基于GIS的灌注桩施工实时化管理系统

李　强，张　艳

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083)



基于GIS的灌注桩施工实时化管理系统

李强，张艳

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083)

针对传统的灌注桩施工纸质管理的低效率，提出一种基于地理信息系统(GIS)平台的灌注桩管理系统。该系统采用C/S体系结构，由服务器端、双客户端、网络协议拓扑组成。双客户端包含管理端及现场记录端，结合灌注桩施工现场，现场记录端通过网络将信息以数据包形式传输至服务器侦听端进行解析并存入数据库，管理端实时获取灌注桩最新的施工信息，并以可视化形式进行分类表达，归纳得出工程的进度、质量控制等信息。实验结果表明，该系统切实可行，对于工作效率的提高具有显著作用。

灌注桩；GIS；双客户端体系；实时化；网络通信

现代工程灌注桩施工阶段是全部工程的基础，后续的工作往往需要以该阶段积累的数据资料作为依据，以往针对此类信息的收录大部分均采用文字、图纸化的形式，并交由特定的人员进行存档管理。但面对基础建设高速发展的今天，由于大型工程的灌注桩基数庞大，若继续采用这样的人工管理方式，将产生一系列问题：1)管理者从大量的文件资料中获取进度、质量控制、成本控制等信息并实施相关决策将变得异常繁重；2)工程资料的存档、相关人员的衔接变动将给后续交接工作带来挑战；3)大量积累的工程资料并不能有效地进行交融分析，为类似工程的开展提供经验借鉴。

针对上述问题，设计一种有效的灌注桩施工管理系统来替代部分人工管理就成为现代施工管理发展的趋势。基于GIS平台的灌注施工桩管理系统不仅具备GIS对空间数据的获取、存储、传输、分析等优点[1]，而且将传统资料抽象的文字描述转换为对相关灌注桩元素属性的表达，利用属性索引方式避免了在大量桩群中寻找感兴趣桩位的繁琐，再结合空间数据，以可视化方式进行互动，及时将施工信息传递到管理层，为决策提供辅助性依据，从而真正达到管理的科学化[2]。

1　系统结构设计

C/S架构是数据库技术与计算机网络技术结合的产物[3]，它的核心是将一个数据库应用系统剖分为客户端、应用程序、后台服务器三部分，在网络协议下连接应用程序与服务器[4]，这种架构便于多用户下的数据维护及功能模块的扩展。本系统以服务器侦听应用程序为连接纽带，实现管理端与现场端的即时通讯，数据库采用SQL SERVER2008管理系统平台，利用平台提供的标准数据格式实现纸质记录数据的转换存储。系统的基本架构及各端点拓扑关系如图1所示。

图1　灌注桩管理系统架构

1.1客户端

客户端包含两个部分，分别执行不同的功能，管理应用端以PC机形式负责主要的数据、文件管理以及灌注桩的施工二三维可视化。现场记录端则以手持平板为载体负责现场施工数据的即时录入。

管理端应用程序是整个管理系统的中枢平台，担负主要的施工管理工作。手持端主要完成施工现场的数据采集作业，并将采集的数据及时以数据包形式发送到服务器。应用的开发遵循模块化设计，包含的基本功能如图2所示。

图2　客户端功能模块

1.2服务器端

服务器是整个系统运行的中间站，负责数据的接收和发送，并同时对接收到的数据进行解译，存入数据库。服务器安装的侦听应用程序可随时监听上线的客户端，对于上线报道的客户端，开辟通信通道，随时接收并发送相应数据到指定客户端。在接收到数据包后，服务器解析应用程序根据数据包的包头信息对数据进行解析操作，并对解析得到的数据按照规则要求调用相应的存储过程，实现数据入库。

2　重要技术指标实现

对于系统的实现，重要的问题在于各个功能模块之间的无缝衔接，衔接的操作体现在数据的操作上，因此，合理设计各个阶段的数据传输、转换问题是技术处理的关键所在。

2.1数据库设计

合理地施工管理数据库是系统的基础，因此,设计系统的数据库结构是最重要的环节之一。施工管理数据库需要将施工过程中产生的各种资料信息转换为数据库定义的数据格式存储。施工资料信息在数据库中的存储分为两大类:1)各种文件资料，诸如合同、技术设计资料等，需要整体转换为二进制数据存储；2)转换为标准数据格式的资料，这些信息是系统运行的基础。按照施工的先后，一般包括设计信息、测量放样信息、进度信息、灌注质量控制信息等。

数据库平台采用SQL Server2008，系统的管理均以灌注桩的空间定位信息为中心展开，因此，设计好灌注桩的空间定位信息是实现系统运行的核心，系统运行的效率依赖于空间数据的高效利用，而数据的高效利用则依赖于数据的存储类型。SQL Server2008支持两种空间数据类型：Geometry 数据类型和 Geography 数据类型。这两种数据类型在 SQL Server 中都是作为 .NET 公共语言运行 (CLR) 时的数据类型实现的。其中，Geometry数据类型存储平面数据，它符合开放地理空间联盟 (OGC) 的 SQL 简单特征规范[5-6], Geography 数据类型(大地测量)存储诸如 GPS 纬度和经度坐标之类的椭球体(圆形地球)数据。根据灌注桩施工工程区域小、放样要求精度低的特点，可忽略球面对测量的实际影响，设计时均采用投影坐标系统，因此，采用Geometry数据类型来存储灌注桩中心孔位坐标值，既可以实现坐标对的一致存储，又可以将灌注桩的坐标信息以一个属性条件置放于数据库中，优化数据的存储空间。

2.2分类可视化

可视化模块基于ArcGis Engine组件库开发，它是ESRI公司旗下开发的一个精简的可自定义应用程序的嵌入式GIS组件开发库[7-8]。基于此组件，利用施工的地质调查以及设计信息，实现灌注桩的二三维可视化过程。

二维可视化基本思路:获取数据库灌注桩施工信息数据，以灌注桩中心孔位坐标为定位信息，灌注桩施工状态为判别属性，达到使灌注桩按照以二维可视化形式分类显示的目的。

三维可视化基本思路:工程设计阶段的工程地质数据是对施工周边及施工区的有效调研，利用钻孔数据，获取不同土层的厚度信息，并转换为相应土层的临界面高程数据，构建不同的不规则三角网，从而表达出施工区域三维地层信息，最后利用灌注桩设计桩长对桩的二维坐标点进行拉伸处理，从而模拟出灌入施工区域地层下的灌注桩静止状态[4]。

2.3网络通信

网络通讯模块实现客户端与服务器之间的数据通信，客户端发出指令，服务器做出必要回应，根据指令的不同，服务器执行对应的操作功能，形成在线信息的即时回馈。

考虑到服务器与客户端的数据传输，在两者之间必须直接或通过网络建立通信通道，但要实现传输一个数据文件，关键的步骤是：

1)数据源端激活并连接通信通道，同时通知接收端其所在的通信网络。

2)接收端准备接收数据。

3)数据源端的文件传输程序确定在接收端系统上的文件管理程序是否准备接收，并存储要传输的文件。

4)保证双方系统文件数据的格式一致，或者对方可以解译该文件格式并转换为自己所需的文件类型。

要实现上述条件，两个系统之间必须要有高度的合作。为了实现这些复杂的逻辑工作，需要将数据的传输任务分解为若干个子任务，每个子任务单独协调运行。因此，客户端与服务器之间的通信，不是单个模块进行通信，而是模块结构化的集合通信功能的实现。为了实现灌注桩管理系统的良好运行，本文构建了灌注桩施工信息数据传输的协议体系，该协议体系的拓扑关系如图3所示。在该协议体系中，共有4种端点类型：

1)数据库：存储系统文件数据，为系统运行提供数据支持。

2)服务器侦听端点：侦听管理应用端以及现场记录端发来的指令信息或数据包信息，并进行相应的解析操作。

3)管理应用端点：发送相关指令信息，例如询问服务器正在施工的灌注桩信息，服务器接收指令，并从数据库提取灌注桩施工状态，对各类状态灌注桩进行分类统计后，将统计数据发送回管理应用端点。

4)现场记录端点:时刻采集施工中灌注桩数据，例如混凝土用量信息、施工人员信息等。

图3　各端点拓扑关系

2.4数据采集

数据的采集是整个系统运行的起始环节，时刻记录好采集的各类信息数据是灌注桩施工进度、质量安全的保障，也是对于后续工作顺利开展的有利支撑。

数据采集以手持PDA为输入设备，首先预制数据模版，规定各类录入数据的基本格式，将灌注桩施工从施工开始时的桩号、灌注起始时间、灌注混凝土用量、成孔设备、备注等信息按照施工完成的先后序列进行录入，同时构造相应数据包发送到服务器，服务器根据数据包包头信息，解析出数据包包含的数据并存入相应数据表字段。这种即时的发送过程有利于减小数据包容量，使得数据包可以更快地发送到服务器。

为实现采集的数据包能够准确发送到服务器侦听端，并实现数据包在数据库中的分类存储。服务器的指令和信息能够及时完整地发送到相应的客户端，需要定义该数据采集传输的协议体系，根据OSI参考模型划分方法，本文设计的集灌注桩数据采集、传输、存储、操作协议体系如表1所示。

表1　客户端数据传输协议体系

为保证通信质量，设计双网络结构是一种被普遍采用的方案[9]，施工区域由于条件的复杂多变，手持PDA的无线WIFI很容易受到信号强度问题的干扰，因此，引入备用的GPRS网络，保证数据的容错性。即当主网络出现故障或连接不佳时，启用备用网络进行数据传输,该方案在一定程度上大大提高了网络传输的可靠性。

2.5报表图纸输出

报表图纸等的打印属于系统的数据输出，包括数据表导出到Excel、打印Word文档等基本操作。表格数据一般为现场记录的灌注桩施工信息，这些数据的打印需要先读取数据表信息到内存表中，然后再将内存表中数据逐条写入Excel文档中。而word文档一般为保存在数据库中的完整的二进制流文件，下载效率则更为显著便捷。

2.6辅助浏览

灌注桩施工图纸大多为CAD的DWG格式图纸，为了使管理者使用方便，系统嵌入CAD等格式图纸阅览功能。

3　系统验证

本文依据南京市某电影院基坑支护设计为实验背景，以设计院提供的支护桩数据为实验对象，验证了系统的基本功能，经验证，该套管理系统是切实可行的方案，对于实现大规模灌注桩施工的管理具有一定的借鉴意义。图4、图5分别展示了两部分客户端的基本运行界面以及部分功能示例。

图4　灌注桩施工实时化管理界面及数据处理二级界面

图5　手持PDA采集

4　结束语

本文面向工程实际，研究了灌注桩施工实时化的一系列实现过程，包括数据库基本架构的设计；客户端的分类分别主导的各项工作；客户端与服务器的通信机制等主要问题。在研究问题的同时，实现了系统各主要功能模块，为理论问题的研究提供了实际的应用支撑。但由于条件有限，本文对于文中提及的数据传输双信号模式并未展开深入研究，而是借助于PDA自身的网络设置来控制数据的传输途径。因此，在以后的系统完善中主要的研究方向就是找出一条适合施工环境的网络切换模式来提高数据传输的高可靠性。

[1]黄杏元,马劲松.地理信息系统概论[M].北京:高等教育出版社,2008：5-10.

[2]CHENG Min-Yuan, CHEN Jiann-Chyun. Integrating barcode and GIS for monitoring construction progress[J]. Automation in Construction,2002,11:23-24.

[3]邹逸江.客户机/服务器结构的地图数据库系统设计[J].测绘学报,1999(3):255-256.

[4]邓春成,刘先林,叶泽田.客户服务器结构下的三维地形虚拟现实系统研究[J].测绘科学,2003(2): 6-7.

[5]OGC Consortium.Implementation Specification for Geographic information-Simple Feature Access-Part 1: Common Architecture [EB/OL]. http://www.opengeospatial.org/standards/sfs/ 06-103r4.pdf, 2008.

[6]OGC Consortium.Implementation Specification for Geographic information-Simple Feature Access-Part 2: SQL Option [EB/OL]. http://www.opengeospatial.org/standards/sfs /06-104r4.pdf, 2008.

[7]姚旗呐.基于GIS的灌注桩可视化信息管理系统研究[D].南京：南京理工大学,2014：33-34.

[8]芮小平,于雪涛.基于C#语言的ArcGIS Engine开发基础与技巧[M].北京：电子工业出版社,2015：3-10.

[9]杜久升.露天采矿环境下通讯稳定性的空间问题研究及应用[D].北京:中国矿业大学(北京),2013：22-24.

[责任编辑：郝丽英]

Research on real time management system of compresol pile construction based on GIS

LI Qiang,ZHANG Yan

(College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083,China)

In view of the low efficiency of traditional paper management in pile construction, a compresol pile management system is proposed based on geographic information system (GIS) platform. This system adopts C/S architecture, which is composed of the server side, double type client system and the network protocol. The double type client includes management end and site record. In combination with the compresol pile construction site, the information is transmitted to the server listener in the form of data packet through network by the record site, and then stored in the database. The management side obtains the latest construction information of the pile in real time and express in the visual form, then summarizes the information of project progress, quality control and so on, which can provide supplementary basis for decision making. Through the experiment, the system is feasible, and has a significant impact on the improvement of work efficiency.

compresol pile; GIS; double type client system; real time; network communication

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.04.003

2016-04-11

李强(1990-)，男，硕士研究生，研究方向：地理信息系统开发.

P208

A

1671-4679(2016)04-0011-05