公路隧道施工智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

田海燕 邢寶亮

（中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089）

在公路隧道建設(shè)工程中，圍巖監(jiān)控量測是保障隧道建設(shè)工程質(zhì)量和安全的重要技術(shù)手段。監(jiān)控量測常規(guī)工作模式主要通過人工現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)記錄，把數(shù)據(jù)錄入Excel等軟件完成計(jì)算，識(shí)別超限預(yù)警信息，不僅效率較低，且容易出錯(cuò)，數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性難以保障，預(yù)警告知與處置往往也需要層層匯報(bào)審批，風(fēng)險(xiǎn)不能得到及時(shí)妥善的處理。

利用藍(lán)牙無線傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、云技術(shù)等現(xiàn)代信息化技術(shù)手段建立公路隧道施工智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),自動(dòng)采集、傳輸和計(jì)算分析圍巖量測數(shù)據(jù)，識(shí)別超限情況并自動(dòng)發(fā)出預(yù)警消息，使現(xiàn)場測量人員和有關(guān)管理人員實(shí)時(shí)獲知預(yù)警信息，及時(shí)報(bào)警處置，提高風(fēng)險(xiǎn)管控能力。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)組成

隧道施工智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由外業(yè)智能采集終端、綜合管理平臺(tái)和移動(dòng)管理端3部分組成。

1.外業(yè)智能采集終端

外業(yè)智能采集終端主要供作業(yè)人員在測量現(xiàn)場使用，通過藍(lán)牙技術(shù)采集數(shù)據(jù)，通過運(yùn)營商3G、4G、5G網(wǎng)絡(luò)上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，當(dāng)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好時(shí)也可緩存在終端待有信號(hào)后上傳。

2.監(jiān)測預(yù)警綜合管理平臺(tái)

監(jiān)測預(yù)警綜合管理平臺(tái)部署在云端服務(wù)器，主要用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和預(yù)警管理，用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器登錄監(jiān)測預(yù)警綜合管理平臺(tái)完成規(guī)則配置、數(shù)據(jù)查詢、告警處理等操作，并一鍵導(dǎo)出報(bào)表，提高內(nèi)業(yè)工作效率。

3.移動(dòng)管理端

用戶通過移動(dòng)管理端軟件在手機(jī)上管理監(jiān)控量測工作，隨時(shí)隨地查看測量結(jié)果,及時(shí)處置和消除報(bào)警信息。

此外，系統(tǒng)提供開放數(shù)據(jù)接口，與施工項(xiàng)目管理系統(tǒng)、智慧工地系統(tǒng)、電子沙盤系統(tǒng)等第三方系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)復(fù)用。

（二）邏輯架構(gòu)

公路隧道施工智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)分為6個(gè)層次。

1.數(shù)據(jù)采集與傳輸層

利用藍(lán)牙技術(shù)，建立外業(yè)智能采集終端與測量設(shè)備的連接采集數(shù)據(jù)，通過運(yùn)營商的3G、4G、5G網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)。

2.基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層為系統(tǒng)運(yùn)行提供軟硬件環(huán)境，系統(tǒng)可部署在私有云或公有云環(huán)境。

3.數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)訪問，采用MySql作為存儲(chǔ)介質(zhì)。

4.平臺(tái)服務(wù)層

平臺(tái)服務(wù)層包括報(bào)表服務(wù)、規(guī)則引擎、算法引擎、流程引擎及消息服務(wù)等，并向應(yīng)用層提供基礎(chǔ)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)。

5.應(yīng)用層

根據(jù)隧道施工監(jiān)控量測工作業(yè)務(wù)內(nèi)容，提供數(shù)據(jù)分析、預(yù)警處置、報(bào)表生成及工作考核等功能，滿足不同用戶需求。

6.展現(xiàn)層

終端展示主要方式是PC網(wǎng)頁端和移動(dòng)App端。

（三）系統(tǒng)功能

公路隧道施工智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)主要功能包括項(xiàng)目信息管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、查詢統(tǒng)計(jì)、報(bào)警處置、報(bào)表輸出、工作考核和移動(dòng)管理等功能模塊。

1.項(xiàng)目信息管理

針對(duì)項(xiàng)目線路、表單、工區(qū)、工點(diǎn)及用戶管理，設(shè)置用戶可操作及查看的工點(diǎn)，并劃分權(quán)限。

2.數(shù)據(jù)采集

通過外業(yè)智能采集終端采集現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)。終端與全站儀通過藍(lán)牙技術(shù)交換數(shù)據(jù)，從儀器實(shí)時(shí)采集原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器，整個(gè)過程中人工無法編輯任何數(shù)據(jù)，避免人為篡改數(shù)據(jù)。

3.數(shù)據(jù)分析

根據(jù)測量值分析隧道圍巖變形，自動(dòng)計(jì)算差值、累計(jì)值位移及速率值等數(shù)據(jù)，生成變形曲線，同時(shí)分別通過指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、雙曲線函數(shù)，基于回歸分析，預(yù)測隧道收斂情況，監(jiān)測預(yù)警隧道的拱頂下沉、周邊收斂和地表沉降。

4.查詢統(tǒng)計(jì)

按工點(diǎn)、斷面和測點(diǎn)測線查詢統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并展示圖表。

5.報(bào)警管理

根據(jù)設(shè)定的報(bào)警規(guī)則自動(dòng)發(fā)送預(yù)警信息至現(xiàn)場測量人員和有關(guān)方面，便于及時(shí)處置預(yù)警。同時(shí)自定義報(bào)警分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，不同等級(jí)的報(bào)警發(fā)給相應(yīng)的管理人員，分級(jí)管控報(bào)警信息。

6.報(bào)表輸出

系統(tǒng)支持報(bào)表自定義功能，根據(jù)業(yè)主、監(jiān)理要求等定制報(bào)表，自動(dòng)生成報(bào)表，提高內(nèi)業(yè)工作效率。

7.工作考核

按工點(diǎn)、時(shí)間段統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采集情況、數(shù)據(jù)上傳情況和報(bào)警處置情況的工作結(jié)果，便于考核現(xiàn)場測量作業(yè)情況和報(bào)警處置情況的工作，提升項(xiàng)目管控能力。

8.移動(dòng)管理

可通過移動(dòng)管理端App查詢和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，及時(shí)處理報(bào)警信息。

二、應(yīng)用實(shí)例

以海南白沙快速出口路為例，白沙快速出口路位于海南省儋州、白沙境內(nèi)，項(xiàng)目包含4座隧道，均應(yīng)用了公路隧道施工智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)輔助施工過程中的監(jiān)控量測工作。系統(tǒng)累計(jì)采集測量近6萬條數(shù)據(jù)，通過自動(dòng)計(jì)算產(chǎn)生報(bào)警信息,并根據(jù)項(xiàng)目設(shè)定的分級(jí)規(guī)則和處理流程分級(jí)處置報(bào)警信息，提高了工作協(xié)同能力和安全風(fēng)險(xiǎn)管控能力，保障了隧道施工安全。

此外，項(xiàng)目還集成應(yīng)用了公路隧道施工智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)與項(xiàng)目管理系統(tǒng)。用戶通過項(xiàng)目管理系統(tǒng)查看監(jiān)測結(jié)果和處置報(bào)警信息，并直觀查看隧道BIM模型有關(guān)的監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)，輔助管理決策和匯報(bào)展示。

三、結(jié)語

本文針對(duì)公路隧道施工監(jiān)控量測工作面臨的主要問題，設(shè)計(jì)并應(yīng)用了公路隧道智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。與傳統(tǒng)方式相比，采用公路隧道施工智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性，自動(dòng)智能化的分析計(jì)算避免了大量的人工計(jì)算，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，報(bào)警信息實(shí)時(shí)反饋給現(xiàn)場測量人員和各層級(jí)管理人員，提高了預(yù)警處理的及時(shí)性。經(jīng)項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)可顯著提高公路隧道施工監(jiān)控量測工作的效率。