李朋偉 趙翰超 張鑫啟 彭際豪 周立俊 盧菁

摘要：隧道激光測距技術(shù)可以實現(xiàn)對隧道斷面的檢測以及必要的預(yù)警，常用的激光測距分析技術(shù)使用曲線擬合來對數(shù)據(jù)進行處理，易造成誤差。針對該問題，研究設(shè)計了激光測距數(shù)據(jù)分析平臺，利用Pymon對激光測距儀采集并存儲于Excel表格中的數(shù)據(jù)進行提取并導(dǎo)入MysQL數(shù)據(jù)庫中進行結(jié)構(gòu)化存儲。平臺可對存儲的數(shù)據(jù)進行處理并繪制折線圖，對不同測量數(shù)據(jù)進行差值計算，通過對比分析數(shù)據(jù)變化情況，定位高危位置，并觸發(fā)預(yù)警。

關(guān)鍵詞：激光測距;結(jié)構(gòu)化存儲;數(shù)據(jù)分析;MySQL;Python

中圖分類號：TP319 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8228（2020）07-37-03

0引言

隨著中國城市化進程的加快，城市地下交通發(fā)展迅速。然而，中國是一個多地形地貌的國家，其地質(zhì)導(dǎo)致的隧道安全問題不容小覷。隧道下臥軟土層受到長期振動會不斷軟化，從而導(dǎo)致隧道內(nèi)壁發(fā)生整體沉降以及局部形變，嚴(yán)重影響隧道安全。針對既有線網(wǎng)安全監(jiān)測的迫切需求，國內(nèi)外有關(guān)機構(gòu)進行著各種創(chuàng)新技術(shù)嘗試。

隧道斷面檢測技術(shù)按技術(shù)原理可分為：接觸式測量和非接觸式測量。國內(nèi)外現(xiàn)有的隧道斷面檢測技術(shù)無法同時兼顧高速動態(tài)測量、高測量精度與高采樣速率。目前主流的隧道斷面檢測技術(shù)為隧道激光測距技術(shù)，通過激光測距裝置對隧道斷面內(nèi)壁測量，獲得激光發(fā)射點與斷面監(jiān)測點之間的距離，進而對數(shù)據(jù)進行處理，對隧道斷面的位移、沉降、形變進行檢測，確保隧道安全。采用激光測距方法對隧道斷面檢測是為克服人工隧道檢測帶來的效率低下、精確度低、數(shù)據(jù)不夠完整等缺點。但需要處理的數(shù)據(jù)量極其龐大，目前的系統(tǒng)缺少有效的存儲和數(shù)據(jù)分析的手段。

常用的激光測距技術(shù)使用曲線擬合的方式對激光測距傳感器所得到的數(shù)據(jù)進行比較。即數(shù)據(jù)以線形圖顯示每次測量的數(shù)據(jù)，同時對相鄰兩次數(shù)據(jù)曲線進行重合分析，如差異顯著則會觸發(fā)報警信息。若對多組數(shù)據(jù)進行同時擬合，多條曲線重合后難以辨認(rèn)，嚴(yán)重影響了預(yù)警能力。

本文基于對激光測距傳感器所得數(shù)據(jù)進行分析，設(shè)計了一個基于隧道激光測距技術(shù)的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)儲存標(biāo)準(zhǔn)情況下激光測距傳感器的測量值，并將后期采集的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)可從數(shù)據(jù)庫中取得數(shù)據(jù)，對每次測量的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進行差值計算，繪制對比圖分析數(shù)據(jù)，從而快速篩選形變量較大的位置，迅速確認(rèn)高危管片所在位置，直觀精確地顯示預(yù)警信息。每次數(shù)據(jù)處理結(jié)果以數(shù)字形式直接儲存在數(shù)據(jù)庫中，方便下一次提取使用。

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)功能框架

（1）系統(tǒng)采用Python語言編寫，使用了Spyder開發(fā)環(huán)境。Spyder是一個用于科學(xué)計算的并使用Python編程語言的集成開發(fā)環(huán)境。

（2）數(shù)據(jù)庫架構(gòu)方面，系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫，用于結(jié)構(gòu)化存儲激光測距儀返回的實驗數(shù)據(jù)以及分析處理后的數(shù)據(jù)。

（3）折線圖的繪制。主要采用了Python內(nèi)置的matplotlib.pyplot函數(shù)集進行繪制。

（4）數(shù)據(jù)采集：激光測距儀采集的實驗數(shù)據(jù)存儲在Excel表中，每隔0.2mm激光測距儀采集一次數(shù)據(jù)，單位為mm，并存儲在Excel表中。由上海傲波技術(shù)有限公司提供實驗測量數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)功能流程圖如圖1所示。

系統(tǒng)功能說明：①選擇實驗數(shù)據(jù)，刷新界面展現(xiàn)激光測距儀返回的數(shù)據(jù)列表;②導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件，從Excel表格中，導(dǎo)入激光測距儀所得數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫并進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲;③繪制對比圖，通過導(dǎo)入新的實驗數(shù)據(jù)與初始檢測所得數(shù)據(jù)進行對比，在激光測距儀的誤差范圍內(nèi)，對兩次數(shù)據(jù)進行差值計算，并以折線圖形式展現(xiàn)，直觀得出數(shù)據(jù)變化情況。

1.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計

激光測距儀測得的數(shù)據(jù)量巨大，且儲存在Excel文檔中，不利于進行數(shù)據(jù)的處理，為使數(shù)據(jù)合理地存儲在數(shù)據(jù)庫中，我們設(shè)計兩張數(shù)據(jù)表，見表1，表2。

2系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)主界面展示

如圖2所示，主界面一共分為三個部分，左側(cè)上部為實驗數(shù)據(jù)選擇框，可以選擇需要處理的測距數(shù)據(jù)，左側(cè)下部為數(shù)據(jù)列表展示框，展示激光測距儀的導(dǎo)入數(shù)據(jù)，右側(cè)為功能區(qū)包括導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件，繪制對比圖，刷新三個按鈕。

通過下拉框選擇要查看的導(dǎo)入數(shù)據(jù)，并點擊刷新按鈕，可實現(xiàn)主界面實驗數(shù)據(jù)展示列表的更新。導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件按鈕實現(xiàn)了Excel表格數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的功能。繪制對比圖按鈕可根據(jù)選擇的實驗數(shù)據(jù)與距離區(qū)間展示標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與選擇數(shù)據(jù)以及兩次實驗數(shù)據(jù)的差值，并繪制折線圖，便于直觀分析處理數(shù)據(jù)。

2.2導(dǎo)入功能實現(xiàn)

如圖3所示，通過選擇Excel文檔提供的path路徑，利用函數(shù)importExcelToMysql（）讀取Excel文件，獲取第一張工作表的內(nèi)容，然后依次讀取表中每一行數(shù)據(jù)并存儲到sqlstr數(shù)組中，再利用sql語句插入到數(shù)據(jù)庫中，完成數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能。

代碼中數(shù)據(jù)庫操作涉及到Python操作MySQL的基本方法。Python DB-API是Python訪問數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一接口規(guī)范。通過Python訪問數(shù)據(jù)庫的流程如圖4所示，利用cur=con.cursor（）創(chuàng)建的操作游標(biāo)，執(zhí)行execute方法可實現(xiàn)sql語句的執(zhí)行。

2.3繪圖功能實現(xiàn)

如圖5所示，通過讀取MySQL數(shù)據(jù)庫中存儲的measurement值，存入數(shù)組中，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行差值運算后，將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進行繪圖操作，同時存入數(shù)據(jù)庫中dvalue字段中。實現(xiàn)了導(dǎo)入數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的差值運算與繪圖比較功能。第三個折線圖為差值折線圖，繪制了兩條預(yù)警線。如圖6所示，當(dāng)折線圖數(shù)據(jù)大部分都在預(yù)警線之外時，在該區(qū)間可能出現(xiàn)了隧道管壁的損壞或隧道整體沉降，需要及時地制定相關(guān)方案，避免由此帶來嚴(yán)重影響。

3結(jié)束語

本文對激光測距傳感器所得數(shù)據(jù)進行分析，設(shè)計了一個數(shù)據(jù)分析處理平臺，使數(shù)據(jù)更易管理、分析并精確地提供預(yù)警信息，在隧道斷面監(jiān)測的后續(xù)數(shù)據(jù)處理上發(fā)揮著重要作用。目前該平臺已經(jīng)在上海傲波光電技術(shù)有限公司使用，用于測距數(shù)據(jù)的處理以及數(shù)據(jù)分析，取得良好反響。隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)的不斷補充，數(shù)據(jù)分析處理平臺可以不斷擴充功能，最終實現(xiàn)對隧道斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)長期動態(tài)地統(tǒng)計與分析。