田玉冬 王廣勛 高建洪

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城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)集成技術研究

田玉冬 王廣勛 高建洪

摘 要：城市軌道交通地下安全檢測是軌道交通安全工程領域的一個重要研究方向，是一個研究難點。針對這一問題，文章分析了我國城市軌道交通地下安全檢測的現(xiàn)有狀況，提出了城市軌道交通地下安全檢測的總體設計及其系統(tǒng)集成，并就系統(tǒng)集成的功能和技術特點進行了闡述。

關鍵詞：城市軌道交通；地下工程；安全檢測系統(tǒng)；集成技術

田玉冬：蘇州科技學院，教授，江蘇蘇州215009

進入21世紀，隨著基礎建設步伐的不斷加快，我國城市軌道交通得到了大力發(fā)展。在不斷增長的城市大客流量面前，城市軌道交通在推動城市發(fā)展的同時，也對環(huán)境和建筑產(chǎn)生了一定的影響，這給城市生態(tài)環(huán)境和人們的安全帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。目前，不少地區(qū)城市軌道交通地下建筑安全問題和地面沉降、地質(zhì)裂縫、地洞等地質(zhì)災害及其次生問題不斷發(fā)生，因此，城市軌道交通地下安全檢測已成為軌道交通安全工程領域的一個重要研究方向，對城市軌道交通地下工程建筑安全檢測等新問題和新技術進行深入研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1　地下安全檢測狀況

從結構上，城市軌道交通地下工程建筑主要由地鐵車站和地鐵隧道組成，屬于典型的坑道節(jié)點式構造。根據(jù)城市軌道交通、地下鐵道工程和鐵路隧道工程方面的國家標準，城市軌道交通地下工程建筑結構的設計使用年限應為100年。其安全要求包括結構強度、結構功能和結構可修復等3個方面。

城市軌道交通地下安全檢測是通過測量和巡查，對地下工程建筑的主要參數(shù)進行監(jiān)控，經(jīng)過評價指標分析進行安全等級評判。其目標是通過測量評價城市軌道交通地下工程建筑結構安全滿足上述既定的要求。目前，城市軌道交通地下安全檢測，除了傳統(tǒng)的定期關鍵點巡查和測量外，大部分都安裝有消防管理、防水管理、防盜報警、遠程通話和視頻監(jiān)控裝置，但是這些裝置自成一體，相互獨立，不能相互關聯(lián)。如果能夠將這些分立的裝置進行整合，信息綜合，實現(xiàn)系統(tǒng)集成，將大大提高其有效性，為城市軌道交通地下安全檢測提供保障。

2　地下安全檢測系統(tǒng)設計

本城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)設計將以軟件分層結構完成分立裝置系統(tǒng)集成的總體設計。

2.1系統(tǒng)設計要求

本城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)設計主要實現(xiàn)集控站、信息中心和應急指揮對軌道交通地下安全檢測范圍內(nèi)的消防管理、防水管理、防盜報警、遠程通話和視頻監(jiān)控裝置的系統(tǒng)集成，以完成集控站、信息中心和應急指揮能在一個平臺上集中管理，能用 WEB 方式對各類報警、語音、視頻等信息進行調(diào)閱、查詢和調(diào)度，能用通用中間件方式與上級管理系統(tǒng)實現(xiàn)安保與應急等信息的雙向通信。

2.2系統(tǒng)設計結構和原理

本城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)設計在結構上是以監(jiān)控網(wǎng)絡和計算機網(wǎng)絡為基礎，采用IT軟件作為管理平臺，分層次劃分，底層連接各個檢測裝置，自下而上通過通信服務，支撐中間層，最終到上層，便于上級管理。具體3層結構模型如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設計結構模型

其原理是，通過底層，即硬件抽象層，為不同的硬件設備或檢測裝置提供統(tǒng)一的接口和標準，以便系統(tǒng)管理、配置和檢索所有的硬件設備或檢測裝置；通過中間層，即基礎服務層，借助地理信息系統(tǒng) GPS 可視化圖形界面，以視頻監(jiān)控為核心，連接各個分立裝置建立消防管理、防水管理、防盜報警、遠程通話和視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)，完成統(tǒng)一的信息匹配；通過上層，即應用業(yè)務層，面向事件的集控站、信息中心和應急指揮，實現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)共享和操作，完成決策建議和分析。

3　地下安全檢測系統(tǒng)集成

隨著計算機技術、通信技術、控制技術和微電子技術的飛速發(fā)展，采用開放式接口協(xié)議，將城市軌道交通地下安全檢測的消防管理、防水管理、防盜報警、遠程通話和視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)，按照我國城市軌道交通技術規(guī)定，組網(wǎng)后經(jīng)軟硬件數(shù)據(jù)交換，連接到集控站、信息中心和應急指揮等終端。其系統(tǒng)集成軟硬件結構如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)集成軟硬件結構

3.1消防管理子系統(tǒng)集成

現(xiàn)有城市軌道交通中的消防管理是一個獨立的安防報警信號與通信系統(tǒng)，采用串行和區(qū)域網(wǎng)覆蓋。按照城市軌道交通消防管理國家標準，為不破壞其專用消防管理通道，其子系統(tǒng)集成主要通過標準的232/485和控制器局域網(wǎng) CAN（Controller Area Network）總線轉換因特網(wǎng) IP（Internet Protocol）方式完成第三方通信，因此，通過聯(lián)網(wǎng)消防管理主機和 IP 聯(lián)網(wǎng)模塊完成消防設備的全覆蓋。集成后的安全檢測系統(tǒng)不僅實現(xiàn)聲光電傳感、報警的聯(lián)動，而且實現(xiàn)報警定位和可視化的電子地圖關聯(lián)，完成圖像跟蹤、報警處理和記錄存儲等。

3.2防水管理子系統(tǒng)集成

在城市軌道交通中，現(xiàn)有的防水管理主要是通過布控關鍵點的水壓頭等傳感信號、監(jiān)控主機和人工定期巡查方式完成報表。為保證通信技術的標準化，此處建立防水管理子系統(tǒng)網(wǎng)絡通信 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），將各個分散的水壓頭、水壓傳感器、人工警示開關等防水設備和主機通過標準的串行422/485和 CAN 總線聯(lián)網(wǎng)，再通過 IP 聯(lián)網(wǎng)集成安全檢測系統(tǒng)聯(lián)動的防水管理子系統(tǒng)。這樣將離散的人工定期巡查方式改造為在線的人工警示開關和人工安全等級按鈕，實現(xiàn)實時監(jiān)控和人工定期巡查方式聯(lián)動，主機、服務器通過系統(tǒng)網(wǎng)絡完成檢測、監(jiān)控、定位和管理。

3.3防盜報警子系統(tǒng)集成

目前，城市軌道交通中的重要外圍設備主要包括電導線、周界電網(wǎng)和控制器及聲光報警器等，通過開關量信號連接報警主機，完成防盜報警任務。此處增設 IP 聯(lián)網(wǎng)模塊連接各個防盜報警設備，主機則采用 IP2000或其他通信模塊與以太網(wǎng)相連，同時與上級安全檢測系統(tǒng)采用用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議 UDP（User Datagram Protocol）通信，以增強系統(tǒng)的通信速度。聯(lián)網(wǎng)集成后的防盜報警子系統(tǒng)能實現(xiàn)區(qū)域劃分、網(wǎng)絡防控、電子地圖定位和報警記錄等。

3.4遠程通話子系統(tǒng)集成

城市軌道交通中的遠程通話來源于鐵路和地鐵的喊話系統(tǒng)，現(xiàn)在則采用公共交換電話網(wǎng)絡 PSTN（Public Switched Telephone Network）和干線網(wǎng)絡 TN（TrunkNetwork）完成雙向語音通話。根據(jù)城市軌道交通技術標準和設計規(guī)范的要求，安全檢測系統(tǒng)僅需要將遠程通話設備通過雙向語音交換站和數(shù)據(jù)交換的信息網(wǎng)連接，并與上級安全檢測系統(tǒng)統(tǒng)一，即可完成遠程通話子系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)集成，實現(xiàn)遠程通話子系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮、調(diào)度、控制和管理，逐步向雙向語音圖像通信升級。

3.5視頻監(jiān)控子系統(tǒng)集成

當前城市軌道交通數(shù)字化視頻監(jiān)控是安全檢測的主要發(fā)展方向，主要采用攝像頭、電荷耦合元件 CCD （Charge Coupled Device）、云臺、錄像機、控制器和主機及流媒體服務器，將視頻信號連接到計算機局域網(wǎng)絡，通過 IP 分配地址，由代理服務模塊和軟件開發(fā)工具 SDK（Software Development Kit），完成視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)城市軌道交通技術標準的要求，安全檢測系統(tǒng)在軟硬件技術方面不僅需要具備完善的功能，更主要的是需要完成圖像處理功能，因此其子系統(tǒng)集成通過ActiveX 軟件系統(tǒng)控件連接上級安全檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)實時管理。

4　地下安全檢測系統(tǒng)功能及特點

4.1系統(tǒng)功能

根據(jù)城市軌道交通技術標準和設計規(guī)范的要求，城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)集成后需要具備以下完善的功能。

（1）用戶管理。具備集中統(tǒng)一的用戶管理功能，包括注冊管理和權限管理。應根據(jù)注冊用戶的權限，開放不同的功能。使用權限級別至少具有系統(tǒng)管理級、運營操作級和瀏覽級?？刂萍墑e手動應高于自動。

（2）文件報表。具備文件和報表管理、生成和打印功能。系統(tǒng)報表應有報警報表、時間報表、數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表、各種日志報表等。被授權的用戶方可定制報表及其格式。

（3）操作記錄。具備對各類操作記錄、事件、報警、日志、歷史數(shù)據(jù)和文件進行記錄、保存和歸檔功能。

（4）數(shù)據(jù)管理。具備歷史數(shù)據(jù)管理功能，并能對歷史數(shù)據(jù)記錄進行處理、分析、統(tǒng)計和存檔。

（5）配置組態(tài)。具備應用配置組態(tài)功能。配置組態(tài)工具能實現(xiàn)用戶所需功能，且組態(tài)可在在線、離線進行。

（6）網(wǎng)絡管理。具備網(wǎng)絡和通信管理功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡管理、配置管理、網(wǎng)絡監(jiān)控、故障報告、性能管理、安全管理、事件記錄、參數(shù)調(diào)整、創(chuàng)建、編輯和刪除數(shù)據(jù)庫等操作。

（7）維護管理。具備檢測系統(tǒng)設備維護管理功能，實現(xiàn)檢測設備運行監(jiān)控和維修、維護工作的管理。

（8）培訓管理。具備培訓管理系統(tǒng)功能，實現(xiàn)系統(tǒng)運行管理、操作、日常維護、故障排除等業(yè)務的培訓。培訓管理系統(tǒng)可以在線和離線運行，且具有相同的人機界面及其功能。

（9）備份恢復。具備系統(tǒng)備份和恢復功能。

4.2技術特點

城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)的設計思想是以計算機網(wǎng)絡和電子信息為核心，構成實時檢測和監(jiān)控，具有如下技術特點。

（1）網(wǎng)絡化。在一個城市，一般都存在多條軌道交通線路，這就要求把不同的線路資源進行網(wǎng)絡化處理。從單線路的安全檢測系統(tǒng)向路網(wǎng)級安全檢測系統(tǒng)發(fā)展，是網(wǎng)絡化發(fā)展的必然趨勢。對于城市軌道交通地下安全檢測，可以采用線路、車站、車輛為層次單元，組成相對完善的網(wǎng)絡結構，同時具備強大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠更好地滿足和適應軌道交通網(wǎng)絡在不同層面上的需求。

（2）模塊化。由于嵌入式器件的整體功能和計算機軟硬件技術越來越強大，城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)各個裝置、設備的模塊化設計、組裝、調(diào)試和維護技術已經(jīng)非常完善，技術人員通過專業(yè)學習可以快速掌握和應用。在城市軌道交通地下安全檢測現(xiàn)場應用中，各級子系統(tǒng)大量采用嵌入式系統(tǒng)、數(shù)字交換和計算機網(wǎng)絡通信完成模塊化功能的實現(xiàn)。

（3）標準化。城市軌道交通地下安全檢測進一步的發(fā)展，必然是高度標準化。對于日益復雜的城市軌道交通，從橫向上考慮，隨著城市軌道交通建設規(guī)模的擴大和發(fā)展，各個子系統(tǒng)數(shù)量不斷增加，遍布所有城市軌道交通；從縱向上考慮，各子系統(tǒng)都有向下層深入的趨勢。各種設備種類復雜繁多，因此通過標準化，多子系統(tǒng)構成的安全檢測系統(tǒng)不僅能夠實現(xiàn)車站級集成，還能夠實現(xiàn)現(xiàn)場級集成，甚至直接到各檢測傳感器上。

5　結束語

建設準確實時高效的城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)有助于節(jié)約資源，促進生態(tài)文明發(fā)展。城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)集成技術反映了城市軌道交通信號、系統(tǒng)和集成的特性。本文在分析城市軌道交通地下安全檢測現(xiàn)狀的基礎上，建立了網(wǎng)絡化、模塊化和標準化的城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)集成模型，詳細研究了其安全檢測系統(tǒng)集成的設計思想、基本原理、功能實現(xiàn)和技術特點，對進一步技術開發(fā)和系統(tǒng)優(yōu)化提供了基礎。

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責任編輯 朱開明

Study on Integration Technology of Underground Safety Inspection System for Transit

Tian Yudong, Wang Guangxun, Gao Jianhong

Abstract:The urban rail transit underground safety inspection is an important study trend in the urban transit safety engineering fi eld, and it is a tough problem. To solve the problem, the paper makes an analysis on the present situation of the urban rail transit underground safety inspection in China, puts forward the overall design of urban rail transit safety inspection and system integration, and analyzes the system integration and technical characteristics.

Keywords:urban rail transit, underground engineering, safety inspection system, integration technology

中圖分類號：U239.5

基金項目：建設部2013年科學技術項目計劃（2013K534）

收稿日期2015-07-24