地铁大多位于人口稠密的城区,通常周围有重要的建筑物和地下管网,地铁施工有可能使其产生位移、沉降和变形,以至遭受破坏,造成严重的工程事故。通过施工现场监测数据的分析,可以及时掌握支护结构变位和周围环境条件的变化,反馈信息以指导施工。因此,现场监测数据的及时分析和保存在地铁施工过程中具有特别重要的意义。然而,现场监测数据的管理也存在许多问题[1～3],主要表现在现场监测数据还停留在文件管理模式下。如:监测数据的计算由人工完成,监测报表用Word或Excel手工制作;导致数据不能共享,查询困难,降低了工作效率和管理分析水平,而且由于施工现场的设施简单,环境较差,人员流动性强,监测数据的保存缺乏安全性和可靠性。

随着信息化技术的发展,以数字化信息为核心的信息系统对土木工程领域原有的设计模式、检测和监测技术产生了深远的影响[4]。信息系统的自动化、网络化、以及分布式数据库技术[5]为解决现存地铁监测工作的不足提供了重要途径。为了能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,本文提出基于分布式数据库的信息化解决方案,即建立一套以分布式数据库为数据存储方式、采用计算机网络作为传输和共享平台的地铁施工监测信息系统。它不仅用于分散的、各自独立的施工现场的监测数据的管理,还对所有监测数据进行集中统一管理和长期保存,让用户及时、准确地获取监测信息,而且还可为以后类似地铁施工方案设计及规范修改提供数据参考。

1 系统的结构设计

在进行地铁施工时,施工现场需要及时分析处理监测数据,但由于各施工现场的设施简单,流动性强,不易长期保存监测数据。而地铁管理单位计算机设备较好,环境稳定,适合统一维护各施工现场的监测数据。根据上述情况,将整个系统分成2个部分:

(1) 现场监测系统

现场监测系统布设在地铁各施工段上,由现场监测人员使用,采集监测数据并将该施工段的概况信息录入到系统,存储于本地数据库,管理分析数据库中的监测数据,并将其及时传送到地铁管理单位。现场监测系统的建立使现场监测人员改变现有的递送监测报告、数据报表的方式,数据自动远程传输,进一步提高工作效率,实现信息化施工。

(2) 监测中心管理系统

监测中心管理系统布设在地铁管理单位,从多个现场监测系统及时收集监测数据,进行集中管理和存储,实现各施工现场监测数据的对比分析,以及对外发布监测信息,使各类用户可通过Intranet或Internet方便地检索查询所需要的信息。

地铁施工监测信息系统可以有效地服务于对地铁施工监测的全面、准确、及时的管理和反馈,并对监测信息进行分析和长期保存,提供信息交流的平台,提高资源的共享水平,进而在功能上达到纵向信息反馈及时,横向信息共享,系统物理结构框架如图1所示。

2 系统的功能设计

2.1 现场监测系统功能设计

现场监测系统是一套具有本地数据管理分析功能,同时还具备网络传输功能的传统Windowｓ桌面应用程序。其具体功能模块如下:

(1)数据采集预处理模块

现场监测系统从监测仪器采集接口自动读取监测数据,不能自动采集的监测数据,采用人工录入,并对各种原始数据进行监测值序列的系统误差检验,把含有粗差的监测值定位和剔除。

(2)数据管理和预警模块

把监测数据存入本地数据库内,由数据库管理系统管理,实现数据显示、更新、增删、查询、打印等。如果某项监测数据的分析结果超过预定的警戒值,该模块将自动报警。

(3)数据图形化模块

该模块主要完成现场监测点布置图的绘制,以及各测点沉降过程线图、水平位移过程线图等动态显示。

(4)数据预测模块

运用时间序列模型和灰色理论模型,由人机对话或计算机自动选择合适的预测函数,对测点的监测数据进行分析,以预测该测点状态变化的趋势。

(5)数据上传模块

采用消息队列技术(MSMQ)[6],即使现场监测系统离线或断线,所有的数据都会被缓存起来,重新连入Internet之后,可自动将数据上传到地铁管理单位内的数据库服务器,保证了监测数据传输的可靠性和效率。

2.2 监测中心管理系统功能设计

监测中心管理系统是一个典型的Web应用程序,系统运行在Intranet企业网内部环境中,采用多种网络技术,可以方便地和其它网络互联,充分利用网络资源,同各现场监测系统进行可靠的数据通讯,提供方便、快捷、全面的数据查询。其具体功能模块如下:

(1)数据管理和预警模块

把各现场监测系统上传的监测数据根据施工现场编号存入服务器的数据库内,由数据库管理系统有效地管理监测数据,对数据进行分类、组织、编码、储存、检索和维护,保证数据的完整性、安全性和无冗余性。如果某项监测数据的分析结果超过预定的警戒值,该模块将自动报警。

(2)数据图形化模块

该模块主要完成地铁各施工现场监测点布置图的绘制,以及各测点沉降过程线图、水平位移过程线图等的动态显示。

(3)数据预测模块

运用数理统计模型,由人机对话或计算机自动选择合适的函数,对测点的监测数据进行回归分析,以预测该测点状态变化的趋势。

(4)数据发布模块

基于Web技术将各施工现场监测信息以网页形式发布,供相关设计单位和用户参考,实现监测工作的开放化和透明化。

3 分布式数据库设计

分布式数据库是在分布式管理模式下,每个远端分部的数据信息存放在本地数据库内,平时可独立操作使用,同时定期将本地所有数据信息或汇总数据信息通过远程通信线路发送到远程总部,总部接收各个分部发送的数据信息,将其存储到总部的数据库服务器中,以满足总部对数据的分析决策和长期安全保存的需要。根据上述分布式数据库的特点,把地铁施工监测信息系统数据库分成以下两类:

(1) 现场监测数据库设计

按照地铁现场施工的方法,把现场监测系统数据库划分为3类:①明挖监测数据库;②暗挖监测数据库;③盾构监测数据库。然后在上述3类数据库中根据监测内容建立相应的测点监测表,如明挖围护桩墙顶沉降监测表、暗挖拱顶下沉监测表和盾构预制管片凹凸接缝处法向应力监测表,以及本地施工现场概况信息表。现场监测数据库结构如图2所示。

(2)监测中心数据库设计

除了上述现场监测数据库的内容,还要包括各施工现场概况信息表,以及用户访问权限信息表,监测中心数据库结构如图3所示。

4 系统的开发环境和应用平台

4.1系统开发环境

现场监测系统是在ViｓualStudioNET2003开发环境中使用C开发的WinForm风格的桌面应用程序,监测数据存储在Acceｓｓ数据库中,现场数据上传使用XML格式的消息队列。监测中心管理系统则是典型的ASP.NETWeb应用程序,使用ViｓualStudio.NET2003开发,web服务器软件使用MicroｓoftIIS,数据库使用MicroｓoftSQLServer2000。

4.2 系统应用平台

现场监测系统安装在靠近施工现场的计算机上,其系统要求如下:①中文MicroｓoftWindowｓXP专业版操作系统;②安装.NETFrameworkDiｓtributable1 1版;③安装MSMQ3 0组件;④能够访问Internet。

监测中心管理系统安装在地铁管理单位的专用服务器上,其系统要求如下:①中档服务器平台,以专线联入Internet网络,拥有独立IP及域名;②中文MicroｓoftWindowｓServer2003操作系统;③安装.NETFrameworkSDK1 1版;④安装IIS6 0Web服务器软件;⑤安装SQLServer2000数据库系统。

5 应用实例

北京地铁4、5、10号线及奥运专线的土建施工几乎同期进行,其中地铁5号线雍和宫站和地铁10号线奥支 熊猫环岛区间由北京城建设计研究总院设计,为保证工地施工安全,设计院要求施工单位将监测信息及时反馈,以便相互配合,并根据监测结果,采取得当措施,保证施工质量安全。本系统开发试运行阶段将应用在上述工程中,即分别在两施工现场设置现场监测系统,而监测中心管理系统设置在设计院。现场监测系统通过各种途径采集监测数据录入本地数据库的同时,经由Internet发送到设计院的数据库服务器,数据库服务器在汇总施工现场数据的同时,又对这些数据进行分类,并加以分析和对比,总结出一些规律和经验,为监测管理人员和相关设计人员提供帮助。