汪 波，騰 騫，鮑 楓，宋曉敏

（1. 北京市地鐵運營有限公司，北京 100044；2. 北京雋德科技有限公司，北京 100084；3. 北京市智慧交通發(fā)展中心，北京 100073；4. 交通運輸部科學研究院，北京 100029）

隨著中國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，城市軌道交通已成為大中城市公共交通的主要組成部分。截至2020年12月31日，中國內(nèi)地共有45座城市開通城軌運營里程7969.7 km，運營車站達到4 681座。由于城市軌道交通準時高效的優(yōu)勢，越來越多出行者更愿意選擇此類出行方式。以北京市為例，2020年城市軌道交通運送乘客 22.94億人次，選擇軌道交通出行的比例占公共交通出行的56.11%。

城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)復雜，涉及巨量設(shè)施，一旦重要設(shè)施出現(xiàn)故障，可能在環(huán)境相對封閉的地下空間內(nèi)造成嚴重安全事故。為了預防軌道交通事故的發(fā)生，保證人民生命安全財產(chǎn)，有必要開發(fā)一套城市軌道交通設(shè)施安全智能監(jiān)測預警系統(tǒng)。已有城市在客運量較大的軌道交通運營線路根據(jù)實際需求安裝了城市軌道交通設(shè)施安全智能監(jiān)測預警系統(tǒng)，為軌道交通運營安全提供技術(shù)保障。

目前有很多學者對城市軌道交通設(shè)施安全監(jiān)測預警系統(tǒng)進行了研究開發(fā)。陳旭[1]研發(fā)了一種針對地鐵安全環(huán)境的監(jiān)測預警軟件系統(tǒng)，該軟件實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、儲存、分析和預警功能。周耀[2]建立了地鐵車站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，主要監(jiān)測結(jié)構(gòu)溫度、應變、裂縫、徐變等，為地鐵車站的安全運營提供了保障。謝偉等[3]提出建立基于GIS的地鐵隧道安全監(jiān)測信息系統(tǒng)，以實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖形位置的雙向快速查詢以及空間統(tǒng)計分析工作。李秋明等[4]開發(fā)了基于GIS的運營隧道自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對運營隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施的豎向沉降、水平位移、裂縫、扁率和地下水位等項目進行監(jiān)測管理與及時預警。石傳基等[5]設(shè)計了基于BIM技術(shù)隧道監(jiān)測預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動預警和面向不同層級用戶的數(shù)據(jù)可視化管理。吳賢國等[6]開發(fā)了一套基于BIM技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)運營地鐵結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)實現(xiàn)了檢測系統(tǒng)的可視化。何高峰等[7]則將BIM和GIS結(jié)合起來，研究了其在地鐵隧道安全預警預報方面的應用。張建清等[8]設(shè)計了一種針對高鐵無砟軌道的溫度監(jiān)測與預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以計算和預測出無砟軌道的溫度場。高臻等[9]設(shè)計了一種車輛基地機電設(shè)備的故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時獲取設(shè)備狀態(tài)信息，對設(shè)備進行故障預測和健康管理。龐穎等[10]對車輛基地的智能診斷技術(shù)進行了研究，提出了車輛基地通知診斷技術(shù)的總體方案。徐耀德等[11]建立了一種基于多因素權(quán)重矩陣分析法的工程安全風險狀態(tài)量化評估方法，克服了當前監(jiān)測預警多、風險評判定性為主的工程安全風險狀態(tài)局限性。

上述研究主要集中在某項功能的開發(fā)設(shè)計上，對軌道交通設(shè)施的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)保存、智能預警功能等描述較少?；诖耍O(shè)計了一種城市軌道交通設(shè)施安全智能監(jiān)測預警系統(tǒng)，重點論述了該系統(tǒng)的設(shè)計要求，為城市軌道交通安全運營提供技術(shù)保障。

1 基本概念

1.1 城市軌道交通設(shè)施

城市軌道交通設(shè)施是軌道交通系統(tǒng)的骨架，是保證軌道交通安全運營的硬件設(shè)備。本文中的城市軌道交通設(shè)施是指保障城市軌道交通系統(tǒng)正常安全運營而設(shè)置的土建設(shè)施的總稱。主要包括：土地、隧道、橋涵、路基、軌道、車站建筑、車輛段與綜合基地建筑、房屋建筑、管道、道路、附屬設(shè)施。

本文的城市軌道交通設(shè)施監(jiān)測主要指對隧道、橋涵的動態(tài)監(jiān)測。

1.2 城市軌道交通設(shè)施監(jiān)測指標及分級預警要求

1.2.1 監(jiān)測指標

城市軌道交通設(shè)施安全性除了考慮自身結(jié)構(gòu)的變化，還需考慮外界環(huán)境的影響。因此軌道交通設(shè)施監(jiān)測指標主要包括環(huán)境監(jiān)測指標和結(jié)構(gòu)響應監(jiān)測指標。環(huán)境監(jiān)測指標有溫度、風速、風向、雨量、雪量、橋下積水；結(jié)構(gòu)響應監(jiān)測指標有梁體裂縫長度和寬度、梁體位移、支座位移、支座變形、橋墩位移、聲屏障應力、聲屏障變形、梁體擾度、斜拉橋索力、斜拉橋橋塔位移、斜拉橋橋面振動、碰撞記錄及隧道裂縫。

1.2.2 智能化分級預警標準

監(jiān)測指標的變化程度代表著不同預警等級，因此需要建立智能化分級預警標準。對各指標分別設(shè)置閾值預警值和變化率預警值。

1.3 安全應急智能監(jiān)測預警系統(tǒng)

安全智能監(jiān)測預警系統(tǒng)指對重點土建設(shè)施結(jié)構(gòu)狀況進行監(jiān)控與評估，為土建設(shè)施在特殊氣候、交通條件下或運營狀況異常時發(fā)出預警信號的系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成及技術(shù)要求

2.1 系統(tǒng)組成

城市軌道交通設(shè)施安全智能監(jiān)測預警系統(tǒng)需具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)保存、預警等功能。這些功能分別由前端采集設(shè)備子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備子系統(tǒng)、硬件設(shè)備子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)實現(xiàn)。監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)Figure 1 Monitoring system architecture

前端采集設(shè)備子系統(tǒng)，用于監(jiān)測并采集城市軌道交通設(shè)施結(jié)構(gòu)響應信息及外在環(huán)境信息。

數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備子系統(tǒng)，利用無線傳輸技術(shù)，用于傳輸前端采集設(shè)備采集的城市軌道交通設(shè)施結(jié)構(gòu)響應信息及外在環(huán)境信息至監(jiān)控平臺。

監(jiān)控平臺包括硬件設(shè)備子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、監(jiān)控預警、分析等功能。

其中監(jiān)控預警功能的視頻監(jiān)控功能主要設(shè)計思路為：在城市軌道交通橋梁可能受碰撞的地方安裝防撞架，當車輛碰到防撞架后，加速度傳感器檢測到的數(shù)值發(fā)生瞬間變化，該數(shù)值通過數(shù)據(jù)采集儀上傳至監(jiān)控平臺，監(jiān)控平臺進行預警，同時給聯(lián)動攝像機一個抓拍信號，攝像機將抓拍照片存儲到本地和數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)組成見表1。

表1 城市軌道交通設(shè)施安全智能監(jiān)測預警系統(tǒng)組成Table 1 The composition of an intelligent safety monitoring and early warning system for urban rail transit facilities

2.2 前端采集設(shè)備技術(shù)要求

前端采集設(shè)備由各種不同類型的傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成，作用是將被監(jiān)測對象的不同形式的物理量轉(zhuǎn)換成便于記錄及再處理的電壓、電源或光信號。

2.2.1 傳感器選型及布點技術(shù)要求

對于前端傳感器，其類型決定了數(shù)據(jù)采集的精度及質(zhì)量，應從性能和造價等方面考慮傳感器的選型，基于此提出以下技術(shù)要求：傳感器在使用壽命內(nèi)穩(wěn)定可靠運行；傳感器應耐久性好和抗干擾性強；傳感器技術(shù)成熟、性能先進；傳感器應便于維護和更換；傳感器在滿足監(jiān)測要求的情況下，應造價低、易安裝。

前端傳感器的布點的位置也需滿足相關(guān)要求：

1) 傳感器的布置應體現(xiàn)優(yōu)化原則，利用盡可能少的傳感器獲取全面、精確的環(huán)境和結(jié)構(gòu)參數(shù)信息；

2) 傳感器的數(shù)量和設(shè)備能力等應具有適度冗余，以確保系統(tǒng)的可靠性，并滿足系統(tǒng)改進、擴充和系統(tǒng)升級的需求；

3) 傳感器的布設(shè)工藝不能損傷結(jié)構(gòu)；

4) 傳感器要布設(shè)在存在嚴重病害的結(jié)構(gòu)上；

5) 傳感器要布設(shè)在曲線半徑小(<600 m)、大縱坡(>15‰)等線路運營條件差的橋梁結(jié)構(gòu)上；

6) 傳感器要布設(shè)在跨越市政道路、高速公路、鐵路和河道處的橋梁結(jié)構(gòu)上；

7) 傳感器要布設(shè)在臨近橋位處有施工、路口容易被撞的橋梁結(jié)構(gòu)和防撞架上；

8) 傳感器要布設(shè)在超高橋梁結(jié)構(gòu)等不易人工檢測的位置上。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備性能要求

傳感器布設(shè)完畢之后，需要利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行數(shù)據(jù)收集。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括光纖光柵解調(diào)儀、數(shù)據(jù)采集儀、擴展模塊、振動數(shù)據(jù)采集儀。各設(shè)備宜采用的性能要求見表2。

表2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of the data collection equipment

2.3 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備技術(shù)要求

數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備負責信號采集、傳輸和處理。為保障在復雜條件下正常功能的實現(xiàn)，傳輸設(shè)備應符合下列規(guī)定：

1) 在無人值守條件下能夠連續(xù)運行；

2) 在特殊狀態(tài)下進行采集或人工干預采集；

3) 數(shù)據(jù)采集軟件具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)自動處理和緩存管理功能；

4) 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集；

5) 滿足長期穩(wěn)定工作；

6) 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備性能應滿足相關(guān)要求。

2.4 硬件設(shè)備技術(shù)要求

硬件設(shè)備負責信號數(shù)據(jù)的保存，是軟件系統(tǒng)的平臺。主要硬件設(shè)備應滿足以下技術(shù)要求：

1) 路由器

① 設(shè)備類型：多業(yè)務(wù)路由器；

② 包轉(zhuǎn)發(fā)率：10 Mbps：14 800 pps；100 Mbps：148 800 pps；1 000 Mbps：1 488 000 pps；

③ 支持擴展模塊插槽數(shù)：≥8；

④ 最大Flash內(nèi)存：≥256 MB；

⑤ 最大DRAM內(nèi)存：≥1 GB；

⑥ 控制端口：Console；

⑦ 支持的網(wǎng)管協(xié)議：SNMP。

2) 交換機

① 設(shè)備類型：二層交換機；

② 傳輸速率：10/100 Mbps、10/100/1 000 Mbps；

③ 端口結(jié)構(gòu)：非模塊化；

④ 端口數(shù)量：≥24；

⑤ 接口介質(zhì)：10/100 Base-TX、10/100/1 000 Base-T、1 000 Base-X SFP；

⑥ 傳輸模式：全雙工/半雙工自適應；

⑦ 交換方式：存儲-轉(zhuǎn)發(fā)。

2.5 軟件系統(tǒng)技術(shù)要求

2.5.1 一般要求

軟件系統(tǒng)需要實現(xiàn)包括結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的實時監(jiān)控、預警報警、統(tǒng)計分析、專家?guī)斓认到y(tǒng)功能，可以完成數(shù)據(jù)的歸檔、查詢、存儲、維護和打印輸出等工作。其可用性、效率、兼容性和數(shù)據(jù)集成與共享方面需要滿足以下要求：

1) 系統(tǒng)可用性。由于軟件監(jiān)測系統(tǒng)為24 h連續(xù)使用，系統(tǒng)的可用性(A=MTBF(平均無故障工作時間)/MTBF+MTTR(平均維修時間))應達到99.99%。MTBF不小于3 000 h，MTTR不大于0.5 h。

2) 系統(tǒng)效率。監(jiān)測系統(tǒng)涉及地鐵的安全運行，各系統(tǒng)的運行效率直接影響到系統(tǒng)的效率，要求復雜查詢響應時間不應超過40 s，并且系統(tǒng)發(fā)布信息的刷新周期應不超過30 min。

3) 兼容性要求。要通盤考慮整體業(yè)務(wù)需求、性能需求及安全需求，系統(tǒng)在硬件平臺、網(wǎng)絡(luò)平臺和業(yè)務(wù)應用系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)上要滿足已建成系統(tǒng)和未來建設(shè)的相關(guān)系統(tǒng)的兼容性要求，適應未來業(yè)務(wù)發(fā)展和變化的要求。

4) 滿足數(shù)據(jù)共享與集成的要求。當業(yè)務(wù)的發(fā)展需要建設(shè)新的應用系統(tǒng)時，可以充分享用已有的數(shù)據(jù)資源，最大限度滿足數(shù)據(jù)共享的需求。

2.5.2 功能要求

監(jiān)測軟件系統(tǒng)組成見圖 2。軟件系統(tǒng)具體功能要求如下：

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)Figure 2 Monitoring system architecture

1) 土建設(shè)施及前端設(shè)備信息維護子系統(tǒng)：用于配置、維護土建設(shè)施及其附屬設(shè)施、前端設(shè)備部件的參數(shù)信息；

2) 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)：自動獲取前端設(shè)備部件采集的土建設(shè)施結(jié)構(gòu)響應信息及外在環(huán)境信息，并將其轉(zhuǎn)換為土建設(shè)施的物理量；

3) 監(jiān)測與預警子系統(tǒng)：將轉(zhuǎn)換得到的物理量和預設(shè)的控制值進行對比分析，根據(jù)結(jié)果進行分級預警；

4) 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)：用于對土建施工工程、土建設(shè)施維修改造工程、橋隧設(shè)施隱患風險點進行視頻監(jiān)控，并保存、回放視頻和圖像；

5) 土建設(shè)施隱患風險點管控子系統(tǒng)：用于管控預先設(shè)置的重點部位的日常排查工作、異常情況排查工作、隱患排查工作和安全保護區(qū)排查工作；

6) 安全質(zhì)量管理子系統(tǒng)：用于與地鐵資產(chǎn)管理信息系統(tǒng)聯(lián)動，形成土建設(shè)施的實時監(jiān)控、預警報警、維修處置、工后核查和統(tǒng)計評估的安全質(zhì)量閉合管理子系統(tǒng)；

7) 統(tǒng)計分析預測子系統(tǒng)：用于對獲取的土建設(shè)施結(jié)構(gòu)響應信息及外在環(huán)境信息和安全質(zhì)量管理子系統(tǒng)中的安全質(zhì)量管理數(shù)據(jù)進行分析、匯總，得到監(jiān)測指標信息；預測土建設(shè)施監(jiān)測指標的發(fā)展趨勢、預測監(jiān)測指標數(shù)據(jù)與目標因素之間的關(guān)系；進行自適應智能化土建設(shè)施監(jiān)測指標預警實時診斷。

系統(tǒng)還設(shè)置了外部接口，與氣象部門、地震監(jiān)管部門對接惡劣天氣和地震信息或數(shù)據(jù)，與建委等政府建管部門對接軌道交通沿線的重大基建項目信息等。

2.5.3 數(shù)據(jù)接入規(guī)范

1) 監(jiān)測中心與外場采集設(shè)備之間采用TCP/IP通信協(xié)議，以長連接方式進行數(shù)據(jù)傳輸，并保持心跳在線，如果長時間不傳輸數(shù)據(jù)，中心將自動斷開超時的連接；

2) 外場采集設(shè)備按照統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)包報文格式進行監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸，整個數(shù)據(jù)包報文采用UTF-8字符串格式轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)組定期上傳到監(jiān)測中心；

3) 每個數(shù)據(jù)包報文內(nèi)容應包括采集時間、采集儀編號、傳感器通道(編號)、監(jiān)測數(shù)值等信息。數(shù)據(jù)包報文樣例如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)包報文樣例Figure 3 Sample data of the packet message

2.6 預警系統(tǒng)設(shè)計注意事項

1) 設(shè)計需考慮用戶界面清晰簡潔，支持手機等移動式監(jiān)控用戶需要；還應考慮安裝、設(shè)備維護的便捷性等；

2) 通過多種渠道獲得的各種數(shù)據(jù)要實現(xiàn)信息共享，實現(xiàn)信息的獲取、集成和融合，達到信息在各個子系統(tǒng)之間安全順暢共享、傳遞、協(xié)同管理以及信息深層次利用的目的；

3) 系統(tǒng)應具備動態(tài)預警技術(shù)，能根據(jù)算法自我完善并動態(tài)調(diào)節(jié)預警閾值功能。系統(tǒng)能在數(shù)據(jù)融合基礎(chǔ)上實現(xiàn)BCI評估，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)調(diào)整各參數(shù)的權(quán)重比。

3 軌道交通設(shè)施監(jiān)測指標分級預警要求

1) 系統(tǒng)預警功能的控制指標分為閾值預警值、閾值控制值、變化率預警值和變化率控制值4種。

2) 為了保證預警、報警的準確性，應每年對前端采集設(shè)備的精度至少進行一次標定，使用專用檢測設(shè)備對前端采集設(shè)備的誤差進行校驗和修訂，以保證準確性。對于激光類傳感器應最少3個月對激光頭的表面做清潔以避免由于灰塵導致激光類傳感器監(jiān)測數(shù)值不準確情況發(fā)生。

3) 通過閾值比對和病害率比對等技術(shù)手段提供被監(jiān)控設(shè)施的狀態(tài)預警，對明顯超過正常數(shù)值和變化率的被監(jiān)控設(shè)施進行技術(shù)性分析，并按照系統(tǒng)報警處理規(guī)定執(zhí)行各項技術(shù)流程。

4) 被監(jiān)測設(shè)施的閾值控制值的設(shè)置要依據(jù)設(shè)計文件、相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)合監(jiān)控對象隨溫度的受力變形特點、材料屬性和歷史數(shù)據(jù)規(guī)律，并根據(jù)實際使用情況，由專業(yè)的設(shè)計單位根據(jù)橋梁的不同特點在充分論證的基礎(chǔ)上進行合理制定和修訂。

5) 閾值預警值報警功能分為2級管理，分別是二級預警(黃色)和一級預警(紅色)。

根據(jù)設(shè)計單位計算及對歷史數(shù)據(jù)挖掘，二級預警值按照閾值控制值的60%設(shè)定，一級預警值按照閾值控制值的80%設(shè)定。

閾值預警與閾值控制值應符合公式(1)的要求。

式中：a為系統(tǒng)實際監(jiān)測值；b為閾值控制值。

6) 變化率是指相鄰2個月，同一日期，同一時間監(jiān)測值的差值。變化率的計算要采用合理的排異算法，消除異常數(shù)據(jù)的影響，并合理考慮同一天的平均變化率。被監(jiān)測設(shè)施的變化率控制值設(shè)置為閾值控制值的50%；

7) 變化率預警值報警功能分為2級管理，分別是二級預警(黃色)和一級預警(紅色)。二級預警值按照變化率控制值的60%設(shè)定，一級預警值按照變化率控制值的80%設(shè)定。

變化率預警與變化率控制值應符合公式(2)的要求。

式中：c為系統(tǒng)實際計算的變化率預警值；d為變化率控制值，d=0.5b。

8) 風力、雨量及雪量不設(shè)置變化量預警值和變化量控制值。

4 結(jié)語

為預防由于城市軌道交通設(shè)施故障導致的嚴重安全事故，提高軌道交通安全運營的技術(shù)保障，設(shè)計了一種城市軌道交通設(shè)施安全智能監(jiān)測預警系統(tǒng)，實現(xiàn)軌道交通設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)保存、智能預警功能，對系統(tǒng)功能及布局提出了具體的設(shè)計要求，同時根據(jù)安全性的需求劃分了預警級別。該系統(tǒng)進一步提高了城市軌道交通設(shè)施運行使用的可靠性，改善了城市軌道交通運營安全環(huán)境。