基于Web GIS 的城市地铁施工监测信息管理系统研究.pdf

第 30 卷第 1 期 岩 土 力 学 Vol.30 No.1 2009 年 1 月 Rock and Soil Mechanics Jan. 2009 收稿日期2007-06-05 基金项目国家自然科学基金资助项目No. 40404001。 作者简介贺跃光，男，1966 年生，教授，博士（后） ，主要从事变形测量与灾害处理工作。E-mail hyg 文章编号文章编号1000－7598－2009 01－0265－05 基于基于 Web GIS 的城市地铁施工的城市地铁施工 监测信息管理系统研究监测信息管理系统研究 贺跃光 1，杜年春2，李志伟3 （1.长沙理工大学 交通运输工程学院，长沙 410076；2.中国有色金属工业长沙勘察设计研究院，长沙 410011； 3.中南大学 信息物理工程学院，长沙 410083） 摘摘 要要为确切反映建筑物、构筑物及基坑的实际变形程度和变形趋势，实现地铁信息化施工，需进行地铁施工变形测量， 并对施工监测实现信息化管理。通过分析地铁施工特点、地铁施工监测的内容与监测精度，介绍了地铁施工监测信息管理及 安全预警系统的设计过程， 以及该系统用于城市轨道交通线路和车站土建工程施工的监测-作业-管理 3 方信息互联互动模式。 系统具有地铁施工监测信息可视化管理、统计分析、安全预警和网上信息发布等功能，已应用于某城市地铁施工监测。 关关 键键 词词Web GIS；地铁；施工监测；信息管理系统 中图分类号中图分类号U 231.3 文献标识码文献标识码A A study of monitoring ination management system of metro construction based on Web GIS HE YUE-guang1, DU Nian-chun2, LI Zhi-wei3 1. School of Communication and Transportation Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China； 2. China Nonferrous Metals Industry Changsha Geotechnical Investigation and Design Research Institute, Changsha 410011, China; 3. School of Info-physics and Geomatics Engineering, Central South University, Changsha 410083, China Abstract In order to reflect the actual deation degree and deation trend of building, structure and foundation pit and to realize ination construction of subway, it is necessary to carry out the deation measurement of subway construction and ination management of construction monitoring. The characteristics of metro construction, the contents of metro construction monitoring and monitoring accuracy are analyzed. The design process of metro construction monitoring ination management and early warning system, and the interactive pattern of trilateral ination monitoring-work-management system are introduced. The system has some functions, such as the visualization management of monitoring ination, statistical analysis, early warning system, network ination service, etc. This system has been used successfully in metro construction monitoring. Key words Web geographical ination system; metro; construction monitoring; ination management system 1 前 言 城市地铁施工监测可及时提供施工反馈信息， 为及时、有效保护基坑周围环境提供依据。将监测 结果反馈，为改进设计提供依据，通过监测数据与 理论值的比较、分析，可以检验设计理论的正确性。 在施工全过程中，通过监测既有地面和地下建筑 物、构筑物各项指标，将结构变形严格控制在标准 限值内，保证既有建筑物和构筑物的安全。同时， 通过积累量测数据，为今后类似工程设计与施工提 供工程参考数据，为业主提供及时信息，以便对整 个项目进行科学化管理。 地铁施工监测信息管理系统具有地铁施工监 测信息可视化信息管理、统计分析等功能。用于地 铁土建工程施工监测信息化管理，当接入互联网即 可访问该系统，即可使任何相关主管在任何时间、 岩 土 力 学 2009 年 任意地点，能完成系统中涵盖的所有管理工作，从 而实现基于 Web GIS（Web geographical ination system）可视化的地铁施工监测的 4 A（anybody， anytime，anywhere，anything）服务。 2 地铁施工监测内容与精度要求 地铁变形测量的目的是确切反映建筑物、构筑 物及基坑的实际变形程度或变形趋势，并以此作为 确定作业方法和检验成果质量的基本要求。对于实 际工程的变形监测，需首先确定变形测量的精度等 级，并制定合乎实际的监测方案，而监测等级的确 定是根据设计提出的变形允许值， 按式 （1） 和式 （2） 确定。 沉降监测等级 s H H 2 m Q  （1） 水平位移监测等级 s V V 2 m Q  （2） 式中 s m为根据地基土的压缩情况确定的沉降量或 水平位移量观测中误差（mm） ； H 、 V 分别为沉 降量和水平位移量的单位权中误差（mm） ； H Q为 沉降监测网中最弱观测点高程 H 的权倒数； V Q为 水平位移监测网中最弱观测点的权倒数。 由于地铁线路长，地质情况复杂，对变形监测 精度要求高，同时也为了将各基坑监测等级统一， 因此监测等级将综合考虑确定为沉降监测Ⅱ级、 水平位移监测Ⅱ级[1 －2]。 此外，对地铁施工监测，还应进行支撑轴力和 锚杆拉力观测，桩（墙）体测斜和土体测斜观测， 爆破震动观测等，监测内容与监测精度见表 1[3]。 表表 1 监测内容与监测精度监测内容与监测精度 Table 1 Monitor contents and monitor accuracy 序号 监测内容 监测精度 1 支护结构顶水平位移监测/ mm 1.0 2 土体侧向变形监测/ mm 1.0 3 基坑支护结构侧向变形监测/ mm 1.0 4 支撑轴力监测 Fs ≤1/100 5 锚杆拉力监测 Fs ≤1/100 6 支撑立柱沉降监测/ mm 0.5 7 爆破振动监测/ mm/s 1.0 8 建（构）筑物沉降、倾斜监测/ mm 0.5 注Fs 为分辨率。 3 基于Web GIS地铁施工监测信息管 理系统 为建成一个地铁总公司领导和主管、工点单位 （监测、施工、工点设计单位） 、地铁总体设计单位 之间互动的地铁施工监测信息与预警信息处理平 台，系统采用人机交互式的处理方式，系统设计遵 循可扩展性、灵活性、可靠性和安全性原则。针对 上述设计原则，系统设计的出发点是良好的框架 结构和参数驱动，以便今后的升级和重用；相对独 立的子系统，保证稳定性和易扩展性；良好和统一 的用户界面；整个系统基于广域网来开发，通过网 络来管理、传递和共享信息，适应网络化、信息化 的趋势，同时系统力求简洁、清晰、经济实用，以 最小的投入取得最大的成效[4 －5]。 3.1 系统的组成及主要功能系统的组成及主要功能 3.1.1 系统的组成 系统由数据采集和监测信息管理两部分组成 如图 1 所示。采用笔记本电脑或电子手薄野外自 动、半自动采集数据，通过互联网或无线网络向监 测系统主机发送监测原始数据，并通过监测信息管 理部分完成数据的处理、存储、统计分析和预警信 息发布。 野外监测数据采集 数据分析处理及信息发布 图图 1 系统的组成系统的组成 Fig.1 Component of the system 全站仪 水准仪 测斜仪 锚索测力计 钢筋测力计 爆破监测仪 电子手薄或测 量设备存取卡 笔记本电脑 专用采集设备 无 线 网 卡 终端（设计 单位 1,） 地铁监测信息 管理系统服务 器 终端（监测单 位 1，） 终端（业主 1、 业主 2） 终端（监理 1、 监理 2） Modem/ADSL 终端（施工单 位 1，） 系统管理员 266 第 1 期 基于 Web GIS 的城市地铁施工监测信息管理系统研究 3.2.2 系统主要功能 监测信息管理系统提供以下功能数据入库、 数据处理及精度评定； 生成报表、 生成变形曲线图、 变形速率图； 通过回归分析对变形预报、 安全预警、 网上信息发布及信息交流。 从系统最高层次的角度上，根据业务逻辑关系 以及面向的用户对象，将系统划分为地铁施工监测 管理信息的数据层、数据的管理层和数据应用层 （图 2） 。这 3 层结构没有直接的程序接口，而是由 数据共享产生的数据流联系在一起，对统一数据结 构下的同一个数据库系统进行数据操作，从而将数 据生产和数据使用分离，为系统功能的扩展带来了 极大的灵活性。例如，可以在将来增加历史形变资 料统计管理的模块，共享地铁基坑形变的数据，也 可以增加新的地铁线路而不至于影响原有线路地铁 施工监测数据的管理，利于将工程分解为各个模块， 便于项目的管理和开发，不同的层可以使用不同的 开发技术，不同的硬件和操作系统平台，减小了相 互之间的依赖性。系统各个层次的基本功能 ①数据层定义系统的数据结构，将系统外部数 据纳入系统内部； ②数据管理层对系统的数据进行整理录入、更 新、删除等管理； ③应用层以浏览、查询、下载系统数据的方式 将系统数据提供给所有用户，对系统数据进行可视 化的表现；根据地铁施工监测管理的需要，对系统 内数据进行分析加工，得到各项数据的统计分析可 视化结果，以多种形式表现数据库的数据。 应用层 普通用户 地铁总公司领导、主管 浏览 查询 下载 GIS 应用 数据分析 预测、预警 发布指令 数据管理层 数据整理准备 建库 数据录入 数据编辑 数据删除 数据层 线路基坑 坐标数据 站点数据 变形监测数据 用户数据 其他数据 图图 2 系统逻辑层系统逻辑层 Fig.2 Logic layer of system 3.3 系统的边界与接口系统的边界与接口 系统以获取的地铁施工监测数据为基础，进行 数据整理、录入、统计和查询浏览，以及数据下载 和备份恢复。对已经获取并录入到系统中的数据进 行统计分析和预警信息发布。监测信息管理系统接 口包括系统与邮件服务器之间的通讯接口；系统 与短信发送平台之间的接口；系统与施工监测数据 录入人员之间接口。 3.4 系统物理视图及关键技术系统物理视图及关键技术 系统服务器以及网络空间分布按照分布式数据 处理设计，系统从功能上可分为系统应用、基础数 据库、电子地图 3 个服务器节点，也可将 3 种系统 功能集成在一个服务器节点上。系统软硬件平台配 置如下 ①系统功能分布 系统应用服务器包括系统 的总服务器，网络访问的入口，实现数据采集与分 析、 处理的功能； Web GIS 服务器与总服务器交互， 实现监测成果及信息发布的功能；施工监测数据服 务器与总服务器交互，实现监测成果及信息浏览的 功能。 ②软件平台 网络服务采用 Windows 2000 Server 操作系统下的 Apache2、PHP5；施工监测数 据库服务采用 Oracle8i/9i 企业级数据库；Web GIS 服务采用 Tomcat 4.1, Geosurf 2D，浏览器端采用 Internet Explorer 5.5 以上版本浏览器。 ③硬件平台 服务器端，服务器；双 CPU， XEON 2.8 GHz 以上； 内存 1 GB 以上； SCSI 108 GB 硬盘；100 M 以太网网卡。浏览器端，台式微机/ 便携式机； PIII 1 GHz 以上 CPU； 64 MB 以上内存； 可用空间 100 M 以上磁盘；1 024768 显卡，32 位 真彩色，显存 32 M 以上；100 M 以太网网卡。 系统在人机交互的过程中，要准确执行用户命 令， 明确表达执行命令的结果， 快速完成命令操作， 及时发布预警信息。能够按照“所见即所得”的原 则，简化操作且完善功能。 在 B/S 模式下，面对因特网上不同角色的用户， 提供不同级别的信息服务，将公开信息的透明化与 保密信息的定向传递结合起来。 4 系统的功能设计 如图 3 所示，本系统从功能结构上划分为 6 个 子系统地铁线路、站点基坑管理；施工监测数据 管理；预警、预报信息管理；Web GIS 信息管理； 系统用户及日志管理；信息交流平台。 4.1 系统用户及日志管理系统用户及日志管理 无论系统运行过程，还是数据操作，都不能出 现任何差错，为此，在系统的用户管理、运行日志、 错误日志、操作错误预处理、数据备份与导出等方 面考虑运行维护系统的安全性。 ①用户管理 系统用户分为 3 级，系统管理员 （超级用户） 、地铁总公司领导、主管（业主） 、工 267 岩 土 力 学 2009 年 点单位（监理、施工、工点设计单位） 。超级用户除 具有数据浏览、数据查询、数据输出等基本功能以 外，还具有用户管理的功能，如增加、删除、修改 一般用户的功能，而工点单位只具有数据浏览、数 据查询、数据输出等功能。 图图 3 系统功能划分系统功能划分 Fig.3 Function of system ②日志管理 在系统运行过程中，为了记录用 户对数据库的操作过程，系统采用运行日志、出错 日志。 运行日志包括对数据库进行数据选择、 查询、 统计、数据字典、数据输出等主要操作信息的记录 等，出错信息日志包括警告信息、错误信息等。日 志管理可以对日志信息进行输出、删除、打印等操 作，包括用户注册、用户授权、用户登录验证以及 操作日志的管理等。对于进入系统的每一个用户， 要对其进行验证，获取用户的级别权限，并将用户 登陆信息和重要操作记录保存到系统日志中。注册 用户的权限由管理员进行管理。 4.2 地铁线路地铁线路、、站点基坑管理站点基坑管理 对地铁线路的各个站点、区间，包括名称、水 文、 地质、 工况等现场条件的信息录入和更新发布。 以及各个站点、区间基坑相关的监测信息浏览和变 形数据可视化表现。 4.3 Web GIS 信息管理信息管理 利用基于跨平台的 Java 语言进行开发， 包含了 地铁全线的所有线路、站点基坑、区间、停车线等 部位的监测信息的可视化信息发布，提供地铁全线 所有区间相关信息的浏览和图形放大、 缩小、 漫游、 查询等功能。 4.4 施工监测数据管理施工监测数据管理 通过前台界面的交互操作，实现后台数据库的 数据交换， 包括对施工监测获取数据的录入、 更新、 删除。特定权限的数据管理人员，可以将施工现场 监测数据通过网络实时或者准实时提交到本系统， 对于授权的用户，可以查看并下载这些监测数据。 4.5 预警预警、、预报信息管理预报信息管理 仅仅将施工监测数据录入系统中是不够的，还 要根据不同模型对获取的数据进行处理，对基坑施 工引起变形情况进行时间序列分析，提供可视化的 变形监测图形报表，如水平位移监测、沉降位移监 测、测斜监测、轴力监测、锚杆（索）监测、爆破 监测，实现预警信息的多路实时发布，为领导和主 管提供决策支持。同时开辟一个供地铁施工监测相 关各方互动的板块，交流地铁施工监测的经验、发 布地铁主管部门的公告通知和其他资料等[6 －7]。 5 结 语 城市地铁施工监测可及时提供施工反馈信息， 地铁区间建筑物、构筑物、基坑监测是保证及时反 映变形情况，以便工程中出现问题及时采取措施对 其进行处理的有效手段。由于地铁建设的影响范围 大，周围条件复杂，增加了地铁施工监测难度和工 作量，又由于测绘技术正经历由数字测绘到信息化 测绘的转变，测绘所涉及的理论体系、技术体系、 作业手段和方法、管理模式、服务模式等取得了很 大的发展，传统的人工管理模式和信息管理模式已 经难以满足工程需求，必须及时引入基于计算机和 广域网络技术的规范化、 信息化的管理和服务模式。 通过对地铁施工监测信息的需求分析，设计了 综合数据库，并完成了地铁监测信息管理系统，为 某城市地铁监测信息分析反馈提供可靠的数据支 持。 参参 考考 文文 献献 [1] 首都规划建设委员会办公室. 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Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 263 333－337. 973 项目项目灾害环境下重大工程安全性的基础研究灾害环境下重大工程安全性的基础研究圆满结题圆满结题 中科院武汉岩土力学研究所作为项目依托单位承担的 973 项目 灾害环境下重大工程安全性的基础研究 近期圆满完成 了科技部组织的项目验收工作。 根据科技部要求项目结题验收工作包括课题验收和项目验收两个阶段，项目验收在课题验收的基础上进行。课题验收 由项目首席科学家和项目依托部门负责，项目验收由科技部负责。 本项目课题验收会议于 2008 年 10 月 13 日至 14 日在北京西郊宾馆举行。 项目首席科学家冯夏庭研究员、 谢和平院士及 课题负责人杨志法研究员、 刘西拉教授等 20 多位科研人员参加了会议， 项目首席科学家谢和平院士担任验收会专家组组长， 首席科学家冯夏庭研究员，领域专家咨询组责任专家陈运泰院士、胡春宏高工，项目专家组专家王思敬院士、何满潮教授以 及我国岩土力学著名专家郑颖人院士、 陈祖煜院士、 蔡美峰教授和项目依托部门管理专家中科院资环局的周少平处长与教育 部科技司的李渝红处长共 11 人组成课题验收专家组。科技部 973 管理办公室的张峰处长、科技部基础司的卞松保博士以及 数据汇交中心的王卷乐博士出席了会议。 首席科学家谢和平院士、冯夏庭研究员分别主持了课题验收会议。首先课题验收专家组陈运泰院士、王思敬院士、周少 平处长、 李渝红处长分别就项目五年多的执行情况进行了发言， 张峰处长就科技部对课题验收工作的具体要求做了专门发言。 随后会议采取课题负责人汇报，专家评议的方式进行。课题验收专家组在全面听取课题结题总结报告的基础上，对各课题计 划任务完成情况、研究成果的水平及创新性、课题对项目总体目标的贡献、研究队伍创新能力、人才培养情况以及数据共享 与数据汇交情况、技术资料归档情况、经费使用情况等五个方面进行了评议。随后公布的评议结果表明，专家组对各课题做 出了较好的评价， 各课题结题总结报告各项评议内容均取得了优良成绩。 专家们一致认为项目在首席科学家的组织下五年来 严格按照计划任务书中的研究内容开展工作。 突出特点是充分体现了基础研究与应用相结合， 每一个课题都完成了大量现场 调查与实验研究工作，并在基础研究方面取得了很好的成果，在研究成果在我国重大工程建设中发挥了突出作用。同时专家 组也针对各课题研究工作提出了中肯的意见和建议， 并对下一步项目结题总结工作提出了建议。 课题验收会议总结了项目各 课题五年多的工作成绩，研究成果和不足之处。 本项目验收会议于 2008 年 11 月 12 日在北京铁道大厦召开。项目首席科学家冯夏庭研究员、谢和平院士，课题负责人 杨春和、盛谦、李晓、李世海研究员、鞠杨教授，项目办公室陈之院、曾静、朱勇等参加了会议。数据汇交中心的王卷乐博 士也出席了会议。 项目首席科学家冯夏庭研究员代表本项目向由 13 位专家组成的项目验收专家组汇报项目五年执行情况。汇报主要分五 部分 （1）结合项目计划任务书和项目计划任务书调整方案报告项目计划任务和预期目标的完成情况； （2）研究水平和创新 性； （3）解决国家重大需求问题的科学贡献和作用； （4）研究队伍与人才培养情况； （5）组织管理、合作交流、科学数据共 享和科技报告档案建立、经费使用以及课题结题验收情况等；冯夏庭、李晓、鞠杨分别就岩石工程安全性分析评估与施工预 测方法、地质灾害形成演化的内外动力耦合作用机制、地质体损伤演化能量理论三个项目代表性研究成果进行了汇报。专家 听取冯首席项目报告和三个代表性成果报告后，通过提问与答辩方式就项目五年来的执行与进展情况进行了讨论，谢首席、 冯首席、李晓、李世海、鞠杨等结合相关研究成果回答了专家提问。 项目验收工作任务重、时间紧。项目办公室在 11 月 3 日收到科技部关于项目验收工作安排的通知后，及时通知各课题 提交材料，在系统总结本项目研究成果基础上，编写形成项目结题报告初稿；11 月 811 日期间，首席科学家冯夏庭研究 员、谢和平院士和盛谦、杨春和、李晓、李世海研究员、鞠杨教授、曾静副研究员分别在武汉岩土所、北京中裕世纪大酒店 进行了 4 天多的集中与封闭，讨论修改并形成项目结题报告和汇报 PPT 文件最终稿，按科技部要求上报，圆满完成了本项 目验收工作。 （信息来源武汉岩土所网站 973 项目办公室 曾静 盛谦 供稿） 269