GIS技术下天津市深基坑监测信息管理系统的设计与实现

2016-08-10张凤瑞

测绘通报 2016年7期

关键词：信息管理系统深基坑基坑

张凤瑞，张　磊

（天津市津勘岩土工程股份有限公司，天津300191）

GIS技术下天津市深基坑监测信息管理系统的设计与实现

张凤瑞，张磊

（天津市津勘岩土工程股份有限公司，天津300191）

针对天津市深基坑工程质量安全信息化管理的迫切需求，利用GIS及网络视频、Web地图API等技术进行综合设计，开发出了天津市深基坑监测信息管理系统，实现了基坑工程信息管理、监测数据管理、监测数据自动分析与预警提示、监测专业图表曲线的生成、视频实时监控等功能。系统的设计与实现能够使基坑工程相关单位及时、有效、便捷地获得基坑监测信息，同时对天津市建筑工程质量安全监管部门监管工作的信息化开展有着重要意义。

GIS；基坑监测；信息化管理

现代的测绘技术发展已经进入信息化的新局面，信息化的测绘技术在数据获取、数据传输、数据分析和数据管理等方面有着传统测绘技术无法比拟的优势，在国家和地方的发展建设中起到了至关重要的推动和保障作用。

天津市的土质以软土和淤泥质土为主，由于地下土体性质、荷载条件、施工环境的复杂性，仅根据地质勘察资料和室内土工试验参数来确定设计和施工方案，往往含有许多不确定因素。对在施工过程中引发的土体性状、环境、邻近建筑物、地下管线设施变化的监测已成了工程建设必不可少的重要环节，同时也是把握工程质量、指导正确施工的关键，是避免事故发生的必要措施，是一种信息技术。当前，基坑监测与工程的设计、施工同被列为深基坑工程质量保证的三大基本要素。因而基坑工程的质量对天津市的建设发展起着至关重要的作用。

传统的基坑监测中，现场采集测量数据，并进行数据处理和分析后，生成监测日报，然后在24 h后（一般为第二天）交送至建设单位、总包、监理、设计等相关人员处。在此过程中，对大量监测数据的计算、分析、处理容易造成基坑安全风险信息反馈不及时的情况出现，信息传递的延后性会造成工程设计及施工调整不及时，给工程造成安全隐患。

本文利用GIS技术，结合基坑监测的技术指标，设计并建立起一套针对基坑监测安全风险的信息管理系统，在进行科学化管理的同时，能够及时有效地将安全信息提供给指定用户，通过可靠的信息手段保障深基坑工程的安全。

一、目标和任务

天津市深基坑监测信息管理系统的建设目标为:在计算机软硬件支持下，在建立监测项目信息库的基础上，根据基坑监测管理工作的业务流程和具体特点，建立功能全面、性能稳定、操作简便的专业化信息系统，实现基坑监测项目的日常管理，为基坑监测项目的动态实施和信息化管理提供技术保障。

二、系统建设原则

天津市深基坑监测信息管理系统要本着“总体设计、长远考虑、面对应用、近期见效”的指导思想进行开发和建设。

1.一致性原则

在系统建设过程中，以最新技术规程为基础，力求标准化和统一化，使阶段实施与整体规划相一致。

2.实用性原则

监测管理信息系统建设要符合操作简单、界面友好等要求，应具有一定的通用性和针对性，易于项目管理工作人员掌握。

3.安全性原则

由于系统业务数据涉及不同权限的职能部门和角色，为防止系统在运行过程中出现数据丢失、非法修改、添加等情况，保证系统的稳定性和抵抗病毒侵害的能力，必须为系统建立可靠的安全防护措施，使系统具备一定的容错能力和处理突发事件的能力。

4.可扩展性原则

在建设深基坑监测信息管理系统过程中，应使系统具有良好的可扩充性，能够方便将新的应用模块纳入本系统中，在系统容量上具有较好的可扩充性等。

三、系统建设总体设计

1.系统数据库设计

数据库平台建议采用Oracle、SQL Server等大型关系数据库。数据库根据系统应用要求的主要特征，由工程项目信息数据、监测信息数据、公告发布数据及站内交流数据四大部分组成，并建立各部分数据的关联关系，满足系统管理的需求。

2.系统总体结构设计

系统采用浏览器/服务器（B/S）结构，基于Arc-GIS平台进行程序开发。该平台能够为各种管理业务提供灵活的、可扩展的定制支持，以形成相应的计算机业务模型和业务应用系统。系统整体结构如图1所示。

图1　系统整体结构

四、系统主要功能设计

深基坑监测信息管理系统功能涵盖工程项目管理工作的主要日常业务，侧重于基坑监测信息管理功能，包括工程项目基本信息管理、基坑监测信息管理、地图索引、网络视频监控、文档管理、公告发布、站内信息交流等。

1.工程项目基本信息管理

1）工程项目管理模块:为了满足对各个工程的专项化管理，特别设计了工程分类管理模块。在后台数据库设计时进行预分类，能够实现添加、删除、编辑工程项目，上传录入工程概况、水文地质情况、监测重点、监测方案（简化）、参建单位信息、当前工程进度等信息，并且可以查询显示。

2）工程进度管理模块:深基坑的监测过程是一项集空间变化和时间变化于一体的专业工作，同一项目在不同时期的工程安全状态有不同的专业特点，分析并记录工程各个节点的安全状况对于全面掌控工程整体安全有着至关重要的作用。

通过数据库分类设计实现上传录入保存和查询工程各个节点的安全状况记录文件，回溯工程历史节点、各节点的工程安全状况文件，以及基坑风险评估分析和建议等信息。

2.基坑监测信息管理

基坑工程的监测数据量较大，对海量数据进行科学合理的管理和维护是本系统设计的重点内容，因此设计了以下功能模块。

1）监测数据维护模块:以现行基坑监测相关规范为标准，以监测项为条件进行数据库分类设置，内容包含围护结构监测、支撑体系监测、基坑外地下水位监测、基坑周边环境（建筑、道路、管线、地表）保护监测等。基坑监测项目中，再对具体监测项及监测点位进行二次分类管理，能够实现对海量监测数据的分类、批量上传、下载、查询、编辑、删除等管理功能。

2）监测点位分析模块:系统设计采用ArcGIS Server技术进行底图转换，生成矢量化的基坑监测点位图，便于用户进行平移、缩放和定位。上传基坑监测数据后，点击基坑监测点位图上的兴趣点位，即可自动索引并显示该点位的全时段历史数据。

可以设置时间、点位为条件，查询兴趣数据并且生成任意时段点位的“时间-变化量曲线图”，直观地反映本次变化量、累计变化量、变化速率等信息。相关曲线图可通过PDF、JPG、PNG等格式导出，便于报告文档使用。

另外通过点位分类选择树，可直接复选兴趣监测项或监测点位进行自动索引定位并显示特征，通过数据库查询分析技术，能实现数据自动分析并作出安全性判断。特征显示效果为不同颜色标示不同点位安全状态（正常、预警、报警等），给用户以方便、生动、直观的体验感。

3.文档管理

常规的基坑监测工作中，监测单位在当日完成基坑监测工作，次日向工程参建单位提供纸质监测报表，监测数据信息反馈存在着至少1天的滞后性。此外还存在纸张浪费，报表易丢失、保存时间有限、查看条件有限等缺点。

系统设计文档管理模块，通过数据库高速文档服务，能够实现对海量监测报表、监测报告、监测方案、监测图纸、现场图片、视频等文件的电子化保存，并提供用户查询与下载。监测单位在当日将监测数据上传录入系统后，参加单位用户能够即时、随时随地的查阅，确保基坑监测信息反馈及时。

4.公告发布

基坑监测过程中出现的各种重要状况及重要警示信息，在基坑工程监督管理过程中有必要进行郑重的提醒或公示，因此，针对该需求设计了公告发布及风险提示模块。

针对节点险情、基坑事故、基坑报警、监测方法内容不规范通知整改等内容进行公示发布；罗列常见的基坑失稳情况分析，并结合项目监测重点和异常数据进行风险提示。以上信息会推送给各个用户账号信息接收端，同时会在系统首页面风险公告栏进行不间断滚动显示。

5.站内信息交流

基坑工程各个参建单位针对工程项目进行文字及文件的交流、交换意见时需要一个专项性、独立性、保密性的平台。系统设计了站内信模块，能够通过网络邮件技术为系统用户提供站内交流平台，方便各用户之间发送和接收留言（可添加文字、图片、附件），用户登录后能收到邮件提示信息。

6.系统管理

系统后台管理过程中，为满足每个工程项目的相对独立性与数据保密性的需要，特别设计了后台权限管理功能。

1）用户管理:添加、删除用户，并对该用户进行设置，主要是进行角色设置、权限设置和修改密码。修改用户信息包括4部分:用户基本信息、设置密码、权限信息、角色信息。

2）角色管理:添加、删除角色，并对每个角色所拥有的权限进行设置。

3）数据字典:为了保证数据库的统一性、合理性，减少数据冗余，以及规范使用者填写数据，系统提供了数据字典管理功能。

7.地图索引

用户最希望直观得到基坑监测的关键信息，即在什么地点有着什么样的基坑，当前状况如何。针对该用户需求，设计了地图索引模块。

1）采用网络地图API技术，调用主流的开源网络地图服务，地图数据稳定、快速，地图内容定期更新，可以最大限度地保障地图信息的时效性。

2）在系统首页展示工程项目所在地理位置，按照不同的工程状态（未开挖、开挖中、预警、报警等）以不同的颜色区分展示。

3）对于兴趣项目，可以查询并自动定位到相应地理位置进行显示。点击工程项目地图图标，气泡显示工程描述信息，可以了解工程项目的概况；并提供入口，跳转到集成信息展示页面，查看工程详细信息和施工、监测情况。

8.视频监控

系统设计网络视频远程监控功能:通过在线视频传输技术集成开发网络视频的窗口，利用网络摄像头，能够在系统中实现多角度实时监控基坑工程现场的功能。传回工程现场的实时、稳定、连续的影像数据，方便使用者直观地掌握现场状况。

该功能不仅对于工程现场的监管工作有着很好的实用价值，同时对于基坑工程出现险情后的抢险工作也有着十分重要的意义。

五、系统主要功能的开发与实现

1.面向对象开发方法

面向对象的开发是一种以基于真实世界的抽象为基础思考信息系统的方式。它把信息系统的开发（development）定义为整个系统生命周期中的需求获取、分析、设计和实现，而不仅仅只是编写程序。面向对象开发的本质（或核心任务）是识别和组织应用领域中的概念，而不是以一种编程语言最终表达这些概念。

面向对象的开发通常采用基于UML的图示法来表示信息系统建设中所涉及的各类概念。在每个应用系统和数据库建设之前，通过需求获取和系统分析，定义出相应的数据标准或应用模型，接着制定与标准或模型相关的元数据，然后才能进入到设计过程，以增加细节，最后编程实现。面向对象的开发方法从需求获取、分析到设计再到实现使用的是相同的无缝表示法。这样，前一个开发阶段增加的信息就不会在下一阶段中丢失或转化。这就克服了传统面向过程方法各个阶段互相断裂，系统开发前后追踪困难的境况。

2.开发过程

我方采用面向对象的分析设计方法（OOAD），借鉴统一软件开发过程（UP）、微软应用开发与服务框架（MSF），以及ICONIX、XP等开发过程，形成了具有鲜明的自身特色的应用软件开发方法和过程，由总体规划、需求捕获、系统分析、系统设计、编程实现和应用部署等阶段构成。

（1）总体规划

通过信息化总体规划，构思信息化建设的整体图景（vision，或称之为愿景）。针对信息化建设中将要涉及的标准规范、业务体系、应用体系、数据体系、技术体系、安全体系、软硬件基础设施、队伍建设及保障措施等各项建设任务，提出其解决方案（包括其建设内容和建设方法），回答信息化能够解决的业务问题，能够产生的经济、社会效益等。

（2）需求获取

针对某项系统建设任务，由需求调研人员和用户进行充分的沟通，了解用户的建设目标和具体需求，包括系统建设所涉及的业务流程、组织机构、信息化现状、用户工作场景等，最终形成系统的需求模型和需求规格说明书，以用例或功能列表的形式反映系统建设所应提供的内容。

（3）系统分析

在获得需求模型和需求规格说明书的基础上，通过创建分析模型，系统分析人员仔细审批并严格地重新描述来自于系统构思阶段的需求。分析模型有两个部分:领域模型（domain model），描述系统内部反映的真实世界的对象，它是系统数据库设计和架构设计的核心依据；应用模型（application model），描述用户可见的应用系统本身的组成部分，它是系统功能设计和开发的主要来源。

（4）系统设计

开发团体设计出一种高层策略——系统架构（system architecture），用于解决应用程序的问题。

同时，根据系统分析阶段的领域模型，配合系统设计策略，系统设计人员给分析模型添加细节。结合用例分析，系统设计人员提供出类似建筑施工图的详细设计类图。类设计的焦点在于实现每个类的数据结构和算法。

（5）编程实现

实现人员（主要是编程人员）将设计阶段开发的详细类图及其关系（交互图）转换成某种编程语言、数据库或硬件。测试人员则验证实现结果是否符合预期的需求。编程实现应该是简单直接的，因为所有困难的决策都已经完成。

（6）安装部署

在得到一个正确实现的应用系统（包括其数据库）后，需要把它安装部署到具体的应用环境，并为相应的用户提供培训和支持，使其能够正确、顺畅地操作系统建设成果。

（7）维护

应用系统及其数据库在运行过程中，需要有相应的维护，如缺陷的改进、数据的更新、数据备份和恢复等。一个系统能否发挥其最大的效益，相应的维护队伍和维护机制极为关键。

六、结束语

天津市深基坑监测信息管理系统的设计与实现是将现代化WebGIS技术和岩土工程监测相结合的过程。采用面向对象式的设计开发方式，使得系统具有良好的稳定性和用户体验感。网络视频监控功能在深基坑监测信息管理系统中的应用在天津市范围内尚属首例，并且取得了良好的效果。此外，该系统具有很好的可扩展性，能够根据用户需求的增加和变更不断进行优化升级。

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