裴林 郝萌 肖亮鵬 楊柳

摘要：隨著計算機技術(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)合實例就智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用進行研究，同時結(jié)合BIM模型和GIS技術(shù)實現(xiàn)三維監(jiān)控可視化，實時提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，并自動與報警控制值對比分析，在監(jiān)測值超過報警值的時候自動報警，及時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)測系統(tǒng);BIM;GIS;受控

中圖分類號：TP399 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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進步蓬勃發(fā)展，對地鐵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保證運營安全智能化實時監(jiān)測迫在眉睫[1]。本系統(tǒng)以BIM、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、GIS等技術(shù)為核心實現(xiàn)軌道交通的實時監(jiān)測的三維可視化，智能化。通過智能化傳輸多種實時數(shù)據(jù)以及集成挖掘有用數(shù)據(jù)，建立大數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行挖掘分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)人員設(shè)備管理，數(shù)值模擬，分析預(yù)測，以及應(yīng)急評估等功能，輔助工程人員作出合理的決策?？蓪ΡO(jiān)測數(shù)據(jù)進行深度挖掘，進行關(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)驗曲線，從而達到變形趨勢預(yù)測、預(yù)警，指導(dǎo)設(shè)計與施工。對數(shù)據(jù)智能實時監(jiān)測，動態(tài)評估，預(yù)測預(yù)警等全過程智能化監(jiān)測管理系統(tǒng)的構(gòu)建提供了一種切實可行的實現(xiàn)思路。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)架構(gòu)在相關(guān)信息安全體系，標(biāo)準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采集、人工采集、外部接入、離線交換等，該層主要負責(zé)自動化數(shù)據(jù)和人工數(shù)據(jù)的采集，對應(yīng)的硬件包括現(xiàn)場部署的傳感器[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)、專網(wǎng)等，該層主要負責(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、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)庫、成果數(shù)據(jù)庫、元數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)字典等。該數(shù)據(jù)層主要負責(zé)系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)的存儲于管理，包括系統(tǒng)基本的用戶、交互、權(quán)限、數(shù)據(jù)流、原始數(shù)據(jù)、報警數(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。應(yīng)用支持層是該系統(tǒng)的主要后臺功能，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)用層是面向用戶的實際業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括實時監(jiān)控、預(yù)報預(yù)警、用戶管理、項目管理、歷史統(tǒng)計、報表分析、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)測系統(tǒng)的實際應(yīng)用場景，結(jié)合BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)搭建智能檢測系統(tǒng)，采用三層體系架構(gòu)：

（1）客戶端：指的是系統(tǒng)平臺的用戶主體，包括平臺使用者、平臺管理者等客戶端操作人員，由客戶端進行請求與響應(yīng)。具體的服務(wù)對象由系統(tǒng)的建設(shè)者決定。該客戶端包括web瀏覽器和手機客戶端。

（2）應(yīng)用服務(wù)層：作為智能化的管理系統(tǒng)，由各個子模塊采集數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)以規(guī)定的格式返回，再對數(shù)據(jù)進行分類、抽取、挖掘和融合等處理，在數(shù)據(jù)存儲的同時，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。同時提供多種靜態(tài)和動態(tài)信息查詢接口，滿足這些外部系統(tǒng)的信息需求。

（3）數(shù)據(jù)管理層：存儲系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實時采集系統(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)用場景的實際需求，設(shè)計頂層架構(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、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)測環(huán)境的實時數(shù)據(jù)（如測斜，水平位移，應(yīng)力，應(yīng)變）傳送給監(jiān)測中心[4，5]，能夠通過智能傳感器對環(huán)境內(nèi)的突發(fā)事件進行準確分析和判斷，并且監(jiān)測人員可以通過監(jiān)測主機查詢監(jiān)測環(huán)境的實時狀況，做出決策。

智能監(jiān)測系統(tǒng)主要有四大模塊組成，數(shù)據(jù)采集與管理，App移動客戶端、實時監(jiān)測監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。

3.1 數(shù)據(jù)采集與管理

智能監(jiān)測采集服務(wù)程序采用輕量高效的Nodejs開發(fā)。使用DTU通訊技術(shù)，將監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過物聯(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)庫服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫采用在WEB應(yīng)用方面最好的RDBMS（Relational Database Management System，關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）Mysql數(shù)據(jù)庫，以保障數(shù)據(jù)庫讀寫效率，以及數(shù)據(jù)安全。通過利用PM2來簡化node應(yīng)用管理的繁瑣任務(wù)，如性能監(jiān)控、自動重啟、負載均衡等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠持久運行。

采集服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫中請求到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DTU，采集服務(wù)器定時發(fā)送指令給DTU，DTU將獲取到的指令通過串口分發(fā)給傳感器，傳感器響應(yīng)，通過 DTU以透傳形式通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸給采集服務(wù)器，采集服務(wù)器根據(jù)監(jiān)測項配置與傳感器數(shù)據(jù)協(xié)議解析數(shù)據(jù)，并存儲到數(shù)據(jù)庫中。

3.2 App移動客戶端

系統(tǒng)移動客戶端支持Android和IOS系統(tǒng)，主要功能包括項目信息展示、實時監(jiān)控、巡檢日志上傳、監(jiān)控報警查詢、設(shè)備報警查詢、數(shù)據(jù)分析等功能。

其中監(jiān)控報警流程設(shè)計如圖3。

主要涉及的人員包括：

監(jiān)測人權(quán)限：驗證分析告警信息，驗證完成后，點擊已處理，使告警程序進入下一流程。

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

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

消警人權(quán)限：告警信息處理完成后，進行消警。

普通用戶：只能進行數(shù)據(jù)查詢，不可增加、修改或刪除。

3.3 實時監(jiān)測監(jiān)控

3.3.1 項目管控一體化管理

采用GIS方式，對大場景區(qū)域內(nèi)的項目進行管理，比如整個北京市的正在施工的軌道項目，對項目總數(shù)、完成數(shù)、正在進行項目數(shù)進行匯總;對項目的報警狀態(tài)進行匯總;項目可以與地圖的實時位置進行聯(lián)動;根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的權(quán)限，可以控制用戶對項目的權(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)進行融合，具備大數(shù)據(jù)承載能力和細節(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)，進行幅值分布和時間分布和數(shù)據(jù)對比。將實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)以圖表的形式可視化顯示，便于分析施工過程中可能出現(xiàn)的問題，為下一步計劃提供決策。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）時間分布，如圖8所示。

（4）數(shù)據(jù)對比。數(shù)據(jù)對比支持不同監(jiān)測點相同時間或者相同監(jiān)測點不同時間監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比，如圖9圖10所示。

4 結(jié)語

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)測系統(tǒng)構(gòu)建方法，并在實際的案例中進行應(yīng)用與實驗，效果良好，對于該應(yīng)用場景下或相似類似應(yīng)用場景的信息化建設(shè)提供一個新的切實可行的思路。

參考文獻

[1] 武強，徐華，趙穎旺等.基于云平臺的礦井水災(zāi)害智慧應(yīng)急救援系統(tǒng)與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報，2018（10）：2661-2667.

[2] 段偉，王敏等.地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性自動化檢測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].四川建材，2016（42）：89-94.

[3] 黃旻旻.地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代測繪，2013（36）：11-13.

[4] 李金蕾.地鐵地下隧道形變智能實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[D].中國海洋大學(xué)，2010.

[5] 張秀麗.地鐵隧道施工實時監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用研究[D].東北大學(xué)，2013.

[6] Autodesk杜長宇.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].