李朋偉 趙翰超 張?chǎng)螁? 彭際豪 周立俊 盧菁

摘要：隧道激光測(cè)距技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道斷面的檢測(cè)以及必要的預(yù)警，常用的激光測(cè)距分析技術(shù)使用曲線擬合來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，易造成誤差。針對(duì)該問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了激光測(cè)距數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，利用Pymon對(duì)激光測(cè)距儀采集并存儲(chǔ)于Excel表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并導(dǎo)入MysQL數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)。平臺(tái)可對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并繪制折線圖，對(duì)不同測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算，通過(guò)對(duì)比分析數(shù)據(jù)變化情況，定位高危位置，并觸發(fā)預(yù)警。

關(guān)鍵詞：激光測(cè)距;結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ);數(shù)據(jù)分析;MySQL;Python

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2020）07-37-03

0引言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市地下交通發(fā)展迅速。然而，中國(guó)是一個(gè)多地形地貌的國(guó)家，其地質(zhì)導(dǎo)致的隧道安全問(wèn)題不容小覷。隧道下臥軟土層受到長(zhǎng)期振動(dòng)會(huì)不斷軟化，從而導(dǎo)致隧道內(nèi)壁發(fā)生整體沉降以及局部形變，嚴(yán)重影響隧道安全。針對(duì)既有線網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)的迫切需求，國(guó)內(nèi)外有關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行著各種創(chuàng)新技術(shù)嘗試。

隧道斷面檢測(cè)技術(shù)按技術(shù)原理可分為：接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的隧道斷面檢測(cè)技術(shù)無(wú)法同時(shí)兼顧高速動(dòng)態(tài)測(cè)量、高測(cè)量精度與高采樣速率。目前主流的隧道斷面檢測(cè)技術(shù)為隧道激光測(cè)距技術(shù)，通過(guò)激光測(cè)距裝置對(duì)隧道斷面內(nèi)壁測(cè)量，獲得激光發(fā)射點(diǎn)與斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)隧道斷面的位移、沉降、形變進(jìn)行檢測(cè)，確保隧道安全。采用激光測(cè)距方法對(duì)隧道斷面檢測(cè)是為克服人工隧道檢測(cè)帶來(lái)的效率低下、精確度低、數(shù)據(jù)不夠完整等缺點(diǎn)。但需要處理的數(shù)據(jù)量極其龐大，目前的系統(tǒng)缺少有效的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析的手段。

常用的激光測(cè)距技術(shù)使用曲線擬合的方式對(duì)激光測(cè)距傳感器所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。即數(shù)據(jù)以線形圖顯示每次測(cè)量的數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)相鄰兩次數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行重合分析，如差異顯著則會(huì)觸發(fā)報(bào)警信息。若對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)擬合，多條曲線重合后難以辨認(rèn)，嚴(yán)重影響了預(yù)警能力。

本文基于對(duì)激光測(cè)距傳感器所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于隧道激光測(cè)距技術(shù)的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)情況下激光測(cè)距傳感器的測(cè)量值，并將后期采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)可從數(shù)據(jù)庫(kù)中取得數(shù)據(jù)，對(duì)每次測(cè)量的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行差值計(jì)算，繪制對(duì)比圖分析數(shù)據(jù)，從而快速篩選形變量較大的位置，迅速確認(rèn)高危管片所在位置，直觀精確地顯示預(yù)警信息。每次數(shù)據(jù)處理結(jié)果以數(shù)字形式直接儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便下一次提取使用。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)功能框架

（1）系統(tǒng)采用Python語(yǔ)言編寫，使用了Spyder開發(fā)環(huán)境。Spyder是一個(gè)用于科學(xué)計(jì)算的并使用Python編程語(yǔ)言的集成開發(fā)環(huán)境。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)方面，系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，用于結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)激光測(cè)距儀返回的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及分析處理后的數(shù)據(jù)。

（3）折線圖的繪制。主要采用了Python內(nèi)置的matplotlib.pyplot函數(shù)集進(jìn)行繪制。

（4）數(shù)據(jù)采集：激光測(cè)距儀采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Excel表中，每隔0.2mm激光測(cè)距儀采集一次數(shù)據(jù)，單位為mm，并存儲(chǔ)在Excel表中。由上海傲波技術(shù)有限公司提供實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)功能流程圖如圖1所示。

系統(tǒng)功能說(shuō)明：①選擇實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，刷新界面展現(xiàn)激光測(cè)距儀返回的數(shù)據(jù)列表;②導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件，從Excel表格中，導(dǎo)入激光測(cè)距儀所得數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫(kù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ);③繪制對(duì)比圖，通過(guò)導(dǎo)入新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與初始檢測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在激光測(cè)距儀的誤差范圍內(nèi)，對(duì)兩次數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算，并以折線圖形式展現(xiàn)，直觀得出數(shù)據(jù)變化情況。

1.2數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

激光測(cè)距儀測(cè)得的數(shù)據(jù)量巨大，且儲(chǔ)存在Excel文檔中，不利于進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，為使數(shù)據(jù)合理地存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，我們?cè)O(shè)計(jì)兩張數(shù)據(jù)表，見表1，表2。

2系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)主界面展示

如圖2所示，主界面一共分為三個(gè)部分，左側(cè)上部為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇框，可以選擇需要處理的測(cè)距數(shù)據(jù)，左側(cè)下部為數(shù)據(jù)列表展示框，展示激光測(cè)距儀的導(dǎo)入數(shù)據(jù)，右側(cè)為功能區(qū)包括導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件，繪制對(duì)比圖，刷新三個(gè)按鈕。

通過(guò)下拉框選擇要查看的導(dǎo)入數(shù)據(jù)，并點(diǎn)擊刷新按鈕，可實(shí)現(xiàn)主界面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)展示列表的更新。導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件按鈕實(shí)現(xiàn)了Excel表格數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)的功能。繪制對(duì)比圖按鈕可根據(jù)選擇的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與距離區(qū)間展示標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與選擇數(shù)據(jù)以及兩次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差值，并繪制折線圖，便于直觀分析處理數(shù)據(jù)。

2.2導(dǎo)入功能實(shí)現(xiàn)

如圖3所示，通過(guò)選擇Excel文檔提供的path路徑，利用函數(shù)importExcelToMysql（）讀取Excel文件，獲取第一張工作表的內(nèi)容，然后依次讀取表中每一行數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到sqlstr數(shù)組中，再利用sql語(yǔ)句插入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能。

代碼中數(shù)據(jù)庫(kù)操作涉及到Python操作MySQL的基本方法。Python DB-API是Python訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)一接口規(guī)范。通過(guò)Python訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的流程如圖4所示，利用cur=con.cursor（）創(chuàng)建的操作游標(biāo)，執(zhí)行execute方法可實(shí)現(xiàn)sql語(yǔ)句的執(zhí)行。

2.3繪圖功能實(shí)現(xiàn)

如圖5所示，通過(guò)讀取MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的measurement值，存入數(shù)組中，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差值運(yùn)算后，將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行繪圖操作，同時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中dvalue字段中。實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)入數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的差值運(yùn)算與繪圖比較功能。第三個(gè)折線圖為差值折線圖，繪制了兩條預(yù)警線。如圖6所示，當(dāng)折線圖數(shù)據(jù)大部分都在預(yù)警線之外時(shí)，在該區(qū)間可能出現(xiàn)了隧道管壁的損壞或隧道整體沉降，需要及時(shí)地制定相關(guān)方案，避免由此帶來(lái)嚴(yán)重影響。

3結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)激光測(cè)距傳感器所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái)，使數(shù)據(jù)更易管理、分析并精確地提供預(yù)警信息，在隧道斷面監(jiān)測(cè)的后續(xù)數(shù)據(jù)處理上發(fā)揮著重要作用。目前該平臺(tái)已經(jīng)在上海傲波光電技術(shù)有限公司使用，用于測(cè)距數(shù)據(jù)的處理以及數(shù)據(jù)分析，取得良好反響。隨著監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不斷補(bǔ)充，數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái)可以不斷擴(kuò)充功能，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)地統(tǒng)計(jì)與分析。