复杂地质条件下地铁施工监测管控系统的研究

王 洪 义， 王 曙 光

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

复杂地质条件下地铁施工监测管控系统的研究

王 洪 义， 王 曙 光

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

复杂地质条件下地铁施工监测项目种类多、周边环境复杂、受干扰程度大，往往需要多种监测信息互相印证，相互补充，以判断工程主体及周边环境的稳定状态，指导施工的顺利进行。通过对多种监测数据实施综合管理，使预警判识信息准确、迅速反馈到施工、设计、监理等各部门，为施工保驾护航。

复杂地质条件；地铁；系统；施工监测

1 概 述

在全国地铁建设迎来高潮的背景下，地铁建设的安全尤为重要。但因我国的地铁建设起步相对较晚，对于施工监测的重要性各个单位的理解不一致，重视程度不够高，同时缺少专业的施工监测队伍，从而给地铁建设带来较大的安全隐患。因此，对复杂地质条件下地铁的施工监测进行研究和总结，为今后地铁施工监测提供相关经验，并在此情况下研发出一个智能化、信息化程度高的地铁施工监测管理系统就显得非常必要。笔者以深圳地铁7号线为依托，进行了复杂地质条件下的施工监测管控系统研究。

在自动化监测领域，学者们致力于研发集数据采集、管理和分析于一体的综合监测系统。比如，国外的Ashkan Vaziri等人研究了适用于高边坡和露天煤矿的自动化监测预警系统并给出了评价监测系统有效性和可靠性指标的方法。V. P.Matveenko等人研究了基于光纤传感器的地表形变自动化监测系统。国内的贵慧宏、张锦等人研究了自动形变监测系统集成数据库的设计并在此基础上开发了基于测量机器人的实时自动化监测和报警软件。除此之外，武汉大学测绘学院的GeoADMOS系统、解放军信息工程大学测绘学院的ADMS自动变形监测系统以及瑞士徕卡公司的GeoMoS自动监测系统均属比较通用型的自动化监测系统，其中尤以徕卡公司的GeoMoS自动监测系统最为成熟。自动化监测系统侧重于传感器的集成控制与实时数据采集，其数据库仅用于监测系统配置、传感器参数设置和实时数据入库，并不支持对其他数据的管理，也不提供或者仅提供较为单一的数据分析模型和方法，用户往往需要二次开发才能满足数据分析预测的需要。当项目同时使用多种自动化监测方案时，监测数据库的分散将会给数据集中管理带来不便。

在周期性静态数据管理方面，国内各单位研发了各种监测数据库管理系统，比如武汉大学的地下工程监测数据库管理分析系统、同济大学的基坑工程监测数据库管理系统、河海大学的地铁隧道结构变形监测数据管理系统等，这些系统的数据库只为专门项目设计开发，因此，其在数据管理的通用性方面大打折扣，不能满足自动化监测数据与非结构化数据的管理需求。

无论是自动化监测系统，还是周期性监测数据库系统，都只实现了部分监测数据的管理。但大型监测项目数据类型众多，一个项目可能同时包含实时数据与周期数据以及大量的非结构化数据，这些数据相对分散，从而给数据集中管理带来不便。未来数据管理应向集成化方向发展，集成化可以解决“数据分散但要求管理集中”这一工程难题。

面对施工监测信息数量庞大、关系复杂的深圳地铁7号线监测项目，为了能够及时对监测对象的状态、稳定程度和变形进行分析，并能长期、安全地保存监测信息以实现地铁的信息化施工，以“安全第一，预防为主”的安全生产方针为指导，构建施工变形监测数据库管控系统，将地铁施工中的监测数据及时存储、整理、分析、发布，实现工程建设的动态施工和动态管理，为地铁建设信息化施工提供保证。

2 深圳地铁7号线监测项目的基本情况

深圳地铁7号线监测项目工程的需求：监测工程量大、数据繁冗复杂、数据精度要求高、干扰因素多、参与单位多、质量控制及规范化、标准化管理难度大、周围环境影响大，对工程的质量和工期均提出了更高的要求。特别是施工区地质条件复杂，线路范围内上覆第四系全新统人工堆积层、冲洪积层、花岗岩残积层、下伏燕山期花岗岩，主要地层岩性有第四系全新统人工堆积素填土，冲洪积淤泥、淤泥质黏土、粉质黏土、黏土、中砂、粗砂、砾砂、花岗岩残积砾质黏性土、砂质黏性土以及呈中粗粒结构、块状构造的燕山期花岗岩等。鉴于其监测项目多、数据量大，应用传统的人工方式进行内业数据处理劳动强度大、计算精度达不到要求，从而要求深圳地铁7号线工程需要一个更高效、质量更高的、集数据内业解算、数据管理、系统权限管理、信息过滤查询、变形分析计算、预警、变形曲线报表输出以及对实时数据进行分析功能于一体的软件，以保证海量数据的分类归档存储和建立内部联系。

3 该信息系统的设计思想

该系统主要应具有对各种地铁监测数据的采集处理、管理、应用和分析预警功能。系统设计采用客户机/服务器计算系统。客户机/服务器是分布计算的一种，由三部分组成：客户部分、服务器部分和连接这两部分的互联网部分；所有部件操作通过网络进行。系统中作为服务器的计算机安装SQL Server 2008数据库管理系统。SQL Server是专门为客户机/服务器环境设计并被设计为此结构中的后端服务器角色，其具有管理大量数据的能力。系统运行时的所有数据均存储在服务器端，SQL服务器与客户软件通信，处理数据请求，而且仅返回所要求的数据。SQL Server还同时完成选择数据锁定功能，使多个用户可以同时工作在同一数据集的不同部分。它依靠客户机部分提供用户界面和应用处理功能。系统中的SQL Server与前端客户软件通过开放数据库互连(ODEC)进行联接，系统之所以选用SQLServer是因为其经常运行在一些高性能的计算机上，实际上它是一个软件包，对硬件并无要求，故其可以运行在不同的硬件配置上，能够提供很大的灵活性。客户机主要提供用户端界面，系统中主要是图形用户界面(GUI)。客户机并不直接访问大量数据，而是在需要时向服务器发出数据请求。程序客户端软件采用Visual Basic6．0开发。

4 该系统结构与具有的功能

基于以上系统基本网络结构规划和软件设计思想，该地铁施工监测管控系统由“数据处理”、“数据管理”、“工程安全综合评估”、“工程综合预警”四个子系统构成(图1)。在进行数据处理之前，用户需要登录软件，用户登录分为两种模式：第一种模式为本地化模式登录，第二种为服务器模式登录。登录可实现对软件的管理，若拥有管理员权限的登录用户可进行新数据的入库操作，并可对入库后的数据进行查看、导出、编辑、删除等操作；若为一般登陆权限的用户，则只可对数据库中已有的数据进行查看、导出等操作，而无法进行外部数据的导入以及对已有数据的编辑和删除等操作。软件会记录使用人员的每一次登录。系统软件出现的所有异常和报警信息均会自动加上时间、登录工作人员用户名作为标识进行记录，以方便整个系统的管理纠错处理。系统具有的主要功能：(1)数据采集。实现各类传感器实时监测数据的采集和周期数据的采集功能。(2)数据处理。实现实时监测数据预处理以及周期数据的平差处理。(3)数据管理。实现实时监测数据与周期数据的统一入库综合管理。(4)数据分析。实现监测数据分析、变形预测评估、工程安全预警等。

4.1 数据采集处理

该系统数据处理内容包括周期性数据采集处理和实时性数据采集处理。周期性数据采集处理包括平面网、高程网、GPS网、三维网数据处理、联合平差功能；实时性数据采集处理包括粗差剔除、数据转化、数据优化等功能。

4.2 数据管理

数据管理主要实现对文件及点的管理与数据入库。数据入库主要实现点管理。将测点导入指定最终节点中实现对测点的统一管理。文件管理。该系统以结构树的形式建立文件，分级明确，条理更清晰。项目管理。该功能实现了建立新数据库并可激活旧数据库，可查看不同数据库文件。

图1 系统结构与功能图

系统数据管理功能包括系统管理权限、数据分析、数据入库、信息过滤查询。

4.3 数据分析及预测

数据分析主要是对实时采集的数据及周期采集的数据进行包括位置图、位移图的显示，计算位移量、数据内插、数据优化、异常定位、预测计算等。主要包括对原始资料的统计分析和逻辑分析。

原始资料的统计分析：包括监测资料奇异值的检验与插补、对数据的筛选等内容，其涉及到用数学方法的计算与检验。

原始资料的逻辑分析：根据监测点的内在物理意义分析原始实测值的可靠性，主要用于工程监测变形的原始实测值。一般进行以下两种分析：(1)一致性分析。从时间的关联性分析连续积累的资料，从变化趋势上推测其是否具有一致性。主要手段是绘制时间——效应量的过程线图和原因——效应量的相关图；(2)相关性分析：从空间的关联性出发检查一些内在物理关系的效应量之间的相关性。

4.4 工程综合预警

通过对监测数据进行分析预测，判断监测对象的安全状态和周边环境的安全状态。系统内可设置设计及规范允许的相应监测对象的预警值、报警值和控制值，实现三级预警(表1)。当监测数据有异常时，系统会以相应的报警方式将监测信息反馈给系统管理员，实现监测和施工的动态结合。

表1 三级预警标准表

5 系统开发运行环境

服务器端

网络操作系统：Mircosoft Office 2003/2007/2010

网络数据库：Microsoft SQL Server 2005+

客户端操作系统

Mircosoft®Windows Mobile? Version 5.0

Mircosoft®Windows XP/Vista/Win7及其以上

运行时库：Mircosoft.Net.Framework 4.0

6 结 语

结合深圳地铁7号线的监测，综合多种施工监测数据进行试验研究，建立并开发了集监测数据采集、处理、管理和预警于一体的城市地铁监测数据采集处理管控系统，其主要作用体现在以下几个方面：(1)由分散到集成，减少了人员投入，节约了项目成本；(2)一体化操作模式提高了项目劳动生产效率；(3) 有效的监测信息组织管理为安全提供了保障。通过该系统，实现了监测信息实时反馈，为工程施工和人民的生命财产安全提供了有效保障。

[1] GB/T 8566-2007，信息技术 软件生存周期过程[S].

[2] 宋力杰.测量平差程序设计[M].北京：国防工业出版社，2009.

[3] 黄声享，等．变形监测数据处理(第二版)[M].武汉：武汉大学出版社，2010.

[4] 张正禄．工程测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2005.

[U25];U215

B

1001-2184(2017)06-0063-04

2017-10-24

王洪义(1966-)，男，吉林永吉人，工程师，从事施工测量技术与管理工作；

王曙光(1986-)，男，湖北荆门人，助理工程师，从事施工测量技术与管理工作.

李燕辉)