基于Web的地鐵盾構施工數據管理平臺

吳建波，孫 慶

（中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430064）

0 引言

在城市地鐵及地下綜合管廊的施工過程中，盾構機是最常用的地下隧道挖掘設備。因為地下施工工況復雜，風險大，成本高，每一次地下隧道施工都要記錄詳細的施工數據，作為后續的施工的數據參考和經驗依據。

地鐵施工時，各個區間的施工往往是同時進行的。每個施工區間的盾構司機，測量人員以及盾構機本身的數據采集系統都會記錄下相關的施工數據。目前這些數據的管理非常分散，各項目部之間的數據管理相互獨立；項目部內部，所有工作人員記錄的數據基本以紙質文件，或者分散于多個文件中保存。比如盾構司機填寫的施工日志，每環管片推進參數記錄，測量人員記錄的監測數據等等。這些數據文件相對獨立和分散，不便于查閱和統籌處理分析。盾構機在運行過程中，本身會采集自身所有傳感器的數據并且保存在設備的工控機上，這些數據非常詳細地反映了設備的工作狀態，但這部分數據基本沒有收到關注。

為了分析地鐵盾構法施工過程，首先就是要收集詳細的施工過程數據。人們對這些數據的收集做了大量工作，文[1]實現了對盾構隧道施工中風險信息的記錄、歸檔和統計分析，文[2]建立了一個傳感器網絡來實現隧道工程的自動監測，文[3]針對具體的工程實現了施工數據的收集和多種數據的分析方法，文[4]介紹了一個盾構施工管理信息可視化分析軟件。本文闡述了一種低成本的通過網絡平臺來實現多個項目施工過程數據收集的方法。該平臺部署在云服務器端，可以收集多種的施工數據，包括盾構機采集的傳感器數據，可以多個用戶同時訪問，不需要額外硬件設施，維護工作量少。各項目相關工作人員，定期將其獲得的施工數據上傳到服務器，服務器端將對這些數據分類整理和保存，實現對所有施工數據的集中管理，為盾構的統籌分析提供了堅實的數據支撐。

1 開發軟件環境

該平臺基于Django框架開發，使用MySQL數據庫管理系統[5-8]。前端采用 Bootstrap和 jQuery，數據繪圖采用 Echarts插件，開發完成后使用gunicorn和nginx部署到云服務器。

Django是用Python語言編寫的，廣泛應用的開源web框架之一，自帶后臺管理界面，支持多種數據系統，可方便快速搭建WEB應用。MySQL是最流行的關系型數據庫管理系統之一，支持多種編程語言和各種操作系統。Bootstrap和jQuery是用來快速構建前端web頁面所用到的CSS樣式庫和JS框架。Gunicorn是一個應用廣泛的高性能的 Python WSGI UNIX HTTP服務器，具有使用非常簡單，輕量級的資源消耗，以及高性能等特點。Nginx是一個很強大的高性能Web和反向代理服務器系統架構軟件。

2 系統功能分析

采用盾構法施工時，施工主要有兩個方面：①對施工區域及周邊環境的監測數據；②盾構掘進數據。

施工監測是為了檢驗施工質量和防止施工對周邊環境產生破壞，而對已施工區域及周邊重要建筑物進行測量，這也是隧道施工相關規范要求的必須進行的工作。隧道施工的施工監測類容一般包括：地表沉降，燃氣，房屋，拱頂等。監測點在施工之前標定好，隧道施工時，對施工區域一定范圍內的監測點做定期的測量。測量的周期一般是一天一次。

盾構掘進數據是在隧道掘進過程中產生的數據。包括兩個部分：①盾構機操作工人記錄的數據；②盾構機設備記錄的各種傳感器數值。根據各項目的具體需要，盾構機操作工人記錄的數據也不僅相同，一般包括對施工進度，施工質量，耗材消耗量，施工過程中遇到的問題等方面的描述。其中有一部分的數據是盾構機無法通過傳感器測量，需要進行人工觀測的。這部分數據量也不大，記錄的頻率一般是每掘進一環（1.5米）一次，或一天一次。盾構機在開機情況下會對設備上所有的測量傳感器定時采樣，并把這些數據記錄到系統的數據庫。設備采樣的頻率高，傳感器數量多，因此這部分數據量非常大，但如果不經過合理的數據處理，很難從中觀測到有用的信息。

本系統設計的目的首先是要將這些數據能全部收集并保存下來，并以合理的邏輯結構形式呈現給用戶；其次是集成有效的數據處理方法，從這些數據中提取有用的信息。對于數據量不大的監測數據，可在web頁面上畫出數據的曲線圖；對于數據量非常大的盾構機傳感器數據，提供數據處理方法和完整的原始數據下載鏈接，用戶可以下載到本地機后運用相應的數據處理方法分析數據。

系統架構如圖1所示，用戶通過該平臺的web頁面錄入各種施工數據，后臺收到數據后分類整理保存在數據庫中。用戶需要時，后臺將數據傳遞到前端，在瀏覽器中生成圖形或數據下載鏈接。

3 系統的實現

因為系統需要管理監測數據和隧道掘進兩部分數據，而且這兩部分數據只有少量的數據重疊，這里將它們分開來處理[9-12]。在Django工程中，創建兩個應用，分別管理施工監測數據和隧道掘進數據。

3.1 監測數據管理

以武漢市地鐵 21號線百步亭站-新榮站的實際工程為例。根據測量對象不同，監測數據分地表沉降，周邊房屋沉降，給水，拱頂等類型。不同類型的監測對象，對數據變化量的控制要求也不一樣，這里進行分類處理。所有監測數據的記錄格式基本一致，截取部分地表沉降監測數據如表1所示。

為方便同一個監測測點所有測量數據的讀取，將同一測點的所有測量數據用外鍵連接起來形成一個前向鏈表，這樣在計算監測數據變化速率和累計變化量時將非常方便。充分考慮數據庫設計范式的情況下，施工監測的數據模型設計如表2所示。

表1 地表沉降監測數據Tab.1 Settlement monitoring data

3.2 隧道掘進數據管理

以武漢市地鐵 21號線百步亭站-新榮站的實際工程為例，隧道掘進過程中，盾構操作工人記錄的數據和盾構設備記錄的數據如圖2所示。

為了兼容所有區間的施工記錄，將人工記錄的數據統一為[設備編號，環號，日期，數據內容]，其中數據內容包含了后續所有的數據，而每項數據所代表的具體意義在對應設備的列表中給出。同樣將盾構機記錄的數據統一表示為[設備編號，時間，數據內容]。

隧道掘進數據模型設計如表3所示。

3.3 數據導入和輸出

為方便數據的上傳，所有的數據記錄都通過CSV或Excel表格文件上傳后導入系統數據庫。同樣下載的數據也是表格形式文件。

監測數據的導入模板文件包含多個工作表，每個工作表存放一類監測數據，比如：地表，燃氣，房屋，給水等，分別對應于該區間的監測內容名稱。文件通過前端上傳，后臺程序調用openpyxl庫來讀寫表格文件，檢查數據格式，并將格式正確的數據保存到數據庫。

表2 監測數據表模型Tab.2 Monitoring data model

圖2 隧道掘進數據Fig.2 Tunneling data

表3 隧道掘進數據表模型Tab.3 Tunneling data model

盾構掘進數據的上傳也采用同樣的方式，由于不需要分類，模板文件格式更簡單。

數據下載采用 CSV文件格式，合理的利用模板，用少量的代碼就可以實現數據文件下載。首先編輯 csv模板文件內容為“{{list_contents}}{% for item in records %} {{ item }}{% endfor %}”，其中list_contents為每列數據代表的意義，保存在掘進設備表中，records為選擇的所有數據項；然后在數據模型的中編輯__str__(self)函數，定義好數據的打印格式；最后返回渲染模板函數，并將 content_type設置為" text/csv "，即可生成渲染好的數據文件。

3.4 監測數據繪圖

考慮到監測數據量不大，為了方便用戶查閱，在前端以圖形方式呈現，如圖4所示。Django后臺程序從數據庫中讀取數據，寫入模板文件，結合JS和Echarts插件在前端顯示圖形[13-14]。

4 服務器部署

為了節省項目的硬件成本以及相應的維護成本，這里購買了云服務器來部署該平臺。服務器的操作系統維 Ubuntu 16.04，系統自帶有 Python2和Python3，這里使用Python3運行Django，則需要依次安裝軟件有：pip3，Django，mysql，git，gunicorn,nginx。安裝好之后，按如下步驟部署服務器[15]：

（1）使用 git工具將編寫好的平臺代碼和相關資源文件同步到服務器端的/var/www/目錄下。如果后續對代碼做了修改，也可以用git工具非常方便地更新。

（2）創建Mysql數據庫和對應的用戶，并且與Django工程的setting.py文件中的數據庫設置一致。

（3）安裝Django 項目依賴的python包，對每個app使用makemigrations命令，然后使用migrate命令生產數據庫表格。

（4）配置gunicorn；在Django工程目錄下執行命令gunicorn-b0.0.0.0:8999 dj_project_name.wsgi，執行命令之后，可以在客戶端瀏覽器訪問頁面，訪問地址：服務器 IP(x.x.x.x):8999，但不能訪問圖片，樣式等靜態文件。

（5）配置 nginx；在/etc/nginx/sites-available/新建配置文件，內容如下：

圖3 監測數據的導入模板Fig.3 The import template for monitoring data

圖4 地表沉降曲線圖Fig.4 Surface subsidence curve

編輯好配置文件后，將該文件鏈接到目錄/etc/nginx/sites-enable/，通過命令行檢查nginx配置語法并啟動nginx，就可以在客戶端瀏覽器看到完整的頁面（訪問地址：http://x.x.x.x（服務器IP））。

部署過程中需要注意的兩個問題：①服務器的端口；部署過程中用到了 8999和 http協議默認的80端口，需要開放服務器端的這個兩個端口才能在客戶端瀏覽器正常訪問。②數據庫的字符集；如果需要在數據庫模型中使用了中午字符，需要設置數據庫的字符集為utf8，否則在用migrate命令生成數據庫表時可能出錯。

5 小結

本文介紹了管理地鐵盾構施工過程參數的 web平臺的實現方法，該平臺應用成本低，維護工作量小，可以實現多個盾構施工項目的施工過程參數收集，為盾構施工參數的研究分析提供了堅實的數據基礎，對后續的盾構項目施工具有重大的指導意義。

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