公路隧道施工安全监测可视化信息系统分析与设计

公路隧道施工安全监测可视化信息系统分析与设计

林　志¹　李元海²　刘庆方²

（1重庆交通科研设计院　重庆　400067；2中国矿业大学建筑工程学院　深部岩土力学与地下工程国家重点实验室　江苏徐州　221008）

摘　要　针对当前公路隧道施工安全监测信息管理存在的低效问题，提出利用GIS技术创建一个新型图形信息平台来统一集成监测、周围环境以及与施工安全相关等诸多信息，并结合预测分析方法的进一步开发，以实现监测信息的快速计算、分析和反馈。本文具体分析了高效隧道安全监测可视化信息系统的功能需求，设计了软件系统的框架结构体系，并利用GIS组件产品SuperMap Objects和Delphi软件开发工具，初步实现了公路隧道安全监测可视化信息系统的基本功能。

关键词　公路隧道　施工监测　GIS　可视化

1　前　言

隧道工程监测的门槛虽然较低，但做好、做精却很难，从事监测工作需要掌握设计、施工、地质、测绘、数据处理分析、概率统计、数据库、计算机软件应用及编程等相关知识；另一方面，目前多数监测单位重视仪器埋设、数据采集，轻视数据分析和反馈，不能对监测成果结合施工地质情况进行充分、深入的理论分析，仅仅是满足于收集资料和提交各类监测报告，导致监测工作没有真正发挥优化设计和及时反馈指导施工的作用。

目前，发达国家的隧道工程监测往往采用最先进的仪器，其自动化、数字化程度高，数据采集、储存、分析处理等环节都有专业的软件进行支持，施工期的信息化程度和生产效率高，先进的三维地质建模软件、数据库系统、数据挖掘和专家系统等都在逐步应用。与国外先进的信息化施工相比^［1～3］，尽管国内也有不少相关研究成果^［4～7］，但在隧道监测信息管理方面尚有较大差距，主要存在以下不足：

①监测的数据采集、处理、报表的形成等大多由人工进行，导致效率低下，出错率高。

②现场监测数据多数停留在文件管理模式下，如监测报表用Word或Excel手工制作，导致数据不能共享，查询困难，降低了工作效率和管理分析水平。

③数据显示不直观，信息反馈速度慢，而且很难综合在同一区段的各类不同来源、不同类型的数据信息。

④相应的软件支持不完善，缺乏施工期监测信息管理、预测系统软件，导致数据处理及分析实时性差，自动化、信息化程度低。

由此可见，研制高效的隧道施工安全监测信息管理系统是亟待解决的重要课题。当前以GIS为代表的信息可视化相关技术的快速发展和广泛应用，加上变形预测方法的进一步深入研究，可为隧道信息化施工和环境安全监控提供强有力的技术保障。在GIS可视化平台上，可以将监测点及周边环境的相互空间关系清晰地表现出来，通过大量的相关数据与图形符号相链接，将大大提高监测数据处理、查询统计、快速判释和有效评估能力。因此，利用GIS独特的空间数据管理和可视化分析能力，面向具体工程应用，研究开发具有实用价值的公路隧道施工安全监测可视化信息系统，不仅能够提升现有隧道信息化施工的技术水平，同时在中国隧道工程快速增长过程中，具有很大的市场推广应用空间，亦将会产生良好的社会效益和经济效益。

2　系统总体设计

2．1　系统功能分析

针对公路隧道施工的特点和需求，以及监测服务于隧道施工全过程的要求，施工安全监测可视化信息系统主要功能设计集中体现在图文数据管理、日常监测服务、隧道变形（如拱顶下沉与收敛）预测这几个方面。

（1）图文数据管理

主要是以文字为主的属性数据和基本图形、图像以及三维地层及平剖图，通过数据库管理功能的开发编程，实现图文数据的录入、修改、查询、统计、提取和维护等基本功能。由于一般计算机都安装有微软的Office软件，而该软件含有Access数据库软件，考虑到使用方便和节约成本，选用Access进行数据库建库，图形库将开发专门的功能模块进行管理。

（2）日常监测服务功能

在整个施工监测中，日常数据处理和图表制作工作量很大，但由于其具有重复性，因此可借助于计算机实现程序化和自动化。日常监测工作主要是各个监测项目的计算和报表图形生成与输出等。为了使程序通用性更强，也便于维护，可对一些监测项目数据进行“预加工”，通过编制数据预处理模块来实现；另外，以图形信息交互平台实现信息可视化查询和分析，是系统中一项重要的特色功能。在系统设计中，考虑到目前隧道工程中最常用的施工监测项目，如拱顶下沉、洞周收敛、拱架应力、围岩压力等。

（3）预测预警功能

在算法研究确定的基础上，通过编程实现预测功能，关键是做到数据修改容易、动态更新方便，在可视化平台上以图形方式直观反映测点与工程位置、地层地质状况及周边环境的关系，以便对预测结果进行深入理解和综合分析。系统能够对预测值或实际监测数据超过预警值、监测数据异常突变或其他危险情况进行自动报警。

2．2　软件框架结构设计

根据上述系统功能需求，将软件系统功能结构设计为4大部分，即基础数据信息、动态数据信息、图形交互平台和实用功能等。系统框架结构如图1所示，具体功能结构概述如下：

（1）基础信息库

①工程数据库：由工程概况、工程地质勘察、工程设计、施工方法、建（构）筑物、测绘数据等组成。

②工程图形库：包括工程平面图、地形等高线图、工程（地质）纵断面图、地质钻孔柱状图、开挖方法图、支护结构图等。

③规范标准库：主要是围岩结构、地层变形控制基准及建（构）筑物保护等级等。

图1　公路隧道施工安全监测可视化信息系统框架结构

（2）动态信息库

①监测数据库：由仪器设备参数、监测项目、监测方法、监测测点总体布置、监测断面布置图、测点描述、位移监测数据、应力监测数据等组成。

②施工工况库：主要是开挖和支护情况记录，包括与工程施工有关的信息，如开挖方法、进度、支护方式、支护进度、围岩土层和支护结构状态的目测情况，甚至包括天气变化等。

③三维图形库：根据基础信息库生成的隧道工程三维地质模型图、地质剖面及切面图等。

（3）施工监测电子地图

“施工监测电子地图”是本研究中提出的一个新概念，可以理解为利用GIS开发工具软件和基础图文信息库构建而成的一张类似城市交通旅游电子地图，但它集成有大量的工程信息和施工监测信息，能够直观反映公路隧道工程与周边地层或建（构）筑物的空间位置关系，并包含各种监测测点，可以进行“文字—图形”可视化双向查询、统计和分析，并能进行动态更新和维护，直接服务于公路隧道信息化施工，施工监测电子地图是用户与系统之间的一个可视化信息交互平台。

（4）实用功能

①图文数据管理：主要是以文字为主的属性数据和基本图形、图像以及三维地层及平剖图，通过数据库管理功能的开发编程可以实现图文数据的录入、修改、查询、统计、提取和维护等基本功能。由于一般计算机都安装有微软的Office软件，而该软件一般含有Access数据库软件，考虑到使用方便和节约成本，因此决定选用Access进行数据库建库和管理，图形库将开发专门的功能模块进行管理。

②日常监测服务功能：在整个施工监测中，日常数据处理和图表制作工作量很大，但由于其具有重复性，因此可借助于计算机实现程序化和自动化。日常监测工作主要是各个监测项目的计算和报表、图形生成与输出等。在系统设计中，考虑到由于地表位移、拱顶下沉和收敛等不少监测项目数据具有连续累加的共同特点，为了使程序通用性更强，也便于维护，可对一些监测项目数据进行“预加工”，通过编制数据预处理模块来实现。另外，以“施工监测电子地图”为平台实现信息可视化查询分析，是系统一项重要的特色功能。

③围岩稳定性预测与预警：在算法研究确定的基础上，通过编程实现其功能，关键是做到数据修改容易、动态更新方便，同时考虑如何将预测结果与前文提到的“施工监测电子地图”链接起来，以可视化方式直观反映其与具体工程位置、地层地质状况以及周边环境关系，以便于对预测结果的深入理解和进一步综合分析，同时可以根据设定的预警值进行报警。

3　初步实现

根据上述系统框架结构与功能需求设计，利用快速开发工具Delphi2007和GIS组件产品Super MapObjects进行了软件系统设计与编程，程序用户界面如图2所示，初步实现了监测电子地图制作、浏览、编辑、修改、查询，符号制作与编辑，监测测点的可视化布设，数据库创建与编辑，隧道围岩位移的回归预测分析等。

图2　公路隧道施工安全监测可视化信息系统程序界面

4　结　语

针对当前公路隧道施工安全监测信息管理存在的低效问题，提出了利用GIS技术创建一个新型的图形信息平台来统一集成监测、周围环境以及与施工安全相关等诸多信息，并结合预测分析方法的进一步开发，实现监测信息的快速计算、分析和反馈。在分析高效隧道安全监测可视化信息系统功能需求的基础上，设计了软件系统的框架结构体系，并利用GIS组件产品Super MapObjects和Delphi软件开发工具，初步实现了公路隧道安全监测可视化信息系统的一些基本功能。

参考文献

［1］Ahmet Unlutepe，Haluk Ozener．Geotechnical measurements at Izmir LRT system tunnels［J］．Tunneling and Underground Space Technology，2008，23：734-741．

［2］N．Shimizu，S．Tayama，H．Hirano，T．Iwasaki．Measurement and analysis of long-term behavior of Seoul metro tunnels using the Automatic Tunnel Monitoring Systems［J］．Tunneling and Underground Space Technology，2006，21：266-267．

［3］Michael J，Kavvadas T．Monitoring ground deformation in tunneling：Current practice in transportation tunnels［J］．Engineering Geology，2005，79：93-113．

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［6］蒋树屏，林勇．公路隧道量测数据管理系统的开发及其工程应用［J］．现代隧道技术，2001，38（6）：4-9．

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