巖土工程監測管理系統設計與實現

王偉才

（上海地礦工程勘察有限公司，上海 200072）

1 引言

巖土工程監測常采用眾多傳感器設備進行數據采集，其數據采集方法，可歸類到CIM（GIS+BIM+IoT）中的IoT（物聯網）部分；巖土工程監測數據反映的是監測對象的一種狀態。數據本身既具有信息傳遞及時性的特點，又具有數據歷時累積的特點，同時也具有可預測趨勢的特點。

從數字城市的角度來說，在建設階段（施工許可證發放）開始建庫收錄各個單位工程的變形監測數據（狀態演變數據），對監測數據進行分類搜集、長期積累、現實映射、深度挖掘、趨勢預測。在管理上，其數據的現勢性，有助于對建設活動安全質量的認識及預判[1]；在技術上，長期積累的數據，容易形成區域性經驗指標。

監測數據反映和完善了城市建設全周期的管控數據的內涵。GIS 與BIM 建設完成后，其數據并不會有很大程度的更新，而監測數據是城市的動態數據。因此，對“數字城市”而言，由管理部門建設巖土工程監測管理系統，具有深刻的社會實踐意義。

2 系統調研

通過調研理清巖土工程監測數據與CIM 及地質數據之間的關系，同時，對行業內的數據關聯及類似系統進行調研。主要包括2 大類。

2.1 為實現自動化監測方法，配套的設備控制系統

（1）全站儀自動化監測配套的控制系統有GeoMos、RocMos、SMos 等；（2）聯通管原理監測系統：有電容式、壓力式、激光、磁致式等多種形式，配套軟件主要為測控、通信、計算、圖件展繪等軟件；（3）三維激光掃描系統因其成本高，監測數據量大，數據單次處理時間較長，通常在低頻次、大范圍的運營監測中應用較多，其配套的軟件主要為處理三維激光掃描點云數據的軟件；（4）以傳感器為基礎的軟件系統包括振弦式、光柵光纖等自動化監測的控制系統等。

2.2 以管理為主的監測信息系統

目前，以應用于建設單位、監測單位、房地產企業的監測管理信息系統居多，應用于政府管理部門研發的巖土工程監測管理系統較少，主要有上海等發達城市。管理方向的監測信息系統，各單位的開發方向有以下特點：

1）在服務方向上，系統開發的導向各有不同。包括：（1）業主導向，系統開發主要為適應業主的管理要求、業務范圍、管理內容；（2）業務導向，系統開發主要圍繞承接業務展開，根據業務所需制定系統開發內容；（3）專業導向，系統開發主要以巖土工程監測專業內容為基礎，進行功能開發。

2）在技術方向上，差異較大：（1）采用GIS 底圖的方式差異較大；（2）對監測點在DLG 上的展繪方式不同；（3）數據組織方式差異較大；（4）數據驗證有分歧；（5）管理深度差異較大；（6）數據錄入方式不同；（7）用戶賬戶分配方式不同，等等。

3 需求分析

應用于管理部門的巖土工程監測管理信息系統，其建設目標主要為監管、安全管理、規范指導、數據積累和共享4 個方面；管理涉及的用戶對象主要為管理部門、建設單位、施工單位、監理單位、監測單位。

建設內容以體現管理需求為要點，包括以下幾點：

1）賬戶準入

賬戶的用戶角色按照用戶對象分為內部用戶與外部用戶。主要有以下5 類：系統管理員、（勘察單位）監測技術人員、監督管理人員、項目管理人員、系統開發人員。

2）項目立項

項目設立的范圍，以體現“大數據”特點為目標，符合施工許可申領范圍的巖土工程監測項目均可納入項目設立的范圍。一般包括：施工階段，基坑開挖深度＞5 m 的基坑工程；運營階段，建筑沉降、綜合管廊、軌道交通等建構筑物設施的運營監測工程；地面沉降防治監測工程。

3）數據錄入

巖土工程監測數據種類較多，根據監測數據特點歸類為5類：水平位移數據；垂直位移數據；距離數據（直徑收斂等）；傾斜數據；力類數據（應力、應變、力）。

4）過程監督

項目立項時，工程建設的干系人均可在系統中查看項目的實時工況、進度、預警信息、各監測參數的數據變化情況。管理部門可通過系統了解區域內的工程建設風險量化內容，對比較重要的預警及處置情況重點關注。

5）數據發布

數據發布主要是向不同用戶，按不同權限，展示、錄入數據，達到及時、共享的目的。展示的方式包括：（1）在GIS 底圖上，插旗、分色、分階段展示全區域建設風險狀態；（2）以DLG圖為基礎，展示各項目細部的各監測點，便于數據查詢及圖件展繪；（3）通過系統以報表形式展示項目各期各時段各監測參數的具體數據；（4）通過統計，顯示各項目的變形極值及具體點位等。

4 系統設計及實現

4.1 系統總體設計

依據業務流及監測管理的特點，巖土工程監測管理系統總體結構分為應用層、數據層及技術層。應用層主要利用前端Web 頁面與用戶的交互，開發具體的客戶端應用功能；數據層主要通過NHibernate 數據持久層框架[2]實現前端與數據庫之間的映射、持久化及訪問；技術層主要為建立數據分類體系、數據錄入模板、與傳感器控制系統之間的數據接口以及存儲備份。系統總體架構如圖1 所示。

圖1 系統總體架構

系統以監測信息為數據支撐，以設定的控制值作為預判閾值[3]，基于GIS 的API 接口，將沿線各項目以插旗的方式，分級、分色展示在底圖上，直觀、高效、快速、便捷地獲得沿線各建設活動的總體安全狀態。在數據支撐方面，通過DLG 獲取各點數據信息，以數據、圖表的形式進行展示，采用“由淺入深、層層遞進”的原則實現分類查詢、檢索、分析。

4.2 系統實現

巖土工程監測管理系統采用B/S 結構，MVC 程序開發架構，基于面向對象的.NET 進行開發。

1）前端基礎。以edge 或chrome 瀏覽器為前端應用基礎，采用HTML5 結構、CSS（樣式）、JS（行為）進行前端設計；采用天地圖作為GIS 底圖，展示項目分布及總覽；采用DLG 數據線畫圖進行監測點展示，DLG 圖確定了各點的精確位置信息，用戶交互時，可通過選擇DLG 圖中的各監測點，查詢其數據。

2）持久化采用NHibernate 框架。（1）創建存儲過程，建立*.cmt；（2）編制映射文件，建立持久化類和數據庫表的對應關系，建立*.hbm.xml；（3）添加數據訪問層，編寫*.cs。

3）數據庫采用SQL Server 2012。其中空間數據庫用于存儲建設項目的地圖坐標、插旗坐標等；現勢數據庫：系統與用戶交互的當前信息庫；歷史數據庫：滿足歸檔、停測條件的項目，將該項目數據從現勢數據庫轉移至歷史數據庫，以降低現勢庫的負荷；檢索數據庫主要用于與CIS 及其他巖土信息系統間的數據交互，由開發人使用。

4）檢索庫API，通過對單個監測點的坐標、所屬項目、分類等屬性及方法進行封裝，便于將監測數據疊加在GIS、BIM等系統中展示。

5）軟件架構。采用MVC(Model、View、Control)軟件架構模式，實現表示層Web、業務邏輯層BLL、數據訪問層DAL 的3 層架構[4，5]。

4.3 系統功能

根據數據錄入、監管、展示3 塊主要內容，系統功能設計為總覽頁、系統管理、項目監管、監測信息管理、數據錄入5 個模塊。

1）系統管理是對系統用戶、權限、運行日志的管理。內部用戶一般為管理部門內部人員，是項目監管的主體；外部用戶主要為項目的各方干系人、系統菜單管理、系統日志，其中包含外部用戶賬戶審核功能。

2）項目監管包括項目管理與項目監管。（1）項目管理對所有在建項目和歷史項目進行統一管理，即項目的增減，項目基礎信息的變更、上傳統計、項目統計等一般功能；（2）項目監管包含3 項審核內容，分別為項目立項、項目歸檔、停測審核。

3）監測信息管理。主要對單個項目進行數據整理和數據報警后的及時通知，包括查看項目概況、地理位置、進度、工況、監測點布置圖、監測報表以及監測數據折線圖分析等功能。

4）數據錄入。主要是將日常監測報表整理成固定格式——EXCEL 文件，經基本的邏輯檢驗合格后，錄入數據庫，并提供數據接口。數據錄入主要由單位具有相應資質的技術人員錄入，因此，系統不再對數據本身的真實性進行驗證。

5 與其他系統的數據交互業務

通過大量監測數據的積累，建立歷史數據庫，向上、下游系統（GIS、BIM 等）提供監測點檢索方式，共享監測數據庫，依據監測點分類信息等，供開發者調用監測數據，并在各種基礎數據中展示，實現突破監測數據“孤島”的目的。

1）與GIS 系統的交互使用。（1）在GIS 底圖上輸入1 點，查找設定范圍內的監測點，查看該點監測數據；（2）按測點類別分別展繪多層展點圖，疊加顯示在GIS 底圖上；（3）將分區內所有監測點展繪在監測點展點圖層上，將其作為GIS 圖件的疊加圖層進行調用。

2）與BIM 的交互。提供監測點檢索方式，共享監測數據庫，依據監測點分類信息等，供開發者調用監測點變形數據，生成建構筑物的實時狀態模型。

3）采用分區、分幅方式進行數據格式化。分區、分幅關系如圖2 所示。

圖2 分區、分幅關系圖

4）分區、分幅及檢索方式。（1）以轄區內西北角坐標至東南角坐標為范圍，按5 km×5 km 為1 區進行分區，同樣，按西北—東南角坐標建立正方形分區格網；（2）對每區按1∶500 的比例尺，圖幅寬度為50 cm×50 cm 進行分幅，同樣，按西北—東南角坐標建立正方形分幅格網；（3）在轄區GIS 底圖上輸入1 點坐標，按先檢索所在分區、再檢索所在分幅、最后按設定檢索半徑的方式檢索半徑范圍內的監測點；（4）將檢索到的監測點坐標、項目編號、點號展繪在GIS 底圖上；（5）通過展繪在GIS 底圖上的項目編號、監測點點號，查詢該點具體的監測數據。

6 結語

系統的開發基于廣泛的調研和需求分析，結合行業特點、上下游系統的數據特點及數據關系，開發了應用于城市管理部門的巖土工程監測管理信息系統，實現了用戶準入、項目立項、過程監管、數據應用等功能，打通了巖土工程監測數據與GIS、BIM 之間的數據壁壘，為管理部門及項目干系人提供巖土監測數據、統計分析成果、圖件等的可視化查詢與展示平臺。同時，為建設具有深度學習能力的數字城市提供了可靠的基礎數據，具有較高的推廣、借鑒價值。