基于物联网和云计算的地铁盾构管片姿态监测管理系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于物联网和云计算的地铁盾构管片姿态监测管理系统，它包括全站仪、云计算中心、移动终端和Web管理客户端，全站仪进行管片姿态数据的采集，云计算中心对管片姿态数据进行存储、计算、分析和统计，移动终端与全站仪进行蓝牙对接，接收全站仪检测的管片姿态数据，并进行存储、计算、分析和统计，同时在移动终端实现网络连接后，将数据传输到云计算中心，Web管理客户端提供用户实时查询数据的功能。该系统基于云计算和物联网技术实现一种先进的分布式架构，具有良好的扩展性、适用性和实时性，管片姿态数据采集、存储、计算、报警、统计分析及可视化操作均是自动化完成，避免人工主观干预，保障了数据的质量和真实性。
【专利说明】
基于物联网和云计算的地铁盾构管片姿态监测管理系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于物联网和云计算的地铁盾构管片姿态监测管理系统。
【背景技术】
[0002]伴随着我国城市化进程不断加速，城市人口密度日益增加，交通压力也随之陡增。由于具有运量大、低污染、速度快、不占用地面空间等显著优点，以地铁为代表的城市轨道交通工具成为许多大中城市解决交通拥堵问题的最佳途径。
[0003]自1969年北京地铁开通以来，经过40多年的发展，我国己经成为当今世界地铁发展速度最快、地铁城市最多、通车里程最长的国家。截至2015年底，全国共有25座城市的112条地铁线路开通运营，合计总里程达3286公里，车站2255座。根据“十三五”规划纲要，预计到2020年全国拥有地铁的城市将达到50个，总里程达到6000公里，总投资额将超过I万亿。
[0004]随着地铁建设规模和速度的不断加大，施工过程中的质量问题不断暴露。影响地铁工程质量的因素包括人员组织、材料、设备、工艺、环境等。在盾构法施工中，盾构机姿态偏离设计路线是目前常见的一类工程质量问题，给施工单位和业主造成了严重的经济损失。
[0005]盾构机在挖掘隧道时，需要不断对盾构机的姿态进行测量和调整，使其掘进路线和隧道设计路线尽量吻合，这是保证施工质量的关键所在。通常，盾构机的配置有先进的自动导向系统，由全站仪、电子激光子系统等部件组成，它借助地下控制导线点实时测量盾构机轴线前后(盾首、盾尾)两个参考点的空间位置，并计算出盾构机掘进路线与隧道设计轴线的水平和垂直偏差，通常该偏差控制在5cm以内。由于围岩压力、地下水压力、人为操作失误等因素，隧道和围砌的管片可能发生形变和偏移，导致自动测量的盾构机姿态与实际值之间存在偏差。因此，对盾构机的姿态的人工复核测量十分重要。
[0006]管片的主要作用是将盾构机挖开的隧道撑起，防止隧道坍塌，它是紧紧与隧道的表面相结合。因此，管片可以充分体现隧道的行进方向、空间的弯曲程度以及盾构机挖掘出的隧道质量。它在对确认盾构机工作姿态的过程中起着不可替代的作用。目前，对盾构机姿态人工复核主要是通过对管片姿态的测量实现，任务是利用全站仪测量管片中心与隧道设计轴线的水平偏差和垂直偏差。
[0007]然而，传统的人工方式对管片姿态测量时，存在人力投入大、处理速度慢、数据可靠性差、智能程度低等缺陷。一方面，管片姿态数据的测量必须由施工方或监理在盾构机停止掘进的间隙时间内完成，数据的计算工作量较大，无法实时计算管片中心的偏差。另一方面，测量数据通常以报表或数据文件的形式被处理，缺乏完善的机制保证测量数据在采集、传输、处理过程中可靠性和质量，同时缺乏对数据的统计分析、异常报警等高级处理能力。这些缺陷给地铁施工建设带来了的一定程度的质量隐患和安全风险。
[0008]因此，在“互联网+”的时代背景下，结合物联网、云计算、移动APP开发、数据挖掘等技术的优势，设计出一种实时、高效、安全、可靠、智能的管片姿态监测管理系统方案，这是提高地铁施工建设质量和管理水平的迫切需要。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于物联网和云计算的地铁盾构管片姿态监测管理系统，该系统基于云计算和物联网技术实现一种先进的分布式架构，具有良好的扩展性、适用性和实时性，管片姿态数据采集、存储、计算、报警、统计分析及可视化操作均是自动化完成，避免人工主观干预，有效保障了数据的质量和真实性，先进的偏差检测算法，对测量数据自动计算，大幅降低传统姿态测量工作的工作量，显著提高效率，云计算中心对发现的管片超限情况给予实时报警处理，通过消息推送和短信接口两种途径将报警消息发送到相关人员的移动智能终端中，便于他们对管片姿态偏差及时处理，按照行业管理提供多种报表模板，根据用户需求自动生成各种规范的管片姿态测量工作报表，对测量数据进行汇总和统计，利用数据挖掘、机器学习等技术，依据历史数据建立智能化的管片姿态预警模型，对潜在的超限风险及时进行预警，将超限风险降低到最小程度，建立合理科学的管片施工质量综合评估方法，更准确的反映管片施工质量水平和风险状况，采用密码学算法对测量数据的传输过程进行加密，保障云计算中心中数据的安全性和可靠性。
[0010]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:基于物联网和云计算的地铁盾构管片姿态监测管理系统，它包括全站仪、云计算中心、移动终端和Web管理客户端，所述的全站仪进行管片姿态数据的采集，所述云计算中心对管片姿态数据进行存储、计算、分析和统计，所述的移动终端与全站仪进行蓝牙对接，接收全站仪检测的管片姿态数据，并进行存储、计算、分析和统计，同时在移动终端实现网络连接后，将数据传输到云计算中心，所述的Web管理客户端提供用户实时查询数据的功能；
所述的移动终端包括仪器数据采集模块，采集移动终端通过蓝牙接收的全站仪发送的管片姿态数据，并进行存储;终端算法引擎模块，对管片姿态数据进行管片姿态偏差计算；终端数据查询模块，提供丰富的查询条件组合，允许用户从数据库检索所需的测量数据;终端报警管理模块，实现对云计算中心发送的报警消息的接收、浏览、存储、查询操作;终端用户管理模块，实现用户注册及用户登录;数据上传模块，将数据加密传输到云计算中心；
所述的云计算中心包括中心数据管理模块，实现对测量的管片姿态数据及用户数据的存储;数据挖掘和分析模块，包括数据统计和数据挖掘两个子模块，数据统计子模块按照统计指标或者工程指标对姿态数据进行统计计算，数据挖掘子模块采用机器学习算法对姿态数据进行深层次分析，实现超限提前预警、施工质量综合评估；中心算法引擎模块，对管片姿态数据进行管片姿态偏差计算，对移动终端上传的管片姿态数据进行计算复核，并将发现的超限数据交给中心报警模块处理；中心报警管理模块，当报警管理模块收到超限数据后，将管片姿态的超限程度分为三个等级，通过消息服务和短信接口，发送给指定用户；中心报表管理模块，按周期生成用户的测量工作报表，供用户查询、下载;Web服务模块，运行Web服务器，接收和处理Web客户端的访问请求;数据接收模块，对加密的管片姿态数据进行解密还原为原始管片姿态数据；
所述的Web管理客户端包括Web端用户管理模块，实现用户注册及用户登录;Web端数据查询模块，提供丰富的查询条件组合，允许用户从数据库检索所需的测量数据;数据可视化模块，以地图的方式显示城市在建地铁线路，并根据登录用户的权限在地图上高亮显示与其相关的施工线路、区间所在的位置;Web端报表管理模块，实现测量工作报表的请求，文件下载和浏览功能;Web端数据管理模块，实现基础数据上传功能。
[0011]所述的Web端算法引擎模块和终端算法引擎模块对管片姿态数据进行管片姿态偏差计算，采用管片姿态偏差检测算法，检测全站仪实时发送的管片实际测量数据和理论设计值之间的Χ，γ，ζ方向的偏差以及进行里程换算。
[0012]所述的中心报警管理模块将管片姿态的超限程度分为三个等级，分别为数据合格、轻微超限和严重超限。
[0013]所述的中心数据管理模块采用严格的权限控制策略保障数据的访问安全性，同时，采用双机热备份+定时增量备份方式增强的数据库的可靠性和冗余度。
[0014]所述的数据可视化模块提供用户在地图上选中某条地铁线路的一个施工区间，以饼图的方式显示该区间内已经测量的管片姿态数据的数量以及偏差情况，饼图中用绿、黄、橙和红分别表示姿态数据合格、黄色警报、橙色警报、红色警报的几种状态，通过柱状图、折线图的方式显示一个区间内不同状态的姿态数据随着日期的变化情况，用户通过点击饼图、柱状图和折线图能够以二维表的方式查看图中的管片姿态数据细节。
[0015]所述的终端用户管理模块和Web端用户管理模块采用32位MD5算法对用户口令的安全进行保护，用户登录系统时，采用MD5计算出口令的HASH值，只将用户名和HASH值上传云计算中心进行验证，保证了口令传输的安全性。
[0016]所述的Web端报表管理模块，提供用户查看不同地铁线路的不同施工区间的管片姿态数据，双击选中需要查看的施工区间，即可查看该施工区间的数据报表详情，数据报表详情按照工程报表的格式进行统计，支持用户导出下载，下载的数据报表进行盖章签字后即可作为工程报表进行存档。
[0017]本发明的有益效果是:本发明提供了一种基于物联网和云计算的地铁盾构管片姿态监测管理系统，该系统基于云计算和物联网技术实现一种先进的分布式架构，具有良好的扩展性、适用性和实时性，管片姿态数据采集、存储、计算、报警、统计分析及可视化操作均是自动化完成，避免人工主观干预，有效保障了数据的质量和真实性，先进的偏差检测算法，对测量数据自动计算，大幅降低传统姿态测量工作的工作量，显著提高效率，云计算中心对发现的管片超限情况给予实时报警处理，通过消息推送和短信接口两种途径将报警消息发送到相关人员的移动智能终端中，便于他们对管片姿态偏差及时处理，按照行业管理提供多种报表模板，根据用户需求自动生成各种规范的管片姿态测量工作报表，对测量数据进行汇总和统计，利用数据挖掘、机器学习等技术，依据历史数据建立智能化的管片姿态预警模型，对潜在的超限风险及时进行预警，将超限风险降低到最小程度，建立合理科学的管片施工质量综合评估方法，更准确的反映管片施工质量水平和风险状况，采用密码学算法对测量数据的传输过程进行加密，用双机热备份+定时增量备份的方式对数据库进行备份，保障云计算中心中数据的安全性和可靠性。
【附图说明】
[0018]图1为系统的总体架构图；
图2为系统的功能架构图；
图3为测量数据采集流程；
图4为报警模块处理流程。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
[0020]如图1所示，基于物联网和云计算的地铁盾构管片姿态监测管理系统，它包括全站仪、云计算中心、移动终端和Web管理客户端，所述的全站仪进行管片姿态数据的采集，所述云计算中心对管片姿态数据进行存储、计算、分析和统计，所述的移动终端与全站仪进行蓝牙对接，接收全站仪检测的管片姿态数据，并进行存储、计算、分析和统计，同时在移动终端实现网络连接后，将数据传输到云计算中心，所述的Web管理客户端提供用户实时查询数据的功能。全站仪设备带有蓝牙接口，经过接口参数设置和设备配对后，与移动终端建立蓝牙通信链路。全站仪上测量的坐标数据通过蓝牙传送到移动终端。移动终端对采集的数据进行接收、计算、本地缓存后，再通过WiFi/3G/4G将本地缓存的一批测量数据传输到云计算中心的数据库服务器中。同时，为了保证数据传输的安全性，采用加密方式进行传输。如图3所不O
[0021 ]系统支持带蓝牙接口(2.0 ,3.0 ,4.0版本)的全站仪设备，包括:徕卡TS06，TS09，TS50，TM30，TM50，TPS1201等型号全站仪;天宝Ml，M3等型号全站仪。
[0022]如图2所示，系统从功能结构上看，所述的移动终端包括仪器数据采集模块，采集移动终端通过蓝牙接收的全站仪发送的管片姿态数据，并进行存储;终端算法引擎模块，对管片姿态数据进行管片姿态偏差计算，采用管片姿态偏差检测算法，检测全站仪实时发送的管片实际测量数据和理论设计值之间的Χ，γ，ζ方向的偏差以及进行里程换算，它运行于图3中的“计算”功能单元中；终端数据查询模块，提供丰富的查询条件组合，允许用户从数据库检索所需的测量数据;终端报警管理模块，实现对云计算中心发送的报警消息的接收、浏览、存储、查询操作;终端用户管理模块，实现用户注册及用户登录，采用32位MD5算法对用户口令的安全进行包含。用户登录系统时，采用MD5计算出口令的HASH值，只将用户名和HASH值上传云计算中心进行验证，保证了口令传输的安全性;数据上传模块，将数据加密传输到云计算中心，采用128位AES对称密钥算法对其进行加密传输，从而确保测量数据在上传云计算中心过程中的安全性(私密性、可靠性)；
所述的云计算中心包括中心数据管理模块，实现对测量的管片姿态数据及用户数据的存储，采用严格的权限控制策略保障数据的访问安全性，同时，采用“双机热备份+定时增量备份”方式增强的数据库的可靠性和冗余度。基础数据以文件形式存储在云计算中心的专用目录中，业主通过Web管理客户端实现基础数据上传功能。移动终端在实现姿态计算前需要下载特定线路的基础数据文件。数据挖掘和分析模块，包括数据统计和数据挖掘两个子模块，数据统计子模块按照统计指标或者工程指标对姿态数据进行统计计算，数据挖掘子模块采用机器学习算法(包括，神经网络、支持向量机、决策树、多元回归等)对姿态数据进行深层次分析，实现超限提前预警、施工质量综合评估；中心算法引擎模块，对管片姿态数据进行管片姿态偏差计算，采用管片姿态偏差检测算法，检测全站仪实时发送的管片实际测量数据和理论设计值之间的X，Y，Z方向的偏差以及进行里程换算，对移动终端上传的管片姿态数据进行计算复核，并将发现的超限数据交给中心报警模块处理；中心报警管理模块，当报警管理模块收到超限数据后，将管片姿态的超限程度分为三个等级，分别为数据合格、轻微超限和严重超限，通过消息服务和短信接□，发送给指定用户(业主、线路/区段相关的监理和施工方人员)，其处理流程如图4所示。同时，报警模块还实现对报警消息的存储、查询、统计等功能。中心报表管理模块，根据用户的需要，按周期(天/周/月)生成用户的测量工作报表，供用户查询、下载;Web服务模块，运行Web服务器，接收和处理Web客户端的访问请求;数据接收模块，对加密的管片姿态数据进行解密还原为原始管片姿态数据。
[0023]所述的Web管理客户端包括Web端用户管理模块，实现用户注册及用户登录，采用32位MD5算法对用户口令的安全进行保护。用户登录系统时，采用MD5计算出口令的HASH值，只将用户名和HASH值上传云计算中心进行验证，保证了口令传输的安全性;Web端数据查询模块，提供丰富的查询条件组合，允许用户从数据库检索所需的测量数据;数据可视化模块，以地图的方式显示城市在建地铁线路，并根据登录用户的权限在地图上高亮显示与其相关的施工线路、区间所在的位置，用户可以在地图上选中某条地铁线路的一个施工区间，以饼图的方式显示该区间内已经测量的管片姿态数据的数量以及偏差情况，饼图中用绿、黄、橙和红分别表示姿态数据合格、黄色警报(轻微超限)、橙色警报(超限)、红色警报(严重超限)的几种状态。同时，可以通过柱状图、折线图的方式显示一个区间内不同状态的姿态数据随着日期(日，周)的变化情况。这些图形化工具帮助用户直观掌握和监控盾构机掘进过程中的姿态是否符合要求。另外，用户通过点击饼图、柱状图和折线图可以以二维表的方式查看图中的管片姿态数据细节。Web端报表管理模块，实现测量工作报表的请求，文件下载和浏览功能，所述的Web端报表管理模块，提供用户查看不同地铁线路的不同施工区间的管片姿态数据，双击选中需要查看的施工区间，即可查看该施工区间的数据报表详情，数据报表详情按照工程报表的格式进行统计，支持用户以表格的方式导出下载，下载的数据报表进行盖章签字后即可作为工程报表进行存档，支持的文件格式包括excel ,word等。Web端数据管理模块，实现基础数据上传功能。
[0024]地铁盾构管片姿态监测管理系统基于物联网技术和云技术，以“浏览器/服务器”(B/S)结构和“客户机/服务器”(C/S)相结合的技术架构方式进行设计，系统支持主流移动终端、计算机硬件及软件平台，并支持现有主流的全站仪设备。系统提供标准的接口程序或预留技术接口标准，便于扩展应用系统功能和与其他应用系统的互联，互访。
[0025]系统由云计算中心、移动终端和Web管理客户端三大部分组成，如图1所示。其中，移动终端(手机、平板电脑等)上运行有软件程序，它可以通过蓝牙通信链路与全站仪设备进行连接。Web管理客户端是运行在普通个人电脑上的Web网页程序。云计算中心是实现数据存储、计算、分析、统计查询的任务的一组服务器硬件和软件程序，为整个系统提供基础服务支持，运行于在安全可靠的计算机网络环境中。
[0026]系统的用户分为业主、施工方、监理(包括第三方)三种角色。其中，施工方和监理通过移动终端获取管片姿态的现场测量数据，并上传到云计算中心。业主、施工方和监理根据各自的权限使用Web管理客户端查询、浏览、下载指定的姿态测量数据和统计报表。
【主权项】
1.基于物联网和云计算的地铁盾构管片姿态监测管理系统，其特征在于:它包括全站仪、云计算中心、移动终端和Web管理客户端，所述的全站仪进行管片姿态数据的采集，所述云计算中心对管片姿态数据进行存储、计算、分析和统计，所述的移动终端与全站仪进行蓝牙对接，接收全站仪检测的管片姿态数据，并进行存储、计算、分析和统计，同时在移动终端实现网络连接后，将数据传输到云计算中心，所述的Web管理客户端提供用户实时查询数据的功能； 所述的移动终端包括仪器数据采集模块，采集移动终端通过蓝牙接收的全站仪发送的管片姿态数据，并进行存储;终端算法引擎模块，对管片姿态数据进行管片姿态偏差计算；终端数据查询模块，提供丰富的查询条件组合，允许用户从数据库检索所需的测量数据;终端报警管理模块，实现对云计算中心发送的报警消息的接收、浏览、存储、查询操作;终端用户管理模块，实现用户注册及用户登录;数据上传模块，将数据加密传输到云计算中心； 所述的云计算中心包括中心数据管理模块，实现对测量的管片姿态数据及用户数据的存储;数据挖掘和分析模块，包括数据统计和数据挖掘两个子模块，数据统计子模块按照统计指标或者工程指标对姿态数据进行统计计算，数据挖掘子模块采用机器学习算法对姿态数据进行深层次分析，实现超限提前预警、施工质量综合评估；中心算法引擎模块，对管片姿态数据进行管片姿态偏差计算，对移动终端上传的管片姿态数据进行计算复核，并将发现的超限数据交给中心报警模块处理；中心报警管理模块，当报警管理模块收到超限数据后，将管片姿态的超限程度分为三个等级，通过消息服务和短信接口，发送给指定用户；中心报表管理模块，按周期生成用户的测量工作报表，供用户查询、下载;Web服务模块，运行Web服务器，接收和处理Web客户端的访问请求;数据接收模块，对加密的管片姿态数据进行解密还原为原始管片姿态数据； 所述的Web管理客户端包括Web端用户管理模块，实现用户注册及用户登录;Web端数据查询模块，提供丰富的查询条件组合，允许用户从数据库检索所需的测量数据;数据可视化模块，以地图的方式显示城市在建地铁线路，并根据登录用户的权限在地图上高亮显示与其相关的施工线路、区间所在的位置;Web端报表管理模块，实现测量工作报表的请求，文件下载和浏览功能;Web端数据管理模块，实现基础数据上传功能。2.根据权利要求1所述的基于物联网和云计算的地铁盾构管片姿态监测管理系统，其特征在于:所述的Web端算法引擎模块和终端算法引擎模块对管片姿态数据进行管片姿态偏差计算，采用管片姿态偏差检测算法，检测全站仪实时发送的管片实际测量数据和理论设计值之间的X，Y，Z方向的偏差以及进行里程换算。3.根据权利要求1所述的基于物联网和云计算的地铁盾构管片姿态监测管理系统，其特征在于:所述的中心报警管理模块将管片姿态的超限程度分为三个等级，分别为数据合格、轻微超限和严重超限。4.根据权利要求1所述的基于物联网和云计算的地铁盾构管片姿态监测管理系统，其特征在于:所述的中心数据管理模块采用严格的权限控制策略保障数据的访问安全性，同时，采用双机热备份+定时增量备份方式增强的数据库的可靠性和冗余度。5.根据权利要求1所述的基于物联网和云计算的地铁盾构管片姿态监测管理系统，其特征在于:所述的数据可视化模块提供用户在地图上选中某条地铁线路的一个施工区间，以饼图的方式显示该区间内已经测量的管片姿态数据的数量以及偏差情况，饼图中用绿、黄、橙和红分别表示姿态数据合格、黄色警报、橙色警报、红色警报的几种状态，通过柱状图、折线图的方式显示一个区间内不同状态的姿态数据随着日期的变化情况，用户通过点击饼图、柱状图和折线图能够以二维表的方式查看图中的管片姿态数据细节。6.根据权利要求1所述的基于物联网和云计算的地铁盾构管片姿态监测管理系统，其特征在于:所述的终端用户管理模块和Web端用户管理模块采用32位MD5算法对用户口令的安全进行保护，用户登录系统时，采用MD5计算出口令的HASH值，只将用户名和HASH值上传云计算中心进行验证，保证了 口令传输的安全性。7.根据权利要求1所述的基于物联网和云计算的地铁盾构管片姿态监测管理系统，其特征在于:所述的Web端报表管理模块，提供用户查看不同地铁线路的不同施工区间的管片姿态数据，双击选中需要查看的施工区间，即可查看该施工区间的数据报表详情，数据报表详情按照工程报表的格式进行统计，支持用户导出下载，下载的数据报表进行盖章签字后即可作为工程报表进行存档。
【文档编号】G06Q50/30GK106022560SQ201610291753
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】孙继东, 封坤, 赵维录, 黄志伟, 龚率
【申请人】四川铁安达科技有限公司