GIS技術下天津市深基坑監測信息管理系統的設計與實現

張鳳瑞，張　磊

（天津市津勘巖土工程股份有限公司，天津300191）

GIS技術下天津市深基坑監測信息管理系統的設計與實現

張鳳瑞，張磊

（天津市津勘巖土工程股份有限公司，天津300191）

針對天津市深基坑工程質量安全信息化管理的迫切需求，利用GIS及網絡視頻、Web地圖API等技術進行綜合設計，開發出了天津市深基坑監測信息管理系統，實現了基坑工程信息管理、監測數據管理、監測數據自動分析與預警提示、監測專業圖表曲線的生成、視頻實時監控等功能。系統的設計與實現能夠使基坑工程相關單位及時、有效、便捷地獲得基坑監測信息，同時對天津市建筑工程質量安全監管部門監管工作的信息化開展有著重要意義。

GIS；基坑監測；信息化管理

現代的測繪技術發展已經進入信息化的新局面，信息化的測繪技術在數據獲取、數據傳輸、數據分析和數據管理等方面有著傳統測繪技術無法比擬的優勢，在國家和地方的發展建設中起到了至關重要的推動和保障作用。

天津市的土質以軟土和淤泥質土為主，由于地下土體性質、荷載條件、施工環境的復雜性，僅根據地質勘察資料和室內土工試驗參數來確定設計和施工方案，往往含有許多不確定因素。對在施工過程中引發的土體性狀、環境、鄰近建筑物、地下管線設施變化的監測已成了工程建設必不可少的重要環節，同時也是把握工程質量、指導正確施工的關鍵，是避免事故發生的必要措施，是一種信息技術。當前，基坑監測與工程的設計、施工同被列為深基坑工程質量保證的三大基本要素。因而基坑工程的質量對天津市的建設發展起著至關重要的作用。

傳統的基坑監測中，現場采集測量數據，并進行數據處理和分析后，生成監測日報，然后在24 h后（一般為第二天）交送至建設單位、總包、監理、設計等相關人員處。在此過程中，對大量監測數據的計算、分析、處理容易造成基坑安全風險信息反饋不及時的情況出現，信息傳遞的延后性會造成工程設計及施工調整不及時，給工程造成安全隱患。

本文利用GIS技術，結合基坑監測的技術指標，設計并建立起一套針對基坑監測安全風險的信息管理系統，在進行科學化管理的同時，能夠及時有效地將安全信息提供給指定用戶，通過可靠的信息手段保障深基坑工程的安全。

一、目標和任務

天津市深基坑監測信息管理系統的建設目標為:在計算機軟硬件支持下，在建立監測項目信息庫的基礎上，根據基坑監測管理工作的業務流程和具體特點，建立功能全面、性能穩定、操作簡便的專業化信息系統，實現基坑監測項目的日常管理，為基坑監測項目的動態實施和信息化管理提供技術保障。

二、系統建設原則

天津市深基坑監測信息管理系統要本著“總體設計、長遠考慮、面對應用、近期見效”的指導思想進行開發和建設。

1.一致性原則

在系統建設過程中，以最新技術規程為基礎，力求標準化和統一化，使階段實施與整體規劃相一致。

2.實用性原則

監測管理信息系統建設要符合操作簡單、界面友好等要求，應具有一定的通用性和針對性，易于項目管理工作人員掌握。

3.安全性原則

由于系統業務數據涉及不同權限的職能部門和角色，為防止系統在運行過程中出現數據丟失、非法修改、添加等情況，保證系統的穩定性和抵抗病毒侵害的能力，必須為系統建立可靠的安全防護措施，使系統具備一定的容錯能力和處理突發事件的能力。

4.可擴展性原則

在建設深基坑監測信息管理系統過程中，應使系統具有良好的可擴充性，能夠方便將新的應用模塊納入本系統中，在系統容量上具有較好的可擴充性等。

三、系統建設總體設計

1.系統數據庫設計

數據庫平臺建議采用Oracle、SQL Server等大型關系數據庫。數據庫根據系統應用要求的主要特征，由工程項目信息數據、監測信息數據、公告發布數據及站內交流數據四大部分組成，并建立各部分數據的關聯關系，滿足系統管理的需求。

2.系統總體結構設計

系統采用瀏覽器/服務器（B/S）結構，基于Arc-GIS平臺進行程序開發。該平臺能夠為各種管理業務提供靈活的、可擴展的定制支持，以形成相應的計算機業務模型和業務應用系統。系統整體結構如圖1所示。

圖1　系統整體結構

四、系統主要功能設計

深基坑監測信息管理系統功能涵蓋工程項目管理工作的主要日常業務，側重于基坑監測信息管理功能，包括工程項目基本信息管理、基坑監測信息管理、地圖索引、網絡視頻監控、文檔管理、公告發布、站內信息交流等。

1.工程項目基本信息管理

1）工程項目管理模塊:為了滿足對各個工程的專項化管理，特別設計了工程分類管理模塊。在后臺數據庫設計時進行預分類，能夠實現添加、刪除、編輯工程項目，上傳錄入工程概況、水文地質情況、監測重點、監測方案（簡化）、參建單位信息、當前工程進度等信息，并且可以查詢顯示。

2）工程進度管理模塊:深基坑的監測過程是一項集空間變化和時間變化于一體的專業工作，同一項目在不同時期的工程安全狀態有不同的專業特點，分析并記錄工程各個節點的安全狀況對于全面掌控工程整體安全有著至關重要的作用。

通過數據庫分類設計實現上傳錄入保存和查詢工程各個節點的安全狀況記錄文件，回溯工程歷史節點、各節點的工程安全狀況文件，以及基坑風險評估分析和建議等信息。

2.基坑監測信息管理

基坑工程的監測數據量較大，對海量數據進行科學合理的管理和維護是本系統設計的重點內容，因此設計了以下功能模塊。

1）監測數據維護模塊:以現行基坑監測相關規范為標準，以監測項為條件進行數據庫分類設置，內容包含圍護結構監測、支撐體系監測、基坑外地下水位監測、基坑周邊環境（建筑、道路、管線、地表）保護監測等。基坑監測項目中，再對具體監測項及監測點位進行二次分類管理，能夠實現對海量監測數據的分類、批量上傳、下載、查詢、編輯、刪除等管理功能。

2）監測點位分析模塊:系統設計采用ArcGIS Server技術進行底圖轉換，生成矢量化的基坑監測點位圖，便于用戶進行平移、縮放和定位。上傳基坑監測數據后，點擊基坑監測點位圖上的興趣點位，即可自動索引并顯示該點位的全時段歷史數據。

可以設置時間、點位為條件，查詢興趣數據并且生成任意時段點位的“時間-變化量曲線圖”，直觀地反映本次變化量、累計變化量、變化速率等信息。相關曲線圖可通過PDF、JPG、PNG等格式導出，便于報告文檔使用。

另外通過點位分類選擇樹，可直接復選興趣監測項或監測點位進行自動索引定位并顯示特征，通過數據庫查詢分析技術，能實現數據自動分析并作出安全性判斷。特征顯示效果為不同顏色標示不同點位安全狀態（正常、預警、報警等），給用戶以方便、生動、直觀的體驗感。

3.文檔管理

常規的基坑監測工作中，監測單位在當日完成基坑監測工作，次日向工程參建單位提供紙質監測報表，監測數據信息反饋存在著至少1天的滯后性。此外還存在紙張浪費，報表易丟失、保存時間有限、查看條件有限等缺點。

系統設計文檔管理模塊，通過數據庫高速文檔服務，能夠實現對海量監測報表、監測報告、監測方案、監測圖紙、現場圖片、視頻等文件的電子化保存，并提供用戶查詢與下載。監測單位在當日將監測數據上傳錄入系統后，參加單位用戶能夠即時、隨時隨地的查閱，確保基坑監測信息反饋及時。

4.公告發布

基坑監測過程中出現的各種重要狀況及重要警示信息，在基坑工程監督管理過程中有必要進行鄭重的提醒或公示，因此，針對該需求設計了公告發布及風險提示模塊。

針對節點險情、基坑事故、基坑報警、監測方法內容不規范通知整改等內容進行公示發布；羅列常見的基坑失穩情況分析，并結合項目監測重點和異常數據進行風險提示。以上信息會推送給各個用戶賬號信息接收端，同時會在系統首頁面風險公告欄進行不間斷滾動顯示。

5.站內信息交流

基坑工程各個參建單位針對工程項目進行文字及文件的交流、交換意見時需要一個專項性、獨立性、保密性的平臺。系統設計了站內信模塊，能夠通過網絡郵件技術為系統用戶提供站內交流平臺，方便各用戶之間發送和接收留言（可添加文字、圖片、附件），用戶登錄后能收到郵件提示信息。

6.系統管理

系統后臺管理過程中，為滿足每個工程項目的相對獨立性與數據保密性的需要，特別設計了后臺權限管理功能。

1）用戶管理:添加、刪除用戶，并對該用戶進行設置，主要是進行角色設置、權限設置和修改密碼。修改用戶信息包括4部分:用戶基本信息、設置密碼、權限信息、角色信息。

2）角色管理:添加、刪除角色，并對每個角色所擁有的權限進行設置。

3）數據字典:為了保證數據庫的統一性、合理性，減少數據冗余，以及規范使用者填寫數據，系統提供了數據字典管理功能。

7.地圖索引

用戶最希望直觀得到基坑監測的關鍵信息，即在什么地點有著什么樣的基坑，當前狀況如何。針對該用戶需求，設計了地圖索引模塊。

1）采用網絡地圖API技術，調用主流的開源網絡地圖服務，地圖數據穩定、快速，地圖內容定期更新，可以最大限度地保障地圖信息的時效性。

2）在系統首頁展示工程項目所在地理位置，按照不同的工程狀態（未開挖、開挖中、預警、報警等）以不同的顏色區分展示。

3）對于興趣項目，可以查詢并自動定位到相應地理位置進行顯示。點擊工程項目地圖圖標，氣泡顯示工程描述信息，可以了解工程項目的概況；并提供入口，跳轉到集成信息展示頁面，查看工程詳細信息和施工、監測情況。

8.視頻監控

系統設計網絡視頻遠程監控功能:通過在線視頻傳輸技術集成開發網絡視頻的窗口，利用網絡攝像頭，能夠在系統中實現多角度實時監控基坑工程現場的功能。傳回工程現場的實時、穩定、連續的影像數據，方便使用者直觀地掌握現場狀況。

該功能不僅對于工程現場的監管工作有著很好的實用價值，同時對于基坑工程出現險情后的搶險工作也有著十分重要的意義。

五、系統主要功能的開發與實現

1.面向對象開發方法

面向對象的開發是一種以基于真實世界的抽象為基礎思考信息系統的方式。它把信息系統的開發（development）定義為整個系統生命周期中的需求獲取、分析、設計和實現，而不僅僅只是編寫程序。面向對象開發的本質（或核心任務）是識別和組織應用領域中的概念，而不是以一種編程語言最終表達這些概念。

面向對象的開發通常采用基于UML的圖示法來表示信息系統建設中所涉及的各類概念。在每個應用系統和數據庫建設之前，通過需求獲取和系統分析，定義出相應的數據標準或應用模型，接著制定與標準或模型相關的元數據，然后才能進入到設計過程，以增加細節，最后編程實現。面向對象的開發方法從需求獲取、分析到設計再到實現使用的是相同的無縫表示法。這樣，前一個開發階段增加的信息就不會在下一階段中丟失或轉化。這就克服了傳統面向過程方法各個階段互相斷裂，系統開發前后追蹤困難的境況。

2.開發過程

我方采用面向對象的分析設計方法（OOAD），借鑒統一軟件開發過程（UP）、微軟應用開發與服務框架（MSF），以及ICONIX、XP等開發過程，形成了具有鮮明的自身特色的應用軟件開發方法和過程，由總體規劃、需求捕獲、系統分析、系統設計、編程實現和應用部署等階段構成。

（1）總體規劃

通過信息化總體規劃，構思信息化建設的整體圖景（vision，或稱之為愿景）。針對信息化建設中將要涉及的標準規范、業務體系、應用體系、數據體系、技術體系、安全體系、軟硬件基礎設施、隊伍建設及保障措施等各項建設任務，提出其解決方案（包括其建設內容和建設方法），回答信息化能夠解決的業務問題，能夠產生的經濟、社會效益等。

（2）需求獲取

針對某項系統建設任務，由需求調研人員和用戶進行充分的溝通，了解用戶的建設目標和具體需求，包括系統建設所涉及的業務流程、組織機構、信息化現狀、用戶工作場景等，最終形成系統的需求模型和需求規格說明書，以用例或功能列表的形式反映系統建設所應提供的內容。

（3）系統分析

在獲得需求模型和需求規格說明書的基礎上，通過創建分析模型，系統分析人員仔細審批并嚴格地重新描述來自于系統構思階段的需求。分析模型有兩個部分:領域模型（domain model），描述系統內部反映的真實世界的對象，它是系統數據庫設計和架構設計的核心依據；應用模型（application model），描述用戶可見的應用系統本身的組成部分，它是系統功能設計和開發的主要來源。

（4）系統設計

開發團體設計出一種高層策略——系統架構（system architecture），用于解決應用程序的問題。

同時，根據系統分析階段的領域模型，配合系統設計策略，系統設計人員給分析模型添加細節。結合用例分析，系統設計人員提供出類似建筑施工圖的詳細設計類圖。類設計的焦點在于實現每個類的數據結構和算法。

（5）編程實現

實現人員（主要是編程人員）將設計階段開發的詳細類圖及其關系（交互圖）轉換成某種編程語言、數據庫或硬件。測試人員則驗證實現結果是否符合預期的需求。編程實現應該是簡單直接的，因為所有困難的決策都已經完成。

（6）安裝部署

在得到一個正確實現的應用系統（包括其數據庫）后，需要把它安裝部署到具體的應用環境，并為相應的用戶提供培訓和支持，使其能夠正確、順暢地操作系統建設成果。

（7）維 護

應用系統及其數據庫在運行過程中，需要有相應的維護，如缺陷的改進、數據的更新、數據備份和恢復等。一個系統能否發揮其最大的效益，相應的維護隊伍和維護機制極為關鍵。

六、結束語

天津市深基坑監測信息管理系統的設計與實現是將現代化WebGIS技術和巖土工程監測相結合的過程。采用面向對象式的設計開發方式，使得系統具有良好的穩定性和用戶體驗感。網絡視頻監控功能在深基坑監測信息管理系統中的應用在天津市范圍內尚屬首例，并且取得了良好的效果。此外，該系統具有很好的可擴展性，能夠根據用戶需求的增加和變更不斷進行優化升級。

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Design and Realization of Monitoring of Tianji Excavation Engineering Information Management System Based on GIS

ZHANG Fengrui，ZHANG Lei

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0238.

P208

B

0494-0911（2016）07-0118-04

2016-02-03

張鳳瑞（1962—），男，高級工程師，主要從事工程測繪工作。E-mail:dkywork@163.com

引文格式：張鳳瑞，張磊.GIS技術下天津市深基坑監測信息管理系統的設計與實現［J］.測繪通報，2016（7）:118-121.