隧道施工監(jiān)測數(shù)據(jù)庫及可視化軟件系統(tǒng)研究

李長福 劉忠會 趙 慧

0 引言

我國的地下工程建設(shè)正方興未艾。施工期反饋分析就是在隧道施工工程中進行監(jiān)測，根據(jù)施工監(jiān)測信息和揭露地質(zhì)信息及時地對開挖支護方案進行動態(tài)分析和優(yōu)化，以得到安全性和經(jīng)濟性效果最佳的施工方案。

隧道監(jiān)測一直以來受到科研人員的重視，最有代表性的是1963年拉布希維茲(L.Rabcewicz)教授首先提出新奧地利施工方法，該方法明確指出變形觀測的重要性。在推行新奧法于隧道設(shè)計施工的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外專家總結(jié)出信息化施工的原則，即通過對施工開挖和支護過程中導洞、試驗洞或正洞的量測(包括拱頂沉降、洞周收斂變形、地中變位與支護圍壓相互作用力等)，以這些實測的量測值作反演分析。

隧道施工期監(jiān)測涉及專業(yè)的分析和復雜數(shù)據(jù)處理，需要消耗大量的計算時間，這與施工進度的緊迫性是不相適應的。盡管自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)可以連接多種傳感器，快速地進行多通道數(shù)據(jù)采集，但在繁雜抽象的數(shù)據(jù)海洋中，往往令施工管理者深受困擾。隨著信息科學和計算機技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和可視化軟件系統(tǒng)具有重要的意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

程序模塊包括用戶管理、數(shù)據(jù)管理和力學數(shù)據(jù)可視化顯示。用戶管理是為了保證系統(tǒng)的安全性，由系統(tǒng)管理員決定操作人員的名單和權(quán)限。操作人員通過修改密碼來實現(xiàn)安全機制。系統(tǒng)禁止非法登陸，并對操作員的登陸情況進行詳細的記錄。數(shù)據(jù)管理模塊中包括數(shù)據(jù)錄入、刪除、保存和查詢。查詢統(tǒng)計可對數(shù)據(jù)進行按字段查詢，可以進行復雜的交叉查詢，還可以自動生成監(jiān)測時間序列線性圖(見圖1)。

1.2 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計的步驟是:

1)需求分析;

2)模式構(gòu)成;

3)模式匯總;

4)模式重構(gòu)。

在隧道施工數(shù)據(jù)管理需求分析的基礎(chǔ)上，先對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)管理模式進行優(yōu)化。通過與施工技術(shù)人員的調(diào)研，盡量避免由于管理不完善造成的數(shù)據(jù)問題。然后進行數(shù)據(jù)優(yōu)化，將收集的資料研究、分類。

對重復出現(xiàn)的數(shù)據(jù)進行合并，將不合理的數(shù)據(jù)進行改造。數(shù)據(jù)庫的建立要求實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)具有良好的獨立性，減少數(shù)據(jù)的冗余，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，對數(shù)據(jù)實現(xiàn)有效的安全保障(即安全性、完整性保證)。

數(shù)據(jù)庫按照微軟推薦的分層式結(jié)構(gòu)進行開發(fā)，從下至上分別為:數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層(又或稱為領(lǐng)域?qū)?、表示層。三層體系的應用程序?qū)I(yè)務(wù)規(guī)則、數(shù)據(jù)訪問、合法性校驗等工作放到了中間層進行處理。通常情況下，客戶端不直接與數(shù)據(jù)庫進行交互，而是通過COM/DCOM通訊與中間層建立連接，再經(jīng)由中間層與數(shù)據(jù)庫進行交互。

Access是一種桌面式的輕量級數(shù)據(jù)庫，會隨著Office安裝組件安裝到電腦中，而Oracle是大型服務(wù)器類型數(shù)據(jù)庫，雖然它的并發(fā)性、速度以及數(shù)據(jù)存儲量都很好，但安裝配置環(huán)境復雜。對Oracle與Access數(shù)據(jù)庫進行對比分析后，根據(jù)項目的實際應用情況，選擇Access作為本數(shù)據(jù)庫。

1.3 可視化

可視化(Visualization)是利用計算機圖形學和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術(shù)。它涉及到計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺、計算機輔助設(shè)計等多個領(lǐng)域，成為研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問題的綜合技術(shù)。在可視化領(lǐng)域，VTK是很先進的一種技術(shù)。在本應用程序中的可視化實現(xiàn)部分，也同樣采用了VTK技術(shù)來實現(xiàn)。視覺化工具函式庫(VTK，Visualization Toolkit)是一個開放源碼，跨平臺、支援平行處理(VTK曾用于處理大小近乎1個Petabyte的資料，其平臺為美國Los Alamos國家實驗室所擁有的具1 024個處理器之大型系統(tǒng))的圖形應用函式庫。2005年時被美國陸軍研究實驗室用于即時模擬俄羅斯制反導彈戰(zhàn)車ZSU23-4受到平面波攻擊的情形，其計算節(jié)點高達2.5兆之多。

后處理模塊包括等值線(Contour)類、數(shù)據(jù)輸出(Dataout)類和三維建模(3D model)類。利用VTK的vtlPlane，vtkCutter，vtkProbe-Filter類實現(xiàn)云圖，利用 VTK 的 vtlPlane，vtkContourFilter，vtkProbe-Filter類實現(xiàn)等值線圖。

采用輪廓線建模，即在二維數(shù)據(jù)切片(DataSlice)中逐一提取閉合的等值線，然后將相鄰切片的等值線相連接，形成曲面網(wǎng)格逼近等值表面，這樣便可實現(xiàn)三維模型。

1.4 系統(tǒng)編程實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用Microsoft的Visual C#.Net Framework進行程序的開發(fā)。C#是一種先進，面向?qū)ο蟮恼Z言，通過C#可以讓開發(fā)人員快速的建立大范圍的基于MS網(wǎng)絡(luò)平臺的應用，并且提供大量的開發(fā)工具和服務(wù)幫助開發(fā)人員開發(fā)基于計算和通信的各種應用。由于C#是一種面向?qū)ο蟮拈_發(fā)語言，所以C#可以大范圍的適用于高層商業(yè)應用和底層系統(tǒng)的開發(fā)。即使是通過簡單的C#構(gòu)造也可以將各種組件方便的轉(zhuǎn)變?yōu)榛赪EB的應用，并且能夠通過Internet被各種系統(tǒng)或是其他開發(fā)語言所開發(fā)的應用調(diào)用。通過Visual C#.Net與Access2000連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的操作。安裝VTK組件，通過Visual C#.Net調(diào)用VTK庫函數(shù)，可以比較方便地實現(xiàn)可視化的功能。

2 系統(tǒng)應用

白家坡隧道進口端位于蘭州市榆中縣方家泉村與西溝之間，隧道洞身穿越黃河高階地及黃土梁、峁區(qū)，地形起伏大，相對高差達300以上。地表溝谷發(fā)育，切割相對較深。除進出口及溝谷地段地表分布有圓礫土外，其余地段地表大都有黃土覆蓋，山體坡面上植被較稀疏。

隧道里程為DK7+284～DK10+382，全長3 098 m，為一座雙線隧道。隧道最小埋深35 m，隧道最大埋深可達300 m。隧道縱坡分別為1 216 m的12.8‰，1 882 m的3‰的上坡，隧道進口左線327.84 m位于R-4 500 m的右偏曲線上，進口右線342.839 m位于R-4 495.491 m的右偏曲線上，洞身左線941.897 m位于R-4 500 m左偏曲線上，洞身右線912.630位于R-4 504.509 m左偏曲線上，其余的均位于直線上。

隧道監(jiān)測傳感器包括應變計、鋼筋計、壓力盒、水壓計、溫度計等，可在施工階段布設(shè)，除了施工監(jiān)控的作用，這些傳感器還可以用于服役隧道的健康監(jiān)測。將監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，程序的數(shù)據(jù)刪除界面見圖2。

應用表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)計的目的，可以方便地管理隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)，并能夠形象地展示隧道力學計算的結(jié)果，很大程度地方便了現(xiàn)場技術(shù)人員的管理。

3 結(jié)語

隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)庫及可視化軟件系統(tǒng)已開發(fā)完成并初步地應用到隧道工程，實現(xiàn)了開發(fā)的目標，證明了本系統(tǒng)的科學性和易用性，C#編程語言和VTK選用不但提高了開發(fā)效率，而且為軟件的維護、升級帶來方便。

隧道的數(shù)據(jù)分析是一個復雜的過程，尤其是多元信息集成的情況下，需要綜合考慮數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)預測、數(shù)據(jù)報警和參數(shù)識別與施工控制等功能，本文的系統(tǒng)是初步開發(fā)成功的基礎(chǔ)性工作，為引入更多的功能，建立具有智能化、自動化的隧道分析系統(tǒng)建立了基礎(chǔ)。

[1]李世輝.隧道支護設(shè)計新論[M］.北京:科學出版社，1999.

[2]柴賀軍，黃地龍，黃潤秋，等.巖體結(jié)構(gòu)三維可視化模型研究進展[J］.地球科學進展，2001，11(4):55-59.

[3]William J S.The Visualization Toolkit Userps Guide[M］.4th ed.New York:Kitware Inc，2001.

[4]張魯渝，歐陽小秀，鄭穎人.國內(nèi)巖土邊坡穩(wěn)定分析軟件面臨的問題及幾點思考[J］.巖土力學與工程學報，2003，22(1):166-169.