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地鐵隧道變形自動檢測系統(tǒng)研究 主要完成單位：上海地鐵盾構(gòu)設(shè)備工程有限公司 同濟大學(xué) 主要完成人員：何自強、張 恒、史海舟、周奇才、熊肖磊、陳傳林、趙炯、呂 強、李 炯 1、研究背景和項目來源 地鐵是一種在狹小空間內(nèi)快速載運高度密集人群的交通裝備，空間狹小決定了其管理措施的難度和復(fù)雜性；高速運轉(zhuǎn)更突顯了系統(tǒng)多方面協(xié)調(diào)配合的重要性，每一個系統(tǒng)每一個細(xì)節(jié)都可能是影響安全的因素；人口高度密集決定了軌道交通一旦發(fā)生事故就是巨大的危險和災(zāi)難；軌道交通的安全與規(guī)劃、建設(shè)、運營各個階段密切關(guān)聯(lián)，又決定了軌道交通安全管理的系統(tǒng)性和整體性。這些因素都對地鐵的安全管理工作提出了新的挑戰(zhàn)，也同時說明了城市軌道交通一旦發(fā)生安全事故，其后果是極其嚴(yán)重的。 結(jié)構(gòu)體的安全監(jiān)測包括隧道結(jié)構(gòu)侵蝕監(jiān)測、結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測、結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測和環(huán)境情況監(jiān)測，其中尤其是結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測非常重要，其監(jiān)測內(nèi)容主要為沿縱向分布的隧道橫截面沉降、橫向位移和斷面的收斂變形。 地鐵隧道的結(jié)構(gòu)體發(fā)生過大的形變將時造成災(zāi)害，所采取的預(yù)防措施主要是進(jìn)行形變監(jiān)測，并可分為施工階段和運營階段。為了同時提高隧道建設(shè)及運營期間的安全性，需要可靠的檢測和數(shù)據(jù)處理方法，而傳統(tǒng)的測量技術(shù)由于建筑施工的干擾及檢測方式、設(shè)備所限，只能間斷性地進(jìn)行記錄，并且不適用于隧道完工之后隧道運營的監(jiān)測。在隧道施工過程中，利用儀器通過人工測量或自動測量等方法可對隧道整體及斷面的形變進(jìn)行實時觀察和監(jiān)控，然而這往往僅對確保隧道施工質(zhì)量有效。對于自動測量方法，由于其自動測量儀器（全站儀）的價格很高難以全線布點，它的自動測量一般僅對施工的推進(jìn)面有效，其基準(zhǔn)測量還需人工定期測量，因此并不適用于運營隧道的檢測，施工結(jié)束后，這些設(shè)備即撤離了現(xiàn)場，地鐵隧道投入營運之后，無法對隧道的形變進(jìn)行檢測和監(jiān)控。 目前，國內(nèi)外針對隧道施工階段的監(jiān)測技術(shù)已比較成熟，而對隧道運營期間的監(jiān)測重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。事實上，運營階段因時間跨度大、影響因素復(fù)雜、發(fā)生災(zāi)害后的社會影響大，因此運營隧道的健康監(jiān)測更應(yīng)重視。 對已建地鐵隧道的沉降觀測資料研究發(fā)現(xiàn)，處于軟土地層中的隧道在長期的運營中，一般都會持續(xù)增大縱向沉降，該沉降為總沉降量的主要部分。隧道不均勻沉降會使隧道產(chǎn)生彎曲變形影響軌道的平整和乘客的舒適性，并導(dǎo)致隧道接縫張開，從而進(jìn)一步加劇滲透，甚至漏泥，對隧道的結(jié)構(gòu)、接頭和正常運營造成威脅。因此必須重視隧道結(jié)構(gòu)體在長期運營中的沿縱向的整體形變，并從設(shè)計、施工、工程防治、周圍環(huán)境的影響等方面予以綜合管理與控制。 運營地鐵隧道的形變包括隧道縱軸線沿橫斷面的位移及隧道橫斷面形狀的變化，當(dāng)隧道形變過大時將影響地鐵安全運營。本項目立項的目的就是研制運營隧道形變檢測分析系統(tǒng)，根據(jù)隧道形變的漸變性及長期性，采集隧道形變實時數(shù)據(jù)并建立長時段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行時間及空間的融合，為實現(xiàn)隧道形變的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布并建立隧道變形預(yù)警機制做好前期的準(zhǔn)備工作。本課題屬于軌道交通網(wǎng)絡(luò)運營安全綜合技術(shù)研究與應(yīng)用的重要組成部分。 2、主要研究內(nèi)容 針對本課題，項目組已經(jīng)進(jìn)行了大量前期基礎(chǔ)研究工作?；诙嘟M立體相機和近景攝影測量原理，實現(xiàn)了建筑物模型的變形監(jiān)測?；谲囕d多傳感器移動空間數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實現(xiàn)了GPS、INS、CCD立體相機、激光掃描等傳感器的集成與處理。隧道安全監(jiān)測采集車是近景立體攝影測量、全景相機和斷面掃等空間多傳感器網(wǎng)絡(luò)集成與數(shù)據(jù)融合，配以數(shù)據(jù)管理與實時發(fā)布的成功范例，在空間多傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的支撐下，實現(xiàn)了精度達(dá)5mm的定位精度，為該科研計劃的順利進(jìn)行與圓滿成功提供強有力支持。 根據(jù)項目的特點和內(nèi)容組成，該項目研究主要可以分為三個部分： A. 隧道整體變形檢測：研究采用網(wǎng)絡(luò)化智能圖像傳感器進(jìn)行運營地鐵隧道形變?yōu)暮ΡO(jiān)測。主要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化智能圖像傳感器研究、智能圖像傳感器姿態(tài)自穩(wěn)定裝置研究、研究通過圖像分析處理獲得基準(zhǔn)點相對位移數(shù)據(jù)及采用數(shù)據(jù)融合及聯(lián)合平差理論處理傳感器網(wǎng)絡(luò)的序列影像實現(xiàn)高精度測量、傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)、三維隧道形變圖像建模和變形預(yù)警等。 B. 隧道局部（斷面）變形檢測：研制隧道斷面變形測量監(jiān)測儀。依據(jù)前一部分的成果，建立隧道軸線定位基準(zhǔn)的傳遞系統(tǒng)，為隧道斷面變形測量儀提供精確的測量基準(zhǔn)，由隧道斷面變形測量儀對隧道全面進(jìn)行掃描監(jiān)測，提供更加全面、豐富的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行隧道變形狀態(tài)的精準(zhǔn)分析診斷。 C. 建立空間數(shù)據(jù)庫存儲發(fā)布隧道變形信息：存儲及處理隧道整體變形及斷面變形測量數(shù)據(jù)，形成預(yù)警機制，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。 本項目主要研究采用網(wǎng)絡(luò)化智能圖像傳感器對一個試驗區(qū)間中的運營隧道的縱軸線變形進(jìn)行實時檢測，建立隧道橫向整體位移在空間及時間上的分布規(guī)律，通過形變分析初步建立起隧道變形狀況的預(yù)警機制，并建立隧道軸線定位基準(zhǔn)的傳遞系統(tǒng)，為車載隧道斷面變形測量儀提供精確的測量基準(zhǔn)。 在本項目中，首次提出以網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)和圖像識別技術(shù)為基礎(chǔ)對運營地鐵隧道形變進(jìn)行在線式實時監(jiān)測，根據(jù)隧道變形數(shù)據(jù)分析隧道變形狀況，及時預(yù)報隧道變形狀況不良引起的災(zāi)害。 同時以它為基礎(chǔ)進(jìn)行隧道軸線定位基準(zhǔn)的傳遞，為進(jìn)一步實現(xiàn)采用隧道斷面變形測量儀進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 這是一種新的非接觸式實時安全監(jiān)測技術(shù)，能彌補傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法的不足。它采用非接觸、實時在線方式，全面獲取結(jié)構(gòu)體信息，基于計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合，試驗成本低，過程可重復(fù)，具有實時、動態(tài)、高精度的特點，能提高局部監(jiān)測的精度和時空上整體監(jiān)測分析的能力。 圖像傳感器以一定的間距分布于隧道斷面的頂部或側(cè)面，在每個斷面上設(shè)置一個或多個圖像傳感器，所有傳感器組成一個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，由各站的監(jiān)測計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和初步分析，再通過站間的計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對全線路隧道進(jìn)行實時監(jiān)測預(yù)警。目前，這種集成影像和傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測技術(shù)和系統(tǒng)在國內(nèi)外還未見報道。 3、主要研究成果 創(chuàng)新點 （1） 首次提出基于圖像分析的隧道形變監(jiān)測和定位基準(zhǔn)傳遞的方案和理論。實現(xiàn)隧道整體變形的在線監(jiān)測。 （2） 設(shè)計了一套基于圖像測量技術(shù)的針對隧道變形在線監(jiān)測的智能圖像傳感器系統(tǒng)。 （3） 設(shè)計了一套集激光測距、緊密轉(zhuǎn)角控制、電子傾角測量等為一體的斷面掃描檢測車。 （4） 提出了一種對智能圖像傳感器姿態(tài)進(jìn)行補償?shù)姆椒?，解決了由于傳感器姿態(tài)引入的測量誤差。 （5） 提出了一套多種傳感器多點長期監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理方法。 （6） 提出了智能圖像傳感器的現(xiàn)場標(biāo)定及維護保養(yǎng)更換的可行方法。 （7） 制定了適合隧道在線檢測多傳感器信息交換，滿足多傳感器同步性要求的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。 通過該項目的研究構(gòu)建了圖像傳感器陣列和斷面變形測量儀的多傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，設(shè)計自檢校的專用傳感器標(biāo)定框架，實現(xiàn)高精度時間同步。解決了多傳感器數(shù)據(jù)融合的高精度聯(lián)合處理算法，實現(xiàn)基于立體序列影像的監(jiān)測點坐標(biāo)的高精度計算。開發(fā)了自主知識產(chǎn)權(quán)的基于多傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)，完成上海試驗區(qū)間隧道實地監(jiān)測示范。 表1 專利成果一覽表 序號 專利及著作權(quán) 類別 1 CCD光學(xué)傳感器隧道形變檢測裝置 實用新型 2 車載式激光掃描隧道斷面形變檢測車 實用新型 3 車載式激光掃描隧道斷面形變檢測車機械結(jié)構(gòu) 實用新型 4 智能圖像采集終端布圖 發(fā)明 5 激光掃描儀隧道斷面形變檢測技術(shù) 實用新型 6 CCD光學(xué)傳感器應(yīng)用于隧道形變鏡頭姿態(tài)誤差消減技術(shù) 發(fā)明 7 復(fù)雜背景的圖像提取方法 軟件著作權(quán) 8 隧道形變檢測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) 軟件著作權(quán) 4、應(yīng)用前景與效益預(yù)測 1）社會效益 本項目提出的多傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)，能夠快速捕捉隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)形變、對監(jiān)測結(jié)果實時分析和預(yù)警發(fā)布。因此，應(yīng)用該技術(shù)在隧道結(jié)構(gòu)的安全進(jìn)行監(jiān)測，指導(dǎo)和改進(jìn)相關(guān)的設(shè)計規(guī)范，在減輕災(zāi)害損失、維護社會穩(wěn)定等方面具有重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。 2）經(jīng)濟效益 本項目開發(fā)的多傳感器網(wǎng)絡(luò)集成、監(jiān)測、分析和發(fā)布技術(shù)應(yīng)用于隧道結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測技術(shù)，具有試驗成本低，非接觸、實時、動態(tài)、高精度、預(yù)警發(fā)布等特點。以相對來說非常小的代價提供傳統(tǒng)監(jiān)測方法無可比擬的能力，監(jiān)測分析結(jié)果用于調(diào)整隧道施工與運營，避免對于軌道交通運營過程中碰到的安全問題，可以產(chǎn)生重大的經(jīng)濟效益。 有望在隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的實用技術(shù)創(chuàng)新方面取得突破，為形成隧道結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計、分析、試驗、評價的技術(shù)體系奠定基礎(chǔ)，在該領(lǐng)域獲得一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)、方法和實用系統(tǒng)，具有重大的應(yīng)用價值。