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地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的開發(fā)論文
摘 要：地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的特殊性、周期性和長期性，使其信息量非常龐大。信息管理是地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中一項重要的工作，現(xiàn)有的管理方式效率很低。為了高效、準(zhǔn)確地管理監(jiān)測信息，及時分析預(yù)報地鐵隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀況，本文結(jié)合南京地鐵運營期隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測實例，開發(fā)了一套具有變形監(jiān)測資料存儲、預(yù)處理、管理分析、可視化分析、預(yù)測預(yù)報及限值預(yù)警等功能的信息管理系統(tǒng)，保證了準(zhǔn)確及時快速的數(shù)據(jù)處理和信息反饋，具有良好的運用和推廣前景。
關(guān)鍵詞：地鐵隧道；變形監(jiān)測；信息管理系統(tǒng)
1、引 言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的城市開始興建地鐵工程。地鐵隧道建造在地質(zhì)復(fù)雜、道路狹窄、地下管線密集、交通繁忙的鬧市中心，其安全問題不容忽視。無論在施工期還是在運營期都要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測，以確保主體結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境安全。
地鐵隧道是一狹長的線狀地下建構(gòu)筑物，監(jiān)測點數(shù)量比較大，其周期性和長期性，使數(shù)據(jù)量非常龐大。面對這些繁雜而又龐大的數(shù)據(jù)能否管理利用好，關(guān)系到監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)變形和預(yù)測預(yù)報結(jié)構(gòu)變形工作能否實現(xiàn)和實現(xiàn)的質(zhì)量。為此，如何有效地管理原始信息，并進(jìn)行相應(yīng)的處理顯得尤為重要。目前多數(shù)監(jiān)測信息的管理和應(yīng)用存在不直觀、不及時、自動化程度較低等缺點[1，2]，根據(jù)地鐵隧道結(jié)構(gòu)自身特點研制一套高效率的、使用方便的監(jiān)測信息管理系統(tǒng)是必要的，它與變形監(jiān)測一樣具有重要的實用意義和科學(xué)意義。
2、系統(tǒng)設(shè)計思想
以地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測信息為管理對象，根據(jù)地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的實際情況，綜合運用監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和信息管理技術(shù)，實現(xiàn)對地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形信息的存儲、預(yù)處理、管理分析、可視化分析監(jiān)測信息、預(yù)測預(yù)報及限值預(yù)警，為結(jié)構(gòu)分析提供數(shù)據(jù)資源，以及時反饋地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全狀況，使安全監(jiān)測管理人員更為方便和高效的管理監(jiān)測信息，為確保地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全運行提供有效的決策支持。地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要應(yīng)滿足如下要求：
2.1 提高地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析與管理的科學(xué)化和自動化水平，滿足輔助決策需求。
2.2 構(gòu)建地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測信息管理基礎(chǔ)平臺。
2.3 為后期自動化監(jiān)測的開展及安全監(jiān)測專家系統(tǒng)的建立提供基礎(chǔ)。
3、系統(tǒng)功能
地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測信息管理系統(tǒng)包括文檔管理、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)庫管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、信息預(yù)警預(yù)報和系統(tǒng)管理六大模塊，內(nèi)容不僅涵蓋了相關(guān)技術(shù)規(guī)范的所有要求，而且具有地鐵隧道自身的特點，全面、標(biāo)準(zhǔn)、專業(yè)，有良好的應(yīng)用前景。
3.1 文檔管理模塊
3.1.1 變形監(jiān)測資料
地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測根據(jù)地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計、國家相關(guān)規(guī)范和類似工程的變形監(jiān)測以及當(dāng)前地鐵所處階段來確定，主要內(nèi)容包括[3]：垂直位移監(jiān)測(區(qū)間隧道沉降監(jiān)測和隧道與地下車站沉降差異監(jiān)測);水平位移監(jiān)測(區(qū)間隧道水平位移監(jiān)測和隧道相對地下車站水平位移監(jiān)測);隧道斷面收斂變形監(jiān)測等。
對于不同的地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測項目內(nèi)容，所用監(jiān)測方法和儀器也不相同。通常，對于隧道垂直位移和水平位移監(jiān)測，可通過大地測量或者自動化測量的方法利用精密水準(zhǔn)儀、精密全站儀或智能全站儀進(jìn)行;而對于隧道斷面收斂變形監(jiān)測，則要通過物理量測的方法利用收斂儀(計)進(jìn)行。
變形監(jiān)測資料包括歷次變形監(jiān)測的原始數(shù)據(jù)，監(jiān)測報告及鑒定報告等。
3.1.2 工程概況資料
工程概況資料主要有工程概況、工程特性參數(shù)、重要技術(shù)資料和安全監(jiān)測系統(tǒng)檔案等。
(1)工程概況：
包括地鐵地理位置，車站布置，沿線主要建筑物概況，工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，結(jié)構(gòu)特性、施工情況等。
(2)重要技術(shù)資料：
主要結(jié)構(gòu)設(shè)計文件、圖紙，運行設(shè)計報告，竣工驗收報告，隧道加固改建或觀測更新改造專題報告，重要工程圖形和圖像。
(3)變形監(jiān)測系統(tǒng)檔案：
主要包括監(jiān)測儀器運行、維護(hù)和歷次檢查、鑒定記錄及報告。
(4)其他資料：
主要包括水文、氣象和地震資料等。
3.1.3 巡檢資料
包括對隧道結(jié)構(gòu)的各個部位和斷面的滲漏、變形和裂縫等的日常巡查記錄表，隧道安全情況和隧道重大事故報告等。
3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊
通過不同的方式導(dǎo)入原始監(jiān)測資料，并對其進(jìn)行粗差檢驗，若有粗差則提示警告，以便查找原因返工重測，然后再進(jìn)行初步處理分析。對基準(zhǔn)點和工作基點的穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗，不同的穩(wěn)定性檢驗結(jié)果決定平差方法的選取。最后對所得監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行整理，存儲至相關(guān)數(shù)據(jù)庫。
3.2.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入
目前嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展特別迅速，根據(jù)監(jiān)測手段和方式不同，用戶可以通過系統(tǒng)的接口程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)和觀測電子手簿直接相連，自動導(dǎo)入或手工導(dǎo)入。
3.2.2 粗差檢驗
依據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)程應(yīng)用相應(yīng)檢驗粗差的方法對其進(jìn)行檢驗，若有粗差則給出提示警告和可能原因，以便查找原因返工重測;若沒有粗差則提示檢驗通過，可進(jìn)行下一步處理計算。
3.2.3 穩(wěn)定性檢驗
通過對監(jiān)測資料的計算分析，應(yīng)用統(tǒng)計方法(F檢驗和t檢驗)對基準(zhǔn)點和工作基點的穩(wěn)定性狀況進(jìn)行分析，為平差計算采用何種平差方法提供依據(jù)。
3.2.4 平差計算
根據(jù)基準(zhǔn)點及工作基點穩(wěn)定性檢驗結(jié)果，對變形監(jiān)測網(wǎng)相應(yīng)的選用經(jīng)典平差、擬穩(wěn)平差或自由網(wǎng)平差;如果監(jiān)測資料(如隧道收斂變形監(jiān)測資料等) 無需平差計算的則直接進(jìn)行相關(guān)成果計算。
3.2.5 資料整理入庫
根據(jù)前述各部分處理計算所得結(jié)果，對所得監(jiān)測成果以及檢驗結(jié)果進(jìn)行整理和存儲入庫。此外，可根據(jù)需要對相關(guān)監(jiān)測屬性信息進(jìn)行相關(guān)編輯、修改，然后再整理入庫。
3.3 數(shù)據(jù)庫管理模塊
對數(shù)據(jù)庫相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、添加錄入、修改和刪除，同時可根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)報表生成輸出。
3.3.1 數(shù)據(jù)查詢
根據(jù)不同監(jiān)測項目特點，采用不同的查詢方式對測點的屬性信息和監(jiān)測成果進(jìn)行條件查詢和遍歷查詢，并可根據(jù)需要將查詢結(jié)果以不同的方式輸出。
3.3.2 數(shù)據(jù)錄入添加
根據(jù)實際需要對測點屬性數(shù)據(jù)和監(jiān)測單位所提供的直接成果數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入添加，同時可對屬性數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編輯、修改添加。
3.3.3 數(shù)據(jù)修改
考慮到操作的規(guī)范性，系統(tǒng)只允許對監(jiān)測點屬性進(jìn)行修改。通過查詢所要修改的監(jiān)測點，對其屬性信息進(jìn)行修改，同時可以動態(tài)顯示數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測點屬性信息，方便用戶及時看到修改結(jié)果。
3.3.4 數(shù)據(jù)刪除
與數(shù)據(jù)修改功能相似，通過對數(shù)據(jù)信息查詢后再進(jìn)行刪除，刪除前須經(jīng)確認(rèn)，然后才能操作，確保準(zhǔn)確無誤。
3.3.5 報表生成
可根據(jù)用戶需要，查詢相關(guān)監(jiān)測信息，然后以相關(guān)的報表形式輸出監(jiān)測信息。
3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模塊
通過應(yīng)用不同的數(shù)據(jù)分析方法和方式對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，分析過程和方式采用表格和曲線圖形方式進(jìn)行。
3.4.1 監(jiān)測點穩(wěn)定性分析
應(yīng)用相關(guān)穩(wěn)定性分析方法及指標(biāo)，結(jié)合監(jiān)測現(xiàn)場實際，對不同類型監(jiān)測點穩(wěn)定性進(jìn)行分析評判。
3.4.2 可視化分析
針對監(jiān)測信息反饋分析的需要，提供可視化的變形監(jiān)測圖形報表，輔助測點穩(wěn)定性分析評判，以便使用者更直觀具體地了解隧道結(jié)構(gòu)整體變形趨勢。
以南京地鐵西延線垂直位移監(jiān)測為例，除提供每期沉降量曲線圖、沉降速率曲線圖、撓度曲線圖、相對撓度曲線圖外，還可提供任意兩期累積沉降量、累積沉降速率、撓度及相對撓度的對比曲線圖。
3.5 信息預(yù)警預(yù)報模塊
僅僅將監(jiān)測的信息錄入系統(tǒng)中是不夠的，還要根據(jù)穩(wěn)定性分析以及前n期的監(jiān)測成果模擬監(jiān)測點的變形曲線，并結(jié)合相關(guān)資料預(yù)報今后的變化趨勢。由于影響變形體的因素錯綜復(fù)雜，考慮到系統(tǒng)的通用性，模塊提供了回歸分析、灰色系統(tǒng)、kalman濾波等傳統(tǒng)的模型供選擇。
根據(jù)系統(tǒng)給出的限值進(jìn)行預(yù)警，提供相關(guān)區(qū)間段的工程圖紙及地質(zhì)、水文氣象資料，便于隧道結(jié)構(gòu)變形情況的進(jìn)一步分析。
3.6 系統(tǒng)管理模塊
為保證系統(tǒng)的安全，系統(tǒng)運行和數(shù)據(jù)操作過程中都不能出現(xiàn)任何差錯，必須對系統(tǒng)進(jìn)行有效的管理，這主要是指對系統(tǒng)用戶的管理及日常使用日志的管理。
3.6.1 系統(tǒng)用戶管理
為保證監(jiān)測信息的完整性、正確性和安全性，必須對系統(tǒng)的用戶進(jìn)行有效的管理。用戶登錄系統(tǒng)的過程必須在系統(tǒng)日志中進(jìn)行登記，包括用戶名、登錄時間、對系統(tǒng)的操作過程以及在系統(tǒng)中滯留的時間等。系統(tǒng)管理員定期將系統(tǒng)的用戶使用情況向主管領(lǐng)導(dǎo)匯報。在征得主管領(lǐng)導(dǎo)的同意后，系統(tǒng)管理員可以根據(jù)實際情況添加用戶或提升、降低某些用戶的用戶使用級別，必要時可以禁止某些用戶的使用權(quán)力。系統(tǒng)用戶管理包括系統(tǒng)用戶登錄管理和用戶權(quán)限管理兩個部分。
3.6.2 系統(tǒng)日志及安全管理
本系統(tǒng)為系統(tǒng)管理員提供系統(tǒng)日志的檢查和備份功能，使系統(tǒng)管理員通過對系統(tǒng)日志的查看了解系統(tǒng)的使用情況以及存在的不足和問題，及時地處理系統(tǒng)存在的隱患，保證系統(tǒng)的高效運行。
3.6.3 數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)
為了保證管理系統(tǒng)或計算機(jī)系統(tǒng)經(jīng)災(zāi)難性毀壞后，能正�；謴�(fù)運行，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的備份與恢復(fù)。系統(tǒng)采用自動備份與人工備份結(jié)合的方式，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
4、結(jié) 語
地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測信息管理系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)設(shè)計，各功能模塊間具有相對地獨立性，便于進(jìn)行功能擴(kuò)充，為后期自動化監(jiān)測的開展及安全監(jiān)測專家系統(tǒng)的建立提供支持和鋪墊[4，5]。該系統(tǒng)已在南京地鐵中應(yīng)用，不僅準(zhǔn)確及時快速的數(shù)據(jù)處理和信息反饋，提高了地鐵運營的管理水平，而且為地鐵的安全運營提供了保證，具有顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益和良好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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[2]李元海.地鐵施工監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的分析設(shè)計及應(yīng)用[J].隧道建設(shè)，1996，4：22—26
[3]黃騰，李桂華，孫景領(lǐng)，岳榮花.地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪工程，2006，6：1—3
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