趙 炯，魯?shù)ぼ?，胡玉俊，潘舒眉，熊肖?/p>

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械電子研究所，上海 201804)

地鐵隧道沉降變形信息發(fā)布及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

趙 炯，魯?shù)ぼ?，胡玉俊，潘舒眉，熊肖?/p>

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械電子研究所，上海 201804)

研究營運(yùn)隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變形信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布設(shè)計(jì)方案。分析系統(tǒng)整體方案的需求、使用要求，構(gòu)建系統(tǒng)整體框架。根據(jù)信息發(fā)布要求和變形監(jiān)測(cè)硬件通訊要求建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。利用SQL Server平臺(tái)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用于接收底層硬件的傳輸數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，并為信息發(fā)布提供數(shù)據(jù)支持。整個(gè)發(fā)布系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)隧道變形系統(tǒng)的信息實(shí)時(shí)發(fā)布和預(yù)警功能，并以圖表形式提供數(shù)據(jù)查詢結(jié)果。監(jiān)測(cè)人員通過獲取的信息數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控隧道的運(yùn)營情況，及時(shí)做出相應(yīng)的列車運(yùn)行調(diào)整。

隧道變形;SQL Server;ASP.NET;Chart控件

城市地鐵建設(shè)高速發(fā)展帶來的隧道安全防范問題愈趨重要［1］。相應(yīng)地隧道變形測(cè)量技術(shù)也有較大的應(yīng)用和發(fā)展前景。目前隧道的測(cè)量方法主要有人工定期復(fù)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)安裝儀器自動(dòng)進(jìn)行不間斷測(cè)量等方式。對(duì)于自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建，必不可少的一部分就是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸及上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息實(shí)時(shí)發(fā)布功能，即可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)視隧道變形情況，對(duì)危險(xiǎn)截面、異常環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。

1 隧道沉降變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

隧道沉降變形檢測(cè)硬件設(shè)備及信息發(fā)布的工作原理如圖1所示。圖中隧道截面布置的光源和圖像傳感器組成了整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。安裝于隧道壁內(nèi)的檢測(cè)設(shè)備將檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)發(fā)布系統(tǒng)。該檢測(cè)設(shè)備由成對(duì)安裝的圖像傳感器和光源組成，通過捕捉光源的圓心位置來確定設(shè)備安裝點(diǎn)的位置。將獲取的各點(diǎn)相對(duì)位置從基站轉(zhuǎn)換進(jìn)而獲取安裝點(diǎn)的絕對(duì)位置。通過比較不同時(shí)間點(diǎn)測(cè)得的位置數(shù)據(jù)，獲得隧道的絕對(duì)沉降的值［2］。

測(cè)得的數(shù)據(jù)通過無線通訊傳輸?shù)椒?wù)器，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)融合后進(jìn)行發(fā)布。工作人員可通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地查詢當(dāng)前隧道變形情況以獲取預(yù)警信息。

圖1 pH值對(duì)SBS改性瀝青乳液儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響Fig.1 The tunnel deformation monitoring system working principle

2 上位機(jī)發(fā)布系統(tǒng)開發(fā)原理及需求分析

上位機(jī)預(yù)警及信息發(fā)布系統(tǒng)使用Web瀏覽器作為用戶操作界面，基于微軟.NET平臺(tái)的ASP.NET架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)研制［3－7］。使用工具有微軟Visual Studio.NET平臺(tái)以及微軟SQL Server數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

基于.NET平臺(tái)上的ASP.NET是一個(gè)3層結(jié)構(gòu)，由數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和UI層組成，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 ASP.NET系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 The ASP.NET system structure model

由下位機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和數(shù)據(jù)融合后存入數(shù)據(jù)庫中，作為發(fā)布系統(tǒng)底層的基本數(shù)據(jù)來源。它通過ADO.NET操縱數(shù)據(jù)向業(yè)務(wù)邏輯層提供數(shù)據(jù)服務(wù)［8］。業(yè)務(wù)邏輯層接收瀏覽器發(fā)出的請(qǐng)求，然后將數(shù)據(jù)層提供的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端瀏覽器。查詢?nèi)藛T通過操作UI層的瀏覽器獲取服務(wù)端的數(shù)據(jù)。

隧道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，各點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備安裝在隧道壁上，負(fù)責(zé)采集隧道變形數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理和融合后，再通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行發(fā)布。

從查詢和維護(hù)人員的角度考慮，需要構(gòu)建的上位機(jī)發(fā)布系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)圖3所示的主要功能。

圖3 ASP.NET系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Flow chart of tunnel deformation information release system

由圖3，將本查詢系統(tǒng)分為以下幾個(gè)主要功能模塊:

(1)系統(tǒng)管理:實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的登錄、等級(jí)權(quán)限設(shè)置、用戶信息修改、報(bào)警信號(hào)接解除等。

(2)查詢模塊:實(shí)現(xiàn)隧道當(dāng)前及歷史沉降變形數(shù)據(jù)的查詢，及當(dāng)前最大截面變形處信息，溫度最高處等環(huán)境信息的實(shí)時(shí)顯示。

(3)設(shè)計(jì)圖表:用戶可自行選擇查詢方式，包括表格、曲線圖和餅狀圖等，并可生成相應(yīng)的報(bào)表并打印。

(4)分析預(yù)警管理:利用已獲知的測(cè)量數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)等各類分析方法判斷隧道變形程度和變形時(shí)間趨勢(shì)，并根據(jù)隧道變形量和變形速率大小發(fā)布預(yù)警信息。若隧道內(nèi)溫度、濕度發(fā)生異常，也會(huì)實(shí)時(shí)報(bào)警提示。

(5)遠(yuǎn)程維護(hù)管理:實(shí)時(shí)掌控現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)掌握意外情況并可迅速定位事發(fā)位置。

3 隧道沉降變形發(fā)布系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析可知，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)五大模塊功能，以此要求來構(gòu)建整個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)庫用于接收底層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)處理和融合過程中的數(shù)據(jù)，并且為上位機(jī)發(fā)布系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，是整個(gè)隧道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

表1是數(shù)據(jù)庫中主要數(shù)據(jù)表及簡(jiǎn)要的描述。其中，Station表存儲(chǔ)地鐵線路沿線的隧道站編號(hào)及隧道站的名稱。Section表存儲(chǔ)隧道截面編號(hào)及相應(yīng)的地理位置，在發(fā)生變形過大、環(huán)境異常報(bào)警時(shí)提供危險(xiǎn)截面的地理位置信息。OriRadialValue表存儲(chǔ)從檢測(cè)設(shè)備獲得的原始沉降變形數(shù)據(jù)，避免因后續(xù)處理不當(dāng)?shù)仍騺G失或毀壞原始數(shù)據(jù)。RadialValue表存儲(chǔ)經(jīng)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)融合后的隧道沉降變形數(shù)據(jù)，是變形信息發(fā)布重點(diǎn)內(nèi)容。表中的字段包括反應(yīng)隧道變形程度的絕對(duì)沉降量(相對(duì)于車站)、相對(duì)沉降量(相對(duì)于相鄰截面)和變形速率等。

ImageSensor表存儲(chǔ)圖像傳感器編號(hào)、測(cè)試模式、檢測(cè)狀態(tài)等信息。TempSensor表存儲(chǔ)溫度傳感器信息，內(nèi)容包括ImageSensor表中的字段，另外還包括一個(gè)存儲(chǔ)檢測(cè)溫度字段TempValue和時(shí)間字段Daytime。HumiditySensor表存儲(chǔ)濕度傳感器信息，內(nèi)容和 TempSensor表類似。StandardValue表存儲(chǔ)預(yù)警信息參考值的數(shù)據(jù)，包括變形量、變形速率、溫度、濕度等的最大限定值，超過設(shè)定的值進(jìn)行報(bào)警。

表1 隧道變形數(shù)據(jù)庫主要數(shù)據(jù)表Table 1 The main database tables

4 ASP頁面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在已構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，結(jié)合上位機(jī)發(fā)布系統(tǒng)需求分析，設(shè)計(jì)整個(gè)ASP頁面查詢流程。整個(gè)登錄查詢過程的查詢頁面及其相互關(guān)系如圖4所示。

圖4 ASP主要頁面之間相互關(guān)系Fig.4 The relationship of the main ASP pages

由圖4，login.aspx是登錄頁面，頁面添加的一個(gè)Login的控件，用于登錄控制。登錄成功，進(jìn)入D_Time.aspx頁面。D_Time.aspx頁面是用表格列出某個(gè)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)所有沉降變形信息，以及這個(gè)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)隧道最大變形截面的信息;D_SectionID.aspx頁面用表格列出某一個(gè)截面在一段時(shí)間內(nèi)沉降變形信息，以及這個(gè)截面在這一段時(shí)間內(nèi)變形量及環(huán)境信息的極限值;P_Time.aspx頁面以圖形的方式顯示某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)所有截面沉降信息;P_SectionID頁面以圖形的方式顯示某一截面在一段時(shí)間內(nèi)沉降信息。UesrInfo.aspx頁面是用戶資料頁面，只有權(quán)限為管理員的登錄人員才有權(quán)限查閱并且修改。DangerAlarm.aspx頁面是危險(xiǎn)預(yù)警處理頁面，只有權(quán)限為管理員的登錄人員才能處理、取消預(yù)警。Print.aspx頁面是打印頁面，實(shí)現(xiàn)生成打印預(yù)覽、輸出報(bào)表的功能。

4.1 ASP.NET 母版頁的運(yùn)用

在上述主要的瀏覽頁面中，除了初始登錄Login.apsx頁面，其他頁面的主體結(jié)構(gòu)相似，只在數(shù)據(jù)、內(nèi)容顯示方面有序別，所以引入母版頁(MasterPage)的應(yīng)用。使用ASP.NET母版頁可以為應(yīng)用程序中的頁創(chuàng)建一致的布局。單個(gè)母版頁可以為應(yīng)用程序中的所有頁(或一組頁)定義所需的外觀和標(biāo)準(zhǔn)行為。然后可以創(chuàng)建包含要顯示內(nèi)容的各個(gè)內(nèi)容頁。當(dāng)用戶請(qǐng)求內(nèi)容頁時(shí)，這些內(nèi)容頁與母版頁合并以將母版頁的布局與內(nèi)容頁的內(nèi)容組合在一起輸出。

通過創(chuàng)建內(nèi)容頁來定義母版頁的占位符控件的內(nèi)容，這些內(nèi)容頁為綁定到特定母版頁的ASP.NET頁。通過包含指向要使用的母版頁的MasterPageFile屬性，在內(nèi)容頁的@Page指令中建立綁定。

舉例:D_Time.aspx內(nèi)容頁綁定母版頁的語句:

4.2 頁面導(dǎo)航設(shè)計(jì)

除了login.aspx頁面，其他頁面運(yùn)用母版頁的排版格式。母版頁中引入TreeView控件，實(shí)現(xiàn)各個(gè)頁面之間實(shí)現(xiàn)切換功能。

TreeView控件中的各項(xiàng)信息都有一個(gè)與之相關(guān)的Node對(duì)象。TreeView顯示Node對(duì)象的分層目錄結(jié)構(gòu)，每個(gè)Node對(duì)象均由一個(gè)Label對(duì)象和其相關(guān)的位圖組成。在建立TreeView控件后，我們可以展開和折疊、顯示或隱藏其中的節(jié)點(diǎn)。

TreeView控件綁定數(shù)據(jù)前，需先生成 web.sitemap文件，然后直接用 TreeView的 DataSourceID屬性綁定web.sitemap文件。

web.sitemap文件中部分編程語句和生成目錄如圖5所示。

ExpandDepth屬性是獲取或設(shè)置第一次顯示TreeView控件時(shí)所展開的層次數(shù)。因此處一共三層，值為“2”表示展開2層，即展開了所有層。

通過利用TreeView控件，生成整個(gè)系統(tǒng)主要的頁面的目錄，便于查詢?nèi)藛T快速導(dǎo)航到需要查詢數(shù)據(jù)的頁面。

4.3 Chart控件的運(yùn)用

隧道沉降變形信息的發(fā)布運(yùn)用表格和圖形顯示的方式。圖形顯示功能直接利用.NET3.5平臺(tái)提供的Chart組件來實(shí)現(xiàn)(VS2010以上版本自帶，其他則需另行安裝)。Chart控件支持曲線圖、餅狀圖、柱狀圖、散布圖的繪制，同時(shí)支持二維和三維視圖。Chart控件使用簡(jiǎn)易，且可繪制出十分精美的圖形界面。

HTML語言設(shè)計(jì)Chart控件屬性，主要需設(shè)計(jì)的集合屬性有Legends，Series，ChartArea等。Legends屬性存儲(chǔ)Chart控件所使用的所有圖例對(duì)象;Series屬性存儲(chǔ)所有圖表數(shù)據(jù)對(duì)象;ChartArea屬性存儲(chǔ)所有圖形區(qū)域?qū)ο?。具體圖形元素說明如圖6所示。

圖5 Chart控件的主要元素Fig.5 The main elements of the Chart control

圖6中所列Chart控件的元素是Chart控件比較常用的一些屬性或集合屬性。通過設(shè)置可實(shí)現(xiàn)不同形式、背景、標(biāo)簽的數(shù)據(jù)顯示圖。

利用Chart控件顯示隧道變形沉降量，以P_Time.aspx頁面(圖形顯示某一時(shí)間點(diǎn)所有截面的變形信息)為例，作簡(jiǎn)要說明。

設(shè)置P_Time.aspx頁面橫坐標(biāo)為截面編號(hào)，縱坐標(biāo)為變形量。圖中設(shè)置兩個(gè)Series曲線，分別是表示隧道截面水平位移量和垂直位移量。兩個(gè)Series曲線分別和數(shù)據(jù)庫中的RadialValue表的相對(duì)平移和相對(duì)沉降的兩個(gè)字段綁定。表2是Chart控件中其中一條Series曲線部分屬性設(shè)置參數(shù)。

表2 Series屬性的參數(shù)設(shè)置Table 2 Series properties settings

表3是集合屬性chartareas的部分屬性的設(shè)置參數(shù)。Chartareas內(nèi)可類似Series集合屬性繪制多幅圖表，但此處只繪制了一幅chartarea。表3所列的屬性用于設(shè)計(jì)整個(gè)繪圖區(qū)的顯示界面，包括圖形區(qū)域的色彩、邊框類型、線條寬度、數(shù)據(jù)軸屬性等圖形元素。

表3 Chartareas屬性的參數(shù)設(shè)置Table 3 Chartareas properties settings

表2和表3分別對(duì)集合屬性Series和chartareas進(jìn)行設(shè)置。表中列出的是它們一部分重要的屬性，例如字體、位置、圖形尺寸等屬性在此。

設(shè)置完成Chart控件屬性后，編寫后臺(tái)C#程序。后臺(tái)程序用pictureLoad()的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫連接、數(shù)據(jù)的篩選和Chart表數(shù)據(jù)綁定。picture-Load()方法在初次頁面載入和改變選擇查看時(shí)間點(diǎn)時(shí)對(duì)pictureLoad()進(jìn)行調(diào)用。以下的C#語句是對(duì)pictureLoad()方法的主要程序。

//語句中的SelectTimeList控件在主程序中設(shè)置為綁定時(shí)間，根據(jù)其從數(shù)據(jù)庫選擇相應(yīng)數(shù)據(jù)，和Series X、Y軸綁定

其余數(shù)據(jù)查詢界面的頁面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)綁定等設(shè)置方法同 P_Time.aspx類似。圖7為 P_Time.aspx頁面調(diào)試運(yùn)行后Chart控件部分的效果圖。

圖6 P_Time.aspx頁面的Chart效果圖Fig.6 The Time.aspx page chart rendings

4.4 危險(xiǎn)信息顯示

用 ASP.NET 中 Grid View 控件［9］可較容易實(shí)現(xiàn)表格形式顯示查詢數(shù)據(jù)，在此不贅述。在表格數(shù)據(jù)的右側(cè)，顯示隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)的危險(xiǎn)信息。

其中包括相對(duì)(絕對(duì))變形最大、變形速率最大、環(huán)境溫度最高、濕度最大的各點(diǎn)的信息。以D_Time.aspx頁面(表格顯示某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)所有截面的數(shù)據(jù))的危險(xiǎn)信息部分舉例:

aspx頁面設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，使用Label和Text BoX 控件，并在 C#后臺(tái)程序［10］，實(shí)現(xiàn) TextBox和數(shù)據(jù)庫綁定，實(shí)時(shí)顯示最大危險(xiǎn)信息。C#程序和Chart控件中的數(shù)據(jù)綁定方法類似，在此亦不贅述。

圖8是 D_Time.aspx頁面調(diào)試運(yùn)行的部分界面。

圖7 D_Time.aspx數(shù)據(jù)顯示部分界面Fig.7 The D_Time.aspx data display interface

5 結(jié)論

采用ASP.NET技術(shù)開發(fā)基于B/S 3層體系結(jié)構(gòu)開發(fā)實(shí)現(xiàn)的隧道沉降變形監(jiān)測(cè)發(fā)布及預(yù)警系統(tǒng)界面簡(jiǎn)明、使用方便。在互聯(lián)網(wǎng)上使用瀏覽器即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作維護(hù)，提高了信息發(fā)布查詢的效率，同時(shí)也提高了隧道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化程度。利用ASP.NET豐富的表格和圖形組件實(shí)現(xiàn)了不同形式數(shù)據(jù)查詢方式。

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Design and realization of the metro tunnel deformation information release and early warning system

ZHAO Jiong LU Dan-jun，HU Yujun，PAN Shu-mei，XIONG Xiao-lei

(College of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China)

This paper proposed a design about the metro deformation data distribution through the Internet.Based on the analysis of the whole system requirements including distribution and communication，database system is built before designing asp pages.The function of real－ time information distribution and early warning are achieved，and the chart components are used to realize different data query forms.

tunnel monitoring;SQL Server;ASP.NET;Chart Control

TN98

A

1672－7029(2011)06－0044－06

2011－11－23

上海市科委科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(08201202103)

趙 炯(1963－)，男，江蘇蘇州人，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事嵌入式系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究