基于Web的地鐵盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

吳建波，孫 慶

（中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430064）

0 引言

在城市地鐵及地下綜合管廊的施工過程中，盾構(gòu)機(jī)是最常用的地下隧道挖掘設(shè)備。因?yàn)榈叵率┕すr復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)大，成本高，每一次地下隧道施工都要記錄詳細(xì)的施工數(shù)據(jù)，作為后續(xù)的施工的數(shù)據(jù)參考和經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。

地鐵施工時(shí)，各個(gè)區(qū)間的施工往往是同時(shí)進(jìn)行的。每個(gè)施工區(qū)間的盾構(gòu)司機(jī)，測量人員以及盾構(gòu)機(jī)本身的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都會(huì)記錄下相關(guān)的施工數(shù)據(jù)。目前這些數(shù)據(jù)的管理非常分散，各項(xiàng)目部之間的數(shù)據(jù)管理相互獨(dú)立；項(xiàng)目部內(nèi)部，所有工作人員記錄的數(shù)據(jù)基本以紙質(zhì)文件，或者分散于多個(gè)文件中保存。比如盾構(gòu)司機(jī)填寫的施工日志，每環(huán)管片推進(jìn)參數(shù)記錄，測量人員記錄的監(jiān)測數(shù)據(jù)等等。這些數(shù)據(jù)文件相對(duì)獨(dú)立和分散，不便于查閱和統(tǒng)籌處理分析。盾構(gòu)機(jī)在運(yùn)行過程中，本身會(huì)采集自身所有傳感器的數(shù)據(jù)并且保存在設(shè)備的工控機(jī)上，這些數(shù)據(jù)非常詳細(xì)地反映了設(shè)備的工作狀態(tài)，但這部分?jǐn)?shù)據(jù)基本沒有收到關(guān)注。

為了分析地鐵盾構(gòu)法施工過程，首先就是要收集詳細(xì)的施工過程數(shù)據(jù)。人們對(duì)這些數(shù)據(jù)的收集做了大量工作，文[1]實(shí)現(xiàn)了對(duì)盾構(gòu)隧道施工中風(fēng)險(xiǎn)信息的記錄、歸檔和統(tǒng)計(jì)分析，文[2]建立了一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)隧道工程的自動(dòng)監(jiān)測，文[3]針對(duì)具體的工程實(shí)現(xiàn)了施工數(shù)據(jù)的收集和多種數(shù)據(jù)的分析方法，文[4]介紹了一個(gè)盾構(gòu)施工管理信息可視化分析軟件。本文闡述了一種低成本的通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)項(xiàng)目施工過程數(shù)據(jù)收集的方法。該平臺(tái)部署在云服務(wù)器端，可以收集多種的施工數(shù)據(jù)，包括盾構(gòu)機(jī)采集的傳感器數(shù)據(jù)，可以多個(gè)用戶同時(shí)訪問，不需要額外硬件設(shè)施，維護(hù)工作量少。各項(xiàng)目相關(guān)工作人員，定期將其獲得的施工數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，服務(wù)器端將對(duì)這些數(shù)據(jù)分類整理和保存，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有施工數(shù)據(jù)的集中管理，為盾構(gòu)的統(tǒng)籌分析提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

1 開發(fā)軟件環(huán)境

該平臺(tái)基于Django框架開發(fā)，使用MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[5-8]。前端采用 Bootstrap和 jQuery，數(shù)據(jù)繪圖采用 Echarts插件，開發(fā)完成后使用gunicorn和nginx部署到云服務(wù)器。

Django是用Python語言編寫的，廣泛應(yīng)用的開源web框架之一，自帶后臺(tái)管理界面，支持多種數(shù)據(jù)系統(tǒng)，可方便快速搭建WEB應(yīng)用。MySQL是最流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之一，支持多種編程語言和各種操作系統(tǒng)。Bootstrap和jQuery是用來快速構(gòu)建前端web頁面所用到的CSS樣式庫和JS框架。Gunicorn是一個(gè)應(yīng)用廣泛的高性能的 Python WSGI UNIX HTTP服務(wù)器，具有使用非常簡單，輕量級(jí)的資源消耗，以及高性能等特點(diǎn)。Nginx是一個(gè)很強(qiáng)大的高性能Web和反向代理服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)軟件。

2 系統(tǒng)功能分析

采用盾構(gòu)法施工時(shí)，施工主要有兩個(gè)方面：①對(duì)施工區(qū)域及周邊環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)；②盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)。

施工監(jiān)測是為了檢驗(yàn)施工質(zhì)量和防止施工對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生破壞，而對(duì)已施工區(qū)域及周邊重要建筑物進(jìn)行測量，這也是隧道施工相關(guān)規(guī)范要求的必須進(jìn)行的工作。隧道施工的施工監(jiān)測類容一般包括：地表沉降，燃?xì)猓课荩绊數(shù)取１O(jiān)測點(diǎn)在施工之前標(biāo)定好，隧道施工時(shí)，對(duì)施工區(qū)域一定范圍內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)做定期的測量。測量的周期一般是一天一次。

盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)是在隧道掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。包括兩個(gè)部分：①盾構(gòu)機(jī)操作工人記錄的數(shù)據(jù)；②盾構(gòu)機(jī)設(shè)備記錄的各種傳感器數(shù)值。根據(jù)各項(xiàng)目的具體需要，盾構(gòu)機(jī)操作工人記錄的數(shù)據(jù)也不僅相同，一般包括對(duì)施工進(jìn)度，施工質(zhì)量，耗材消耗量，施工過程中遇到的問題等方面的描述。其中有一部分的數(shù)據(jù)是盾構(gòu)機(jī)無法通過傳感器測量，需要進(jìn)行人工觀測的。這部分?jǐn)?shù)據(jù)量也不大，記錄的頻率一般是每掘進(jìn)一環(huán)（1.5米）一次，或一天一次。盾構(gòu)機(jī)在開機(jī)情況下會(huì)對(duì)設(shè)備上所有的測量傳感器定時(shí)采樣，并把這些數(shù)據(jù)記錄到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。設(shè)備采樣的頻率高，傳感器數(shù)量多，因此這部分?jǐn)?shù)據(jù)量非常大，但如果不經(jīng)過合理的數(shù)據(jù)處理，很難從中觀測到有用的信息。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的首先是要將這些數(shù)據(jù)能全部收集并保存下來，并以合理的邏輯結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)給用戶；其次是集成有效的數(shù)據(jù)處理方法，從這些數(shù)據(jù)中提取有用的信息。對(duì)于數(shù)據(jù)量不大的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可在web頁面上畫出數(shù)據(jù)的曲線圖；對(duì)于數(shù)據(jù)量非常大的盾構(gòu)機(jī)傳感器數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)處理方法和完整的原始數(shù)據(jù)下載鏈接，用戶可以下載到本地機(jī)后運(yùn)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法分析數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，用戶通過該平臺(tái)的web頁面錄入各種施工數(shù)據(jù)，后臺(tái)收到數(shù)據(jù)后分類整理保存在數(shù)據(jù)庫中。用戶需要時(shí)，后臺(tái)將數(shù)據(jù)傳遞到前端，在瀏覽器中生成圖形或數(shù)據(jù)下載鏈接。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

因?yàn)橄到y(tǒng)需要管理監(jiān)測數(shù)據(jù)和隧道掘進(jìn)兩部分?jǐn)?shù)據(jù)，而且這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)只有少量的數(shù)據(jù)重疊，這里將它們分開來處理[9-12]。在Django工程中，創(chuàng)建兩個(gè)應(yīng)用，分別管理施工監(jiān)測數(shù)據(jù)和隧道掘進(jìn)數(shù)據(jù)。

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)管理

以武漢市地鐵 21號(hào)線百步亭站-新榮站的實(shí)際工程為例。根據(jù)測量對(duì)象不同，監(jiān)測數(shù)據(jù)分地表沉降，周邊房屋沉降，給水，拱頂?shù)阮愋汀２煌愋偷谋O(jiān)測對(duì)象，對(duì)數(shù)據(jù)變化量的控制要求也不一樣，這里進(jìn)行分類處理。所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的記錄格式基本一致，截取部分地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

為方便同一個(gè)監(jiān)測測點(diǎn)所有測量數(shù)據(jù)的讀取，將同一測點(diǎn)的所有測量數(shù)據(jù)用外鍵連接起來形成一個(gè)前向鏈表，這樣在計(jì)算監(jiān)測數(shù)據(jù)變化速率和累計(jì)變化量時(shí)將非常方便。充分考慮數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)范式的情況下，施工監(jiān)測的數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)如表2所示。

表1 地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.1 Settlement monitoring data

3.2 隧道掘進(jìn)數(shù)據(jù)管理

以武漢市地鐵 21號(hào)線百步亭站-新榮站的實(shí)際工程為例，隧道掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)操作工人記錄的數(shù)據(jù)和盾構(gòu)設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)如圖2所示。

為了兼容所有區(qū)間的施工記錄，將人工記錄的數(shù)據(jù)統(tǒng)一為[設(shè)備編號(hào)，環(huán)號(hào)，日期，數(shù)據(jù)內(nèi)容]，其中數(shù)據(jù)內(nèi)容包含了后續(xù)所有的數(shù)據(jù)，而每項(xiàng)數(shù)據(jù)所代表的具體意義在對(duì)應(yīng)設(shè)備的列表中給出。同樣將盾構(gòu)機(jī)記錄的數(shù)據(jù)統(tǒng)一表示為[設(shè)備編號(hào)，時(shí)間，數(shù)據(jù)內(nèi)容]。

隧道掘進(jìn)數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)如表3所示。

3.3 數(shù)據(jù)導(dǎo)入和輸出

為方便數(shù)據(jù)的上傳，所有的數(shù)據(jù)記錄都通過CSV或Excel表格文件上傳后導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。同樣下載的數(shù)據(jù)也是表格形式文件。

監(jiān)測數(shù)據(jù)的導(dǎo)入模板文件包含多個(gè)工作表，每個(gè)工作表存放一類監(jiān)測數(shù)據(jù)，比如：地表，燃?xì)猓课荩o水等，分別對(duì)應(yīng)于該區(qū)間的監(jiān)測內(nèi)容名稱。文件通過前端上傳，后臺(tái)程序調(diào)用openpyxl庫來讀寫表格文件，檢查數(shù)據(jù)格式，并將格式正確的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫。

表2 監(jiān)測數(shù)據(jù)表模型Tab.2 Monitoring data model

圖2 隧道掘進(jìn)數(shù)據(jù)Fig.2 Tunneling data

表3 隧道掘進(jìn)數(shù)據(jù)表模型Tab.3 Tunneling data model

盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)的上傳也采用同樣的方式，由于不需要分類，模板文件格式更簡單。

數(shù)據(jù)下載采用 CSV文件格式，合理的利用模板，用少量的代碼就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件下載。首先編輯 csv模板文件內(nèi)容為“{{list_contents}}{% for item in records %} {{ item }}{% endfor %}”，其中l(wèi)ist_contents為每列數(shù)據(jù)代表的意義，保存在掘進(jìn)設(shè)備表中，records為選擇的所有數(shù)據(jù)項(xiàng)；然后在數(shù)據(jù)模型的中編輯__str__(self)函數(shù)，定義好數(shù)據(jù)的打印格式；最后返回渲染模板函數(shù)，并將 content_type設(shè)置為" text/csv "，即可生成渲染好的數(shù)據(jù)文件。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)繪圖

考慮到監(jiān)測數(shù)據(jù)量不大，為了方便用戶查閱，在前端以圖形方式呈現(xiàn)，如圖4所示。Django后臺(tái)程序從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，寫入模板文件，結(jié)合JS和Echarts插件在前端顯示圖形[13-14]。

4 服務(wù)器部署

為了節(jié)省項(xiàng)目的硬件成本以及相應(yīng)的維護(hù)成本，這里購買了云服務(wù)器來部署該平臺(tái)。服務(wù)器的操作系統(tǒng)維 Ubuntu 16.04，系統(tǒng)自帶有 Python2和Python3，這里使用Python3運(yùn)行Django，則需要依次安裝軟件有：pip3，Django，mysql，git，gunicorn,nginx。安裝好之后，按如下步驟部署服務(wù)器[15]：

（1）使用 git工具將編寫好的平臺(tái)代碼和相關(guān)資源文件同步到服務(wù)器端的/var/www/目錄下。如果后續(xù)對(duì)代碼做了修改，也可以用git工具非常方便地更新。

（2）創(chuàng)建Mysql數(shù)據(jù)庫和對(duì)應(yīng)的用戶，并且與Django工程的setting.py文件中的數(shù)據(jù)庫設(shè)置一致。

（3）安裝Django 項(xiàng)目依賴的python包，對(duì)每個(gè)app使用makemigrations命令，然后使用migrate命令生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫表格。

（4）配置gunicorn；在Django工程目錄下執(zhí)行命令gunicorn-b0.0.0.0:8999 dj_project_name.wsgi，執(zhí)行命令之后，可以在客戶端瀏覽器訪問頁面，訪問地址：服務(wù)器 IP(x.x.x.x):8999，但不能訪問圖片，樣式等靜態(tài)文件。

（5）配置 nginx；在/etc/nginx/sites-available/新建配置文件，內(nèi)容如下：

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的導(dǎo)入模板Fig.3 The import template for monitoring data

圖4 地表沉降曲線圖Fig.4 Surface subsidence curve

編輯好配置文件后，將該文件鏈接到目錄/etc/nginx/sites-enable/，通過命令行檢查nginx配置語法并啟動(dòng)nginx，就可以在客戶端瀏覽器看到完整的頁面（訪問地址：http://x.x.x.x（服務(wù)器IP））。

部署過程中需要注意的兩個(gè)問題：①服務(wù)器的端口；部署過程中用到了 8999和 http協(xié)議默認(rèn)的80端口，需要開放服務(wù)器端的這個(gè)兩個(gè)端口才能在客戶端瀏覽器正常訪問。②數(shù)據(jù)庫的字符集；如果需要在數(shù)據(jù)庫模型中使用了中午字符，需要設(shè)置數(shù)據(jù)庫的字符集為utf8，否則在用migrate命令生成數(shù)據(jù)庫表時(shí)可能出錯(cuò)。

5 小結(jié)

本文介紹了管理地鐵盾構(gòu)施工過程參數(shù)的 web平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法，該平臺(tái)應(yīng)用成本低，維護(hù)工作量小，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)盾構(gòu)施工項(xiàng)目的施工過程參數(shù)收集，為盾構(gòu)施工參數(shù)的研究分析提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)后續(xù)的盾構(gòu)項(xiàng)目施工具有重大的指導(dǎo)意義。

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