軌道交通智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

裴林 郝萌 肖亮鵬 楊柳

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人工監(jiān)控不方便且難于管理的弊端也逐漸凸顯，使得這一領(lǐng)域也逐漸地從人工監(jiān)控走向了智能監(jiān)控。本文結(jié)合實(shí)例就智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行研究，同時(shí)結(jié)合BIM模型和GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維監(jiān)控可視化，實(shí)時(shí)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)與報(bào)警控制值對(duì)比分析，在監(jiān)測(cè)值超過(guò)報(bào)警值的時(shí)候自動(dòng)報(bào)警，及時(shí)提醒參建各方采取措施，并輔助工程人員作出合理的決策，使隧道施工處于受控狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng);BIM;GIS;受控

中圖分類(lèi)號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）04-0154-03

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)分析，人工智能等技術(shù)提高，城市軌道交通同樣隨著社會(huì)進(jìn)步蓬勃發(fā)展，對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保證運(yùn)營(yíng)安全智能化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)迫在眉睫[1]。本系統(tǒng)以BIM、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、GIS等技術(shù)為核心實(shí)現(xiàn)軌道交通的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的三維可視化，智能化。通過(guò)智能化傳輸多種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及集成挖掘有用數(shù)據(jù)，建立大數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)人員設(shè)備管理，數(shù)值模擬，分析預(yù)測(cè)，以及應(yīng)急評(píng)估等功能，輔助工程人員作出合理的決策。可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，進(jìn)行關(guān)聯(lián)性和敏感性分析，為相似工程、地層的暗挖施工作業(yè)提供經(jīng)驗(yàn)曲線，從而達(dá)到變形趨勢(shì)預(yù)測(cè)、預(yù)警，指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工。對(duì)數(shù)據(jù)智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)評(píng)估，預(yù)測(cè)預(yù)警等全過(guò)程智能化監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的構(gòu)建提供了一種切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)思路。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)在相關(guān)信息安全體系，標(biāo)準(zhǔn)按體系的約束和保障下分為五層，包括采集傳輸層、通信網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用支持層和業(yè)務(wù)支持層。采集傳輸層包括自動(dòng)采集、人工采集、外部接入、離線交換等，該層主要負(fù)責(zé)自動(dòng)化數(shù)據(jù)和人工數(shù)據(jù)的采集，對(duì)應(yīng)的硬件包括現(xiàn)場(chǎng)部署的傳感器[2，3]、DTU、人工采集設(shè)備等。通信網(wǎng)絡(luò)層包括局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、專(zhuān)網(wǎng)等，該層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。數(shù)據(jù)資源層包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)庫(kù)、成果數(shù)據(jù)庫(kù)、元數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)字典等。該數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)于管理，包括系統(tǒng)基本的用戶(hù)、交互、權(quán)限、數(shù)據(jù)流、原始數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、分析成果數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、BIM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理與存儲(chǔ)。應(yīng)用支持層是該系統(tǒng)的主要后臺(tái)功能，包括BIM、GIS、WebGL、IOT、消息服務(wù)、空間數(shù)據(jù)引擎等關(guān)鍵技術(shù)。業(yè)務(wù)應(yīng)用層是面向用戶(hù)的實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)報(bào)預(yù)警、用戶(hù)管理、項(xiàng)目管理、歷史統(tǒng)計(jì)、報(bào)表分析、數(shù)據(jù)分析、虛擬仿真等業(yè)務(wù)。

系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

2 技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)軌道交通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)搭建智能檢測(cè)系統(tǒng)，采用三層體系架構(gòu)：

（1）客戶(hù)端：指的是系統(tǒng)平臺(tái)的用戶(hù)主體，包括平臺(tái)使用者、平臺(tái)管理者等客戶(hù)端操作人員，由客戶(hù)端進(jìn)行請(qǐng)求與響應(yīng)。具體的服務(wù)對(duì)象由系統(tǒng)的建設(shè)者決定。該客戶(hù)端包括web瀏覽器和手機(jī)客戶(hù)端。

（2）應(yīng)用服務(wù)層：作為智能化的管理系統(tǒng)，由各個(gè)子模塊采集數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)以規(guī)定的格式返回，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、抽取、挖掘和融合等處理，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的同時(shí)，將不同的信息按照規(guī)范的協(xié)議發(fā)布給相應(yīng)的應(yīng)用子模塊。同時(shí)提供多種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息查詢(xún)接口，滿足這些外部系統(tǒng)的信息需求。

（3）數(shù)據(jù)管理層：存儲(chǔ)系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，提供系統(tǒng)與各子模塊之間的信息接口。軟件技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

3 系統(tǒng)功能描述

根據(jù)工程需求，利用傳感器技術(shù)，無(wú)線通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等高新技術(shù)，結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)頂層架構(gòu)，系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析預(yù)警等模塊。監(jiān)測(cè)環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如測(cè)斜，水平位移，應(yīng)力，應(yīng)變）傳送給監(jiān)測(cè)中心[4，5]，能夠通過(guò)智能傳感器對(duì)環(huán)境內(nèi)的突發(fā)事件進(jìn)行準(zhǔn)確分析和判斷，并且監(jiān)測(cè)人員可以通過(guò)監(jiān)測(cè)主機(jī)查詢(xún)監(jiān)測(cè)環(huán)境的實(shí)時(shí)狀況，做出決策。

智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有四大模塊組成，數(shù)據(jù)采集與管理，App移動(dòng)客戶(hù)端、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。

3.1 數(shù)據(jù)采集與管理

智能監(jiān)測(cè)采集服務(wù)程序采用輕量高效的Nodejs開(kāi)發(fā)。使用DTU通訊技術(shù)，將監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)卡傳輸?shù)讲杉?wù)器。采集服務(wù)器將采集的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)解析傳輸給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫(kù)采用在WEB應(yīng)用方面最好的RDBMS（Relational Database Management System，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)）Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，以保障數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫(xiě)效率，以及數(shù)據(jù)安全。通過(guò)利用PM2來(lái)簡(jiǎn)化node應(yīng)用管理的繁瑣任務(wù)，如性能監(jiān)控、自動(dòng)重啟、負(fù)載均衡等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠持久運(yùn)行。

采集服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫(kù)中請(qǐng)求到DTU和傳感器設(shè)備配置，DTU發(fā)送指令到采集服務(wù)器，注冊(cè)DTU，采集服務(wù)器定時(shí)發(fā)送指令給DTU，DTU將獲取到的指令通過(guò)串口分發(fā)給傳感器，傳感器響應(yīng)，通過(guò) DTU以透?jìng)餍问酵ㄟ^(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸給采集服務(wù)器，采集服務(wù)器根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)配置與傳感器數(shù)據(jù)協(xié)議解析數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2 App移動(dòng)客戶(hù)端

系統(tǒng)移動(dòng)客戶(hù)端支持Android和IOS系統(tǒng)，主要功能包括項(xiàng)目信息展示、實(shí)時(shí)監(jiān)控、巡檢日志上傳、監(jiān)控報(bào)警查詢(xún)、設(shè)備報(bào)警查詢(xún)、數(shù)據(jù)分析等功能。

其中監(jiān)控報(bào)警流程設(shè)計(jì)如圖3。

主要涉及的人員包括：

監(jiān)測(cè)人權(quán)限：驗(yàn)證分析告警信息，驗(yàn)證完成后，點(diǎn)擊已處理，使告警程序進(jìn)入下一流程。

責(zé)任人權(quán)限：處理故障，處理后點(diǎn)擊已處理，交由驗(yàn)收人驗(yàn)收。

驗(yàn)收人權(quán)限：驗(yàn)收告警信息的處理結(jié)果，驗(yàn)收后點(diǎn)擊已處理，由消警人消警。

消警人權(quán)限：告警信息處理完成后，進(jìn)行消警。

普通用戶(hù)：只能進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)，不可增加、修改或刪除。

3.3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控

3.3.1 項(xiàng)目管控一體化管理

采用GIS方式，對(duì)大場(chǎng)景區(qū)域內(nèi)的項(xiàng)目進(jìn)行管理，比如整個(gè)北京市的正在施工的軌道項(xiàng)目，對(duì)項(xiàng)目總數(shù)、完成數(shù)、正在進(jìn)行項(xiàng)目數(shù)進(jìn)行匯總;對(duì)項(xiàng)目的報(bào)警狀態(tài)進(jìn)行匯總;項(xiàng)目可以與地圖的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行聯(lián)動(dòng);根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的權(quán)限，可以控制用戶(hù)對(duì)項(xiàng)目的權(quán)限。界面如4圖所示。

3.3.2 BIM三維監(jiān)控可視化

基于GIS（地理信息系統(tǒng)）與WebGL開(kāi)發(fā)了支持BIM（建筑信息模型）[6]的三維可視化引擎，該引擎底層上借鑒了GIS和BIM的理念，將大數(shù)據(jù)的GIS調(diào)度技術(shù)與BIM的建筑內(nèi)部管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行融合，具備大數(shù)據(jù)承載能力和細(xì)節(jié)展示效果。系統(tǒng)避免安裝插件，直接加載顯示BIM三維模型。如圖5所示。

3.4 數(shù)據(jù)分析

在數(shù)據(jù)分析模塊中可以查看歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行幅值分布和時(shí)間分布和數(shù)據(jù)對(duì)比。將實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以圖表的形式可視化顯示，便于分析施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，為下一步計(jì)劃提供決策。以下以地表沉降為例：

（1）歷史數(shù)據(jù)，如圖6所示。

（2）幅值分布，如圖7所示。

（3）時(shí)間分布，如圖8所示。

（4）數(shù)據(jù)對(duì)比。數(shù)據(jù)對(duì)比支持不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)相同時(shí)間或者相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，如圖9圖10所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于BIM、GIS、WebGL等技術(shù)構(gòu)建的軌道交通智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建方法，并在實(shí)際的案例中進(jìn)行應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)，效果良好，對(duì)于該應(yīng)用場(chǎng)景下或相似類(lèi)似應(yīng)用場(chǎng)景的信息化建設(shè)提供一個(gè)新的切實(shí)可行的思路。

參考文獻(xiàn)

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[6] Autodesk杜長(zhǎng)宇.基于HTML5/WebGL技術(shù)的BIM模型輕量化Web瀏覽解決方案[EB/OL].[2016-01-22].