地铁隧道沉降变形信息发布及预警系统设计与实现＊

赵 炯，鲁丹军，胡玉俊，潘舒眉，熊肖磊

(同济大学机械工程学院机械电子研究所，上海 201804)

地铁隧道沉降变形信息发布及预警系统设计与实现＊

赵 炯，鲁丹军，胡玉俊，潘舒眉，熊肖磊

(同济大学机械工程学院机械电子研究所，上海 201804)

研究营运隧道沉降监测系统变形信息网络发布设计方案。分析系统整体方案的需求、使用要求，构建系统整体框架。根据信息发布要求和变形监测硬件通讯要求建立数据库系统。利用SQL Server平台构建数据库系统，用于接收底层硬件的传输数据，存储数据处理的结果，并为信息发布提供数据支持。整个发布系统最终实现隧道变形系统的信息实时发布和预警功能，并以图表形式提供数据查询结果。监测人员通过获取的信息数据和报警信息，实时监控隧道的运营情况，及时做出相应的列车运行调整。

隧道变形;SQL Server;ASP.NET;Chart控件

城市地铁建设高速发展带来的隧道安全防范问题愈趋重要［1］。相应地隧道变形测量技术也有较大的应用和发展前景。目前隧道的测量方法主要有人工定期复测和现场安装仪器自动进行不间断测量等方式。对于自动监测系统的构建，必不可少的一部分就是实现现场检测数据的传输及上位机网络信息实时发布功能，即可通过网络实时监视隧道变形情况，对危险截面、异常环境进行实时预警。

1 隧道沉降变形监测系统工作原理

隧道沉降变形检测硬件设备及信息发布的工作原理如图1所示。图中隧道截面布置的光源和图像传感器组成了整个传感器网络。安装于隧道壁内的检测设备将检测数据实时传输到上位机发布系统。该检测设备由成对安装的图像传感器和光源组成，通过捕捉光源的圆心位置来确定设备安装点的位置。将获取的各点相对位置从基站转换进而获取安装点的绝对位置。通过比较不同时间点测得的位置数据，获得隧道的绝对沉降的值［2］。

测得的数据通过无线通讯传输到服务器，再经过数据处理和数据融合后进行发布。工作人员可通过网络随时随地查询当前隧道变形情况以获取预警信息。

图1 pH值对SBS改性沥青乳液储存稳定性的影响Fig.1 The tunnel deformation monitoring system working principle

2 上位机发布系统开发原理及需求分析

上位机预警及信息发布系统使用Web浏览器作为用户操作界面，基于微软.NET平台的ASP.NET架构进行开发研制［3－7］。使用工具有微软Visual Studio.NET平台以及微软SQL Server数据库系统。

基于.NET平台上的ASP.NET是一个3层结构，由数据层、业务逻辑层和UI层组成，结构模型如图2所示。

图2 ASP.NET系统结构模型Fig.2 The ASP.NET system structure model

由下位机检测系统获取的数据经过处理和数据融合后存入数据库中，作为发布系统底层的基本数据来源。它通过ADO.NET操纵数据向业务逻辑层提供数据服务［8］。业务逻辑层接收浏览器发出的请求，然后将数据层提供的数据发送给客户端浏览器。查询人员通过操作UI层的浏览器获取服务端的数据。

隧道变形监测系统中，各点检测设备安装在隧道壁上，负责采集隧道变形数据。采集到的数据经网络发送到上位机，经数据处理和融合后，再通过互联网进行发布。

从查询和维护人员的角度考虑，需要构建的上位机发布系统应实现图3所示的主要功能。

图3 ASP.NET系统结构模型Fig.3 Flow chart of tunnel deformation information release system

由图3，将本查询系统分为以下几个主要功能模块:

(1)系统管理:实现系统的登录、等级权限设置、用户信息修改、报警信号接解除等。

(2)查询模块:实现隧道当前及历史沉降变形数据的查询，及当前最大截面变形处信息，温度最高处等环境信息的实时显示。

(3)设计图表:用户可自行选择查询方式，包括表格、曲线图和饼状图等，并可生成相应的报表并打印。

(4)分析预警管理:利用已获知的测量数据，采用统计等各类分析方法判断隧道变形程度和变形时间趋势，并根据隧道变形量和变形速率大小发布预警信息。若隧道内温度、湿度发生异常，也会实时报警提示。

(5)远程维护管理:实时掌控现场检测设备的运行状况，及时掌握意外情况并可迅速定位事发位置。

3 隧道沉降变形发布系统的数据库设计

根据需求分析可知，系统需要实现五大模块功能，以此要求来构建整个数据库系统。该数据库用于接收底层数据采集系统的数据，存储数据处理和融合过程中的数据，并且为上位机发布系统提供数据支持，是整个隧道变形监测系统的基础。

表1是数据库中主要数据表及简要的描述。其中，Station表存储地铁线路沿线的隧道站编号及隧道站的名称。Section表存储隧道截面编号及相应的地理位置，在发生变形过大、环境异常报警时提供危险截面的地理位置信息。OriRadialValue表存储从检测设备获得的原始沉降变形数据，避免因后续处理不当等原因丢失或毁坏原始数据。RadialValue表存储经数据处理和数据融合后的隧道沉降变形数据，是变形信息发布重点内容。表中的字段包括反应隧道变形程度的绝对沉降量(相对于车站)、相对沉降量(相对于相邻截面)和变形速率等。

ImageSensor表存储图像传感器编号、测试模式、检测状态等信息。TempSensor表存储温度传感器信息，内容包括ImageSensor表中的字段，另外还包括一个存储检测温度字段TempValue和时间字段Daytime。HumiditySensor表存储湿度传感器信息，内容和 TempSensor表类似。StandardValue表存储预警信息参考值的数据，包括变形量、变形速率、温度、湿度等的最大限定值，超过设定的值进行报警。

表1 隧道变形数据库主要数据表Table 1 The main database tables

4 ASP页面的设计与实现

在已构建数据库的基础上，结合上位机发布系统需求分析，设计整个ASP页面查询流程。整个登录查询过程的查询页面及其相互关系如图4所示。

图4 ASP主要页面之间相互关系Fig.4 The relationship of the main ASP pages

由图4，login.aspx是登录页面，页面添加的一个Login的控件，用于登录控制。登录成功，进入D_Time.aspx页面。D_Time.aspx页面是用表格列出某个时间点内所有沉降变形信息，以及这个时间点内隧道最大变形截面的信息;D_SectionID.aspx页面用表格列出某一个截面在一段时间内沉降变形信息，以及这个截面在这一段时间内变形量及环境信息的极限值;P_Time.aspx页面以图形的方式显示某一个时间点所有截面沉降信息;P_SectionID页面以图形的方式显示某一截面在一段时间内沉降信息。UesrInfo.aspx页面是用户资料页面，只有权限为管理员的登录人员才有权限查阅并且修改。DangerAlarm.aspx页面是危险预警处理页面，只有权限为管理员的登录人员才能处理、取消预警。Print.aspx页面是打印页面，实现生成打印预览、输出报表的功能。

4.1 ASP.NET 母版页的运用

在上述主要的浏览页面中，除了初始登录Login.apsx页面，其他页面的主体结构相似，只在数据、内容显示方面有序别，所以引入母版页(MasterPage)的应用。使用ASP.NET母版页可以为应用程序中的页创建一致的布局。单个母版页可以为应用程序中的所有页(或一组页)定义所需的外观和标准行为。然后可以创建包含要显示内容的各个内容页。当用户请求内容页时，这些内容页与母版页合并以将母版页的布局与内容页的内容组合在一起输出。

通过创建内容页来定义母版页的占位符控件的内容，这些内容页为绑定到特定母版页的ASP.NET页。通过包含指向要使用的母版页的MasterPageFile属性，在内容页的@Page指令中建立绑定。

举例:D_Time.aspx内容页绑定母版页的语句:

4.2 页面导航设计

除了login.aspx页面，其他页面运用母版页的排版格式。母版页中引入TreeView控件，实现各个页面之间实现切换功能。

TreeView控件中的各项信息都有一个与之相关的Node对象。TreeView显示Node对象的分层目录结构，每个Node对象均由一个Label对象和其相关的位图组成。在建立TreeView控件后，我们可以展开和折叠、显示或隐藏其中的节点。

TreeView控件绑定数据前，需先生成 web.sitemap文件，然后直接用 TreeView的 DataSourceID属性绑定web.sitemap文件。

web.sitemap文件中部分编程语句和生成目录如图5所示。

ExpandDepth属性是获取或设置第一次显示TreeView控件时所展开的层次数。因此处一共三层，值为“2”表示展开2层，即展开了所有层。

通过利用TreeView控件，生成整个系统主要的页面的目录，便于查询人员快速导航到需要查询数据的页面。

4.3 Chart控件的运用

隧道沉降变形信息的发布运用表格和图形显示的方式。图形显示功能直接利用.NET3.5平台提供的Chart组件来实现(VS2010以上版本自带，其他则需另行安装)。Chart控件支持曲线图、饼状图、柱状图、散布图的绘制，同时支持二维和三维视图。Chart控件使用简易，且可绘制出十分精美的图形界面。

HTML语言设计Chart控件属性，主要需设计的集合属性有Legends，Series，ChartArea等。Legends属性存储Chart控件所使用的所有图例对象;Series属性存储所有图表数据对象;ChartArea属性存储所有图形区域对象。具体图形元素说明如图6所示。

图5 Chart控件的主要元素Fig.5 The main elements of the Chart control

图6中所列Chart控件的元素是Chart控件比较常用的一些属性或集合属性。通过设置可实现不同形式、背景、标签的数据显示图。

利用Chart控件显示隧道变形沉降量，以P_Time.aspx页面(图形显示某一时间点所有截面的变形信息)为例，作简要说明。

设置P_Time.aspx页面横坐标为截面编号，纵坐标为变形量。图中设置两个Series曲线，分别是表示隧道截面水平位移量和垂直位移量。两个Series曲线分别和数据库中的RadialValue表的相对平移和相对沉降的两个字段绑定。表2是Chart控件中其中一条Series曲线部分属性设置参数。

表2 Series属性的参数设置Table 2 Series properties settings

表3是集合属性chartareas的部分属性的设置参数。Chartareas内可类似Series集合属性绘制多幅图表，但此处只绘制了一幅chartarea。表3所列的属性用于设计整个绘图区的显示界面，包括图形区域的色彩、边框类型、线条宽度、数据轴属性等图形元素。

表3 Chartareas属性的参数设置Table 3 Chartareas properties settings

表2和表3分别对集合属性Series和chartareas进行设置。表中列出的是它们一部分重要的属性，例如字体、位置、图形尺寸等属性在此。

设置完成Chart控件属性后，编写后台C#程序。后台程序用pictureLoad()的方法实现数据库连接、数据的筛选和Chart表数据绑定。picture-Load()方法在初次页面载入和改变选择查看时间点时对pictureLoad()进行调用。以下的C#语句是对pictureLoad()方法的主要程序。

//语句中的SelectTimeList控件在主程序中设置为绑定时间，根据其从数据库选择相应数据，和Series X、Y轴绑定

其余数据查询界面的页面设计、数据绑定等设置方法同 P_Time.aspx类似。图7为 P_Time.aspx页面调试运行后Chart控件部分的效果图。

图6 P_Time.aspx页面的Chart效果图Fig.6 The Time.aspx page chart rendings

4.4 危险信息显示

用 ASP.NET 中 Grid View 控件［9］可较容易实现表格形式显示查询数据，在此不赘述。在表格数据的右侧，显示隧道沉降监测系统的实时的危险信息。

其中包括相对(绝对)变形最大、变形速率最大、环境温度最高、湿度最大的各点的信息。以D_Time.aspx页面(表格显示某一个时间点内所有截面的数据)的危险信息部分举例:

aspx页面设计比较简单，使用Label和Text BoX 控件，并在 C#后台程序［10］，实现 TextBox和数据库绑定，实时显示最大危险信息。C#程序和Chart控件中的数据绑定方法类似，在此亦不赘述。

图8是 D_Time.aspx页面调试运行的部分界面。

图7 D_Time.aspx数据显示部分界面Fig.7 The D_Time.aspx data display interface

5 结论

采用ASP.NET技术开发基于B/S 3层体系结构开发实现的隧道沉降变形监测发布及预警系统界面简明、使用方便。在互联网上使用浏览器即可对系统进行操作维护，提高了信息发布查询的效率，同时也提高了隧道变形监测系统的实时性和自动化程度。利用ASP.NET丰富的表格和图形组件实现了不同形式数据查询方式。

［1］周奇才，高 嵩，熊肖磊，等.基于图像传感器网络的隧道形变监测系统研究［J］.计算机测量与控制，2009，17(9):1699 －1700.

ZHOU Qi-cai，GAO Song，XIONG Xiao-lei，et al.Tunnel deformation monitoring system based on image sensor network ［J］.Computer Measurement and control，2009，17(9):1699－1700.

［2］周奇才，陈海燕，熊肖磊，等.运营地铁隧道形变检测信息系统设计［J］.中国工程机械学报，2010，8(1):96－100.

ZHOU Qi-cai，CHEN Hai-yan，XIONG Xiao-lei，et al.Design of the operating metro tunnel deformation detection information system ［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2010，8(1):96－100.

［3］崔 青，李秀红，栾竹青.基于ASP.NET考试系统的Web设计与实现［J］.电脑学习，2008(4):37－38.

CUI Qing，LI Xiu-hong，LUAN Zhu-qing.Examination web system design and implementation based on ASP.NET［J］.Computer Learning，2008(4):37 －38.

［4］丁晟春，王曰芬.网站新闻发布管理系统的设计与应用［J］.现代图书情报技术，2002(5):43－45.

DING Sheng-chun，WANG Yue-fen.Design and application of the issuing and management news website system［J］.Modern Library and Information Technology，2002(5):43－45.

［5］何国民，仲治国.ASP动态网站68个典型模块精解［M］.北京:科学出版社，2009.

HE Guo-min，ZHONG Zhi-guo.68 typical modules of the ASP Dynamic website［M］.Beijing:Science Press，2009.

［6］李 千.基于ASP.Net技术实现网站新闻系统［J］.电脑知识与技术，2008(16):1313－1315.

LI Qian.Technology news site system based on ASP.Net［J］.Computer Knowledge and Technology，2008(16):1313－1315.

［7］徐 枫.ASP.NET技术在网站新闻发布中的设计应用［J］.信息与电脑，2010(9):116－117.

XU Feng.ASP.NET technology application in the design of the website news issue［J］.Information and Computer，2010(9):116－117.

［8］Sanjeev rohilla，Senthil nathan，Surbhi Malhotra.ADO.NET专业项目实例开发［M］.陈 君，王宝良，译.北京:中国水利水电出版社，2003.

Sanjeev Rohilla，Senthil Nathan，Surbhi Malhotra.ADO.NET examples of professional development projects［M］.CHEN Jun，WANG Bao-liang，Translate.Beijing:China Water Conservancy Press，2003.

［9］Wei－Meng Lee.C#2008编程参考手册［M］.削 莹，译.北京:清华大学出版社，2009:493－500.

Wei－ Meng Lee.C#2008 programming reference manual［M］.XUE Ying，Translate.Beijing:Tsinghua University Press，2009:493 －500.

［10］Gtierrez D D.Web数据库开发技术与实例详解［M］.侯国峰，译.北京:电子工业出版社，2005:200－256.

Gtierrez D D.Web database development technology and example explanation［M］.HOU Guo-feng，Translate.Beijing:Electronics Industry Press，2005:200 －256.

Design and realization of the metro tunnel deformation information release and early warning system

ZHAO Jiong LU Dan-jun，HU Yujun，PAN Shu-mei，XIONG Xiao-lei

(College of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China)

This paper proposed a design about the metro deformation data distribution through the Internet.Based on the analysis of the whole system requirements including distribution and communication，database system is built before designing asp pages.The function of real－ time information distribution and early warning are achieved，and the chart components are used to realize different data query forms.

tunnel monitoring;SQL Server;ASP.NET;Chart Control

TN98

A

1672－7029(2011)06－0044－06

2011－11－23

上海市科委科研计划资助项目(08201202103)

赵 炯(1963－)，男，江苏苏州人，副教授，硕士生导师，从事嵌入式系统，计算机网络研究