張 琰，孔祥思，徐西桂

(建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

隨著我國城鎮(zhèn)化高速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大。地鐵作為現(xiàn)代化的大型公共基礎(chǔ)交通工具,展現(xiàn)了其安全、高效、綠色節(jié)能的巨大優(yōu)勢(shì),成為解決城市交通擁堵的重要途徑[1-2]。地鐵長期運(yùn)營過程中受各種因素的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能發(fā)生退化。多種結(jié)構(gòu)病害如隧道環(huán)片變形、裂縫、滲水等，這些病害如果不予以控制將嚴(yán)重危害列車的行車安全。為保證運(yùn)營隧道的安全，需要對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行定期檢測(cè)，為隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)價(jià)及養(yǎng)護(hù)維修提供依據(jù)。

目前隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)主要困難有：地鐵作業(yè)天窗點(diǎn)短；分類監(jiān)測(cè)效率低、操作復(fù)雜、監(jiān)測(cè)點(diǎn)不足；隧道空間狹小存在一定的安全隱患[3-4]。針對(duì)傳統(tǒng)隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的不足，本文提出了一種基于移動(dòng)激光掃描的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)解決方案。首先，利用2D斷面掃描儀與軌道小車相結(jié)合，通過多傳感器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隧道三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲?。黄浯?，通過自動(dòng)分析軟件對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行各類病害提取與輸出；最后，利用綜合數(shù)據(jù)管理平臺(tái)對(duì)隧道健康監(jiān)測(cè)的成果進(jìn)行管理與分析。該方案打破了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段諸多不足，不僅實(shí)現(xiàn)一次采集，多類型監(jiān)測(cè)，提高了監(jiān)測(cè)作業(yè)效率；而且利用數(shù)據(jù)管理平臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行綜合管理分析，為地鐵運(yùn)營的科學(xué)管理提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)，是未來地鐵運(yùn)營監(jiān)測(cè)與管理的新方向。

1 移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)

移動(dòng)三維掃描技術(shù)發(fā)展迅速，測(cè)量效率、測(cè)量精度都有了大幅的提高，而該技術(shù)恰巧能解決目前隧道監(jiān)測(cè)中測(cè)量作業(yè)時(shí)間短以及測(cè)量范圍不足等問題[5-6]。本文采用武漢大學(xué)毛慶洲教授研發(fā)的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以軌道小車為載體集成2D斷面激光掃描儀、GNSS/IUM定位定姿系統(tǒng)和DMI(里程計(jì))等多種傳感器，通過計(jì)算機(jī)同步控制單元實(shí)現(xiàn)隧道三維信息的快速獲取[7-8]。

1.1 系統(tǒng)硬件組成

本文采用的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要有：2D斷面掃描儀、GNSS接收器、慣性導(dǎo)航單元(IMU)、里程計(jì)(DMI)、微電腦控制單元、電源管理系統(tǒng)、鋁合金軌道推車等，如圖1所示。

圖1 移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)組成

2D斷面掃描儀：該系統(tǒng)采用德國Z+F9012斷面掃描儀，可實(shí)現(xiàn)在垂直于運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行360°斷面掃描采集。該掃描儀轉(zhuǎn)速高達(dá)200轉(zhuǎn)/s，可輕松實(shí)現(xiàn)每秒采集100萬個(gè)點(diǎn)，每個(gè)掃描點(diǎn)包含該點(diǎn)相對(duì)掃描中心的距離值和角值信息。

GNSS接收機(jī)：軌道車推行過程中實(shí)時(shí)獲取掃描儀的定位信息，對(duì)掃描儀進(jìn)行精確定位，為獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立高精度的空間基準(zhǔn)。

慣性測(cè)量單元(IMU):主要用于移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)推行過程中實(shí)時(shí)測(cè)量掃描儀XYZ三個(gè)方向的瞬時(shí)加速度、瞬時(shí)角速度、調(diào)節(jié)和溫度補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)掃描儀姿態(tài)的實(shí)時(shí)獲取，為后續(xù)數(shù)據(jù)計(jì)算提供依據(jù)。

里程計(jì)(DMI):通過測(cè)定計(jì)軸器旋轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度，可準(zhǔn)確獲取載體的里程、速度等信息，為隧道點(diǎn)云處理時(shí)里程修正提供參考依據(jù)。

微電腦控制單元:主要用于測(cè)量系統(tǒng)的各種傳感器集成和同步控制，保證數(shù)據(jù)采集的時(shí)間和空間基準(zhǔn)的統(tǒng)一性。

電源管理系統(tǒng)：為各種精密傳感器、內(nèi)置計(jì)算機(jī)、2D斷面掃描儀提供電力供應(yīng)和管理。

鋁合金軌道推車：鋁合金車架結(jié)合絕緣輪轂，通過定位孔將多種設(shè)備精密集成，既保證設(shè)備推行過程中精度需要，又避免了對(duì)鐵軌的傷害。

1.2 同步控制系統(tǒng)

同步控制系統(tǒng)是該移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的指揮系統(tǒng)，推行過程中各種傳感器某一時(shí)刻測(cè)量出來的數(shù)據(jù)需要統(tǒng)一的時(shí)間坐標(biāo)關(guān)聯(lián)起來，保證測(cè)量結(jié)果的可靠性[9]。為了減輕計(jì)算機(jī)的工作任務(wù)并提高系統(tǒng)的同步精度，移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)通過一個(gè)時(shí)間同步控制器實(shí)現(xiàn)各傳感器數(shù)據(jù)的同步記錄。為了提高時(shí)間同步控制器的時(shí)間精度，將GNSS系統(tǒng)輸出的時(shí)間信號(hào)和PPS信號(hào)引入至?xí)r間同步控制器，對(duì)時(shí)間同步控制器進(jìn)行對(duì)時(shí)處理，如圖2所示。

圖2 同步控制系統(tǒng)

2 移動(dòng)三維激光隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方法

2.1 數(shù)據(jù)采集方式

移動(dòng)式三維激光掃描儀與傳統(tǒng)三維激光掃描儀不同，傳統(tǒng)三維激光掃描儀通過激光發(fā)射器和機(jī)身同時(shí)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)采集，移動(dòng)式三維激光掃描儀采用2D斷面掃描儀在垂直于小車前進(jìn)方向做二維斷面掃描，在推行空間上螺旋采集的方式進(jìn)行空間三維數(shù)據(jù)獲取[10-11]。采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以激光發(fā)射中心為原點(diǎn)，以前進(jìn)的方向?yàn)閅軸構(gòu)成空間坐標(biāo)系，獲取隧道中海量線性點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該掃描方式克服了站式掃描儀作業(yè)效率低、點(diǎn)云拼接繁瑣的缺點(diǎn)，大大提高了隧道數(shù)據(jù)獲取的效率，更加符合地鐵隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。移動(dòng)三維激光掃描采集方式及獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 移動(dòng)三維激光掃描采集方式和獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

隨著推行時(shí)間和里程的不斷增加，可獲取隧道結(jié)構(gòu)大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。高密度點(diǎn)云可對(duì)隧道結(jié)構(gòu)整體形態(tài)進(jìn)行恢復(fù)，為隧道結(jié)構(gòu)形變分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理分析與成果輸出

移動(dòng)三維激光掃描獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)真實(shí)還原了隧道結(jié)構(gòu)形態(tài)，如何通過海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確地提取隧道各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，是隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)核心。本文利用自動(dòng)化三維點(diǎn)云處理軟件，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)去燥配準(zhǔn)、正射影像制作、工程切分、點(diǎn)云收斂分析、錯(cuò)臺(tái)分析、滲漏水檢測(cè)、裂縫檢測(cè)等一系列內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與分析。

圖4 三維點(diǎn)云處理軟件界面

自動(dòng)化三維點(diǎn)云處理軟件將不同的監(jiān)測(cè)成果分別按照不同類型和格式進(jìn)行輸出。下面針對(duì)不同成果的處理分析方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：

數(shù)據(jù)配準(zhǔn)：針對(duì)多種傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的融合，將各傳感器數(shù)據(jù)與三維點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)點(diǎn)云與軌道面的空間位置,為精確提取隧道斷面提供保障。

正射影像制作：以特定步長的柵格對(duì)點(diǎn)云劃分，將該柵格內(nèi)點(diǎn)云的強(qiáng)度平均值作為該柵格的灰度值，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云柵格化,沿軌道中心線將灰度影像進(jìn)行展開，獲得隧道高清正射影像。

工程切分：為了減輕計(jì)算機(jī)壓力，提高軟件運(yùn)行效率，針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)對(duì)掃描數(shù)據(jù)以單個(gè)區(qū)間為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切分，同時(shí)方便后期數(shù)據(jù)管理。

水平收斂分析：首先，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)識(shí)別環(huán)片拼接縫，進(jìn)而確定環(huán)片的位置和寬度；其次，根據(jù)環(huán)片信息對(duì)所有環(huán)片進(jìn)行逐環(huán)斷面提??；最后，利用提取的斷面點(diǎn)云對(duì)環(huán)片的橢圓度及水平直徑進(jìn)行測(cè)量。

錯(cuò)臺(tái)分析：分別在距離環(huán)片接縫5 cm左右處相鄰的兩個(gè)環(huán)片上，各取一定寬度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而分別獲取相鄰環(huán)片的兩個(gè)斷面點(diǎn)云，將代表相鄰環(huán)片形狀的兩個(gè)斷面進(jìn)行疊加分析，獲取相鄰環(huán)片的錯(cuò)臺(tái)變化信息。

滲漏水及裂縫檢測(cè)：通過圖像自動(dòng)識(shí)別方法，利用隧道高清正射影像圖自動(dòng)識(shí)別隧道內(nèi)部的滲水、洇濕、裂縫等病害信息。并自動(dòng)計(jì)算病害的位置及大小，以報(bào)表形式對(duì)病害信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

自動(dòng)化點(diǎn)云處理軟件集成不同數(shù)據(jù)分析模塊，輕松實(shí)現(xiàn)一次掃描數(shù)據(jù)多種監(jiān)測(cè)需求。通過成果導(dǎo)出模塊對(duì)各種監(jiān)測(cè)成果自動(dòng)批量導(dǎo)出，大大提高內(nèi)業(yè)作業(yè)效率，部分成果類型如圖5所示。

圖5 移動(dòng)三維激光掃描監(jiān)測(cè)成果類型

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合管理平臺(tái)

移動(dòng)三維激光掃描監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其成果豐富、效率高、數(shù)據(jù)量大。為了充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)成果的作用，更加全面地分析地鐵隧道的結(jié)構(gòu)健康狀況。我院針對(duì)地鐵監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)需求研發(fā)一套強(qiáng)大的運(yùn)營監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。該平臺(tái)采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，用戶直接通過瀏覽器網(wǎng)頁輸入授權(quán)賬號(hào)訪問即可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，不僅實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)三維激光監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理分析，而且還集成了傳統(tǒng)運(yùn)營監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理模塊、地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)模塊及視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊等。該平臺(tái)在武漢、鄭州、南京、蘇州等多個(gè)城市得到應(yīng)用，深受地鐵運(yùn)營管理單位的青睞。平臺(tái)界面如圖6所示。

圖6 運(yùn)營監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

數(shù)據(jù)管理平臺(tái)對(duì)成果數(shù)據(jù)集中管理與分析，將多源監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行綜合對(duì)比，在空間和時(shí)間多個(gè)維度上分析隧道結(jié)構(gòu)的變化狀態(tài)，為管理者準(zhǔn)確掌握隧道變化情況、科學(xué)做出預(yù)判，提供強(qiáng)大的支持。

4 工程項(xiàng)目應(yīng)用與分析

本文以武漢工程項(xiàng)目為例，通過某區(qū)間數(shù)據(jù)成果分析說明方案在未來地鐵運(yùn)營監(jiān)測(cè)中的巨大優(yōu)勢(shì)。

4.1 項(xiàng)目概況

武漢軌道交通2號(hào)線一期和4號(hào)線單線全長共計(jì)100 km，共有5萬個(gè)環(huán)片。武漢2號(hào)線和4號(hào)線均為過江線路，承擔(dān)了武漢絕大多數(shù)公交過江的客運(yùn)量，對(duì)解決武漢市跨江交通難題，緩解武漢長江大橋、武漢長江二橋的交通壓力有著重要意義。

本項(xiàng)目在不影響列車正常運(yùn)營的情況下，采用文中解決方案50天內(nèi)順利完成所有外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作，且采集成果為逐環(huán)采集,比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍更加全面。在新的作業(yè)模式下，車載移動(dòng)測(cè)量技術(shù)節(jié)省了4/5的人力資源，相同時(shí)間內(nèi)可完成工作量至少為原來作業(yè)模式的10倍，實(shí)現(xiàn)隧道水平收斂、斷面分析、錯(cuò)臺(tái)分析、限界分析、病害調(diào)查等需多次上線才能完成的作業(yè)內(nèi)容，上線一次即可全部解決。

4.2 成果分析

由于項(xiàng)目數(shù)據(jù)量較大，本文通過對(duì)隨機(jī)選取的某一區(qū)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該區(qū)間共計(jì)693環(huán)，為了驗(yàn)證設(shè)備穩(wěn)定性，對(duì)該區(qū)間在同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行兩次掃描，兩次監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 某區(qū)間監(jiān)測(cè)結(jié)果

同時(shí)為了驗(yàn)證監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性，對(duì)該區(qū)間采用全站儀隨機(jī)選取一定環(huán)片進(jìn)行驗(yàn)證，三維激光掃描方法監(jiān)測(cè)結(jié)果和全站儀監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比情況如表1所示，將兩種方法的水平收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其中均值為-2 mm。

表1 精度對(duì)比分析

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知項(xiàng)目兩次監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合，全站儀驗(yàn)證精度可靠，隨著項(xiàng)目不斷開展，兩條運(yùn)營地鐵線路采用本文方案僅兩個(gè)月即實(shí)現(xiàn)全線的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，大大提高了數(shù)據(jù)采集與處理的速度，而且監(jiān)測(cè)成果精度完全滿足地鐵隧道監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)需求，多期數(shù)據(jù)存檔分析，為未來構(gòu)建智慧地鐵大數(shù)據(jù)管理提供良好數(shù)據(jù)積累。

5 結(jié) 論

本文基于移動(dòng)三維激光掃描的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方案，積極采用新技術(shù)、新方法、創(chuàng)新思維。通過新興移動(dòng)三維激光掃描監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，結(jié)合數(shù)據(jù)管理平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，構(gòu)成一套科學(xué)全面的地鐵運(yùn)行監(jiān)測(cè)方案，并通過項(xiàng)目驗(yàn)證方案的可行性及可靠性，為未來智慧地鐵運(yùn)行管理開拓了新方法、新思路。