GIS技術下天津市深基坑監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的設計與實現

張鳳瑞，張　磊

（天津市津勘巖土工程股份有限公司，天津300191）

GIS技術下天津市深基坑監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的設計與實現

張鳳瑞，張磊

（天津市津勘巖土工程股份有限公司，天津300191）

針對天津市深基坑工程質量安全信息化管理的迫切需求，利用GIS及網絡視頻、Web地圖API等技術進行綜合設計，開發(fā)出了天津市深基坑監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，實現了基坑工程信息管理、監(jiān)測數據管理、監(jiān)測數據自動分析與預警提示、監(jiān)測專業(yè)圖表曲線的生成、視頻實時監(jiān)控等功能。系統(tǒng)的設計與實現能夠使基坑工程相關單位及時、有效、便捷地獲得基坑監(jiān)測信息，同時對天津市建筑工程質量安全監(jiān)管部門監(jiān)管工作的信息化開展有著重要意義。

GIS；基坑監(jiān)測；信息化管理

現代的測繪技術發(fā)展已經進入信息化的新局面，信息化的測繪技術在數據獲取、數據傳輸、數據分析和數據管理等方面有著傳統(tǒng)測繪技術無法比擬的優(yōu)勢，在國家和地方的發(fā)展建設中起到了至關重要的推動和保障作用。

天津市的土質以軟土和淤泥質土為主，由于地下土體性質、荷載條件、施工環(huán)境的復雜性，僅根據地質勘察資料和室內土工試驗參數來確定設計和施工方案，往往含有許多不確定因素。對在施工過程中引發(fā)的土體性狀、環(huán)境、鄰近建筑物、地下管線設施變化的監(jiān)測已成了工程建設必不可少的重要環(huán)節(jié)，同時也是把握工程質量、指導正確施工的關鍵，是避免事故發(fā)生的必要措施，是一種信息技術。當前，基坑監(jiān)測與工程的設計、施工同被列為深基坑工程質量保證的三大基本要素。因而基坑工程的質量對天津市的建設發(fā)展起著至關重要的作用。

傳統(tǒng)的基坑監(jiān)測中，現場采集測量數據，并進行數據處理和分析后，生成監(jiān)測日報，然后在24 h后（一般為第二天）交送至建設單位、總包、監(jiān)理、設計等相關人員處。在此過程中，對大量監(jiān)測數據的計算、分析、處理容易造成基坑安全風險信息反饋不及時的情況出現，信息傳遞的延后性會造成工程設計及施工調整不及時，給工程造成安全隱患。

本文利用GIS技術，結合基坑監(jiān)測的技術指標，設計并建立起一套針對基坑監(jiān)測安全風險的信息管理系統(tǒng)，在進行科學化管理的同時，能夠及時有效地將安全信息提供給指定用戶，通過可靠的信息手段保障深基坑工程的安全。

一、目標和任務

天津市深基坑監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的建設目標為:在計算機軟硬件支持下，在建立監(jiān)測項目信息庫的基礎上，根據基坑監(jiān)測管理工作的業(yè)務流程和具體特點，建立功能全面、性能穩(wěn)定、操作簡便的專業(yè)化信息系統(tǒng)，實現基坑監(jiān)測項目的日常管理，為基坑監(jiān)測項目的動態(tài)實施和信息化管理提供技術保障。

二、系統(tǒng)建設原則

天津市深基坑監(jiān)測信息管理系統(tǒng)要本著“總體設計、長遠考慮、面對應用、近期見效”的指導思想進行開發(fā)和建設。

1.一致性原則

在系統(tǒng)建設過程中，以最新技術規(guī)程為基礎，力求標準化和統(tǒng)一化，使階段實施與整體規(guī)劃相一致。

2.實用性原則

監(jiān)測管理信息系統(tǒng)建設要符合操作簡單、界面友好等要求，應具有一定的通用性和針對性，易于項目管理工作人員掌握。

3.安全性原則

由于系統(tǒng)業(yè)務數據涉及不同權限的職能部門和角色，為防止系統(tǒng)在運行過程中出現數據丟失、非法修改、添加等情況，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抵抗病毒侵害的能力，必須為系統(tǒng)建立可靠的安全防護措施，使系統(tǒng)具備一定的容錯能力和處理突發(fā)事件的能力。

4.可擴展性原則

在建設深基坑監(jiān)測信息管理系統(tǒng)過程中，應使系統(tǒng)具有良好的可擴充性，能夠方便將新的應用模塊納入本系統(tǒng)中，在系統(tǒng)容量上具有較好的可擴充性等。

三、系統(tǒng)建設總體設計

1.系統(tǒng)數據庫設計

數據庫平臺建議采用Oracle、SQL Server等大型關系數據庫。數據庫根據系統(tǒng)應用要求的主要特征，由工程項目信息數據、監(jiān)測信息數據、公告發(fā)布數據及站內交流數據四大部分組成，并建立各部分數據的關聯關系，滿足系統(tǒng)管理的需求。

2.系統(tǒng)總體結構設計

系統(tǒng)采用瀏覽器/服務器（B/S）結構，基于Arc-GIS平臺進行程序開發(fā)。該平臺能夠為各種管理業(yè)務提供靈活的、可擴展的定制支持，以形成相應的計算機業(yè)務模型和業(yè)務應用系統(tǒng)。系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體結構

四、系統(tǒng)主要功能設計

深基坑監(jiān)測信息管理系統(tǒng)功能涵蓋工程項目管理工作的主要日常業(yè)務，側重于基坑監(jiān)測信息管理功能，包括工程項目基本信息管理、基坑監(jiān)測信息管理、地圖索引、網絡視頻監(jiān)控、文檔管理、公告發(fā)布、站內信息交流等。

1.工程項目基本信息管理

1）工程項目管理模塊:為了滿足對各個工程的專項化管理，特別設計了工程分類管理模塊。在后臺數據庫設計時進行預分類，能夠實現添加、刪除、編輯工程項目，上傳錄入工程概況、水文地質情況、監(jiān)測重點、監(jiān)測方案（簡化）、參建單位信息、當前工程進度等信息，并且可以查詢顯示。

2）工程進度管理模塊:深基坑的監(jiān)測過程是一項集空間變化和時間變化于一體的專業(yè)工作，同一項目在不同時期的工程安全狀態(tài)有不同的專業(yè)特點，分析并記錄工程各個節(jié)點的安全狀況對于全面掌控工程整體安全有著至關重要的作用。

通過數據庫分類設計實現上傳錄入保存和查詢工程各個節(jié)點的安全狀況記錄文件，回溯工程歷史節(jié)點、各節(jié)點的工程安全狀況文件，以及基坑風險評估分析和建議等信息。

2.基坑監(jiān)測信息管理

基坑工程的監(jiān)測數據量較大，對海量數據進行科學合理的管理和維護是本系統(tǒng)設計的重點內容，因此設計了以下功能模塊。

1）監(jiān)測數據維護模塊:以現行基坑監(jiān)測相關規(guī)范為標準，以監(jiān)測項為條件進行數據庫分類設置，內容包含圍護結構監(jiān)測、支撐體系監(jiān)測、基坑外地下水位監(jiān)測、基坑周邊環(huán)境（建筑、道路、管線、地表）保護監(jiān)測等?；颖O(jiān)測項目中，再對具體監(jiān)測項及監(jiān)測點位進行二次分類管理，能夠實現對海量監(jiān)測數據的分類、批量上傳、下載、查詢、編輯、刪除等管理功能。

2）監(jiān)測點位分析模塊:系統(tǒng)設計采用ArcGIS Server技術進行底圖轉換，生成矢量化的基坑監(jiān)測點位圖，便于用戶進行平移、縮放和定位。上傳基坑監(jiān)測數據后，點擊基坑監(jiān)測點位圖上的興趣點位，即可自動索引并顯示該點位的全時段歷史數據。

可以設置時間、點位為條件，查詢興趣數據并且生成任意時段點位的“時間-變化量曲線圖”，直觀地反映本次變化量、累計變化量、變化速率等信息。相關曲線圖可通過PDF、JPG、PNG等格式導出，便于報告文檔使用。

另外通過點位分類選擇樹，可直接復選興趣監(jiān)測項或監(jiān)測點位進行自動索引定位并顯示特征，通過數據庫查詢分析技術，能實現數據自動分析并作出安全性判斷。特征顯示效果為不同顏色標示不同點位安全狀態(tài)（正常、預警、報警等），給用戶以方便、生動、直觀的體驗感。

3.文檔管理

常規(guī)的基坑監(jiān)測工作中，監(jiān)測單位在當日完成基坑監(jiān)測工作，次日向工程參建單位提供紙質監(jiān)測報表，監(jiān)測數據信息反饋存在著至少1天的滯后性。此外還存在紙張浪費，報表易丟失、保存時間有限、查看條件有限等缺點。

系統(tǒng)設計文檔管理模塊，通過數據庫高速文檔服務，能夠實現對海量監(jiān)測報表、監(jiān)測報告、監(jiān)測方案、監(jiān)測圖紙、現場圖片、視頻等文件的電子化保存，并提供用戶查詢與下載。監(jiān)測單位在當日將監(jiān)測數據上傳錄入系統(tǒng)后，參加單位用戶能夠即時、隨時隨地的查閱，確?；颖O(jiān)測信息反饋及時。

4.公告發(fā)布

基坑監(jiān)測過程中出現的各種重要狀況及重要警示信息，在基坑工程監(jiān)督管理過程中有必要進行鄭重的提醒或公示，因此，針對該需求設計了公告發(fā)布及風險提示模塊。

針對節(jié)點險情、基坑事故、基坑報警、監(jiān)測方法內容不規(guī)范通知整改等內容進行公示發(fā)布；羅列常見的基坑失穩(wěn)情況分析，并結合項目監(jiān)測重點和異常數據進行風險提示。以上信息會推送給各個用戶賬號信息接收端，同時會在系統(tǒng)首頁面風險公告欄進行不間斷滾動顯示。

5.站內信息交流

基坑工程各個參建單位針對工程項目進行文字及文件的交流、交換意見時需要一個專項性、獨立性、保密性的平臺。系統(tǒng)設計了站內信模塊，能夠通過網絡郵件技術為系統(tǒng)用戶提供站內交流平臺，方便各用戶之間發(fā)送和接收留言（可添加文字、圖片、附件），用戶登錄后能收到郵件提示信息。

6.系統(tǒng)管理

系統(tǒng)后臺管理過程中，為滿足每個工程項目的相對獨立性與數據保密性的需要，特別設計了后臺權限管理功能。

1）用戶管理:添加、刪除用戶，并對該用戶進行設置，主要是進行角色設置、權限設置和修改密碼。修改用戶信息包括4部分:用戶基本信息、設置密碼、權限信息、角色信息。

2）角色管理:添加、刪除角色，并對每個角色所擁有的權限進行設置。

3）數據字典:為了保證數據庫的統(tǒng)一性、合理性，減少數據冗余，以及規(guī)范使用者填寫數據，系統(tǒng)提供了數據字典管理功能。

7.地圖索引

用戶最希望直觀得到基坑監(jiān)測的關鍵信息，即在什么地點有著什么樣的基坑，當前狀況如何。針對該用戶需求，設計了地圖索引模塊。

1）采用網絡地圖API技術，調用主流的開源網絡地圖服務，地圖數據穩(wěn)定、快速，地圖內容定期更新，可以最大限度地保障地圖信息的時效性。

2）在系統(tǒng)首頁展示工程項目所在地理位置，按照不同的工程狀態(tài)（未開挖、開挖中、預警、報警等）以不同的顏色區(qū)分展示。

3）對于興趣項目，可以查詢并自動定位到相應地理位置進行顯示。點擊工程項目地圖圖標，氣泡顯示工程描述信息，可以了解工程項目的概況；并提供入口，跳轉到集成信息展示頁面，查看工程詳細信息和施工、監(jiān)測情況。

8.視頻監(jiān)控

系統(tǒng)設計網絡視頻遠程監(jiān)控功能:通過在線視頻傳輸技術集成開發(fā)網絡視頻的窗口，利用網絡攝像頭，能夠在系統(tǒng)中實現多角度實時監(jiān)控基坑工程現場的功能。傳回工程現場的實時、穩(wěn)定、連續(xù)的影像數據，方便使用者直觀地掌握現場狀況。

該功能不僅對于工程現場的監(jiān)管工作有著很好的實用價值，同時對于基坑工程出現險情后的搶險工作也有著十分重要的意義。

五、系統(tǒng)主要功能的開發(fā)與實現

1.面向對象開發(fā)方法

面向對象的開發(fā)是一種以基于真實世界的抽象為基礎思考信息系統(tǒng)的方式。它把信息系統(tǒng)的開發(fā)（development）定義為整個系統(tǒng)生命周期中的需求獲取、分析、設計和實現，而不僅僅只是編寫程序。面向對象開發(fā)的本質（或核心任務）是識別和組織應用領域中的概念，而不是以一種編程語言最終表達這些概念。

面向對象的開發(fā)通常采用基于UML的圖示法來表示信息系統(tǒng)建設中所涉及的各類概念。在每個應用系統(tǒng)和數據庫建設之前，通過需求獲取和系統(tǒng)分析，定義出相應的數據標準或應用模型，接著制定與標準或模型相關的元數據，然后才能進入到設計過程，以增加細節(jié)，最后編程實現。面向對象的開發(fā)方法從需求獲取、分析到設計再到實現使用的是相同的無縫表示法。這樣，前一個開發(fā)階段增加的信息就不會在下一階段中丟失或轉化。這就克服了傳統(tǒng)面向過程方法各個階段互相斷裂，系統(tǒng)開發(fā)前后追蹤困難的境況。

2.開發(fā)過程

我方采用面向對象的分析設計方法（OOAD），借鑒統(tǒng)一軟件開發(fā)過程（UP）、微軟應用開發(fā)與服務框架（MSF），以及ICONIX、XP等開發(fā)過程，形成了具有鮮明的自身特色的應用軟件開發(fā)方法和過程，由總體規(guī)劃、需求捕獲、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計、編程實現和應用部署等階段構成。

（1）總體規(guī)劃

通過信息化總體規(guī)劃，構思信息化建設的整體圖景（vision，或稱之為愿景）。針對信息化建設中將要涉及的標準規(guī)范、業(yè)務體系、應用體系、數據體系、技術體系、安全體系、軟硬件基礎設施、隊伍建設及保障措施等各項建設任務，提出其解決方案（包括其建設內容和建設方法），回答信息化能夠解決的業(yè)務問題，能夠產生的經濟、社會效益等。

（2）需求獲取

針對某項系統(tǒng)建設任務，由需求調研人員和用戶進行充分的溝通，了解用戶的建設目標和具體需求，包括系統(tǒng)建設所涉及的業(yè)務流程、組織機構、信息化現狀、用戶工作場景等，最終形成系統(tǒng)的需求模型和需求規(guī)格說明書，以用例或功能列表的形式反映系統(tǒng)建設所應提供的內容。

（3）系統(tǒng)分析

在獲得需求模型和需求規(guī)格說明書的基礎上，通過創(chuàng)建分析模型，系統(tǒng)分析人員仔細審批并嚴格地重新描述來自于系統(tǒng)構思階段的需求。分析模型有兩個部分:領域模型（domain model），描述系統(tǒng)內部反映的真實世界的對象，它是系統(tǒng)數據庫設計和架構設計的核心依據；應用模型（application model），描述用戶可見的應用系統(tǒng)本身的組成部分，它是系統(tǒng)功能設計和開發(fā)的主要來源。

（4）系統(tǒng)設計

開發(fā)團體設計出一種高層策略——系統(tǒng)架構（system architecture），用于解決應用程序的問題。

同時，根據系統(tǒng)分析階段的領域模型，配合系統(tǒng)設計策略，系統(tǒng)設計人員給分析模型添加細節(jié)。結合用例分析，系統(tǒng)設計人員提供出類似建筑施工圖的詳細設計類圖。類設計的焦點在于實現每個類的數據結構和算法。

（5）編程實現

實現人員（主要是編程人員）將設計階段開發(fā)的詳細類圖及其關系（交互圖）轉換成某種編程語言、數據庫或硬件。測試人員則驗證實現結果是否符合預期的需求。編程實現應該是簡單直接的，因為所有困難的決策都已經完成。

（6）安裝部署

在得到一個正確實現的應用系統(tǒng)（包括其數據庫）后，需要把它安裝部署到具體的應用環(huán)境，并為相應的用戶提供培訓和支持，使其能夠正確、順暢地操作系統(tǒng)建設成果。

（7）維 護

應用系統(tǒng)及其數據庫在運行過程中，需要有相應的維護，如缺陷的改進、數據的更新、數據備份和恢復等。一個系統(tǒng)能否發(fā)揮其最大的效益，相應的維護隊伍和維護機制極為關鍵。

六、結束語

天津市深基坑監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的設計與實現是將現代化WebGIS技術和巖土工程監(jiān)測相結合的過程。采用面向對象式的設計開發(fā)方式，使得系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和用戶體驗感。網絡視頻監(jiān)控功能在深基坑監(jiān)測信息管理系統(tǒng)中的應用在天津市范圍內尚屬首例，并且取得了良好的效果。此外，該系統(tǒng)具有很好的可擴展性，能夠根據用戶需求的增加和變更不斷進行優(yōu)化升級。

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Design and Realization of Monitoring of Tianji Excavation Engineering Information Management System Based on GIS

ZHANG Fengrui，ZHANG Lei

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0238.

P208

B

0494-0911（2016）07-0118-04

2016-02-03

張鳳瑞（1962—），男，高級工程師，主要從事工程測繪工作。E-mail:dkywork@163.com

引文格式：張鳳瑞，張磊.GIS技術下天津市深基坑監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的設計與實現［J］.測繪通報，2016（7）:118-121.