隧道施工监测数据库及可视化软件系统研究

2011-08-20李长福刘忠会

山西建筑 2011年19期

李长福刘忠会赵慧

0 引言

我国的地下工程建设正方兴未艾。施工期反馈分析就是在隧道施工工程中进行监测，根据施工监测信息和揭露地质信息及时地对开挖支护方案进行动态分析和优化，以得到安全性和经济性效果最佳的施工方案。

隧道监测一直以来受到科研人员的重视，最有代表性的是1963年拉布希维兹(L.Rabcewicz)教授首先提出新奥地利施工方法，该方法明确指出变形观测的重要性。在推行新奥法于隧道设计施工的基础上，国内外专家总结出信息化施工的原则，即通过对施工开挖和支护过程中导洞、试验洞或正洞的量测(包括拱顶沉降、洞周收敛变形、地中变位与支护围压相互作用力等)，以这些实测的量测值作反演分析。

隧道施工期监测涉及专业的分析和复杂数据处理，需要消耗大量的计算时间，这与施工进度的紧迫性是不相适应的。尽管自动化监测数据可以连接多种传感器，快速地进行多通道数据采集，但在繁杂抽象的数据海洋中，往往令施工管理者深受困扰。随着信息科学和计算机技术的发展，发展监测数据库和可视化软件系统具有重要的意义。

1 系统设计与开发

1.1 系统功能设计

程序模块包括用户管理、数据管理和力学数据可视化显示。用户管理是为了保证系统的安全性，由系统管理员决定操作人员的名单和权限。操作人员通过修改密码来实现安全机制。系统禁止非法登陆，并对操作员的登陆情况进行详细的记录。数据管理模块中包括数据录入、删除、保存和查询。查询统计可对数据进行按字段查询，可以进行复杂的交叉查询，还可以自动生成监测时间序列线性图(见图1)。

1.2 数据库实现

数据库的逻辑设计的步骤是:

1)需求分析;

2)模式构成;

3)模式汇总;

4)模式重构。

在隧道施工数据管理需求分析的基础上，先对现有的数据管理模式进行优化。通过与施工技术人员的调研，尽量避免由于管理不完善造成的数据问题。然后进行数据优化，将收集的资料研究、分类。

对重复出现的数据进行合并，将不合理的数据进行改造。数据库的建立要求实现数据统一管理，数据具有良好的独立性，减少数据的冗余，实现数据的共享，对数据实现有效的安全保障(即安全性、完整性保证)。

数据库按照微软推荐的分层式结构进行开发，从下至上分别为:数据访问层、业务逻辑层(又或称为领域层)、表示层。三层体系的应用程序将业务规则、数据访问、合法性校验等工作放到了中间层进行处理。通常情况下，客户端不直接与数据库进行交互，而是通过COM/DCOM通讯与中间层建立连接，再经由中间层与数据库进行交互。

Access是一种桌面式的轻量级数据库，会随着Office安装组件安装到电脑中，而Oracle是大型服务器类型数据库，虽然它的并发性、速度以及数据存储量都很好，但安装配置环境复杂。对Oracle与Access数据库进行对比分析后，根据项目的实际应用情况，选择Access作为本数据库。

1.3 可视化

可视化(Visualization)是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。在可视化领域，VTK是很先进的一种技术。在本应用程序中的可视化实现部分，也同样采用了VTK技术来实现。视觉化工具函式库(VTK，Visualization Toolkit)是一个开放源码，跨平台、支援平行处理(VTK曾用于处理大小近乎1个Petabyte的资料，其平台为美国Los Alamos国家实验室所拥有的具1 024个处理器之大型系统)的图形应用函式库。2005年时被美国陆军研究实验室用于即时模拟俄罗斯制反导弹战车ZSU23-4受到平面波攻击的情形，其计算节点高达2.5兆之多。

后处理模块包括等值线(Contour)类、数据输出(Dataout)类和三维建模(3D model)类。利用VTK的vtlPlane，vtkCutter，vtkProbe-Filter类实现云图，利用 VTK 的 vtlPlane，vtkContourFilter，vtkProbe-Filter类实现等值线图。

采用轮廓线建模，即在二维数据切片(DataSlice)中逐一提取闭合的等值线，然后将相邻切片的等值线相连接，形成曲面网格逼近等值表面，这样便可实现三维模型。

1.4 系统编程实现

本系统采用Microsoft的Visual C#.Net Framework进行程序的开发。C#是一种先进，面向对象的语言，通过C#可以让开发人员快速的建立大范围的基于MS网络平台的应用，并且提供大量的开发工具和服务帮助开发人员开发基于计算和通信的各种应用。由于C#是一种面向对象的开发语言，所以C#可以大范围的适用于高层商业应用和底层系统的开发。即使是通过简单的C#构造也可以将各种组件方便的转变为基于WEB的应用，并且能够通过Internet被各种系统或是其他开发语言所开发的应用调用。通过Visual C#.Net与Access2000连接，实现数据库的操作。安装VTK组件，通过Visual C#.Net调用VTK库函数，可以比较方便地实现可视化的功能。

2 系统应用

白家坡隧道进口端位于兰州市榆中县方家泉村与西沟之间，隧道洞身穿越黄河高阶地及黄土梁、峁区，地形起伏大，相对高差达300以上。地表沟谷发育，切割相对较深。除进出口及沟谷地段地表分布有圆砾土外，其余地段地表大都有黄土覆盖，山体坡面上植被较稀疏。

隧道里程为DK7+284～DK10+382，全长3 098 m，为一座双线隧道。隧道最小埋深35 m，隧道最大埋深可达300 m。隧道纵坡分别为1 216 m的12.8‰，1 882 m的3‰的上坡，隧道进口左线327.84 m位于R-4 500 m的右偏曲线上，进口右线342.839 m位于R-4 495.491 m的右偏曲线上，洞身左线941.897 m位于R-4 500 m左偏曲线上，洞身右线912.630位于R-4 504.509 m左偏曲线上，其余的均位于直线上。

隧道监测传感器包括应变计、钢筋计、压力盒、水压计、温度计等，可在施工阶段布设，除了施工监控的作用，这些传感器还可以用于服役隧道的健康监测。将监测数据录入系统，程序的数据删除界面见图2。