巖土工程監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王偉才

（上海地礦工程勘察有限公司，上海 200072）

1 引言

巖土工程監(jiān)測常采用眾多傳感器設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其數(shù)據(jù)采集方法，可歸類到CIM（GIS+BIM+IoT）中的IoT（物聯(lián)網(wǎng)）部分；巖土工程監(jiān)測數(shù)據(jù)反映的是監(jiān)測對象的一種狀態(tài)。數(shù)據(jù)本身既具有信息傳遞及時性的特點(diǎn)，又具有數(shù)據(jù)歷時累積的特點(diǎn)，同時也具有可預(yù)測趨勢的特點(diǎn)。

從數(shù)字城市的角度來說，在建設(shè)階段（施工許可證發(fā)放）開始建庫收錄各個單位工程的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)（狀態(tài)演變數(shù)據(jù)），對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類搜集、長期積累、現(xiàn)實(shí)映射、深度挖掘、趨勢預(yù)測。在管理上，其數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性，有助于對建設(shè)活動安全質(zhì)量的認(rèn)識及預(yù)判[1]；在技術(shù)上，長期積累的數(shù)據(jù)，容易形成區(qū)域性經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)。

監(jiān)測數(shù)據(jù)反映和完善了城市建設(shè)全周期的管控?cái)?shù)據(jù)的內(nèi)涵。GIS 與BIM 建設(shè)完成后，其數(shù)據(jù)并不會有很大程度的更新，而監(jiān)測數(shù)據(jù)是城市的動態(tài)數(shù)據(jù)。因此，對“數(shù)字城市”而言，由管理部門建設(shè)巖土工程監(jiān)測管理系統(tǒng)，具有深刻的社會實(shí)踐意義。

2 系統(tǒng)調(diào)研

通過調(diào)研理清巖土工程監(jiān)測數(shù)據(jù)與CIM 及地質(zhì)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，同時，對行業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及類似系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研。主要包括2 大類。

2.1 為實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測方法，配套的設(shè)備控制系統(tǒng)

（1）全站儀自動化監(jiān)測配套的控制系統(tǒng)有GeoMos、RocMos、SMos 等；（2）聯(lián)通管原理監(jiān)測系統(tǒng)：有電容式、壓力式、激光、磁致式等多種形式，配套軟件主要為測控、通信、計(jì)算、圖件展繪等軟件；（3）三維激光掃描系統(tǒng)因其成本高，監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)單次處理時間較長，通常在低頻次、大范圍的運(yùn)營監(jiān)測中應(yīng)用較多，其配套的軟件主要為處理三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的軟件；（4）以傳感器為基礎(chǔ)的軟件系統(tǒng)包括振弦式、光柵光纖等自動化監(jiān)測的控制系統(tǒng)等。

2.2 以管理為主的監(jiān)測信息系統(tǒng)

目前，以應(yīng)用于建設(shè)單位、監(jiān)測單位、房地產(chǎn)企業(yè)的監(jiān)測管理信息系統(tǒng)居多，應(yīng)用于政府管理部門研發(fā)的巖土工程監(jiān)測管理系統(tǒng)較少，主要有上海等發(fā)達(dá)城市。管理方向的監(jiān)測信息系統(tǒng)，各單位的開發(fā)方向有以下特點(diǎn)：

1）在服務(wù)方向上，系統(tǒng)開發(fā)的導(dǎo)向各有不同。包括：（1）業(yè)主導(dǎo)向，系統(tǒng)開發(fā)主要為適應(yīng)業(yè)主的管理要求、業(yè)務(wù)范圍、管理內(nèi)容；（2）業(yè)務(wù)導(dǎo)向，系統(tǒng)開發(fā)主要圍繞承接業(yè)務(wù)展開，根據(jù)業(yè)務(wù)所需制定系統(tǒng)開發(fā)內(nèi)容；（3）專業(yè)導(dǎo)向，系統(tǒng)開發(fā)主要以巖土工程監(jiān)測專業(yè)內(nèi)容為基礎(chǔ)，進(jìn)行功能開發(fā)。

2）在技術(shù)方向上，差異較大：（1）采用GIS 底圖的方式差異較大；（2）對監(jiān)測點(diǎn)在DLG 上的展繪方式不同；（3）數(shù)據(jù)組織方式差異較大；（4）數(shù)據(jù)驗(yàn)證有分歧；（5）管理深度差異較大；（6）數(shù)據(jù)錄入方式不同；（7）用戶賬戶分配方式不同，等等。

3 需求分析

應(yīng)用于管理部門的巖土工程監(jiān)測管理信息系統(tǒng)，其建設(shè)目標(biāo)主要為監(jiān)管、安全管理、規(guī)范指導(dǎo)、數(shù)據(jù)積累和共享4 個方面；管理涉及的用戶對象主要為管理部門、建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位、監(jiān)測單位。

建設(shè)內(nèi)容以體現(xiàn)管理需求為要點(diǎn)，包括以下幾點(diǎn)：

1）賬戶準(zhǔn)入

賬戶的用戶角色按照用戶對象分為內(nèi)部用戶與外部用戶。主要有以下5 類：系統(tǒng)管理員、（勘察單位）監(jiān)測技術(shù)人員、監(jiān)督管理人員、項(xiàng)目管理人員、系統(tǒng)開發(fā)人員。

2）項(xiàng)目立項(xiàng)

項(xiàng)目設(shè)立的范圍，以體現(xiàn)“大數(shù)據(jù)”特點(diǎn)為目標(biāo)，符合施工許可申領(lǐng)范圍的巖土工程監(jiān)測項(xiàng)目均可納入項(xiàng)目設(shè)立的范圍。一般包括：施工階段，基坑開挖深度＞5 m 的基坑工程；運(yùn)營階段，建筑沉降、綜合管廊、軌道交通等建構(gòu)筑物設(shè)施的運(yùn)營監(jiān)測工程；地面沉降防治監(jiān)測工程。

3）數(shù)據(jù)錄入

巖土工程監(jiān)測數(shù)據(jù)種類較多，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)特點(diǎn)歸類為5類：水平位移數(shù)據(jù)；垂直位移數(shù)據(jù)；距離數(shù)據(jù)（直徑收斂等）；傾斜數(shù)據(jù)；力類數(shù)據(jù)（應(yīng)力、應(yīng)變、力）。

4）過程監(jiān)督

項(xiàng)目立項(xiàng)時，工程建設(shè)的干系人均可在系統(tǒng)中查看項(xiàng)目的實(shí)時工況、進(jìn)度、預(yù)警信息、各監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)變化情況。管理部門可通過系統(tǒng)了解區(qū)域內(nèi)的工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)量化內(nèi)容，對比較重要的預(yù)警及處置情況重點(diǎn)關(guān)注。

5）數(shù)據(jù)發(fā)布

數(shù)據(jù)發(fā)布主要是向不同用戶，按不同權(quán)限，展示、錄入數(shù)據(jù)，達(dá)到及時、共享的目的。展示的方式包括：（1）在GIS 底圖上，插旗、分色、分階段展示全區(qū)域建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)；（2）以DLG圖為基礎(chǔ)，展示各項(xiàng)目細(xì)部的各監(jiān)測點(diǎn)，便于數(shù)據(jù)查詢及圖件展繪；（3）通過系統(tǒng)以報(bào)表形式展示項(xiàng)目各期各時段各監(jiān)測參數(shù)的具體數(shù)據(jù)；（4）通過統(tǒng)計(jì)，顯示各項(xiàng)目的變形極值及具體點(diǎn)位等。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

依據(jù)業(yè)務(wù)流及監(jiān)測管理的特點(diǎn)，巖土工程監(jiān)測管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層及技術(shù)層。應(yīng)用層主要利用前端Web 頁面與用戶的交互，開發(fā)具體的客戶端應(yīng)用功能；數(shù)據(jù)層主要通過NHibernate 數(shù)據(jù)持久層框架[2]實(shí)現(xiàn)前端與數(shù)據(jù)庫之間的映射、持久化及訪問；技術(shù)層主要為建立數(shù)據(jù)分類體系、數(shù)據(jù)錄入模板、與傳感器控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口以及存儲備份。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)以監(jiān)測信息為數(shù)據(jù)支撐，以設(shè)定的控制值作為預(yù)判閾值[3]，基于GIS 的API 接口，將沿線各項(xiàng)目以插旗的方式，分級、分色展示在底圖上，直觀、高效、快速、便捷地獲得沿線各建設(shè)活動的總體安全狀態(tài)。在數(shù)據(jù)支撐方面，通過DLG 獲取各點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，以數(shù)據(jù)、圖表的形式進(jìn)行展示，采用“由淺入深、層層遞進(jìn)”的原則實(shí)現(xiàn)分類查詢、檢索、分析。

4.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

巖土工程監(jiān)測管理系統(tǒng)采用B/S 結(jié)構(gòu)，MVC 程序開發(fā)架構(gòu)，基于面向?qū)ο蟮?NET 進(jìn)行開發(fā)。

1）前端基礎(chǔ)。以edge 或chrome 瀏覽器為前端應(yīng)用基礎(chǔ)，采用HTML5 結(jié)構(gòu)、CSS（樣式）、JS（行為）進(jìn)行前端設(shè)計(jì)；采用天地圖作為GIS 底圖，展示項(xiàng)目分布及總覽；采用DLG 數(shù)據(jù)線畫圖進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)展示，DLG 圖確定了各點(diǎn)的精確位置信息，用戶交互時，可通過選擇DLG 圖中的各監(jiān)測點(diǎn)，查詢其數(shù)據(jù)。

2）持久化采用NHibernate 框架。（1）創(chuàng)建存儲過程，建立*.cmt；（2）編制映射文件，建立持久化類和數(shù)據(jù)庫表的對應(yīng)關(guān)系，建立*.hbm.xml；（3）添加數(shù)據(jù)訪問層，編寫*.cs。

3）數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2012。其中空間數(shù)據(jù)庫用于存儲建設(shè)項(xiàng)目的地圖坐標(biāo)、插旗坐標(biāo)等；現(xiàn)勢數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)與用戶交互的當(dāng)前信息庫；歷史數(shù)據(jù)庫：滿足歸檔、停測條件的項(xiàng)目，將該項(xiàng)目數(shù)據(jù)從現(xiàn)勢數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)移至歷史數(shù)據(jù)庫，以降低現(xiàn)勢庫的負(fù)荷；檢索數(shù)據(jù)庫主要用于與CIS 及其他巖土信息系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互，由開發(fā)人使用。

4）檢索庫API，通過對單個監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)、所屬項(xiàng)目、分類等屬性及方法進(jìn)行封裝，便于將監(jiān)測數(shù)據(jù)疊加在GIS、BIM等系統(tǒng)中展示。

5）軟件架構(gòu)。采用MVC(Model、View、Control)軟件架構(gòu)模式，實(shí)現(xiàn)表示層Web、業(yè)務(wù)邏輯層BLL、數(shù)據(jù)訪問層DAL 的3 層架構(gòu)[4，5]。

4.3 系統(tǒng)功能

根據(jù)數(shù)據(jù)錄入、監(jiān)管、展示3 塊主要內(nèi)容，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)為總覽頁、系統(tǒng)管理、項(xiàng)目監(jiān)管、監(jiān)測信息管理、數(shù)據(jù)錄入5 個模塊。

1）系統(tǒng)管理是對系統(tǒng)用戶、權(quán)限、運(yùn)行日志的管理。內(nèi)部用戶一般為管理部門內(nèi)部人員，是項(xiàng)目監(jiān)管的主體；外部用戶主要為項(xiàng)目的各方干系人、系統(tǒng)菜單管理、系統(tǒng)日志，其中包含外部用戶賬戶審核功能。

2）項(xiàng)目監(jiān)管包括項(xiàng)目管理與項(xiàng)目監(jiān)管。（1）項(xiàng)目管理對所有在建項(xiàng)目和歷史項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)一管理，即項(xiàng)目的增減，項(xiàng)目基礎(chǔ)信息的變更、上傳統(tǒng)計(jì)、項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)等一般功能；（2）項(xiàng)目監(jiān)管包含3 項(xiàng)審核內(nèi)容，分別為項(xiàng)目立項(xiàng)、項(xiàng)目歸檔、停測審核。

3）監(jiān)測信息管理。主要對單個項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)報(bào)警后的及時通知，包括查看項(xiàng)目概況、地理位置、進(jìn)度、工況、監(jiān)測點(diǎn)布置圖、監(jiān)測報(bào)表以及監(jiān)測數(shù)據(jù)折線圖分析等功能。

4）數(shù)據(jù)錄入。主要是將日常監(jiān)測報(bào)表整理成固定格式——EXCEL 文件，經(jīng)基本的邏輯檢驗(yàn)合格后，錄入數(shù)據(jù)庫，并提供數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)錄入主要由單位具有相應(yīng)資質(zhì)的技術(shù)人員錄入，因此，系統(tǒng)不再對數(shù)據(jù)本身的真實(shí)性進(jìn)行驗(yàn)證。

5 與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互業(yè)務(wù)

通過大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累，建立歷史數(shù)據(jù)庫，向上、下游系統(tǒng)（GIS、BIM 等）提供監(jiān)測點(diǎn)檢索方式，共享監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，依據(jù)監(jiān)測點(diǎn)分類信息等，供開發(fā)者調(diào)用監(jiān)測數(shù)據(jù)，并在各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中展示，實(shí)現(xiàn)突破監(jiān)測數(shù)據(jù)“孤島”的目的。

1）與GIS 系統(tǒng)的交互使用。（1）在GIS 底圖上輸入1 點(diǎn)，查找設(shè)定范圍內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)，查看該點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)；（2）按測點(diǎn)類別分別展繪多層展點(diǎn)圖，疊加顯示在GIS 底圖上；（3）將分區(qū)內(nèi)所有監(jiān)測點(diǎn)展繪在監(jiān)測點(diǎn)展點(diǎn)圖層上，將其作為GIS 圖件的疊加圖層進(jìn)行調(diào)用。

2）與BIM 的交互。提供監(jiān)測點(diǎn)檢索方式，共享監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，依據(jù)監(jiān)測點(diǎn)分類信息等，供開發(fā)者調(diào)用監(jiān)測點(diǎn)變形數(shù)據(jù)，生成建構(gòu)筑物的實(shí)時狀態(tài)模型。

3）采用分區(qū)、分幅方式進(jìn)行數(shù)據(jù)格式化。分區(qū)、分幅關(guān)系如圖2 所示。

圖2 分區(qū)、分幅關(guān)系圖

4）分區(qū)、分幅及檢索方式。（1）以轄區(qū)內(nèi)西北角坐標(biāo)至東南角坐標(biāo)為范圍，按5 km×5 km 為1 區(qū)進(jìn)行分區(qū)，同樣，按西北—東南角坐標(biāo)建立正方形分區(qū)格網(wǎng)；（2）對每區(qū)按1∶500 的比例尺，圖幅寬度為50 cm×50 cm 進(jìn)行分幅，同樣，按西北—東南角坐標(biāo)建立正方形分幅格網(wǎng)；（3）在轄區(qū)GIS 底圖上輸入1 點(diǎn)坐標(biāo)，按先檢索所在分區(qū)、再檢索所在分幅、最后按設(shè)定檢索半徑的方式檢索半徑范圍內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)；（4）將檢索到的監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)、項(xiàng)目編號、點(diǎn)號展繪在GIS 底圖上；（5）通過展繪在GIS 底圖上的項(xiàng)目編號、監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)號，查詢該點(diǎn)具體的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

系統(tǒng)的開發(fā)基于廣泛的調(diào)研和需求分析，結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)、上下游系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)及數(shù)據(jù)關(guān)系，開發(fā)了應(yīng)用于城市管理部門的巖土工程監(jiān)測管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用戶準(zhǔn)入、項(xiàng)目立項(xiàng)、過程監(jiān)管、數(shù)據(jù)應(yīng)用等功能，打通了巖土工程監(jiān)測數(shù)據(jù)與GIS、BIM 之間的數(shù)據(jù)壁壘，為管理部門及項(xiàng)目干系人提供巖土監(jiān)測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)分析成果、圖件等的可視化查詢與展示平臺。同時，為建設(shè)具有深度學(xué)習(xí)能力的數(shù)字城市提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有較高的推廣、借鑒價值。