基于WCF或WebService服務(wù)的數(shù)據(jù)自動(dòng)化遠(yuǎn)程導(dǎo)入技術(shù)研究*

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

0 引言

地下工程建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)居高不下，主要表現(xiàn)為地面沉降及塌陷、地下管線(xiàn)嚴(yán)重變形及斷裂、鄰近建筑物傾斜與開(kāi)裂、基坑大面積變形與坍滑、支護(hù)失穩(wěn)及工程結(jié)構(gòu)被破壞、地下空間嚴(yán)重滲漏等。特別是在中心城區(qū)相鄰區(qū)域多個(gè)地下工程同期交錯(cuò)施工過(guò)程中，各單體間存在密切的相互鉗制作用，尤其對(duì)一些共同圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的地下結(jié)構(gòu)群，土方交錯(cuò)卸載、地下水交叉降排、地下結(jié)構(gòu)交錯(cuò)施工等，導(dǎo)致區(qū)域地層變位的耦合效應(yīng)相當(dāng)明顯，結(jié)構(gòu)間的相互影響亦相當(dāng)顯著。因此，相鄰區(qū)域地下結(jié)構(gòu)群交錯(cuò)施工過(guò)程中的圍護(hù)體系穩(wěn)定、在建結(jié)構(gòu)和周邊緊鄰建（構(gòu)）筑物環(huán)境土工的安全控制尤為關(guān)鍵，可以說(shuō)地下結(jié)構(gòu)群交錯(cuò)施工安全風(fēng)險(xiǎn)能否得到有效控制，是超大規(guī)模地下空間建造面臨的重大技術(shù)難題。

隨著地下工程開(kāi)挖深度和規(guī)模的增大，地下工程的難度更加突出。所以在對(duì)地下工程施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究時(shí)，如何盡可能地減小地下工程施工中的事故發(fā)生率以及對(duì)地下工程的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的安全管控，己經(jīng)成為了一個(gè)亟待解決的課題。國(guó)內(nèi)在建筑工程施工過(guò)程信息化安全監(jiān)控領(lǐng)域的研究較少，且信息化結(jié)合度低，存在施工安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)控制、早期預(yù)警、界面可視化等眾多方面不足。故加強(qiáng)施工過(guò)程信息化安全監(jiān)控技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)重大工程施工過(guò)程監(jiān)控技術(shù)的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化，是我國(guó)工程建設(shè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

上海建工遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺(tái)（圖1）成為加強(qiáng)上海建工集團(tuán)集中化、規(guī)模化、信息化管理體系的重要措施，集中管理、信息化施工、遠(yuǎn)程安全管控，做到早知道、早準(zhǔn)備、快速處理。作為集團(tuán)遠(yuǎn)程安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控與管理信息化的重要工具，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)的快速傳遞與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)各建設(shè)階段安全風(fēng)險(xiǎn)排查、評(píng)估、預(yù)報(bào)與報(bào)警信息的及時(shí)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程勘察、設(shè)計(jì)、施工技術(shù)文檔的網(wǎng)絡(luò)集中管理與共享，并保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和其他相關(guān)數(shù)據(jù)的及時(shí)、有效、準(zhǔn)確傳輸與存儲(chǔ)。通過(guò)對(duì)基坑施工的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、工況信息、巡檢結(jié)果、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)的集中判定，并結(jié)合基坑本體及周邊環(huán)境安全信息的內(nèi)部算法及預(yù)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)基坑施工風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，從而為上海城市建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障。最終實(shí)現(xiàn)為工程開(kāi)展建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控與管理提供信息載體與科技手段的目的。

2 數(shù)據(jù)采集要求及對(duì)策

施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)信息具有信息來(lái)源廣、信息種類(lèi)多和信息量大等特點(diǎn)，尤其施工期間的基坑本體及周邊環(huán)境的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，目前大多以人工監(jiān)測(cè)為主，利用系統(tǒng)提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入功能模塊，由數(shù)據(jù)錄入人員對(duì)后臺(tái)設(shè)置好的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效錄入。該模塊提供手工錄入數(shù)據(jù)，Excel、Word等方式復(fù)制粘貼數(shù)據(jù)，通過(guò)固定報(bào)表格式導(dǎo)入數(shù)據(jù)等多途徑的數(shù)據(jù)錄入方式。但是人工采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有著數(shù)據(jù)滯后、精確度低、無(wú)法24 h全過(guò)程監(jiān)測(cè)等缺點(diǎn)，這嚴(yán)重影響了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的項(xiàng)目安全信息的獲取和判斷，不能體現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)優(yōu)勢(shì)。且一般的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)有專(zhuān)業(yè)的監(jiān)測(cè)軟件，無(wú)法與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)兼容，無(wú)法利用平臺(tái)的功能模塊進(jìn)行后期分析和預(yù)警。

圖1 上海建工遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)

上述原因較大影響了遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的作用，不利于項(xiàng)目安全信息的采集和處理，不利于安全信息平臺(tái)的發(fā)展，應(yīng)從下面幾點(diǎn)出發(fā)，對(duì)平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制：

1）采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量、多元和多源施工數(shù)據(jù)的匯集；

2）在此基礎(chǔ)上研發(fā)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)信息及時(shí)發(fā)布與反饋；

3）實(shí)現(xiàn)多家自動(dòng)化監(jiān)測(cè)硬件及軟件與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的互通；

4）實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一項(xiàng)目中，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)

采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，極大簡(jiǎn)化了工程現(xiàn)場(chǎng)的傳感器線(xiàn)路網(wǎng)絡(luò)，使監(jiān)測(cè)工程更系統(tǒng)化、集成化和規(guī)范化。只需增加數(shù)據(jù)采集發(fā)生器的數(shù)量就可同時(shí)采集不同場(chǎng)地的多個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，大大降低了工程人員監(jiān)測(cè)管理的工作量，使工程管理工作更加科學(xué)、高效。

以基于Zigbee協(xié)議的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，利用Zigbee無(wú)線(xiàn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集之間的無(wú)線(xiàn)連接，省略傳感器和采集系統(tǒng)之間的電纜連接。僅需在傳感器連接端設(shè)置1臺(tái)數(shù)據(jù)采集發(fā)生器，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給工程現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集接收終端，數(shù)據(jù)采集接收終端再將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)采集接收終端可同時(shí)實(shí)現(xiàn)與多臺(tái)數(shù)據(jù)采集發(fā)生器的聯(lián)系，在數(shù)據(jù)處理中心可以同時(shí)觀察不同測(cè)試點(diǎn)的變化情況。

利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，讓現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員獲取第一手的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可及時(shí)判斷工程安全性。如何能將自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連接到上海建工遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)的無(wú)縫對(duì)接，更加全面地提供安全信息，是我們下一步需要思考的問(wèn)題。

4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)的對(duì)接

為了滿(mǎn)足工程項(xiàng)目中遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的要求，需對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)行思考和解決：

1）傳感器上獲取的數(shù)據(jù)可以上傳至上海建工遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)，并可以與用常規(guī)方式上傳的數(shù)據(jù)一樣進(jìn)行應(yīng)用，例如在系統(tǒng)中觸發(fā)預(yù)警、進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、繪制數(shù)據(jù)曲線(xiàn)等。

2）解決方案應(yīng)當(dāng)是完整的、有通用性的，不需要對(duì)上海建工遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)進(jìn)行多次反復(fù)的更新，即可滿(mǎn)足以后所有施工項(xiàng)目不同自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上傳。

3）整個(gè)數(shù)據(jù)采集到平臺(tái)存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，包含以下幾項(xiàng)主要工作內(nèi)容：

（1）原始數(shù)據(jù)采集——從傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)，保存到集中存儲(chǔ)單元中。

（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換——將原始數(shù)據(jù)（例如溫度、壓力等）通過(guò)公式，換算為測(cè)斜、沉降等工程中可以應(yīng)用的值。

（3）映射關(guān)系的建立——在第三方供應(yīng)商的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)之間，建立映射關(guān)系，使傳感器和平臺(tái)測(cè)點(diǎn)之間進(jìn)行一對(duì)一關(guān)聯(lián)。

（4）數(shù)據(jù)上傳——根據(jù)映射關(guān)系，通過(guò)WCF接口完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)上傳。

（5）數(shù)據(jù)應(yīng)用——在平臺(tái)中，對(duì)最終采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)預(yù)警、數(shù)據(jù)分析等功能[1]。

5 功能實(shí)現(xiàn)

5.1 技術(shù)流程

基于以上目的，在上海建工遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)中，增加專(zhuān)門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，通過(guò)WCF或Web Service服務(wù)進(jìn)行公開(kāi)，以供自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的供應(yīng)商上傳數(shù)據(jù)。測(cè)點(diǎn)與傳感器的管理關(guān)系將在監(jiān)測(cè)配置初始化過(guò)程中一次性導(dǎo)入。該技術(shù)流程主要由2個(gè)部分組成：

1）建立系統(tǒng)監(jiān)測(cè)配置與傳感器配置的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

2）根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)WCF接口完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)上傳。具體運(yùn)作流程如圖2所示。

5.2 具體實(shí)施方案

1）在工程工點(diǎn)中，進(jìn)行監(jiān)測(cè)配置初始化后，在工程工點(diǎn)列表中，點(diǎn)擊操作項(xiàng)中的“導(dǎo)出自動(dòng)采集測(cè)點(diǎn)列表”（圖3）。

2）根據(jù)給出的列表項(xiàng)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選擇后，導(dǎo)出“帶唯一標(biāo)示的測(cè)點(diǎn)列表”（圖4）。

3）將“感應(yīng)器唯一標(biāo)示”信息填寫(xiě)完成后，將此Excel文件上傳至上海建工遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)，完成關(guān)系表數(shù)據(jù)的建立（圖5）。

圖2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入流程示意

圖3 導(dǎo)出自動(dòng)采集測(cè)點(diǎn)列表

圖4 導(dǎo)出唯一標(biāo)示測(cè)點(diǎn)列表

圖5 自動(dòng)化信息示意

4）完成以上關(guān)系表上傳后，第三方監(jiān)測(cè)單位即可根據(jù)數(shù)據(jù)接口自動(dòng)上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。接口參數(shù)定義如下[2]：

（1）感應(yīng)器唯一標(biāo)示；

（2）監(jiān)測(cè)時(shí)間批次（由于后期應(yīng)用均依據(jù)時(shí)間批次進(jìn)行二次計(jì)算，需要將時(shí)間比較接近的多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)盡量統(tǒng)一到一個(gè)批次中進(jìn)行上傳）；

（3）感應(yīng)器測(cè)值（監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)）。

5）上傳數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的多項(xiàng)后期對(duì)比及分析內(nèi)容（包括和人工數(shù)據(jù)的對(duì)比分析）。

5.3 數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取

提供定時(shí)服務(wù)程序，在自動(dòng)采集數(shù)據(jù)庫(kù)所在的服務(wù)器上進(jìn)行安裝，程序運(yùn)行后，定時(shí)按批次提取數(shù)據(jù)，向系統(tǒng)平臺(tái)的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

程序?qū)瑪?shù)據(jù)庫(kù)連接字符串、數(shù)據(jù)表、傳感器ID字段、監(jiān)測(cè)時(shí)間字段、監(jiān)測(cè)值字段、采集頻率等設(shè)置功能，待操作人員完成設(shè)定后，啟動(dòng)程序即可完成數(shù)據(jù)自動(dòng)提取功能。自動(dòng)化傳感器供應(yīng)商需提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用SQL Server或其他被廣泛使用的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)端口應(yīng)當(dāng)固定），傳感器ID、監(jiān)測(cè)時(shí)間、監(jiān)測(cè)值3項(xiàng)參數(shù)應(yīng)當(dāng)在1張數(shù)據(jù)表中可以被同時(shí)提取到，以提高數(shù)據(jù)采集效率（圖6）。

圖6 數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取程序

該實(shí)施方案配置比較靈活，不拘泥于某個(gè)傳感器供應(yīng)商的數(shù)據(jù)定義模式，僅對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式作一定限制，對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)單位的軟件研發(fā)能力要求較低，且可不考慮網(wǎng)絡(luò)穿透限制，并且對(duì)時(shí)間批次的處理更簡(jiǎn)單。

但該方案仍存在未考慮到的問(wèn)題有待解決：

1）分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，如有多個(gè)項(xiàng)目同時(shí)運(yùn)行自動(dòng)采集程序，將會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器資源被大量耗損；

2）高頻率采集的狀態(tài)下，多個(gè)項(xiàng)目同時(shí)上傳時(shí)，系統(tǒng)平臺(tái)接口的并發(fā)處理量對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器都是很大的壓力；

3）考慮到實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸效率問(wèn)題，采集頻率需商討一個(gè)最低間隔，防止數(shù)據(jù)溢出[3]。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立固定程序，對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)單位的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行按批次提取，并向系統(tǒng)平臺(tái)接口進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的上傳，滿(mǎn)足了遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性的要求，同時(shí)降低了對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)單位的軟件要求，適用于多家不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)單位。該程序加強(qiáng)了自動(dòng)化數(shù)據(jù)與普通人工數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，確保了遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、有效的要求，提高了平臺(tái)安全分析的精度，極大地提升了平臺(tái)的作用，可在工程中推廣。