基于Web Service的盾构掘进监测数据集成方案及实现

高修强

摘 要

作为城市建设管理者，能够便捷的实时查看全市轨道交通工程盾构掘进监测数据已成为基本而迫切的需要。本文中，笔者以某城市轨道交通实际项目为依托，分析多种品牌的盾构掘进监测系统，利用Web Service、JSON等技术手段搭建C/S、B/S模式软件，将多种不同类型的盾构掘进监测数据集成到统一的数据库，进而实现全市盾构掘进监测数据实时展示。为管理者的安全决策提供实时、直观的数据依据。文中所述解决方案也适用于其他工程施工自动化监测数据的集成与展示，具有广泛应用价值。

【关键词】盾构 监测 Web Service 集成

1 引言

随着我国城市化进程步伐不断加快，各城市纷纷开始轨道交通（地铁）建设。在城市轨道交通建设中，隧道掘进是工程量最大也是对安全性要求最高的施工作业。多条隧道工程的盾构掘进施工往往涉及多种品牌的盾构机，而各盾构机自带不同的掘进监控系统（以下简称系统），掘进监控实时数据（以下简称数据）一般只局限于工地内查看。目前常见的盾构机品牌有中铁装备、海瑞克、小松等，各品牌又可能细分为多个版本。品牌的多样化给数据整合带来麻烦，各家系统存储管理数据的方式大相径庭，而且对于盾构掘进监测工作，业内尚无统一的标准规范。

盾构掘进的特殊性要求数据必须足够实时和密集，因此各系统都有自己的一套存储和展示方式。从笔者在项目中遇到的情况看，数据就有若干种存储方式，如采用Paradox数据文件、Access数据文件、常规记事本文件以及自定义格式文件等。出于安全考虑，多数系统部署于施工现场单独的计算机不能上互联网，如需在其他地方查看实时数据，只能组建局域网，将数据以共享桌面的方式在另外的计算机上展示。

基于以上现状，作为城市建设主导方和管理者，面对正在施工的多种盾构品牌，想关注整个城市所有盾构掘进的实时情况变得十分困难，掘进数据往往是通过施工方事后呈报的表格才能得知，这些数据到达管理者手上时已是十分滞后，不能根据实时数据进行安全研判和快速决策指挥，对于盾构掘进施工安全的参考意义不大。

2 解决方案及软件实现

2.1 实现框架

数据集成展示的原则有三条：一是零耦合，即不与各监控系统关联，不能影响现有盾构掘进监控系统的运转；二是稳定及安全，即保证稳定性及数据安全性；三是可扩展性，即对新系统的数据要能快速开发实现集成。

數据集成展示的前提条件有两个：一是数据文件必须可解析，如果是系统厂家自定义的数据格式，必须提供解析方法；二是与数据文件所在计算机处在同一局域网内的某台计算机必须保证全时段可连接互联网。

基于以上原则和前提，构造出基本的实现框架如图1。

鉴于系统一般部署于施工现场（地下工控室）计算机（以下简称地下机），出于安全考虑该计算机不能连接互联网。因此需有另一台计算机（以下简称地上机）能够在局域网内访问到地下机，地上机需24小时开机和连接互联网。软件数据流模型如图2。

2.2 设计要点

软件实现时，要注意以下方面：

2.2.1 控制读取数据文件的权限

如果盾构机掘进监测数据的存储方式是数据库，那么要设定只读用户和密码；如果是文件（或文件集合），那么要设定特定的共享访问用户，实现对该文件（或文件集合）有权限的共享。

2.2.2 编写可扩展的解析器

解析传输程序（以下简称客户端）在解析数据时，利用面向对象语言将解析过程抽象为解析基类，其中包含解析通用的对象、方法和事件。对象包括程序配置、执行触发器、数据格式、日志读写器等；方法包括读取配置、解析数据（虚函数）、推送数据、读写日志等；事件包括解析前、解析中、解析后等。

不同的系统数据解析时统一继承基类，只要重载实现解析数据方法即可。这种方式编写的代码优势在于，当有新的盾构监测数据格式需要集成时，只需引用解析器动态链接库，继承解析基类后实现特有的解析方法即可。

2.2.3 构造统一的数据格式

数据集成过程中，数据格式统一采用JSON标准。JSON（JavaScript Object Notation， JS 对象标记） 是一种轻量级的数据交换格式，易于人阅读和编写，同时也易于机器解析和生成并有效地提升网络传输效率。

2.2.4 进行通信验证和传输数据加密

由于涉及到使用互联网传输数据，Web Service服务（以下简称服务端）需要对客户端进行验证。验证分两个方面：一是验证客户端的真伪，防止其他客户端恶意连接服务端，笔者采用非对称的加密算法，在客户端请求时通过比对客户端和服务端对于一串随机码的加密结果是否相同来验证客户端的真伪；二是验证客户端的安装位置，防止将A盾构机的数据入库到B盾构机的数据里，解决方法是将客户端所处的计算机信息（硬盘编号、网卡地址等）事先存储在服务端，当客户端连接服务端时就能根据信息判定是哪台盾构机的数据了。

由于涉及到使用互联网传输数据，数据安全也需要充分考虑。针对集成的应用场景兼顾传输效率，最终选用了对称的DES加密算法来加密数据，DES加密应用简便且广泛，参考资料很多，具体做法不再赘述。

2.2.5 采用数据推送-接收-提取展示模式

即为客户端-服务端-展示终端模式：客户端负责数据解析、加密推送。服务端负责数据接收、解密入库。展示终端负责数据提取、终端展示。需要注意的是，服务端只需要部署一个，既提供数据入库功能供解析客户端调用，又提供数据提取功能供展示客户端调用。

2.2.6 具备容错机制

整个软件部署后自动运行，要保证其稳定性，达到无人值守运行标准，对于不可预见的错误要能捕获并记录，极力降低程序崩溃概率。程序需具备完备的日志记录机制，对于执行过程特别是出错内容能够详实的记录，为维护和优化工作提供条件。

3 应用实例

某城市目前有8台盾构机正在进行掘进施工，其中2台是海瑞克，6台是中铁装备，在部署软件之前必须满足两个基本条件：一是与盾构机在同一局域网内的计算机保证可读取盾构监测数据文件且全时段连接互联网；二是提供一台具有固定互联网IP的计算机，用于部署服务端。

部署好的软件向用户提供以下主要功能：

（1）维护人员可以通过展示终端设置和查询每台盾构机需要集成的参数、每个参数的数据推送频率；

（2）专业管理人员可以通过专用客户端查看完整的数据序列；

（3）全部相关人员可以通过网站页面查看最新数据。

盾构掘进监控数据展示界面如图3、4所示。

4 结语

基于以上解决方案和设计思路实现的软件，能够实时查看全市轨道交通工程盾构掘进监测数据，且具备高度的可扩展性，在新的盾构机需要接入时能够快速开发并完成部署。

随着城市轨道交通建设水平的提高以及经验积累，相信盾构掘进监测领域会逐步形成标准规范，加上互联网应用的飞速发展，届时数据集成将更加容易。文中所述解决方案也适用于其他工程施工自动化监测数据的集成与展示，在自动化监测数据集成领域也有广泛应用价值。

参考文献

[1]廖国彬.盾构机动态监测集成化软件开发及可靠性设计研究与实现[D].上海：同济大学，2008.

[2]顾宁，刘家茂，柴晓路.Web Services原理与研发实践[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3]陈跃国，王京春.数据集成综述[J].计算机科学，2004（05）.