基于GIS的灌注樁施工實(shí)時(shí)化管理系統(tǒng)

李　強(qiáng)，張　艷

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083)

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基于GIS的灌注樁施工實(shí)時(shí)化管理系統(tǒng)

李強(qiáng)，張艷

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083)

針對(duì)傳統(tǒng)的灌注樁施工紙質(zhì)管理的低效率，提出一種基于地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺(tái)的灌注樁管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用C/S體系結(jié)構(gòu)，由服務(wù)器端、雙客戶端、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議拓?fù)浣M成。雙客戶端包含管理端及現(xiàn)場(chǎng)記錄端，結(jié)合灌注樁施工現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)記錄端通過網(wǎng)絡(luò)將信息以數(shù)據(jù)包形式傳輸至服務(wù)器偵聽端進(jìn)行解析并存入數(shù)據(jù)庫，管理端實(shí)時(shí)獲取灌注樁最新的施工信息，并以可視化形式進(jìn)行分類表達(dá)，歸納得出工程的進(jìn)度、質(zhì)量控制等信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)切實(shí)可行，對(duì)于工作效率的提高具有顯著作用。

灌注樁；GIS；雙客戶端體系；實(shí)時(shí)化；網(wǎng)絡(luò)通信

現(xiàn)代工程灌注樁施工階段是全部工程的基礎(chǔ)，后續(xù)的工作往往需要以該階段積累的數(shù)據(jù)資料作為依據(jù)，以往針對(duì)此類信息的收錄大部分均采用文字、圖紙化的形式，并交由特定的人員進(jìn)行存檔管理。但面對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)高速發(fā)展的今天，由于大型工程的灌注樁基數(shù)龐大，若繼續(xù)采用這樣的人工管理方式，將產(chǎn)生一系列問題：1)管理者從大量的文件資料中獲取進(jìn)度、質(zhì)量控制、成本控制等信息并實(shí)施相關(guān)決策將變得異常繁重；2)工程資料的存檔、相關(guān)人員的銜接變動(dòng)將給后續(xù)交接工作帶來挑戰(zhàn)；3)大量積累的工程資料并不能有效地進(jìn)行交融分析，為類似工程的開展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)一種有效的灌注樁施工管理系統(tǒng)來替代部分人工管理就成為現(xiàn)代施工管理發(fā)展的趨勢(shì)?；贕IS平臺(tái)的灌注施工樁管理系統(tǒng)不僅具備GIS對(duì)空間數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、分析等優(yōu)點(diǎn)[1]，而且將傳統(tǒng)資料抽象的文字描述轉(zhuǎn)換為對(duì)相關(guān)灌注樁元素屬性的表達(dá)，利用屬性索引方式避免了在大量樁群中尋找感興趣樁位的繁瑣，再結(jié)合空間數(shù)據(jù)，以可視化方式進(jìn)行互動(dòng)，及時(shí)將施工信息傳遞到管理層，為決策提供輔助性依據(jù)，從而真正達(dá)到管理的科學(xué)化[2]。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

C/S架構(gòu)是數(shù)據(jù)庫技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物[3]，它的核心是將一個(gè)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)剖分為客戶端、應(yīng)用程序、后臺(tái)服務(wù)器三部分，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下連接應(yīng)用程序與服務(wù)器[4]，這種架構(gòu)便于多用戶下的數(shù)據(jù)維護(hù)及功能模塊的擴(kuò)展。本系統(tǒng)以服務(wù)器偵聽?wèi)?yīng)用程序?yàn)檫B接紐帶，實(shí)現(xiàn)管理端與現(xiàn)場(chǎng)端的即時(shí)通訊，數(shù)據(jù)庫采用SQL SERVER2008管理系統(tǒng)平臺(tái)，利用平臺(tái)提供的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)記錄數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)。系統(tǒng)的基本架構(gòu)及各端點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系如圖1所示。

圖1　灌注樁管理系統(tǒng)架構(gòu)

1.1客戶端

客戶端包含兩個(gè)部分，分別執(zhí)行不同的功能，管理應(yīng)用端以PC機(jī)形式負(fù)責(zé)主要的數(shù)據(jù)、文件管理以及灌注樁的施工二三維可視化?，F(xiàn)場(chǎng)記錄端則以手持平板為載體負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)的即時(shí)錄入。

管理端應(yīng)用程序是整個(gè)管理系統(tǒng)的中樞平臺(tái)，擔(dān)負(fù)主要的施工管理工作。手持端主要完成施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集作業(yè)，并將采集的數(shù)據(jù)及時(shí)以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送到服務(wù)器。應(yīng)用的開發(fā)遵循模塊化設(shè)計(jì)，包含的基本功能如圖2所示。

圖2　客戶端功能模塊

1.2服務(wù)器端

服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的中間站，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，并同時(shí)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，存入數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器安裝的偵聽?wèi)?yīng)用程序可隨時(shí)監(jiān)聽上線的客戶端，對(duì)于上線報(bào)道的客戶端，開辟通信通道，隨時(shí)接收并發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)到指定客戶端。在接收到數(shù)據(jù)包后，服務(wù)器解析應(yīng)用程序根據(jù)數(shù)據(jù)包的包頭信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析操作，并對(duì)解析得到的數(shù)據(jù)按照規(guī)則要求調(diào)用相應(yīng)的存儲(chǔ)過程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)入庫。

2　重要技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)

對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，重要的問題在于各個(gè)功能模塊之間的無縫銜接，銜接的操作體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的操作上，因此，合理設(shè)計(jì)各個(gè)階段的數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)換問題是技術(shù)處理的關(guān)鍵所在。

2.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

合理地施工管理數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此,設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)是最重要的環(huán)節(jié)之一。施工管理數(shù)據(jù)庫需要將施工過程中產(chǎn)生的各種資料信息轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫定義的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)。施工資料信息在數(shù)據(jù)庫中的存儲(chǔ)分為兩大類:1)各種文件資料，諸如合同、技術(shù)設(shè)計(jì)資料等，需要整體轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；2)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的資料，這些信息是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。按照施工的先后，一般包括設(shè)計(jì)信息、測(cè)量放樣信息、進(jìn)度信息、灌注質(zhì)量控制信息等。

數(shù)據(jù)庫平臺(tái)采用SQL Server2008，系統(tǒng)的管理均以灌注樁的空間定位信息為中心展開，因此，設(shè)計(jì)好灌注樁的空間定位信息是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的核心，系統(tǒng)運(yùn)行的效率依賴于空間數(shù)據(jù)的高效利用，而數(shù)據(jù)的高效利用則依賴于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)類型。SQL Server2008支持兩種空間數(shù)據(jù)類型：Geometry 數(shù)據(jù)類型和 Geography 數(shù)據(jù)類型。這兩種數(shù)據(jù)類型在 SQL Server 中都是作為 .NET 公共語言運(yùn)行 (CLR) 時(shí)的數(shù)據(jù)類型實(shí)現(xiàn)的。其中，Geometry數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)平面數(shù)據(jù)，它符合開放地理空間聯(lián)盟 (OGC) 的 SQL 簡單特征規(guī)范[5-6], Geography 數(shù)據(jù)類型(大地測(cè)量)存儲(chǔ)諸如 GPS 緯度和經(jīng)度坐標(biāo)之類的橢球體(圓形地球)數(shù)據(jù)。根據(jù)灌注樁施工工程區(qū)域小、放樣要求精度低的特點(diǎn)，可忽略球面對(duì)測(cè)量的實(shí)際影響，設(shè)計(jì)時(shí)均采用投影坐標(biāo)系統(tǒng)，因此，采用Geometry數(shù)據(jù)類型來存儲(chǔ)灌注樁中心孔位坐標(biāo)值，既可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)對(duì)的一致存儲(chǔ)，又可以將灌注樁的坐標(biāo)信息以一個(gè)屬性條件置放于數(shù)據(jù)庫中，優(yōu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。

2.2分類可視化

可視化模塊基于ArcGis Engine組件庫開發(fā)，它是ESRI公司旗下開發(fā)的一個(gè)精簡的可自定義應(yīng)用程序的嵌入式GIS組件開發(fā)庫[7-8]?；诖私M件，利用施工的地質(zhì)調(diào)查以及設(shè)計(jì)信息，實(shí)現(xiàn)灌注樁的二三維可視化過程。

二維可視化基本思路:獲取數(shù)據(jù)庫灌注樁施工信息數(shù)據(jù)，以灌注樁中心孔位坐標(biāo)為定位信息，灌注樁施工狀態(tài)為判別屬性，達(dá)到使灌注樁按照以二維可視化形式分類顯示的目的。

三維可視化基本思路:工程設(shè)計(jì)階段的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)是對(duì)施工周邊及施工區(qū)的有效調(diào)研，利用鉆孔數(shù)據(jù)，獲取不同土層的厚度信息，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)土層的臨界面高程數(shù)據(jù)，構(gòu)建不同的不規(guī)則三角網(wǎng)，從而表達(dá)出施工區(qū)域三維地層信息，最后利用灌注樁設(shè)計(jì)樁長對(duì)樁的二維坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行拉伸處理，從而模擬出灌入施工區(qū)域地層下的灌注樁靜止?fàn)顟B(tài)[4]。

2.3網(wǎng)絡(luò)通信

網(wǎng)絡(luò)通訊模塊實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信，客戶端發(fā)出指令，服務(wù)器做出必要回應(yīng)，根據(jù)指令的不同，服務(wù)器執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作功能，形成在線信息的即時(shí)回饋。

考慮到服務(wù)器與客戶端的數(shù)據(jù)傳輸，在兩者之間必須直接或通過網(wǎng)絡(luò)建立通信通道，但要實(shí)現(xiàn)傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)文件，關(guān)鍵的步驟是：

1)數(shù)據(jù)源端激活并連接通信通道，同時(shí)通知接收端其所在的通信網(wǎng)絡(luò)。

2)接收端準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。

3)數(shù)據(jù)源端的文件傳輸程序確定在接收端系統(tǒng)上的文件管理程序是否準(zhǔn)備接收，并存儲(chǔ)要傳輸?shù)奈募?/p>

4)保證雙方系統(tǒng)文件數(shù)據(jù)的格式一致，或者對(duì)方可以解譯該文件格式并轉(zhuǎn)換為自己所需的文件類型。

要實(shí)現(xiàn)上述條件，兩個(gè)系統(tǒng)之間必須要有高度的合作。為了實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的邏輯工作，需要將數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)分解為若干個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)單獨(dú)協(xié)調(diào)運(yùn)行。因此，客戶端與服務(wù)器之間的通信，不是單個(gè)模塊進(jìn)行通信，而是模塊結(jié)構(gòu)化的集合通信功能的實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)灌注樁管理系統(tǒng)的良好運(yùn)行，本文構(gòu)建了灌注樁施工信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議體系，該協(xié)議體系的拓?fù)潢P(guān)系如圖3所示。在該協(xié)議體系中，共有4種端點(diǎn)類型：

1)數(shù)據(jù)庫：存儲(chǔ)系統(tǒng)文件數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。

2)服務(wù)器偵聽端點(diǎn)：偵聽管理應(yīng)用端以及現(xiàn)場(chǎng)記錄端發(fā)來的指令信息或數(shù)據(jù)包信息，并進(jìn)行相應(yīng)的解析操作。

3)管理應(yīng)用端點(diǎn)：發(fā)送相關(guān)指令信息，例如詢問服務(wù)器正在施工的灌注樁信息，服務(wù)器接收指令，并從數(shù)據(jù)庫提取灌注樁施工狀態(tài)，對(duì)各類狀態(tài)灌注樁進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)后，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)送回管理應(yīng)用端點(diǎn)。

4)現(xiàn)場(chǎng)記錄端點(diǎn):時(shí)刻采集施工中灌注樁數(shù)據(jù)，例如混凝土用量信息、施工人員信息等。

圖3　各端點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系

2.4數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)的采集是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的起始環(huán)節(jié)，時(shí)刻記錄好采集的各類信息數(shù)據(jù)是灌注樁施工進(jìn)度、質(zhì)量安全的保障，也是對(duì)于后續(xù)工作順利開展的有利支撐。

數(shù)據(jù)采集以手持PDA為輸入設(shè)備，首先預(yù)制數(shù)據(jù)模版，規(guī)定各類錄入數(shù)據(jù)的基本格式，將灌注樁施工從施工開始時(shí)的樁號(hào)、灌注起始時(shí)間、灌注混凝土用量、成孔設(shè)備、備注等信息按照施工完成的先后序列進(jìn)行錄入，同時(shí)構(gòu)造相應(yīng)數(shù)據(jù)包發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)包包頭信息，解析出數(shù)據(jù)包包含的數(shù)據(jù)并存入相應(yīng)數(shù)據(jù)表字段。這種即時(shí)的發(fā)送過程有利于減小數(shù)據(jù)包容量，使得數(shù)據(jù)包可以更快地發(fā)送到服務(wù)器。

為實(shí)現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)包能夠準(zhǔn)確發(fā)送到服務(wù)器偵聽端，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包在數(shù)據(jù)庫中的分類存儲(chǔ)。服務(wù)器的指令和信息能夠及時(shí)完整地發(fā)送到相應(yīng)的客戶端，需要定義該數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)膮f(xié)議體系，根據(jù)OSI參考模型劃分方法，本文設(shè)計(jì)的集灌注樁數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、操作協(xié)議體系如表1所示。

表1　客戶端數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議體系

為保證通信質(zhì)量，設(shè)計(jì)雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種被普遍采用的方案[9]，施工區(qū)域由于條件的復(fù)雜多變，手持PDA的無線WIFI很容易受到信號(hào)強(qiáng)度問題的干擾，因此，引入備用的GPRS網(wǎng)絡(luò)，保證數(shù)據(jù)的容錯(cuò)性。即當(dāng)主網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或連接不佳時(shí)，啟用備用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,該方案在一定程度上大大提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.5報(bào)表圖紙輸出

報(bào)表圖紙等的打印屬于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出，包括數(shù)據(jù)表導(dǎo)出到Excel、打印Word文檔等基本操作。表格數(shù)據(jù)一般為現(xiàn)場(chǎng)記錄的灌注樁施工信息，這些數(shù)據(jù)的打印需要先讀取數(shù)據(jù)表信息到內(nèi)存表中，然后再將內(nèi)存表中數(shù)據(jù)逐條寫入Excel文檔中。而word文檔一般為保存在數(shù)據(jù)庫中的完整的二進(jìn)制流文件，下載效率則更為顯著便捷。

2.6輔助瀏覽

灌注樁施工圖紙大多為CAD的DWG格式圖紙，為了使管理者使用方便，系統(tǒng)嵌入CAD等格式圖紙閱覽功能。

3　系統(tǒng)驗(yàn)證

本文依據(jù)南京市某電影院基坑支護(hù)設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)背景，以設(shè)計(jì)院提供的支護(hù)樁數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，驗(yàn)證了系統(tǒng)的基本功能，經(jīng)驗(yàn)證，該套管理系統(tǒng)是切實(shí)可行的方案，對(duì)于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模灌注樁施工的管理具有一定的借鑒意義。圖4、圖5分別展示了兩部分客戶端的基本運(yùn)行界面以及部分功能示例。

圖4　灌注樁施工實(shí)時(shí)化管理界面及數(shù)據(jù)處理二級(jí)界面

圖5　手持PDA采集

4　結(jié)束語

本文面向工程實(shí)際，研究了灌注樁施工實(shí)時(shí)化的一系列實(shí)現(xiàn)過程，包括數(shù)據(jù)庫基本架構(gòu)的設(shè)計(jì)；客戶端的分類分別主導(dǎo)的各項(xiàng)工作；客戶端與服務(wù)器的通信機(jī)制等主要問題。在研究問題的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各主要功能模塊，為理論問題的研究提供了實(shí)際的應(yīng)用支撐。但由于條件有限，本文對(duì)于文中提及的數(shù)據(jù)傳輸雙信號(hào)模式并未展開深入研究，而是借助于PDA自身的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置來控制數(shù)據(jù)的傳輸途徑。因此，在以后的系統(tǒng)完善中主要的研究方向就是找出一條適合施工環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)切換模式來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴?/p>

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

Research on real time management system of compresol pile construction based on GIS

LI Qiang,ZHANG Yan

(College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083,China)

In view of the low efficiency of traditional paper management in pile construction, a compresol pile management system is proposed based on geographic information system (GIS) platform. This system adopts C/S architecture, which is composed of the server side, double type client system and the network protocol. The double type client includes management end and site record. In combination with the compresol pile construction site, the information is transmitted to the server listener in the form of data packet through network by the record site, and then stored in the database. The management side obtains the latest construction information of the pile in real time and express in the visual form, then summarizes the information of project progress, quality control and so on, which can provide supplementary basis for decision making. Through the experiment, the system is feasible, and has a significant impact on the improvement of work efficiency.

compresol pile; GIS; double type client system; real time; network communication

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.04.003

2016-04-11

李強(qiáng)(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：地理信息系統(tǒng)開發(fā).

P208

A

1671-4679(2016)04-0011-05