轨道交通监测信息化管理系统研发与运用

罗海风，詹显军，陈 博

（中铁西南科学研究院有限公司，成都 610000）

进入“十三五”，国内基础建设尤其是轨道交通建设规模的不断扩大，为工程管理提供数据依据的监控量测也得到迅猛发展。监控量测已然成为信息化施工的重要手段，但监测本身并未实现信息化，加之近年来工程管理要求的提升，使得工程参建各方对于监测数据的时效性要求也更高，传统监测模式与管理手段的局限性愈发明显：（1）现场数据处理繁琐且耗时长，内外业衔接存在时间差，信息反馈不及时；（2）数据分享难，无形中增加了管理成本，且数据保存缺乏安全性和可靠性；（3）监测单位受各种因素影响，数据真实性不能完全保证。随着智能手机、移动通信、数据库等信息化技术的发展与普及，将这些技术有效融合是突破传统监测瓶颈的途径。

与公路和铁路工程相比，城市轨道工程监控量测具有一定的特殊性，其涉及监控项目多、覆盖面广、专业性强，一旦处理不当社会影响较大。

本文提出的轨道交通监测信息化管理系统，以蓝牙技术攻克各类监测仪器与手机等智能终端数据互通的难题，以4G等移动网络进行数据传输，保证了数据的即时性，以数据库技术为核心对海量数据进行处理分析，以地理信息系统（GIS）及图形处理实现数据的可视化展示，以XMPP协议实现消息的即时推送，以二维码扫码技术丰富监测成果的获取方式。通过将多种技术有效融合，形成了一套集现场数据采集、分析处理、远程监控、预警预报于一体的监测信息化管理系统。

1　系统设计理念

1.1　总体目标

（1）实现对施工期间全过程的监控，实现工点全覆盖，保证所有相关监测数据纳入信息化管控；

（2）数据的真实性是信息化的核心价值，依靠系统避免人为干预数据；

（3）通过系统的过滤和筛选，为作业层和管理层提供有价值的数据，避免人工甄别数据耗时耗力、利用率低的缺点；

（4）满足数据传输和发布即时性的需要；

（5）满足信息交互的需要，监测管理过程其实就是监测信息交互闭合处理的过程，监测信息化管理系统将为此搭建一个平台。

1.2　系统定位

系统定位为覆盖轨道交通监测全过程的专业软件，系统设计的主要依据为《城市轨道交通工程监测技术规范》、《工程测量规范》等规范，将标准化的测试流程集成到软件系统中，按照固定流程严格规范监测数据采集过程；根据规范要求进行预报警，消除人为瞒报迟报的风险；实现对监测“采集—运算—处理—分析—预警—消警”过程的流程化管理。

2　系统技术架构

系统采用.NET开发平台和基于B/S与C/S相结合的技术构架，整体技术框架稳定、可靠、标准，具有实施速度快、维护成本低、扩展性强、支持点对点的实时通信和数据集中存储的优势，不需要配置较高的硬件，在PC Server级服务器上就能够很好地运行，有效地降低了总成本。

系统由数据采集端、服务器端、客户端构成。系统架构如图1所示。

图1　轨道交通监测信息化管理系统架构示意图

（1）数据采集端即移动采集端，通过将系统App安装于手机等智能终端上，通过蓝牙实现该手机与监测仪器(如全站仪、电子水准仪、测斜仪等)的通信，并将数据上传至服务器数据库，采用的是C/S架构；

（2）服务器端负责接收、存储数据，自动计算分析，判定是否预警，展示并发布预警信息；

（3）客户端由移动端App与网页端构成，为用户提供数据查询、分析、预警查询与闭合处理、监测报告一键输出等功能，采用的是B/S与C/S相结合的架构。

3　系统主要技术

3.1　蓝牙技术

蓝牙是一种短距离无线通信技术，用于代替物理连接实现数字设备间的无线连接。目前，主流手机都具有蓝牙通信的功能，而在监测中使用的全站仪、电子水准仪等仪器也大都具有蓝牙通信功能，没有蓝牙的可以通过外接配制的方法实现，从而解决了手机与仪器数据互通的问题。实现步骤如下。

（1）建立无线信道：手机在10 m范围之内发出连接指令时,便会自动搜索附近开启蓝牙的仪器，并根据需要主动发起连接，建立控制信道和数据链接。

（2）无线实时数据传输：操作人员只需通过手机App上的功能键向仪器发送一个命令，仪器随即执行测量命令并通过无线串口发送当前的测量数据。

（3）数据的显示及本地保存：当接收到数据后便可迅速的显示在手机屏幕上供测量人员分析，并同步储存至手机内存，完成测存功能。

3.2　移动通信技术

系统借助4G技术即时将数据传输至服务器，得益于近年来4G技术的成熟与普及，其在通信速度、网络频宽、通信接口、经济性等方面完全满足数据即时上传下载的需要，保证了数据传输的即时性。

3.3　数据库技术

运用数据库技术对本系统中海量数据进行有效组织与存储。依靠关系数据库，管理和挖掘数据，实现了对数据库中数据进行添加、修改、删除、分类、处理、分析、报表等处理，实现了对监测数据按监测类别、量级大小及权限进行数据管理，避免了数据的冗余存储，从而达到数据共享、数据安全以及高效检索抓取数据的最终目的。

3.4　可视化展示

基于GIS及图形处理实现监测数据的可视化展示。如图2所示，系统将每个工程站点准确位置定位于第三方地图，点击即可进入对应站点，为达到直观准确显示的目的，系统针对每个站点按照设计图纸进行直观化的图像处理，并对监测点进行分类和坐标管理，即每个监测点精准定位于站点图像模型上，在该界面可直观了解到测点分布、预警部位相关联测点情况、数据详情等。避免了传统监测找寻测点位置难、获取数据难、相关联性难的缺点。

图2　监测点信息的可视化展示

3.5　即时推送

为实现监测预警的及时发布，信息的即时推送必不可少。系统采用XMPP协议（可扩展消息处理现场协议）实现信息的即时推送。

XMPP协议基于XML协议建立，具有良好的语义完整性和扩展性；协议基于C/S架构但协议本身不受限制，具有广泛的适用性；协议采用TLS作为通信加密方法，安全可靠。因此，利用XMPP协议实现监测预警信息的推送，可以达到即时安全且与服务系统相互独立的效果。

3.6　二维码技术

系统将目前广泛运用的二维码扫码技术深度集成于本系统，包括：工地现场的二维码测点标示牌、手机App查询界面中的二维码扫码查询，如图3所示。系统为现场每个监测点都设置了独一无二的二维码，并以此替换传统的测点标示方式：（1）规范了工地现场测点的标示标识；（2）方便App获取测点数据，此举极大地便利且拓展了监测数据的获取方式。

图3　二维码监测标示牌及扫码功能

4　系统运用

轨道交通监测信息化管理系统运用流程为基础信息创建→下载数据信息至移动采集端（手机）→采集监测数据→上传数据→系统分析处理数据→监测成果数据或预警信息推送与查询→预警的处理与闭合，通过上述流程实现了监测管理的全覆盖。

4.1　基础信息创建

主要工作包括：（1）工程树及人员权限设置，按照指挥部—标段项目部—工点逐级创建；（2）工点信息创建，即按照设计文件录入和创建工点信息及图像模型；（3）监测项目及测点信息创建，即添加基准点、各类测点并布置于对应工点模型上；（4）预警规则的创建等。

4.2　下载数据信息

该步骤可实现数据由服务器向移动采集端（手机）的传输，监测单位可通过手机App下载权限范围内基础信息和监测项目数据信息，实现与服务器数据的同步，为数据采集奠定基础。

4.3　采集监测数据

该步骤有别于传统监测，基于前文提到的蓝牙技术，实现移动采集端（手机）与各类监测仪器的连接，监测人员在选取对应站点和对应测试项目后，即可通过手机控制监测仪器完成测试和记录工作，无需人工记录，施测人员可独立完成测试工作，每测项可减少监测记录人员一名。应用实例如图4所示。

图4　采用移动采集端App现场监测实例

4.4　监测数据运算比对

数据运算过程较传统监测不同，传统监测用户需将采集完成数据进行手工计算，通常是在现场监测传入内业处理阶段后进行；而移动采集端（手机）在获取数据后，通过软件内置功能可实现数据计算与分析比对，可直接计算出本次观测成果，包括成果值、差值，如若出现异常变形，系统会自动提示监测人员进行复核测试，以确保成果的有效性。

4.5　监测数据上传

监测人员在采集完数据且经系统判定无误后，其可借助4G或WiFi网络一键上传至后台服务器，由后台服务器进行运算处理，并按照系统设置的管理权限对数据进行分发；截止该步骤，用户已能通过移动端（手机）或网页端获取成果数据，即在现场监测结束后，监测成果已经完成，略去传统监测内业处理及成果报告报送的过程，大幅提高了时效性。

4.6　监测预警

监测信息化的核心价值是时效性，而监测预警的判定和及时推送则尤为重要。后台在接受到数据后，除对正常数据进行处理分发外，后台服务器会根据规范所明确的预警规则，对每组数据进行判定，如达到警戒值，系统将按照黄橙红3个预警等级进行推送，用户可在现场监测完成后第一时间掌握最新预警情况；用户也可借助移动端或网页端进行预警详情的查询，包括预警等级、里程部位、类别等，如图5所示。

图5　监测预警流程示意图

4.7　监测预警处理及消警

预警的处理响应关乎工程安全和系统运用的成败,以昆明轨道交通4号线某工点一红色预警的响应处理全过程为例：当系统出现红色预警后，由施工单位总工登入系统填写现场施工情况及拟采取的措施；由施工监测单位技术负责人登入系统填写需要补充的监测说明和现场巡视情况以及拟采取的加密观测措施；由监理单位总监代表和指挥部专业工程师登入系统了解详情填写意见，并确定召开现场分析会；参建各方参加现场分析会，并制定对策，施工单位根据分析会达成的一致意见进行现场处置，并在平台上更新处置进展和效果；施工监测单位对变形进行跟踪,若变形未得到控制,需填写相关建议保持预警等级不变；若变形趋稳，满足消警条件且各方达成一致意见后，由指挥部工程部专业工程师对红色预警进行平台消警，即降为绿色(正常状态)。通过上述流程实现了预警的闭合管理，较传统监测效率更高且有效避免了信息不对称的情况。

5　结束语

轨道交通监测信息化管理系统不是单一技术的简单叠加，而是根据轨道交通监测的特点，以工程的实际需求为导向，以提升监测时效性为目的而设计研发的。通过在昆明轨道交通4号线全线近一年的推广运用，其优势表现为：

（1）系统的引入规范了监测单位的作业行为，系统内置严谨的测量程序，可引导监测人员按照规范要求完成测试，确保了准确性；数据测取方式为蓝牙连接设备进行测取，消除了人为干预和数据造假的可能性，确保了真实性；借助移动通信技术，数据得以第一时间处理与反馈，保证了即时性。

（2）监控量测作用得到充分彰显，系统的运用使监控量测信息化落地，对监测异常数据及时预警，分级处治，闭合管理，真正发挥监控量测工作的功效，预防安全事故发生。

（3）经济效益明显。针对监测作业层，无纸化监测和一键报表输出，减少了监测单位的人员成本投入；针对预警也可及时响应，抢占突变事件处理的黄金时间，避免工程事件升级为工程事故，处理得当可节约成本；针对监测管理决策层，系统能真实反映轨道交通建设过程中结构自身及周边环境的真实变形，监管人员无需翻阅大量的监测报表，通过管理系统就能及时便捷的获取数据，科学有序地调整施工参数，实现施工的动态管理，节约施工管理成本。

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