軌道交通監(jiān)測信息化管理系統(tǒng)研發(fā)與運用

羅海風(fēng)，詹顯軍，陳 博

（中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，成都 610000）

進入“十三五”，國內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)尤其是軌道交通建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，為工程管理提供數(shù)據(jù)依據(jù)的監(jiān)控量測也得到迅猛發(fā)展。監(jiān)控量測已然成為信息化施工的重要手段，但監(jiān)測本身并未實現(xiàn)信息化，加之近年來工程管理要求的提升，使得工程參建各方對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性要求也更高，傳統(tǒng)監(jiān)測模式與管理手段的局限性愈發(fā)明顯：（1）現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理繁瑣且耗時長，內(nèi)外業(yè)銜接存在時間差，信息反饋不及時；（2）數(shù)據(jù)分享難，無形中增加了管理成本，且數(shù)據(jù)保存缺乏安全性和可靠性；（3）監(jiān)測單位受各種因素影響，數(shù)據(jù)真實性不能完全保證。隨著智能手機、移動通信、數(shù)據(jù)庫等信息化技術(shù)的發(fā)展與普及，將這些技術(shù)有效融合是突破傳統(tǒng)監(jiān)測瓶頸的途徑。

與公路和鐵路工程相比，城市軌道工程監(jiān)控量測具有一定的特殊性，其涉及監(jiān)控項目多、覆蓋面廣、專業(yè)性強，一旦處理不當社會影響較大。

本文提出的軌道交通監(jiān)測信息化管理系統(tǒng)，以藍牙技術(shù)攻克各類監(jiān)測儀器與手機等智能終端數(shù)據(jù)互通的難題，以4G等移動網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，保證了數(shù)據(jù)的即時性，以數(shù)據(jù)庫技術(shù)為核心對海量數(shù)據(jù)進行處理分析，以地理信息系統(tǒng)（GIS）及圖形處理實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化展示，以XMPP協(xié)議實現(xiàn)消息的即時推送，以二維碼掃碼技術(shù)豐富監(jiān)測成果的獲取方式。通過將多種技術(shù)有效融合，形成了一套集現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、分析處理、遠程監(jiān)控、預(yù)警預(yù)報于一體的監(jiān)測信息化管理系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)設(shè)計理念

1.1　總體目標

（1）實現(xiàn)對施工期間全過程的監(jiān)控，實現(xiàn)工點全覆蓋，保證所有相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)納入信息化管控；

（2）數(shù)據(jù)的真實性是信息化的核心價值，依靠系統(tǒng)避免人為干預(yù)數(shù)據(jù)；

（3）通過系統(tǒng)的過濾和篩選，為作業(yè)層和管理層提供有價值的數(shù)據(jù)，避免人工甄別數(shù)據(jù)耗時耗力、利用率低的缺點；

（4）滿足數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)布即時性的需要；

（5）滿足信息交互的需要，監(jiān)測管理過程其實就是監(jiān)測信息交互閉合處理的過程，監(jiān)測信息化管理系統(tǒng)將為此搭建一個平臺。

1.2　系統(tǒng)定位

系統(tǒng)定位為覆蓋軌道交通監(jiān)測全過程的專業(yè)軟件，系統(tǒng)設(shè)計的主要依據(jù)為《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、《工程測量規(guī)范》等規(guī)范，將標準化的測試流程集成到軟件系統(tǒng)中，按照固定流程嚴格規(guī)范監(jiān)測數(shù)據(jù)采集過程；根據(jù)規(guī)范要求進行預(yù)報警，消除人為瞞報遲報的風(fēng)險；實現(xiàn)對監(jiān)測“采集—運算—處理—分析—預(yù)警—消警”過程的流程化管理。

2　系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)采用.NET開發(fā)平臺和基于B/S與C/S相結(jié)合的技術(shù)構(gòu)架，整體技術(shù)框架穩(wěn)定、可靠、標準，具有實施速度快、維護成本低、擴展性強、支持點對點的實時通信和數(shù)據(jù)集中存儲的優(yōu)勢，不需要配置較高的硬件，在PC Server級服務(wù)器上就能夠很好地運行，有效地降低了總成本。

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器端、客戶端構(gòu)成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　軌道交通監(jiān)測信息化管理系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

（1）數(shù)據(jù)采集端即移動采集端，通過將系統(tǒng)App安裝于手機等智能終端上，通過藍牙實現(xiàn)該手機與監(jiān)測儀器(如全站儀、電子水準儀、測斜儀等)的通信，并將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，采用的是C/S架構(gòu)；

（2）服務(wù)器端負責(zé)接收、存儲數(shù)據(jù)，自動計算分析，判定是否預(yù)警，展示并發(fā)布預(yù)警信息；

（3）客戶端由移動端App與網(wǎng)頁端構(gòu)成，為用戶提供數(shù)據(jù)查詢、分析、預(yù)警查詢與閉合處理、監(jiān)測報告一鍵輸出等功能，采用的是B/S與C/S相結(jié)合的架構(gòu)。

3　系統(tǒng)主要技術(shù)

3.1　藍牙技術(shù)

藍牙是一種短距離無線通信技術(shù)，用于代替物理連接實現(xiàn)數(shù)字設(shè)備間的無線連接。目前，主流手機都具有藍牙通信的功能，而在監(jiān)測中使用的全站儀、電子水準儀等儀器也大都具有藍牙通信功能，沒有藍牙的可以通過外接配制的方法實現(xiàn)，從而解決了手機與儀器數(shù)據(jù)互通的問題。實現(xiàn)步驟如下。

（1）建立無線信道：手機在10 m范圍之內(nèi)發(fā)出連接指令時,便會自動搜索附近開啟藍牙的儀器，并根據(jù)需要主動發(fā)起連接，建立控制信道和數(shù)據(jù)鏈接。

（2）無線實時數(shù)據(jù)傳輸：操作人員只需通過手機App上的功能鍵向儀器發(fā)送一個命令，儀器隨即執(zhí)行測量命令并通過無線串口發(fā)送當前的測量數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)的顯示及本地保存：當接收到數(shù)據(jù)后便可迅速的顯示在手機屏幕上供測量人員分析，并同步儲存至手機內(nèi)存，完成測存功能。

3.2　移動通信技術(shù)

系統(tǒng)借助4G技術(shù)即時將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，得益于近年來4G技術(shù)的成熟與普及，其在通信速度、網(wǎng)絡(luò)頻寬、通信接口、經(jīng)濟性等方面完全滿足數(shù)據(jù)即時上傳下載的需要，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募磿r性。

3.3　數(shù)據(jù)庫技術(shù)

運用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對本系統(tǒng)中海量數(shù)據(jù)進行有效組織與存儲。依靠關(guān)系數(shù)據(jù)庫，管理和挖掘數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行添加、修改、刪除、分類、處理、分析、報表等處理，實現(xiàn)了對監(jiān)測數(shù)據(jù)按監(jiān)測類別、量級大小及權(quán)限進行數(shù)據(jù)管理，避免了數(shù)據(jù)的冗余存儲，從而達到數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)安全以及高效檢索抓取數(shù)據(jù)的最終目的。

3.4　可視化展示

基于GIS及圖形處理實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化展示。如圖2所示，系統(tǒng)將每個工程站點準確位置定位于第三方地圖，點擊即可進入對應(yīng)站點，為達到直觀準確顯示的目的，系統(tǒng)針對每個站點按照設(shè)計圖紙進行直觀化的圖像處理，并對監(jiān)測點進行分類和坐標管理，即每個監(jiān)測點精準定位于站點圖像模型上，在該界面可直觀了解到測點分布、預(yù)警部位相關(guān)聯(lián)測點情況、數(shù)據(jù)詳情等。避免了傳統(tǒng)監(jiān)測找尋測點位置難、獲取數(shù)據(jù)難、相關(guān)聯(lián)性難的缺點。

圖2　監(jiān)測點信息的可視化展示

3.5　即時推送

為實現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警的及時發(fā)布，信息的即時推送必不可少。系統(tǒng)采用XMPP協(xié)議（可擴展消息處理現(xiàn)場協(xié)議）實現(xiàn)信息的即時推送。

XMPP協(xié)議基于XML協(xié)議建立，具有良好的語義完整性和擴展性；協(xié)議基于C/S架構(gòu)但協(xié)議本身不受限制，具有廣泛的適用性；協(xié)議采用TLS作為通信加密方法，安全可靠。因此，利用XMPP協(xié)議實現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警信息的推送，可以達到即時安全且與服務(wù)系統(tǒng)相互獨立的效果。

3.6　二維碼技術(shù)

系統(tǒng)將目前廣泛運用的二維碼掃碼技術(shù)深度集成于本系統(tǒng)，包括：工地現(xiàn)場的二維碼測點標示牌、手機App查詢界面中的二維碼掃碼查詢，如圖3所示。系統(tǒng)為現(xiàn)場每個監(jiān)測點都設(shè)置了獨一無二的二維碼，并以此替換傳統(tǒng)的測點標示方式：（1）規(guī)范了工地現(xiàn)場測點的標示標識；（2）方便App獲取測點數(shù)據(jù)，此舉極大地便利且拓展了監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取方式。

圖3　二維碼監(jiān)測標示牌及掃碼功能

4　系統(tǒng)運用

軌道交通監(jiān)測信息化管理系統(tǒng)運用流程為基礎(chǔ)信息創(chuàng)建→下載數(shù)據(jù)信息至移動采集端（手機）→采集監(jiān)測數(shù)據(jù)→上傳數(shù)據(jù)→系統(tǒng)分析處理數(shù)據(jù)→監(jiān)測成果數(shù)據(jù)或預(yù)警信息推送與查詢→預(yù)警的處理與閉合，通過上述流程實現(xiàn)了監(jiān)測管理的全覆蓋。

4.1　基礎(chǔ)信息創(chuàng)建

主要工作包括：（1）工程樹及人員權(quán)限設(shè)置，按照指揮部—標段項目部—工點逐級創(chuàng)建；（2）工點信息創(chuàng)建，即按照設(shè)計文件錄入和創(chuàng)建工點信息及圖像模型；（3）監(jiān)測項目及測點信息創(chuàng)建，即添加基準點、各類測點并布置于對應(yīng)工點模型上；（4）預(yù)警規(guī)則的創(chuàng)建等。

4.2　下載數(shù)據(jù)信息

該步驟可實現(xiàn)數(shù)據(jù)由服務(wù)器向移動采集端（手機）的傳輸，監(jiān)測單位可通過手機App下載權(quán)限范圍內(nèi)基礎(chǔ)信息和監(jiān)測項目數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)與服務(wù)器數(shù)據(jù)的同步，為數(shù)據(jù)采集奠定基礎(chǔ)。

4.3　采集監(jiān)測數(shù)據(jù)

該步驟有別于傳統(tǒng)監(jiān)測，基于前文提到的藍牙技術(shù)，實現(xiàn)移動采集端（手機）與各類監(jiān)測儀器的連接，監(jiān)測人員在選取對應(yīng)站點和對應(yīng)測試項目后，即可通過手機控制監(jiān)測儀器完成測試和記錄工作，無需人工記錄，施測人員可獨立完成測試工作，每測項可減少監(jiān)測記錄人員一名。應(yīng)用實例如圖4所示。

圖4　采用移動采集端App現(xiàn)場監(jiān)測實例

4.4　監(jiān)測數(shù)據(jù)運算比對

數(shù)據(jù)運算過程較傳統(tǒng)監(jiān)測不同，傳統(tǒng)監(jiān)測用戶需將采集完成數(shù)據(jù)進行手工計算，通常是在現(xiàn)場監(jiān)測傳入內(nèi)業(yè)處理階段后進行；而移動采集端（手機）在獲取數(shù)據(jù)后，通過軟件內(nèi)置功能可實現(xiàn)數(shù)據(jù)計算與分析比對，可直接計算出本次觀測成果，包括成果值、差值，如若出現(xiàn)異常變形，系統(tǒng)會自動提示監(jiān)測人員進行復(fù)核測試，以確保成果的有效性。

4.5　監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳

監(jiān)測人員在采集完數(shù)據(jù)且經(jīng)系統(tǒng)判定無誤后，其可借助4G或WiFi網(wǎng)絡(luò)一鍵上傳至后臺服務(wù)器，由后臺服務(wù)器進行運算處理，并按照系統(tǒng)設(shè)置的管理權(quán)限對數(shù)據(jù)進行分發(fā)；截止該步驟，用戶已能通過移動端（手機）或網(wǎng)頁端獲取成果數(shù)據(jù)，即在現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)束后，監(jiān)測成果已經(jīng)完成，略去傳統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)業(yè)處理及成果報告報送的過程，大幅提高了時效性。

4.6　監(jiān)測預(yù)警

監(jiān)測信息化的核心價值是時效性，而監(jiān)測預(yù)警的判定和及時推送則尤為重要。后臺在接受到數(shù)據(jù)后，除對正常數(shù)據(jù)進行處理分發(fā)外，后臺服務(wù)器會根據(jù)規(guī)范所明確的預(yù)警規(guī)則，對每組數(shù)據(jù)進行判定，如達到警戒值，系統(tǒng)將按照黃橙紅3個預(yù)警等級進行推送，用戶可在現(xiàn)場監(jiān)測完成后第一時間掌握最新預(yù)警情況；用戶也可借助移動端或網(wǎng)頁端進行預(yù)警詳情的查詢，包括預(yù)警等級、里程部位、類別等，如圖5所示。

圖5　監(jiān)測預(yù)警流程示意圖

4.7　監(jiān)測預(yù)警處理及消警

預(yù)警的處理響應(yīng)關(guān)乎工程安全和系統(tǒng)運用的成敗,以昆明軌道交通4號線某工點一紅色預(yù)警的響應(yīng)處理全過程為例：當系統(tǒng)出現(xiàn)紅色預(yù)警后，由施工單位總工登入系統(tǒng)填寫現(xiàn)場施工情況及擬采取的措施；由施工監(jiān)測單位技術(shù)負責(zé)人登入系統(tǒng)填寫需要補充的監(jiān)測說明和現(xiàn)場巡視情況以及擬采取的加密觀測措施；由監(jiān)理單位總監(jiān)代表和指揮部專業(yè)工程師登入系統(tǒng)了解詳情填寫意見，并確定召開現(xiàn)場分析會；參建各方參加現(xiàn)場分析會，并制定對策，施工單位根據(jù)分析會達成的一致意見進行現(xiàn)場處置，并在平臺上更新處置進展和效果；施工監(jiān)測單位對變形進行跟蹤,若變形未得到控制,需填寫相關(guān)建議保持預(yù)警等級不變；若變形趨穩(wěn)，滿足消警條件且各方達成一致意見后，由指揮部工程部專業(yè)工程師對紅色預(yù)警進行平臺消警，即降為綠色(正常狀態(tài))。通過上述流程實現(xiàn)了預(yù)警的閉合管理，較傳統(tǒng)監(jiān)測效率更高且有效避免了信息不對稱的情況。

5　結(jié)束語

軌道交通監(jiān)測信息化管理系統(tǒng)不是單一技術(shù)的簡單疊加，而是根據(jù)軌道交通監(jiān)測的特點，以工程的實際需求為導(dǎo)向，以提升監(jiān)測時效性為目的而設(shè)計研發(fā)的。通過在昆明軌道交通4號線全線近一年的推廣運用，其優(yōu)勢表現(xiàn)為：

（1）系統(tǒng)的引入規(guī)范了監(jiān)測單位的作業(yè)行為，系統(tǒng)內(nèi)置嚴謹?shù)臏y量程序，可引導(dǎo)監(jiān)測人員按照規(guī)范要求完成測試，確保了準確性；數(shù)據(jù)測取方式為藍牙連接設(shè)備進行測取，消除了人為干預(yù)和數(shù)據(jù)造假的可能性，確保了真實性；借助移動通信技術(shù)，數(shù)據(jù)得以第一時間處理與反饋，保證了即時性。

（2）監(jiān)控量測作用得到充分彰顯，系統(tǒng)的運用使監(jiān)控量測信息化落地，對監(jiān)測異常數(shù)據(jù)及時預(yù)警，分級處治，閉合管理，真正發(fā)揮監(jiān)控量測工作的功效，預(yù)防安全事故發(fā)生。

（3）經(jīng)濟效益明顯。針對監(jiān)測作業(yè)層，無紙化監(jiān)測和一鍵報表輸出，減少了監(jiān)測單位的人員成本投入；針對預(yù)警也可及時響應(yīng)，搶占突變事件處理的黃金時間，避免工程事件升級為工程事故，處理得當可節(jié)約成本；針對監(jiān)測管理決策層，系統(tǒng)能真實反映軌道交通建設(shè)過程中結(jié)構(gòu)自身及周邊環(huán)境的真實變形，監(jiān)管人員無需翻閱大量的監(jiān)測報表，通過管理系統(tǒng)就能及時便捷的獲取數(shù)據(jù)，科學(xué)有序地調(diào)整施工參數(shù)，實現(xiàn)施工的動態(tài)管理，節(jié)約施工管理成本。

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