隧道施工監測數據庫及可視化軟件系統研究

李長福 劉忠會 趙 慧

0 引言

我國的地下工程建設正方興未艾。施工期反饋分析就是在隧道施工工程中進行監測，根據施工監測信息和揭露地質信息及時地對開挖支護方案進行動態分析和優化，以得到安全性和經濟性效果最佳的施工方案。

隧道監測一直以來受到科研人員的重視，最有代表性的是1963年拉布希維茲(L.Rabcewicz)教授首先提出新奧地利施工方法，該方法明確指出變形觀測的重要性。在推行新奧法于隧道設計施工的基礎上，國內外專家總結出信息化施工的原則，即通過對施工開挖和支護過程中導洞、試驗洞或正洞的量測(包括拱頂沉降、洞周收斂變形、地中變位與支護圍壓相互作用力等)，以這些實測的量測值作反演分析。

隧道施工期監測涉及專業的分析和復雜數據處理，需要消耗大量的計算時間，這與施工進度的緊迫性是不相適應的。盡管自動化監測數據可以連接多種傳感器，快速地進行多通道數據采集，但在繁雜抽象的數據海洋中，往往令施工管理者深受困擾。隨著信息科學和計算機技術的發展，發展監測數據庫和可視化軟件系統具有重要的意義。

1 系統設計與開發

1.1 系統功能設計

程序模塊包括用戶管理、數據管理和力學數據可視化顯示。用戶管理是為了保證系統的安全性，由系統管理員決定操作人員的名單和權限。操作人員通過修改密碼來實現安全機制。系統禁止非法登陸，并對操作員的登陸情況進行詳細的記錄。數據管理模塊中包括數據錄入、刪除、保存和查詢。查詢統計可對數據進行按字段查詢，可以進行復雜的交叉查詢，還可以自動生成監測時間序列線性圖(見圖1)。

1.2 數據庫實現

數據庫的邏輯設計的步驟是:

1)需求分析;

2)模式構成;

3)模式匯總;

4)模式重構。

在隧道施工數據管理需求分析的基礎上，先對現有的數據管理模式進行優化。通過與施工技術人員的調研，盡量避免由于管理不完善造成的數據問題。然后進行數據優化，將收集的資料研究、分類。

對重復出現的數據進行合并，將不合理的數據進行改造。數據庫的建立要求實現數據統一管理，數據具有良好的獨立性，減少數據的冗余，實現數據的共享，對數據實現有效的安全保障(即安全性、完整性保證)。

數據庫按照微軟推薦的分層式結構進行開發，從下至上分別為:數據訪問層、業務邏輯層(又或稱為領域層)、表示層。三層體系的應用程序將業務規則、數據訪問、合法性校驗等工作放到了中間層進行處理。通常情況下，客戶端不直接與數據庫進行交互，而是通過COM/DCOM通訊與中間層建立連接，再經由中間層與數據庫進行交互。

Access是一種桌面式的輕量級數據庫，會隨著Office安裝組件安裝到電腦中，而Oracle是大型服務器類型數據庫，雖然它的并發性、速度以及數據存儲量都很好，但安裝配置環境復雜。對Oracle與Access數據庫進行對比分析后，根據項目的實際應用情況，選擇Access作為本數據庫。

1.3 可視化

可視化(Visualization)是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。它涉及到計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺、計算機輔助設計等多個領域，成為研究數據表示、數據處理、決策分析等一系列問題的綜合技術。在可視化領域，VTK是很先進的一種技術。在本應用程序中的可視化實現部分，也同樣采用了VTK技術來實現。視覺化工具函式庫(VTK，Visualization Toolkit)是一個開放源碼，跨平臺、支援平行處理(VTK曾用于處理大小近乎1個Petabyte的資料，其平臺為美國Los Alamos國家實驗室所擁有的具1 024個處理器之大型系統)的圖形應用函式庫。2005年時被美國陸軍研究實驗室用于即時模擬俄羅斯制反導彈戰車ZSU23-4受到平面波攻擊的情形，其計算節點高達2.5兆之多。

后處理模塊包括等值線(Contour)類、數據輸出(Dataout)類和三維建模(3D model)類。利用VTK的vtlPlane，vtkCutter，vtkProbe-Filter類實現云圖，利用 VTK 的 vtlPlane，vtkContourFilter，vtkProbe-Filter類實現等值線圖。

采用輪廓線建模，即在二維數據切片(DataSlice)中逐一提取閉合的等值線，然后將相鄰切片的等值線相連接，形成曲面網格逼近等值表面，這樣便可實現三維模型。

1.4 系統編程實現

本系統采用Microsoft的Visual C#.Net Framework進行程序的開發。C#是一種先進，面向對象的語言，通過C#可以讓開發人員快速的建立大范圍的基于MS網絡平臺的應用，并且提供大量的開發工具和服務幫助開發人員開發基于計算和通信的各種應用。由于C#是一種面向對象的開發語言，所以C#可以大范圍的適用于高層商業應用和底層系統的開發。即使是通過簡單的C#構造也可以將各種組件方便的轉變為基于WEB的應用，并且能夠通過Internet被各種系統或是其他開發語言所開發的應用調用。通過Visual C#.Net與Access2000連接，實現數據庫的操作。安裝VTK組件，通過Visual C#.Net調用VTK庫函數，可以比較方便地實現可視化的功能。

2 系統應用

白家坡隧道進口端位于蘭州市榆中縣方家泉村與西溝之間，隧道洞身穿越黃河高階地及黃土梁、峁區，地形起伏大，相對高差達300以上。地表溝谷發育，切割相對較深。除進出口及溝谷地段地表分布有圓礫土外，其余地段地表大都有黃土覆蓋，山體坡面上植被較稀疏。

隧道里程為DK7+284～DK10+382，全長3 098 m，為一座雙線隧道。隧道最小埋深35 m，隧道最大埋深可達300 m。隧道縱坡分別為1 216 m的12.8‰，1 882 m的3‰的上坡，隧道進口左線327.84 m位于R-4 500 m的右偏曲線上，進口右線342.839 m位于R-4 495.491 m的右偏曲線上，洞身左線941.897 m位于R-4 500 m左偏曲線上，洞身右線912.630位于R-4 504.509 m左偏曲線上，其余的均位于直線上。

隧道監測傳感器包括應變計、鋼筋計、壓力盒、水壓計、溫度計等，可在施工階段布設，除了施工監控的作用，這些傳感器還可以用于服役隧道的健康監測。將監測數據錄入系統，程序的數據刪除界面見圖2。

應用表明，系統實現了設計的目的，可以方便地管理隧道監測數據，并能夠形象地展示隧道力學計算的結果，很大程度地方便了現場技術人員的管理。

3 結語

隧道監測數據庫及可視化軟件系統已開發完成并初步地應用到隧道工程，實現了開發的目標，證明了本系統的科學性和易用性，C#編程語言和VTK選用不但提高了開發效率，而且為軟件的維護、升級帶來方便。

隧道的數據分析是一個復雜的過程，尤其是多元信息集成的情況下，需要綜合考慮數據融合、數據預測、數據報警和參數識別與施工控制等功能，本文的系統是初步開發成功的基礎性工作，為引入更多的功能，建立具有智能化、自動化的隧道分析系統建立了基礎。

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