顏永逸， 翁 順， 李鵬輝， 朱宏平， 曾鐵梅， 陳世杰， 溫凱倫

(1. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2. 武漢地鐵集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430030)

城市軌道交通作為一種速度快、運(yùn)量大的公共交通系統(tǒng)，為緩解大城市地上交通擁堵、運(yùn)載能力不足等問(wèn)題提供了有效的解決方法[1]。地質(zhì)條件、列車運(yùn)營(yíng)、地面建筑物施工、地下隧道結(jié)構(gòu)自身負(fù)荷等因素使軌道交通地下結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)會(huì)發(fā)生過(guò)大沉降、變形、裂縫、滲漏水等病害，如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施，很可能威脅軌道交通地下結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全，給公眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成損失[2～5]。

傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)方式存在著效率低、工序復(fù)雜、人工費(fèi)貴、不及時(shí)、時(shí)間難控制等諸多問(wèn)題[6]。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的軌道交通地下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)與管養(yǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地、自動(dòng)地傳輸至監(jiān)測(cè)平臺(tái)，并結(jié)合WebGIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化管理。它能實(shí)時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的沉降、變形、及受力狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)定閾值進(jìn)行預(yù)警；同時(shí)利用Jess專家系統(tǒng)構(gòu)建了軌道交通地下結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)與維修技術(shù)措施相應(yīng)的知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、規(guī)則庫(kù)，綜合監(jiān)測(cè)結(jié)果和結(jié)構(gòu)性能變化趨勢(shì)，給出日常養(yǎng)護(hù)建議，能有效地確保軌道交通地下結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象及內(nèi)容

本系統(tǒng)以武漢市軌道交通三號(hào)線工程王家灣至宗關(guān)區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱王宗區(qū)間)跨江段作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，監(jiān)測(cè)區(qū)間選取該工程跨江段右線空推段，里程起自右DK11+157至右DK11+369，并往兩邊稍微延伸。由于該段同時(shí)覆蓋暗挖段-空推段、空推段-盾構(gòu)段兩處交界面，成孔工法覆蓋全，同時(shí)該監(jiān)測(cè)區(qū)間處于跨江段內(nèi)，其在運(yùn)營(yíng)期的病害情況相對(duì)突出，具有很特殊的工程意義和代表性。

根據(jù)GB 50911-2013《軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》及監(jiān)測(cè)區(qū)間的具體情況，將隧道結(jié)構(gòu)的沉降、軌道沉降、管片的加速度響應(yīng)以及管片接縫處的應(yīng)變作為監(jiān)測(cè)內(nèi)容。由于管片剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變形縫的剛度，可以通過(guò)傾角的變化計(jì)算管片的相對(duì)位移差異和沉降差異，所以加入傾角傳感器用來(lái)觀測(cè)隧道結(jié)構(gòu)管片在垂直兩個(gè)方向的雙軸傾斜角度。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

為了滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期的、自動(dòng)的、遠(yuǎn)程的采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為四個(gè)層次：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)與應(yīng)用層及用戶界面層，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集層按照預(yù)定的頻率采集各個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸層利用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)公用無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)與應(yīng)用層。該層部署了軌道交通地下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)與管養(yǎng)系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)軟件采用基于B/S架構(gòu)的Web技術(shù)，即瀏覽器、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成的架構(gòu)模式。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆搶雍蟠鎯?chǔ)于中心數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，用戶可以通過(guò)內(nèi)網(wǎng)或者外網(wǎng)的方式使用瀏覽器訪問(wèn)系統(tǒng)軟件。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.3 數(shù)據(jù)采集層

1.3.1TM50全站儀

沉降監(jiān)測(cè)設(shè)備采用徠卡TM50全自動(dòng)全站儀，采用其官方的GeoMos軟件進(jìn)行控制和采集。測(cè)點(diǎn)的布置一方面考慮周邊建筑和道路的分布(在周邊大型建筑物或密集建筑物的隧道區(qū)間段加密分布)，另一方面考慮在隧道結(jié)構(gòu)中棱鏡分布相互遮擋的影響，隧道監(jiān)測(cè)區(qū)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)會(huì)造成遠(yuǎn)處的棱鏡之間的視角過(guò)小而無(wú)法分辨。因此，將總監(jiān)測(cè)距離設(shè)置在300 m左右，斷面間距為20 m，如圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)斷面分布

每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置5個(gè)監(jiān)測(cè)棱鏡，總共分布15個(gè)斷面，共70個(gè)監(jiān)測(cè)棱鏡。其中斷面拱頂布一個(gè)棱鏡用來(lái)監(jiān)測(cè)拱頂?shù)某两?，兩腰各布一個(gè)用來(lái)監(jiān)測(cè)內(nèi)徑水平的收縮變形，軌道的兩側(cè)各一個(gè)棱鏡用來(lái)監(jiān)測(cè)軌道的隆起，斷面中棱鏡的分布如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)斷面棱鏡布置

監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)選擇在靠近車站附近的沉降較小的區(qū)域，控制點(diǎn)坐標(biāo)依據(jù)車站內(nèi)控制點(diǎn)坐標(biāo)更新。全站儀的位置設(shè)在第6和第7監(jiān)測(cè)斷面之間，一方面可以更好地照射到控制點(diǎn)，以方便計(jì)算其沉降變形。另一方面可以保證全站儀左右需要監(jiān)測(cè)的斷面比較均勻。測(cè)站處的全站儀安裝示意圖如圖4所示，控制點(diǎn)棱鏡其安裝示意圖如圖5所示。

圖4 全站儀安裝圖5 控制點(diǎn)棱鏡安裝

1.3.2傾角傳感器

傾角傳感器采用JMQJ-7330X型傳感器，傳感器的測(cè)量范圍為±30°，分辨率為0.008°，精度可達(dá)到0.1%，滿足監(jiān)測(cè)要求。傾角傳感器的分布在王宗區(qū)間起點(diǎn)設(shè)計(jì)里程附近，從里程號(hào)右DK11+157向后100 m開始，每個(gè)傾角傳感器監(jiān)測(cè)斷面分布2個(gè)傾角傳感器，布置在距離底面1.0，1.7 m高的兩個(gè)位置，總共16個(gè)斷面，共設(shè)置傾角傳感器32個(gè)，斷面間距為2個(gè)管片的間距，斷面分布如圖6所示。

圖6 傾角、加速度及應(yīng)變傳感器分布

傾角傳感器的采集軟件為自編軟件，按照設(shè)備商提供的指令碼，在Visual Studio 2013 環(huán)境上利用C#語(yǔ)言編寫，其能夠控制全部傳感器的采集起始時(shí)間和頻率，并自動(dòng)返回監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.3.3加速度及應(yīng)變傳感器

加速度和應(yīng)變傳感器的分布同樣如圖6所示，在空推段區(qū)間總共布設(shè)3個(gè)斷面組，每個(gè)斷面組內(nèi)間隔分布4個(gè)加速度傳感器和4個(gè)應(yīng)變傳感器，其中加速度傳感器設(shè)置在管片的中間，應(yīng)變傳感器設(shè)置在管片的接縫處。

管片的加速度響應(yīng)及管片接縫處的應(yīng)變監(jiān)測(cè)采用歐美大地儀器設(shè)備公司生產(chǎn)的BDI專利技術(shù)智能傳感器。加速度傳感器的量程為±2g，靈敏度為1000 mv/g，響應(yīng)頻率為0～400 Hz，應(yīng)變傳感器的應(yīng)變范圍為-2000～+2000 με，加速度傳感器及應(yīng)變傳感器安裝分別如圖7，8所示。

圖7 加速度傳感器安裝圖8 應(yīng)變傳感器安裝

對(duì)隧道結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的監(jiān)測(cè)是為了獲取列車經(jīng)過(guò)時(shí)管片結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。接縫處的應(yīng)變監(jiān)測(cè)可以獲取管片之間應(yīng)變隨時(shí)間變化的關(guān)系，用以后續(xù)分析和評(píng)估監(jiān)測(cè)區(qū)間段內(nèi)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。為了更好地適應(yīng)傳感器硬件，采集軟件在官方軟件的基礎(chǔ)上，采用LabVIEW自主開發(fā)，能夠控制采集的起止時(shí)間和采樣頻率，并自行存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，軟件界面如圖9所示。

圖9 加速度及應(yīng)變采集軟件界面

1.4 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層結(jié)合實(shí)際傳感器和采樣頻率的情況采用了兩種方式。(1)全站儀和傾角傳感器由于其數(shù)據(jù)量較少，且采樣頻率不高，因此經(jīng)傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到采集儀后，通過(guò)綁定的對(duì)應(yīng)無(wú)線模塊獨(dú)立地發(fā)送到中心數(shù)據(jù)庫(kù)。(2)加速度及應(yīng)變傳感器由于采樣頻率高，數(shù)據(jù)量大，且在現(xiàn)場(chǎng)為無(wú)線局域網(wǎng)采集方式，因此，在現(xiàn)場(chǎng)安放了一臺(tái)移動(dòng)服務(wù)器來(lái)接發(fā)并臨時(shí)存儲(chǔ)無(wú)線采集基站的數(shù)據(jù)。然后通過(guò)與移動(dòng)服務(wù)器連接的高速無(wú)線網(wǎng)卡轉(zhuǎn)發(fā)到中心數(shù)據(jù)庫(kù)，以保證數(shù)據(jù)的可靠和完整性。

1.5 監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)與應(yīng)用層

監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)與應(yīng)用層主要由兩個(gè)部分組成：軌道交通地下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)與管養(yǎng)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng))和中心數(shù)據(jù)庫(kù)。中心數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)接收和存儲(chǔ)各個(gè)傳感器發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)，也包含一些工程相關(guān)的資料與文本數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用基于B/S架構(gòu)的Web技術(shù)，即瀏覽器、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成的架構(gòu)模式[7]，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸后存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，用戶可通過(guò)內(nèi)網(wǎng)或外網(wǎng)使用瀏覽器訪問(wèn)系統(tǒng)軟件。

系統(tǒng)利用Java語(yǔ)言編寫后臺(tái)，按照功能分為監(jiān)測(cè)部分和管養(yǎng)部分。監(jiān)測(cè)部分通過(guò)讀取和調(diào)用中心數(shù)據(jù)庫(kù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算和分析。一方面將數(shù)據(jù)繪制成曲線與表格在前臺(tái)頁(yè)面中顯示，前臺(tái)頁(yè)面結(jié)合百度地圖的開放API(Application Programming Interface)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的地理信息結(jié)合的可視化管理；另一方面按照預(yù)定監(jiān)測(cè)閾值，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大于設(shè)定的閾值時(shí)還可以發(fā)出預(yù)警信息。地鐵參與各方都能夠通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)地訪問(wèn)系統(tǒng)，進(jìn)而獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況，決定下一步的措施，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形的動(dòng)態(tài)控制。部分界面如圖10～12所示。

圖10 系統(tǒng)主界面

圖11 沉降曲線繪制界面

圖12 沉降數(shù)據(jù)表格顯示界面

管養(yǎng)部分由Jess語(yǔ)言開發(fā)，是一種用于開發(fā)專家系統(tǒng)的語(yǔ)言[8]。Jess采用高效的Rete算法實(shí)現(xiàn)了基于規(guī)則的高效推理，即通過(guò)限定規(guī)則前件的條件，對(duì)前件條件進(jìn)行匹配，從而激活后件的推理模式。Jess的核心部分由事實(shí)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、推理機(jī)三部分組成[9]。

本系統(tǒng)依據(jù)相關(guān)城市軌道交通養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范，總結(jié)了裂縫、滲漏水、結(jié)構(gòu)缺損、結(jié)構(gòu)露筋等地鐵隧道結(jié)構(gòu)病害的管養(yǎng)維修措施，并將這些管養(yǎng)維修措施形成規(guī)則前件≥規(guī)則后件的產(chǎn)生式規(guī)則模式。最后通過(guò)Jess語(yǔ)言將這些產(chǎn)生式規(guī)則構(gòu)建為推理引擎的事實(shí)庫(kù)與規(guī)則庫(kù)，形成管養(yǎng)智能決策的知識(shí)庫(kù)模塊，供推理機(jī)推理匹配。系統(tǒng)界面如圖13所示。

圖13 管養(yǎng)智能決策界面

管養(yǎng)巡檢人員將巡檢記錄的病害信息包括病害類型、病害發(fā)生的位置、病害的具體情況通過(guò)人機(jī)界面發(fā)送到專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)過(guò)規(guī)則解釋器后，轉(zhuǎn)換為專家系統(tǒng)能夠識(shí)別的專家系統(tǒng)語(yǔ)言[10]。推理機(jī)按照匹配規(guī)則將病害信息與管養(yǎng)知識(shí)庫(kù)中事實(shí)進(jìn)行匹配，推理出病害的管養(yǎng)維修措施呈現(xiàn)給用戶。具體流程如圖14所示。

圖14 專家系統(tǒng)管養(yǎng)智能決策功能模塊架構(gòu)

在知識(shí)擴(kuò)充模塊中，由規(guī)則解釋器負(fù)責(zé)對(duì)管養(yǎng)專家輸入的病害管養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行解釋，轉(zhuǎn)換為專家系統(tǒng)能夠識(shí)別的語(yǔ)言添加到專家知識(shí)庫(kù)。然后通過(guò)調(diào)用知識(shí)存儲(chǔ)模塊將更新信息存入到知識(shí)存儲(chǔ)模塊中的持久化數(shù)據(jù)庫(kù)中，系統(tǒng)界面如圖15所示。

圖15 經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)擴(kuò)充界面

1.6 監(jiān)測(cè)頻率

各傳感器的采集頻率如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)頻率

2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)成果及分析

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2016年8月13日開始對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，截止目前系統(tǒng)運(yùn)行正常，獲取了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖16列舉了斷面2～4中拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)棱鏡連續(xù)18 d的監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖16可知，斷面3和4的監(jiān)測(cè)結(jié)果很穩(wěn)定，斷面2的結(jié)果出現(xiàn)波動(dòng)，但是都在限值以內(nèi)。斷面拱頂?shù)谋O(jiān)測(cè)結(jié)果表明監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)的拱頂沒(méi)有發(fā)生較大位移或沉降，結(jié)構(gòu)狀態(tài)正常，與實(shí)際工程和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件相符。

圖16 拱頂沉降觀測(cè)結(jié)果

圖17，18為9月13日加速度及應(yīng)變時(shí)程曲線，由圖可知，隧道結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)和管片之間的應(yīng)變?cè)?∶30開始監(jiān)測(cè)，初期數(shù)據(jù)無(wú)明顯波動(dòng)，在經(jīng)歷了4000 s的監(jiān)測(cè)時(shí)間后，開始呈現(xiàn)周期性波動(dòng)。經(jīng)過(guò)調(diào)查，第一班列車的發(fā)車時(shí)間約為6∶30，經(jīng)過(guò)此監(jiān)測(cè)區(qū)間段的時(shí)間正好為波動(dòng)開始的時(shí)間，另外波動(dòng)的周期剛好與列車班次間隔相符合。因此，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果客觀有效地反映了列車運(yùn)行時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和應(yīng)變狀態(tài)。

圖19反映了隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的變化，01和02通道傳感器所在管片在垂直方向和縱向方向的傾角變化。結(jié)果表明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有輕微波動(dòng)，總體呈現(xiàn)較穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明監(jiān)測(cè)區(qū)間段的隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生明顯變化。

圖17 9月13日5∶30—10∶00加速度時(shí)程曲線

圖18 9月13日5∶30—10∶00應(yīng)變時(shí)程曲線

圖19 部分傾角傳感器觀測(cè)結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了軌道交通地下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)與管養(yǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行良好，為軌道交通地下結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別、安全評(píng)估的研究提供了大量寶貴的數(shù)據(jù)。同時(shí)通過(guò)Jess專家系統(tǒng)外殼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)既有運(yùn)營(yíng)線路管理養(yǎng)護(hù)信息的集成、共享和智能決策。并采用基于B/S架構(gòu)的Web技術(shù)，借助成熟的Java Web系列語(yǔ)言，形成了界面美觀、功能豐富、交互性強(qiáng)的集成系統(tǒng)軟件。

(2)系統(tǒng)在武漢市軌道交通三號(hào)線工程跨江段上的成功應(yīng)用，有效地解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)問(wèn)題。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)準(zhǔn)確地獲取了既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的沉降、應(yīng)力應(yīng)變以及振動(dòng)響應(yīng)等信息，為分析和評(píng)估區(qū)間段的安全狀態(tài)提供了有效的數(shù)據(jù)和依據(jù)，發(fā)揮了重要作用。

(3)系統(tǒng)在武漢市軌道交通三號(hào)線工程跨江段的應(yīng)用，證明了軌道交通地下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)與管養(yǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和有效性，為線路的安全運(yùn)營(yíng)做出貢獻(xiàn)，可在其他同類工程中得到應(yīng)用。