基于Web的深基坑監(jiān)測管理信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

代祥勇，馬超，張文

(1.凱里市城市規(guī)劃設(shè)計院，貴州 凱里 556000； 2.上海隧道工程質(zhì)量檢測有限公司，上海 200023；3.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079)

1 引 言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，高層、超高層建筑如雨后春筍般出現(xiàn)在我國的各大中型城市之中。大、深成為現(xiàn)代深基坑工程發(fā)展的主要特點[1～4]。隨著建筑越來越高的發(fā)展趨勢，及更嚴(yán)格的建筑場地條件的限制，對基坑工程的安全監(jiān)測提出了更高的要求[5～8]。鑒于深基坑工程變形監(jiān)測的高要求與現(xiàn)階段我國深基坑工程變形監(jiān)測信息管理模式的弊端，一種新型的有效的深基坑監(jiān)測信息管理模式成為迫切的需求。近年來，隨著Web技術(shù)與信息管理技術(shù)的發(fā)展，基于B/S結(jié)構(gòu)在信息管理系統(tǒng)中變得越來越重要，有取代傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)之勢[9，10]?；赪eb方式的監(jiān)測信息管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時入庫，數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)預(yù)測，數(shù)據(jù)管理，報表顯繪等功能，為相關(guān)部門的決策提供必要的、及時的參考資料。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)工作流程

在深基坑監(jiān)測管理信息系統(tǒng)中，監(jiān)測任務(wù)是在基坑施工過程中，通過定期和不定期的重復(fù)觀測獲取變形數(shù)據(jù)，并通過各種分析方法確定基坑的變形狀態(tài)，以便更準(zhǔn)確地了解基坑的安全狀況，并有選擇地向相關(guān)單位提供監(jiān)測結(jié)果和預(yù)測分析。因此，本系統(tǒng)的任務(wù)包括以下幾個方面：監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和預(yù)測、監(jiān)測信息發(fā)布和反饋等，它們相互關(guān)聯(lián)形成一個循環(huán)工作流[11]，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測管理信息系統(tǒng)流程圖

(1)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理。對采集到的各種原始數(shù)據(jù)資料進(jìn)行匯總、審核、整理、編排，使數(shù)據(jù)資料集中化、系統(tǒng)化、規(guī)格化，以便于后續(xù)的應(yīng)用分析和入庫保存。該系統(tǒng)利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL Server對基坑監(jiān)測項目進(jìn)行分類，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和存儲功能，其中部分人工監(jiān)測項目的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入或人工錄入，部分自動化監(jiān)測項目的數(shù)據(jù)由系統(tǒng)直接連接自動化監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件讀取并導(dǎo)入到本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。入庫數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)確可靠，不允許有錯誤，以免給后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和預(yù)警帶來困難，甚至做出錯誤的結(jié)論。因此，在數(shù)據(jù)入庫前，必須進(jìn)行可靠性分析，以檢查數(shù)據(jù)是否完整，準(zhǔn)確性是否符合要求，是否有明顯的跳躍數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)分析和預(yù)測。基坑形變觀測數(shù)據(jù)分析主要是分析和總結(jié)基坑各監(jiān)測項目的形變過程、形變規(guī)律和形變幅度，分析基坑形變的原因、形變值與引起形變的因素之間的相關(guān)性，并預(yù)測變形值的后續(xù)值從而判斷基坑施工的情況是否正常、是否安全，提前進(jìn)行預(yù)警。常用的分析方法有制圖、統(tǒng)計和對比，而預(yù)測是基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)的建模和分析，主要模型有灰色模型、時間序列模型和回歸模型。

(3)信息發(fā)布與反饋。信息發(fā)布的基本原則就是真實、準(zhǔn)確、公開。對于施工單位、業(yè)主方、第三方監(jiān)測部門等各方來講，信息發(fā)布的主要職能就是將監(jiān)測數(shù)據(jù)、分析圖表數(shù)據(jù)、工況信息等，利用Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將監(jiān)測的成果與分析結(jié)果進(jìn)行反饋，為做出相關(guān)決策提供支持，以便于對一些問題或設(shè)計進(jìn)行及時的處理和修改。對于其他相關(guān)方，信息發(fā)布的目的是通過一些信息的公開，提供公眾和社會對基坑監(jiān)測工作的認(rèn)識。

2.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

根據(jù)相對獨立、盡量小的數(shù)據(jù)依賴、最小數(shù)據(jù)冗余、管理發(fā)展的需要以及系統(tǒng)分階段實現(xiàn)的原則，結(jié)合本系統(tǒng)的內(nèi)容和特點，深基坑監(jiān)測管理信息系統(tǒng)分為6個子系統(tǒng)，系統(tǒng)功能框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能框架結(jié)構(gòu)圖

(1)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理兩大功能。數(shù)據(jù)采集包括各種現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的解譯、整理、分類、預(yù)處理等過程，從而使數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，是監(jiān)測管理信息系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)。該功能可以導(dǎo)入一定格式編寫的人工數(shù)據(jù)，支持在輸入頁面手工輸入。在設(shè)計中，對于傳感器自動監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，如利用測量機器人的位移自動化監(jiān)測系統(tǒng)，則是通過連接到自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行讀取后存儲到本文系統(tǒng)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中來。一般來說，數(shù)據(jù)采集就是實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化采集，完成數(shù)據(jù)共享服務(wù)。數(shù)據(jù)采集服務(wù)由分布式服務(wù)器部署，具有數(shù)據(jù)預(yù)處理功能。它分析數(shù)據(jù)的可信度，以檢查數(shù)據(jù)是否齊全和精度是否達(dá)標(biāo)等。同時為保證數(shù)據(jù)的時效性，對于各監(jiān)測項目按設(shè)計的觀測頻率來檢核數(shù)據(jù)是否錄入，若規(guī)定的時間未錄入監(jiān)測數(shù)據(jù)，則進(jìn)行提醒和報警。

(2)數(shù)據(jù)分析預(yù)測子系統(tǒng)主要是根據(jù)一定的分析方法計算各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的變形，分析總結(jié)基坑各監(jiān)測項目的變形過程、變形規(guī)律、變形幅度、變形原因、變形值與引起變形的因素之間的關(guān)系，并對變形值進(jìn)行建模，預(yù)測后續(xù)的變形趨勢，從而判斷基坑的工況是否正常。在深基坑監(jiān)測管理信息系統(tǒng)中，監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理、分析和預(yù)測是一個非常重要的環(huán)節(jié)，可以說這個子系統(tǒng)就是整個系統(tǒng)的核心。

(3)信息發(fā)布的基本原則是真實、準(zhǔn)確、公開和合法。對于設(shè)計方、施工方和建設(shè)方及安全監(jiān)管部門而言，信息發(fā)布的主要職責(zé)是利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)反饋基坑監(jiān)測結(jié)果和分析預(yù)報結(jié)果，如監(jiān)測數(shù)據(jù)、圖表數(shù)據(jù)、工況信息和監(jiān)測報告等，為其決策提供科學(xué)支持，便于其科學(xué)合理處理問題或修改設(shè)計。對其他各方而言，信息發(fā)布和反饋為社會公眾提供了一個信息披露的渠道。其目的是通過信息公開和宣傳基坑監(jiān)測相關(guān)知識，提高社會公眾對基坑安全監(jiān)測工作的認(rèn)識，同時也使公眾通過公共平臺積極參與基坑監(jiān)測的監(jiān)督，及時反映一些危險情況，從而進(jìn)一步提高基坑工程的施工安全性。

(4)工程信息管理子系統(tǒng)主要是對工程項目進(jìn)行新建、修改、刪除等管理操作，同時對工程項目的相關(guān)文檔進(jìn)行管理。

(5)系統(tǒng)管理子系統(tǒng)主要是對用戶信息、角色信息以及用戶的內(nèi)部短信息進(jìn)行管理。系統(tǒng)的設(shè)計目的之一就是多用戶使用，為了使系統(tǒng)可以適應(yīng)不同角色的用戶使用，必然要對使用者的角色、權(quán)限進(jìn)行管理。

(6)系統(tǒng)幫助主要是為用戶提供使用系統(tǒng)的參考和說明，是任何應(yīng)用程序的重要組成部分。在這里可以快速獲取常見問題的答案、疑難解答提示以及操作執(zhí)行說明。

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用

基于Web的深基坑監(jiān)測管理信息系統(tǒng)開發(fā)完成后，在某深基坑監(jiān)測項目中進(jìn)行了測試和應(yīng)用，系統(tǒng)主要應(yīng)用情況如下：

(1)系統(tǒng)主界面。主界面右上方顯示了用戶名、角色、當(dāng)前時間等信息和系統(tǒng)退出按鈕；頁面的左邊是系統(tǒng)功能導(dǎo)航欄，其中包括了工程信息管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析預(yù)報、監(jiān)測報表生成、用戶系統(tǒng)管理和幫助。由于本系統(tǒng)對用戶的權(quán)限進(jìn)行了分級，不同權(quán)限的用戶進(jìn)入系統(tǒng)后導(dǎo)航欄中的功能選項是不同的。導(dǎo)航欄的右邊就是系統(tǒng)的歡迎頁面，該頁面對系統(tǒng)做了簡單的說明，統(tǒng)計了登錄用戶的預(yù)警信息條數(shù)、未讀短信息條數(shù)、監(jiān)測點數(shù)等用戶信息以及一些系統(tǒng)參數(shù)。同時在歡迎頁面的右邊以表格的形式列出了登錄用戶所在單位的所有工程項目的簡單信息，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)登錄后主界面

(2)數(shù)據(jù)錄入。本系統(tǒng)采用了文件輸入、手工輸入兩種方式。其中文件輸入是導(dǎo)入給定格式的Excel表格數(shù)據(jù)，選擇文件導(dǎo)入后即可將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫的制定表格，并在頁面顯示出導(dǎo)入的數(shù)據(jù)。進(jìn)入監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入頁面后點擊藍(lán)色的監(jiān)測項目文字進(jìn)入對應(yīng)監(jiān)測項目數(shù)據(jù)錄入頁面，操作流程和界面如圖4、圖5所示。

圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入頁面1

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入頁面2

(3)數(shù)據(jù)輸出。數(shù)據(jù)的輸出主要用于用戶查詢某監(jiān)測項目中某點的觀測數(shù)據(jù)或成果數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要導(dǎo)出到Excel表格，存儲到本地以供后續(xù)使用，界面如圖6、圖7所示。

圖6 數(shù)據(jù)記錄的查詢

圖7 數(shù)據(jù)成果的查詢

(4)數(shù)據(jù)分析[12]。本系統(tǒng)中用于預(yù)測分析的模型主要有灰色系統(tǒng)GM(1，1)模型、時間序列AR模型、GM和AR混合模型。在預(yù)測頁面，首先選擇監(jiān)測項目、監(jiān)測點，搜索得到原始數(shù)據(jù)，然后輸入預(yù)測的期數(shù)，在下拉框中選擇模型后，表中即可顯示出所建立的數(shù)學(xué)模型的預(yù)測數(shù)據(jù)和模型的殘差，在表格的右邊還輸出顯示了該模型的殘差平方和、相關(guān)系數(shù)、模型精度等級的信息，同時在表格下方會同步繪制實際曲線和預(yù)測曲線的對比圖、模型殘差柱狀圖。用戶可通過圖表和模型的精度參數(shù)對比選擇精度最高的數(shù)學(xué)模型來對數(shù)據(jù)進(jìn)行超前預(yù)測。具體界面如圖8～圖10所示。

圖8 AR模型預(yù)測值

圖9 AR模型預(yù)測對比圖 圖10 AR模型預(yù)測殘差柱狀圖

4 結(jié) 語

為了能及時對深基坑的安全狀態(tài)、穩(wěn)定程度和變形趨勢進(jìn)行展示和分析，本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，研發(fā)了一套基于Web的深基坑監(jiān)測管理信息系統(tǒng)。系統(tǒng)對采集的相關(guān)安全監(jiān)測信息進(jìn)行預(yù)處理和變形量計算，并對變形數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測分析，最終通過直觀可視化的手段展示安全信息，實現(xiàn)了深基坑的信息化施工和安全管理。同時系統(tǒng)基于B/S模式開發(fā)，用戶無論在哪里，都可以使用聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)的電子設(shè)備通過瀏覽器登錄系統(tǒng)查看基坑的安全狀態(tài)。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一、高效、有序的管理，為基坑的安全施工提供了數(shù)據(jù)支撐。