，同時缺少專業的施工監測隊伍，從而給地鐵建設帶來較大的安全隱患。因此，對復雜地質條件下地鐵的施工監測進行研究和總結，為今后地鐵施工監測提供相關經驗，并在此情況下研發出一個智能化、信息化程度高的地鐵施工監測管理系統就顯得非常必要。筆者以深圳地鐵7號線為依托，進行了復雜地質條件下的施工監測管控系統研究。

在自動化監測領域，學者們致力于研發集數據采集、管理和分析于一體的綜合監測系統。比如，國外的Ashkan Vaziri等人研究了適用于高邊坡和露天煤礦的自動化監測預警系統并給出了評價監測系統有效性和可靠性指標的方法。V. P.Matveenko等人研究了基于光纖傳感器的地表形變自動化監測系統。國內的貴慧宏、張錦等人研究了自動形變監測系統集成數據庫的設計并在此基礎上開發了基于測量機器人的實時自動化監測和報警軟件。除此之外，武漢大學測繪學院的GeoADMOS系統、解放軍信息工程大學測繪學院的ADMS自動變形監測系統以及瑞士徠卡公司的GeoMoS自動監測系統均屬比較通用型的自動化監測系統，其中尤以徠卡公司的GeoMoS自動監測系統最為成熟。自動化監測系統側重于傳感器的集成控制與實時數據采集，其數據庫僅用于監測系統配置、傳感器參數設置和實時數據入庫，并不支持對其他數據的管理，也不提供或者僅提供較為單一的數據分析模型和方法，用戶往往需要二次開發才能滿足數據分析預測的需要。當項目同時使用多種自動化監測方案時，監測數據庫的分散將會給數據集中管理帶來不便。

在周期性靜態數據管理方面，國內各單位研發了各種監測數據庫管理系統，比如武漢大學的地下工程監測數據庫管理分析系統、同濟大學的基坑工程監測數據庫管理系統、河海大學的地鐵隧道結構變形監測數據管理系統等，這些系統的數據庫只為專門項目設計開發，因此，其在數據管理的通用性方面大打折扣，不能滿足自動化監測數據與非結構化數據的管理需求。

無論是自動化監測系統，還是周期性監測數據庫系統，都只實現了部分監測數據的管理。但大型監測項目數據類型眾多，一個項目可能同時包含實時數據與周期數據以及大量的非結構化數據，這些數據相對分散，從而給數據集中管理帶來不便。未來數據管理應向集成化方向發展，集成化可以解決“數據分散但要求管理集中”這一工程難題。

面對施工監測信息數量龐大、關系復雜的深圳地鐵7號線監測項目，為了能夠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，以“安全第一，預防為主”的安全生產方針為指導，構建施工變形監測數據庫管控系統，將地鐵施工中的監測數據及時存儲、整理、分析、發布，實現工程建設的動態施工和動態管理，為地鐵建設信息化施工提供保證。

2 深圳地鐵7號線監測項目的基本情況

深圳地鐵7號線監測項目工程的需求：監測工程量大、數據繁冗復雜、數據精度要求高、干擾因素多、參與單位多、質量控制及規范化、標準化管理難度大、周圍環境影響大，對工程的質量和工期均提出了更高的要求。特別是施工區地質條件復雜，線路范圍內上覆第四系全新統人工堆積層、沖洪積層、花崗巖殘積層、下伏燕山期花崗巖，主要地層巖性有第四系全新統人工堆積素填土，沖洪積淤泥、淤泥質黏土、粉質黏土、黏土、中砂、粗砂、礫砂、花崗巖殘積礫質黏性土、砂質黏性土以及呈中粗粒結構、塊狀構造的燕山期花崗巖等。鑒于其監測項目多、數據量大，應用傳統的人工方式進行內業數據處理勞動強度大、計算精度達不到要求，從而要求深圳地鐵7號線工程需要一個更高效、質量更高的、集數據內業解算、數據管理、系統權限管理、信息過濾查詢、變形分析計算、預警、變形曲線報表輸出以及對實時數據進行分析功能于一體的軟件，以保證海量數據的分類歸檔存儲和建立內部聯系。

3 該信息系統的設計思想

該系統主要應具有對各種地鐵監測數據的采集處理、管理、應用和分析預警功能。系統設計采用客戶機/服務器計算系統。客戶機/服務器是分布計算的一種，由三部分組成：客戶部分、服務器部分和連接這兩部分的互聯網部分；所有部件操作通過網絡進行。系統中作為服務器的計算機安裝SQL Server 2008數據庫管理系統。SQL Server是專門為客戶機/服務器環境設計并被設計為此結構中的后端服務器角色，其具有管理大量數據的能力。系統運行時的所有數據均存儲在服務器端，SQL服務器與客戶軟件通信，處理數據請求，而且僅返回所要求的數據。SQL Server還同時完成選擇數據鎖定功能，使多個用戶可以同時工作在同一數據集的不同部分。它依靠客戶機部分提供用戶界面和應用處理功能。系統中的SQL Server與前端客戶軟件通過開放數據庫互連(ODEC)進行聯接，系統之所以選用SQLServer是因為其經常運行在一些高性能的計算機上，實際上它是一個軟件包，對硬件并無要求，故其可以運行在不同的硬件配置上，能夠提供很大的靈活性?？蛻魴C主要提供用戶端界面，系統中主要是圖形用戶界面(GUI)?？蛻魴C并不直接訪問大量數據，而是在需要時向服務器發出數據請求。程序客戶端軟件采用Visual Basic6．0開發。

4 該系統結構與具有的功能

基于以上系統基本網絡結構規劃和軟件設計思想，該地鐵施工監測管控系統由“數據處理”、“數據管理”、“工程安全綜合評估”、“工程綜合預警”四個子系統構成(圖1)。在進行數據處理之前，用戶需要登錄軟件，用戶登錄分為兩種模式：第一種模式為本地化模式登錄，第二種為服務器模式登錄。登錄可實現對軟件的管理，若擁有管理員權限的登錄用戶可進行新數據的入庫操作，并可對入庫后的數據進行查看、導出、編輯、刪除等操作；若為一般登陸權限的用戶，則只可對數據庫中已有的數據進行查看、導出等操作，而無法進行外部數據的導入以及對已有數據的編輯和刪除等操作。軟件會記錄使用人員的每一次登錄。系統軟件出現的所有異常和報警信息均會自動加上時間、登錄工作人員用戶名作為標識進行記錄，以方便整個系統的管理糾錯處理。系統具有的主要功能：(1)數據采集。實現各類傳感器實時監測數據的采集和周期數據的采集功能。(2)數據處理。實現實時監測數據預處理以及周期數據的平差處理。(3)數據管理。實現實時監測數據與周期數據的統一入庫綜合管理。(4)數據分析。實現監測數據分析、變形預測評估、工程安全預警等。

4.1 數據采集處理

該系統數據處理內容包括周期性數據采集處理和實時性數據采集處理。周期性數據采集處理包括平面網、高程網、GPS網、三維網數據處理、聯合平差功能；實時性數據采集處理包括粗差剔除、數據轉化、數據優化等功能。

4.2 數據管理

數據管理主要實現對文件及點的管理與數據入庫。數據入庫主要實現點管理。將測點導入指定最終節點中實現對測點的統一管理。文件管理。該系統以結構樹的形式建立文件，分級明確，條理更清晰。項目管理。該功能實現了建立新數據庫并可激活舊數據庫，可查看不同數據庫文件。

圖1 系統結構與功能圖

系統數據管理功能包括系統管理權限、數據分析、數據入庫、信息過濾查詢。

4.3 數據分析及預測

數據分析主要是對實時采集的數據及周期采集的數據進行包括位置圖、位移圖的顯示，計算位移量、數據內插、數據優化、異常定位、預測計算等。主要包括對原始資料的統計分析和邏輯分析。

原始資料的統計分析：包括監測資料奇異值的檢驗與插補、對數據的篩選等內容，其涉及到用數學方法的計算與檢驗。

原始資料的邏輯分析：根據監測點的內在物理意義分析原始實測值的可靠性，主要用于工程監測變形的原始實測值。一般進行以下兩種分析：(1)一致性分析。從時間的關聯性分析連續積累的資料，從變化趨勢上推測其是否具有一致性。主要手段是繪制時間——效應量的過程線圖和原因——效應量的相關圖；(2)相關性分析：從空間的關聯性出發檢查一些內在物理關系的效應量之間的相關性。

4.4 工程綜合預警

通過對監測數據進行分析預測，判斷監測對象的安全狀態和周邊環境的安全狀態。系統內可設置設計及規范允許的相應監測對象的預警值、報警值和控制值，實現三級預警(表1)。當監測數據有異常時，系統會以相應的報警方式將監測信息反饋給系統管理員，實現監測和施工的動態結合。

表1 三級預警標準表

5 系統開發運行環境

服務器端

網絡操作系統：Mircosoft Office 2003/2007/2010

網絡數據庫：Microsoft SQL Server 2005+

客戶端操作系統

Mircosoft?Windows Mobile? Version 5.0

Mircosoft?Windows XP/Vista/Win7及其以上

運行時庫：Mircosoft.Net.Framework 4.0

6 結 語

結合深圳地鐵7號線的監測，綜合多種施工監測數據進行試驗研究，建立并開發了集監測數據采集、處理、管理和預警于一體的城市地鐵監測數據采集處理管控系統，其主要作用體現在以下幾個方面：(1)由分散到集成，減少了人員投入，節約了項目成本；(2)一體化操作模式提高了項目勞動生產效率；(3) 有效的監測信息組織管理為安全提供了保障。通過該系統，實現了監測信息實時反饋，為工程施工和人民的生命財產安全提供了有效保障。

[1] GB/T 8566-2007，信息技術 軟件生存周期過程[S].

[2] 宋力杰.測量平差程序設計[M].北京：國防工業出版社，2009.

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[4] 張正祿．工程測量學[M].武漢：武漢大學出版社，2005.

[U25];U215

B

1001-2184(2017)06-0063-04

2017-10-24

王洪義(1966-)，男，吉林永吉人，工程師，從事施工測量技術與管理工作；

王曙光(1986-)，男，湖北荊門人，助理工程師，從事施工測量技術與管理工作.

李燕輝)