陳虹宇 吳賢國 張浩蔚 吳霽鋒 翁 順

（1.新加坡南洋理工大學土木工程與環(huán)境學院，639798，新加坡；2.華中科技大學土木工程與力學學院，430074，武漢；3.武漢匯科質(zhì)量檢測有限公司，430070，武漢；4.武漢中城實業(yè)開發(fā)有限公司，430040，武漢∥第一作者，博士研究生）

近年來，大城市的地下軌道交通得到了高速的發(fā)展。但由于受周邊環(huán)境、自身負荷、列車運營等方面的影響，其在運營周期內(nèi)將會發(fā)生各種病害。這些病害如果不及時發(fā)現(xiàn)并進行評估與維修，將可能威脅公眾的生命財產(chǎn)安全。因此，研發(fā)一套具有監(jiān)測和評估功能的軌道交通地下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)，具有重要的實用價值。

文獻［1］于2011 年根據(jù)南京長江公路隧道的監(jiān)測需要，開發(fā)了一套大型盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。文獻［2］于2014 年對南京市緯三路過江盾構(gòu)隧道進行了運營期的監(jiān)測，開發(fā)了一套具備預警功能的監(jiān)測系統(tǒng)。文獻［3］針對穿越工程影響下的既有地鐵隧道，構(gòu)建了地鐵時空一體化精密監(jiān)測系統(tǒng)。英國伯明翰大學的研究人員將一種光纖光柵（FBG）傳感器應(yīng)用在隧道襯砌及接縫的變形監(jiān)測中［4］。韓國在高鐵隧道中設(shè)計并安裝了長期健康監(jiān)測系統(tǒng)， 以此對隧道的安全性狀況進行評價［5-6］。文獻［7］以青島膠州灣海底隧道為工程實例，將三維激光掃描技術(shù)運用于隧道工程安全監(jiān)測中。文獻［8-9］將三維激光掃描技術(shù)運用到盾構(gòu)隧道的運營期監(jiān)測中。文獻［10］提出了使用三維激光掃描技術(shù)對隧道結(jié)構(gòu)進行收斂變形監(jiān)測。從目前的研究情況看，基于物聯(lián)網(wǎng)的運營隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究還比較缺乏。

本研究建立由全自動全站儀、傾角傳感器、三維激光掃描儀組成的三維全景監(jiān)測技術(shù)的運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測模塊，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建評估模塊以及管養(yǎng)決策模塊，采用MVC（模型視圖控制）以及Struts 框架等相關(guān)Web 框架搭建技術(shù)，完成了軟件平臺的框架搭建，并將監(jiān)測模塊、評估模塊、管養(yǎng)決策功能模塊集成至軟件平臺的框架中，構(gòu)建了基于WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）的監(jiān)測系統(tǒng)，為實現(xiàn)運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的智能化分析與決策提供有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與知識支持。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

本研究構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、監(jiān)測中心應(yīng)用管理子系統(tǒng)等。本研究選擇武漢地鐵3 號線王家灣至宗關(guān)區(qū)間跨江段下行線（右線）作為監(jiān)測對象，監(jiān)測區(qū)段全長約300 m，全為盾構(gòu)隧道，采用的施工方法為礦山法開挖、初支襯砌，盾構(gòu)機拼裝管片通過。

1.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

考慮到該監(jiān)測段的特點，參考相關(guān)文獻，本項目采用的監(jiān)測儀器有：遠程自動全站儀、加速度傳感器、應(yīng)變儀、傾角傳感器和三維激光掃描儀等。

地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)主要負責將地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、匯集和傳輸。本研究構(gòu)建了基于WSN 的監(jiān)測系統(tǒng)，可以為實現(xiàn)運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的智能化分析與決策提供有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與知識支持，其包括3 個部分：實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的傳感器節(jié)點部分，實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚功能的匯聚節(jié)點部分，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和分析處理的監(jiān)控中心部分。

1.2 監(jiān)測中心應(yīng)用管理子系統(tǒng)

1.2.1 監(jiān)測中心應(yīng)用管理功能模塊的搭建

本研究開發(fā)的運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺采用的是基于B/S（瀏覽器/服務(wù)器）的Web 模式架構(gòu)，即把軟件平臺的本體部署于云端服務(wù)器，用戶通過瀏覽器向部署在云端服務(wù)器上的軟件發(fā)出請求，軟件對瀏覽器的請求進行處理后，再將用戶處理后的結(jié)果信息返回至瀏覽器中。

因而在進行軟件開發(fā)時，既使用了JavaScript直譯式腳本語言實現(xiàn)瀏覽器端的軟件平臺界面顯示，又使用了Java 的計算機編程語言來完成瀏覽器傳回的請求處理。但由于兩者是不同的編程體系，所以在開發(fā)過程中需要搭建相應(yīng)的框架來建立二者之間的連接關(guān)系。

本研究的框架搭建使用的是基于MVC 標準的Struts 技術(shù)。即把實現(xiàn)瀏覽器端界面顯示的JavaScript 程序放在框架的View 層，把進行請求處理與邏輯業(yè)務(wù)的Java 程序放在框架的Model 層，然后在項目文件中創(chuàng)建struts-config.xml 文件；strutsconfig.xml 文件中將編寫每個JavaScript 程序和與之對應(yīng)的Java 程序之間的連接關(guān)系，配置好連接關(guān)系的struts-config.xml 文件即作為框架的Control層。

本軟件平臺框架如圖1 所示。完成框架搭建并集成后的“運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)”軟件平臺功能集成了監(jiān)測模塊、評估模塊、管養(yǎng)決策模塊、人工監(jiān)測的數(shù)據(jù)管理模塊等。

1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

1.2.2.1 三維激光掃描監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

基于地鐵三維全景監(jiān)測的特點與監(jiān)測后得到的數(shù)據(jù)特征，開發(fā)了能完成點云數(shù)據(jù)導入、解析、管理、計算與分析的三維激光掃描監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模塊。該功能模塊具備軌道變形計算、斷面點云數(shù)據(jù)擬合、斷面變形數(shù)據(jù)查看等3 項子功能。

1）點云數(shù)據(jù)的解析：由于使用三維激光掃描技術(shù)進行三維全景監(jiān)測后得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)為地鐵隧道空間的全息點云數(shù)據(jù)，所以功能模塊首先需要將這些點云數(shù)據(jù)進行解析，才能進行后續(xù)的數(shù)據(jù)存儲與管理、計算與分析。點云指的是在獲取物體表面每個采樣點的空間坐標后，得到的點的集合。目前，點云數(shù)據(jù)的格式有很多，比如.las、.pcd、.txt 等格式，但各種格式的點云數(shù)據(jù)中包含的數(shù)據(jù)信息均較為統(tǒng)一，一般為各點的三維坐標信息、激光反射強度和顏色信息。而本文使用的徠卡SiTrack:One 型移動式三維激光掃描儀在進行掃描監(jiān)測之后支持生成的點云格式有.las 和.txt 兩種格式。由于.txt 格式的點云數(shù)據(jù)通用性更強，而且使用Java 語言也更易對其進行解析，所以本文主要針對.txt 格式的點云數(shù)據(jù)進行功能模塊的開發(fā)。

2）Java 與Matlab 語言間數(shù)據(jù)交互與調(diào)用接口的實現(xiàn)：采用Matlab 編寫了基于最小二乘法的點云數(shù)據(jù)斷面擬合程序，為了實現(xiàn)斷面的點云數(shù)據(jù)擬合功能，將編寫的Matlab 程序集成至使用Java 語言編寫的功能模塊中，需要編寫Java 與Matlab 語言之間的調(diào)用與數(shù)據(jù)交互接口程序。

1.2.2.2 傾角傳感器原始監(jiān)測數(shù)據(jù)解析

由于傾角傳感器傳回的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)是沒有經(jīng)過解析的十六進制ACSII 碼，里面除了具有X、Y 兩個方向的傾角數(shù)據(jù)外，還包含了傳感器型號、編號及監(jiān)測時間等信息。所以從云服務(wù)器中調(diào)取傾角監(jiān)測數(shù)據(jù)后，還需要對這些原始的監(jiān)測數(shù)據(jù)按照廠商提供的編碼文檔進行解析。

1.2.2.3 BIM（建筑信息模型）可視化三維模型集成

由于研發(fā)的軟件平臺界面使用的是基于Web的JavaScript 編程語言進行開發(fā)的，而監(jiān)測數(shù)據(jù)則是保存至SQL（結(jié)構(gòu)化查詢語言）數(shù)據(jù)庫中，所以若要將BIM 可視化三維模型集成至功能模塊中，實現(xiàn)三維可視化監(jiān)測，則需要建立BIM 在JavaScript 中的導入接口。

1.2.3 主要功能模塊

1）三維激光掃描監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模塊：外業(yè)掃描得到地鐵隧道點云數(shù)據(jù)和三維激光掃描儀如圖2 所示。本研究使用自行行走式徠卡SiTrack:One 型移動式三維激光掃描儀。三維激光掃描監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模塊主要由軌道變形計算、斷面擬合以及斷面變形數(shù)據(jù)查看3 個子功能組成。其中，軌道變形計算子功能截圖如圖3 所示，用戶將SiTrack:One 激光掃描儀掃描得到的軌道點云數(shù)據(jù)導入界面的導入功能模塊中，功能模塊將對導入的軌道點云數(shù)據(jù)進行三維顯示，同時進行軌距計算并與規(guī)范要求的標準軌距進行對比。

圖1 軟件平臺框架

圖2 三維激光掃描點云圖和三維激光掃描儀

圖3 三維激光掃描軌道變形計算界面截圖

2）全站儀沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)模塊：用戶在斷面選擇面板中選擇了需要查看監(jiān)測數(shù)據(jù)的斷面里程后，程序即把對應(yīng)的三維可視化BIM 斷面模型顯示在監(jiān)測點位選擇面板中；用戶根據(jù)需要在該BIM 斷面模型中點選監(jiān)測點位后，程序?qū)闹行臄?shù)據(jù)庫中調(diào)取對應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并顯示在界面的右半部分面板中，用戶可以將調(diào)取的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行報表導出。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)多而復雜，因此該模塊還提供了按照監(jiān)測時間對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行索引的功能。

3）傾角傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)模塊：與上述的全站儀沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)模塊的功能相似，程序也將根據(jù)斷面里程以及傳感器位置從中心數(shù)據(jù)庫中調(diào)取對應(yīng)的傾角監(jiān)測數(shù)據(jù)，并繪制為時序曲線，由于一個傾角傳感器將采集兩組傾角數(shù)據(jù)（分別為X 軸方向的傾角數(shù)據(jù)和Y 軸方向的傾角數(shù)據(jù)），所以用戶可以在曲線繪制部分自行選擇只查看一個方向的曲線或者同時查看兩個方向的曲線。

4）人工監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入模塊：用戶可以將人工沉降監(jiān)測的監(jiān)測報表按照對應(yīng)的監(jiān)測區(qū)間上傳到軟件平臺中，軟件平臺即可對監(jiān)測報表中的沉降數(shù)據(jù)進行讀取、存儲，并與同監(jiān)測里程的上次監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比對，計算相對沉降，進行曲線繪制與顯示。

5）預警管理功能模塊：軟件平臺會定時從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取沉降數(shù)據(jù)并與預先設(shè)定的閾值進行比較，當某一監(jiān)測點位的沉降數(shù)據(jù)超過閾值時，軟件平臺即能夠?qū)⒊薜谋O(jiān)測點位信息顯示至界面中。預警功能設(shè)置了藍色、橙色、紅色共三級預警，每一級預警都可以在軟件平臺中設(shè)置閾值上限與下限值。同時，在軟件平臺的頂部設(shè)有藍色預警、橙色預警、紅色預警相對應(yīng)的預警燈，預警燈后顯示的數(shù)字為超過該級預警閾值的監(jiān)測點的個數(shù)，點擊該數(shù)字即可瀏覽該級預警的詳細信息。

2 結(jié)語

1）為構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，建立了基于三維全景監(jiān)測技術(shù)的數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)，也構(gòu)建了基于WSN 的監(jiān)測系統(tǒng)，為實現(xiàn)運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的智能化分析與決策提供了有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與知識支持。

2）開發(fā)了相對應(yīng)的監(jiān)測功能軟件模塊，編寫了Java 與Matlab 語言交互與調(diào)用程序，實現(xiàn)了全自動全站儀、傾角傳感器的遠端三維可視化自動監(jiān)測，以及三維激光掃描監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)的解析、計算、擬合、分析功能，從監(jiān)測功能模塊獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示。

3）使用MVC 以及Struts 框架等相關(guān)Web 框架搭建技術(shù)，完成了軟件平臺的框架搭建，將監(jiān)測模塊、評估模塊、管養(yǎng)決策模塊集成至軟件平臺的框架中，建立了數(shù)據(jù)傳輸模塊、監(jiān)測中心應(yīng)用管理模塊、人工監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入模塊、預警管理模塊等。