李秋明，鄭 艷， 李鵬飛，覃 璐

（1.廣州市地下鐵道總公司，廣州 510030；2.北京安捷工程咨詢有限公司，北京 100037；

3.重慶交通大學(xué)，重慶 400060）

目前，城市軌道交通的建設(shè)和運(yùn)營過程中，運(yùn)營隧道周邊常有建筑物的施工工程侵入保護(hù)區(qū)，對運(yùn)營隧道的行車安全造成隱患。為了對軌道交通運(yùn)營隧道的安全進(jìn)行保護(hù)，需要對軌道交通設(shè)施保護(hù)區(qū)段周邊的外部工程施工進(jìn)行自動化監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測隧道的變形情況和對突發(fā)事件快速預(yù)警處理。

本文將GIS地理信息應(yīng)用于運(yùn)營隧道監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域，利用其處理空間實(shí)體數(shù)據(jù)及關(guān)系的功能，使自動化監(jiān)測信息的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)有效結(jié)合，開發(fā)了基于GIS的運(yùn)營隧道自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，提供了集成的數(shù)據(jù)環(huán)境和可視化的分析平臺，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營隧道實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警。該系統(tǒng)的設(shè)計研究對于指導(dǎo)周邊工程施工，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營隧道自動化監(jiān)測預(yù)警的快捷化、系統(tǒng)化、科學(xué)化、規(guī)范化等具有重要意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路

（1）通過自動化監(jiān)測設(shè)備采集運(yùn)營隧道內(nèi)關(guān)于X、Y和Z三個方向的結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)，將其以有線或無線傳輸?shù)姆绞阶詣觽魉椭帘O(jiān)控中心的服務(wù)器，進(jìn)行過濾分析后，篩除異常數(shù)據(jù)，而無異常數(shù)據(jù)自動錄入；

（2）監(jiān)控中心的控制系統(tǒng)讀取服務(wù)器中的X、Y和Z3個方向的結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析判斷是否預(yù)警；

（3）如果X、Y和Z三個方向的結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)中任一數(shù)據(jù)超過相應(yīng)的設(shè)定閾值，控制系統(tǒng)將根據(jù)判斷結(jié)果分級別產(chǎn)生預(yù)警記錄，一般分為預(yù)警、報警和控制3個級別，同時控制系統(tǒng)將不同級別的預(yù)警信號發(fā)送給GIS，分別以黃燈、橙燈和紅燈進(jìn)行分類預(yù)警顯示在地圖上，點(diǎn)擊可查看對應(yīng)監(jiān)測位置的實(shí)時數(shù)據(jù)；

（4）控制系統(tǒng)根據(jù)不同級別的預(yù)警信號，通過手機(jī)短信、語音傳真、電話的方式通知相關(guān)人員進(jìn)行排險處理，完成后GIS地圖上的黃燈、橙燈或紅燈恢復(fù)為綠色，控制系統(tǒng)自動消警并恢復(fù)正常狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理。

2 系統(tǒng)整體框架及功能設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體框架

利用GIS的空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)和方法，以及圖形創(chuàng)造和可視化表達(dá)手段，針對運(yùn)營隧道自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立基于GIS的運(yùn)營隧道自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并通過預(yù)警模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、顯示和發(fā)布。系統(tǒng)主要達(dá)到的目標(biāo)：

（1）運(yùn)營隧道自動化監(jiān)測信息采用計算機(jī)數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)信息管理快速化、精確化、高效化。

（2）對自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集，利用預(yù)警模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，對運(yùn)營隧道自動化監(jiān)測情況進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。

（3）所有原始數(shù)據(jù)、計算、統(tǒng)計分析結(jié)果以報表和圖標(biāo)形式展現(xiàn)、輸出。

2.2 監(jiān)測信息的管理

監(jiān)測信息管理工作主要是對自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理，能夠?qū)⒆詣踊O(jiān)測設(shè)備采集到的溫度和數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)化處理，并進(jìn)行計算、匯總、統(tǒng)計、分析。自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)管理的主要技術(shù)指標(biāo)有：基準(zhǔn)點(diǎn)編號、監(jiān)測點(diǎn)編號、監(jiān)測時間、溫度、監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)值、預(yù)警等級等。

2.3 自動化監(jiān)測管理

利用GIS軟件對CAD圖紙進(jìn)行數(shù)字化，對運(yùn)營隧道自動化監(jiān)測系統(tǒng)采取從“點(diǎn)—線—面”的直觀圖形化管理。將基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一編號、命名，并在圖形上標(biāo)注各點(diǎn)的具體位置，并與預(yù)警指標(biāo)信息關(guān)聯(lián)起來，點(diǎn)擊可以查閱相關(guān)信息。

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警

系統(tǒng)將自動化監(jiān)測設(shè)備采集的溫度、數(shù)據(jù)根據(jù)特定的公式進(jìn)行計算后，輸出實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用計算機(jī)模型在系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)置監(jiān)測預(yù)警模型，具體預(yù)警流程見圖1。

圖1 監(jiān)測預(yù)警流程圖

2.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)的導(dǎo)出、報表展示

自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)既能以Excel表格的形式輸出，又能以圖形形式直觀展示。

3 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)和監(jiān)測信息系統(tǒng)組成，如圖2。

圖 2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)圖

3.1 數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)功能

（1）數(shù)據(jù)采集；（2）數(shù)據(jù)存儲；（3）系統(tǒng)自檢；（4）遠(yuǎn)程控制。

3.2 監(jiān)測信息系統(tǒng)功能

（1）監(jiān)測數(shù)據(jù)分析；（2）數(shù)據(jù)展示；（3）預(yù)警管理。

4 系統(tǒng)應(yīng)用流程

首先根據(jù)監(jiān)測任務(wù)、工程現(xiàn)場實(shí)際情況等進(jìn)行監(jiān)測施工方案設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容包括自動化傳感器、數(shù)據(jù)采集單元布設(shè)的數(shù)量級位置，現(xiàn)場的布線方案等。根據(jù)監(jiān)測方案以及硬件布設(shè)的情況，進(jìn)行設(shè)備采購，設(shè)置監(jiān)測控制軟件，主要包括建立測點(diǎn)及數(shù)據(jù)采集單位，設(shè)計算法等。根據(jù)現(xiàn)場通信信號的情況，選擇信號強(qiáng)、傳輸穩(wěn)定的無線傳輸設(shè)備進(jìn)行傳輸；通過專業(yè)軟件虛擬串口，并調(diào)試無線數(shù)據(jù)服務(wù)中心與現(xiàn)場DTU設(shè)備的通信；各部分設(shè)置完成后，進(jìn)行整體調(diào)試，保證設(shè)備高效、無縫連接；根據(jù)實(shí)際工程需要，設(shè)施需要的自動化監(jiān)測頻率，將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)定期傳輸?shù)椒?wù)器；根據(jù)設(shè)置的監(jiān)測頻率，在自動化監(jiān)測控制軟件上設(shè)置自動取數(shù)及解算頻率。

5 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

本項(xiàng)監(jiān)測工作是在廣州市軌道交通某區(qū)段，為實(shí)時掌握區(qū)間隧道上方地表大面積堆土對隧道結(jié)構(gòu)的影響情況，保障既有線路安全運(yùn)營而采取的專項(xiàng)監(jiān)測工作。

5.1 工程概況

廣州軌道交通某區(qū)間，隧道兼有明挖和盾構(gòu)2種結(jié)構(gòu)形式。2010年12月中旬，維修中心接4號線隧道監(jiān)測單位報告：區(qū)間上行ZDK21+513~575區(qū)間隧道沉降異常（ZDK21+544.6，最大沉降值達(dá)-30.55 mm），根據(jù)圖紙及設(shè)計院地面地形與高程測量報告顯示，沉降區(qū)段地面存在淤泥堆放場，面積約為1萬m2，該處堆土至2010年年底為止無變化。隧道上行線對應(yīng)地面新增堆土，主要為市政道路垃圾堆積。

5.2 自動化實(shí)時監(jiān)測范圍

本次監(jiān)測范圍為上行線ZDK 2 1+5 3 5—21+680、下行YDK21+540—21+685，約150 m。該區(qū)間上、下行線各設(shè)置6個監(jiān)測點(diǎn)，共計12個，2個基準(zhǔn)點(diǎn)。布點(diǎn)詳細(xì)情況如圖3。

圖3 監(jiān)測布點(diǎn)圖

5.3 自動化實(shí)時監(jiān)測項(xiàng)目、精度、頻率、周期

根據(jù)區(qū)間隧道異常區(qū)段結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)，建議對道床結(jié)構(gòu)或隧道側(cè)壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時自動化監(jiān)測。自動化實(shí)時監(jiān)測項(xiàng)目、精度、頻率及周期要求見表1。

表1 自動化實(shí)時監(jiān)測項(xiàng)目、精度、頻率及周期

5.4 實(shí)時監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)

具體控制指標(biāo)由設(shè)計單位、運(yùn)營單位綜合研究確定。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，參考指標(biāo)如下：變形沉降控制值指標(biāo)±5 mm，相臨監(jiān)測點(diǎn)的沉降差不超過4 mm，日變形量不超過2 mm。監(jiān)測警戒指標(biāo)分為3級，分別為預(yù)警值、報警值、控制值，預(yù)警值取控制值的70%，報警值取控制值的80%。

5.5 信息化監(jiān)測及成果反饋

本工程采用自動化實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，同時結(jié)合軟件及人工對監(jiān)測信息的綜合分析、判斷，將監(jiān)測成果及時準(zhǔn)確反饋給設(shè)計、施工、監(jiān)理、建設(shè)管理、運(yùn)營管理等各單位，根據(jù)監(jiān)測情況可及時進(jìn)行決策，采取相應(yīng)的施工措施、運(yùn)營維修、養(yǎng)護(hù)措施或必要管理措施，以保障區(qū)間隧道的運(yùn)營安全。

6 結(jié)束語

在運(yùn)營隧道自動化監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，將GIS技術(shù)應(yīng)用于隧道自動化監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域，利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集、自動預(yù)警。監(jiān)測數(shù)據(jù)與測點(diǎn)空間位置相結(jié)合，可以直觀地掌握監(jiān)測情況，出現(xiàn)超限報警時能夠及時采取相應(yīng)的控制措施。系統(tǒng)優(yōu)化了監(jiān)測單位的監(jiān)測模式，提高了生產(chǎn)效率，降低了人力成本。該系統(tǒng)自動化程度高、監(jiān)測精度高、傳輸穩(wěn)定性強(qiáng)，不僅能運(yùn)用于城市軌道交通運(yùn)營隧道監(jiān)測，在市政設(shè)施、地質(zhì)災(zāi)害、大壩等監(jiān)測領(lǐng)域，都具有一定的應(yīng)用價值及推廣意義。

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