文：李家平，張少夏，邵華，付和寬，袁釗丨上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，上海勘察設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

結(jié)合城市運(yùn)營(yíng)軌道交通結(jié)構(gòu)安全保障和健康維護(hù)的重大需求，針對(duì)上海超大規(guī)模軌道交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)監(jiān)護(hù)監(jiān)控體系存在“信息碎片化、數(shù)據(jù)集成難、大數(shù)據(jù)挖掘與智能預(yù)警不足”的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)“運(yùn)營(yíng)軌道交通結(jié)構(gòu)安全立體感知信息服務(wù)平臺(tái)”，該平臺(tái)目標(biāo)支持來(lái)自“空中+地面+地下”的衛(wèi)星及低空遙感影像、地面移動(dòng)全景攝影、三維激光掃描、多源自動(dòng)化傳感器和精密工程測(cè)量等多源數(shù)據(jù)的集成管理，并通過(guò)大數(shù)據(jù)算法，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，滿(mǎn)足軌道交通結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控“集成、高效、智能”的精細(xì)化管理要求。

一、建設(shè)背景

軌道交通保護(hù)區(qū)管理任務(wù)重。軌道交通的投資額巨大，日均客流量大，如上海地鐵目前工作日客流超過(guò)1100萬(wàn)，占公共交通出行比例已超過(guò)50%，近三年累計(jì)發(fā)現(xiàn)各類(lèi)涉及軌道交通安全保護(hù)區(qū)事件1200多起，發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處置了一批勘探鉆孔、基坑施工、違規(guī)堆載、橋隧穿越等違規(guī)作業(yè)。

運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全影響因素多。城市軌道交通多采用地下結(jié)構(gòu)，受地質(zhì)條件、施工質(zhì)量、施工擾動(dòng)、內(nèi)外部荷載變化、列車(chē)振動(dòng)及周邊工程建設(shè)等綜合因素影響，土建結(jié)構(gòu)的整體受力和變形變得十分復(fù)雜。以及沿線實(shí)施了數(shù)以百計(jì)的工程施工，對(duì)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的軌道交通產(chǎn)生了較大影響，尤其是違規(guī)土方堆載、未經(jīng)批準(zhǔn)的勘探鉆孔或樁基施工、“近、大、深”基坑施工及降水、近距離穿越施工等，必需在過(guò)程中加強(qiáng)管理，否則可能對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)和軌道平順性造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致后續(xù)加固修復(fù)時(shí)需投入巨額資金。

傳統(tǒng)作業(yè)和數(shù)據(jù)管理效率低。針對(duì)軌道交通的結(jié)構(gòu)病害檢（監(jiān)）測(cè)主要分為橫向變形、縱向變形及病害巡查等，其中：病害調(diào)查和測(cè)量工作，大量依靠人工作業(yè)； 數(shù)據(jù)集中管理困難，大多數(shù)為分散的報(bào)表、報(bào)告或圖紙等資料；缺少專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)分析工具，難以分析多個(gè)項(xiàng)目、長(zhǎng)時(shí)間段、不同工況、不同來(lái)源的工程數(shù)據(jù)，現(xiàn)有管理技術(shù)手段難以對(duì)圖像、文檔等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理和利用。

結(jié)構(gòu)安全分析評(píng)估指標(biāo)單一。對(duì)于隧道的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估，目前主要以基于指標(biāo)的計(jì)算法為主，重在評(píng)估指標(biāo)和計(jì)算方法的不斷優(yōu)化，同時(shí)預(yù)警提示主要依靠單一指標(biāo)，但是由于隧道結(jié)構(gòu)演化機(jī)理的復(fù)雜性和不確定性，目前評(píng)估方法的普遍適用性和可靠性尚不強(qiáng)，更復(fù)雜綜合指標(biāo)的預(yù)警提示主要依賴(lài)于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)修正，評(píng)估結(jié)果的時(shí)效性和對(duì)維護(hù)保障的指導(dǎo)作用受到制約，亟需建立基于多源數(shù)據(jù)融合的評(píng)估預(yù)警體系。

二、建設(shè)目標(biāo)及方案

結(jié)合城市運(yùn)營(yíng)軌道交通結(jié)構(gòu)安全保障和健康維護(hù)的重大需求，基于地理信息技術(shù)、遙感影像、云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，通過(guò)系統(tǒng)的研發(fā)與工程應(yīng)用，支持衛(wèi)星影像及低空遙感影像、移動(dòng)全景攝影、精密工程測(cè)量等結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集成和應(yīng)用，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析和挖掘，輔助進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管理，為軌道交通運(yùn)營(yíng)維護(hù)保障行業(yè)提供便捷可靠的數(shù)據(jù)管理和信息化服務(wù)。

信息化平臺(tái)總體上分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、支撐層和應(yīng)用層。

（一）基礎(chǔ)層

主要為各類(lèi)IT基礎(chǔ)設(shè)施和軌道交通結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)感知相關(guān)的傳感器設(shè)備，是本服務(wù)平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ)。IT基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，考慮以“私有服務(wù)器+云服務(wù)”的混合解決方案，及后期升級(jí)擴(kuò)展性和兼顧系統(tǒng)安全性。

（二）數(shù)據(jù)層

系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括各類(lèi)測(cè)繪地理信息、工程勘察、設(shè)計(jì)施工圖紙等數(shù)據(jù)?；跍y(cè)繪、勘察和設(shè)計(jì)等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)符合軌道交通運(yùn)營(yíng)全生命周期維護(hù)保障需求的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案、數(shù)據(jù)加工與應(yīng)用工具，保證與基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)的持續(xù)獲取、更新、處理。

（三）支撐層

系統(tǒng)的支撐層主要提供授權(quán)管理、應(yīng)用配置、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、影像發(fā)布與訪問(wèn)等基礎(chǔ)應(yīng)用支撐服務(wù)。

（四）應(yīng)用層

系統(tǒng)需支持的監(jiān)測(cè)項(xiàng)包括：沉降、平面位移、傾斜、收斂、靜力水準(zhǔn)等，增加對(duì)衛(wèi)星及低空遙感影像、移動(dòng)全景攝影兩類(lèi)數(shù)據(jù)源的支持。

本平臺(tái)分為兩個(gè)主要的子系統(tǒng)：

一是保護(hù)區(qū)巡查子系統(tǒng)。保護(hù)區(qū)巡查業(yè)務(wù)子系統(tǒng)為實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，所應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)范圍為廣域網(wǎng)。該子系統(tǒng)需要調(diào)用大量存儲(chǔ)于公有云服務(wù)的衛(wèi)星影像、全景影像、巡查拍照信息、巡查記錄等，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)作業(yè)人員篩選判定之后，建立巡查任務(wù)臺(tái)帳和巡查成果目錄，并分配任務(wù)流程。

二是相鄰工程活動(dòng)影響監(jiān)測(cè)信息管理子系統(tǒng)。監(jiān)護(hù)項(xiàng)目管理子系統(tǒng)為實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，所應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)為廣域網(wǎng)+局域網(wǎng)。該子系統(tǒng)主要用于接收大量自動(dòng)化傳感器和精密工程測(cè)量數(shù)據(jù)，用于隧道結(jié)構(gòu)安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控、業(yè)務(wù)報(bào)表輸出、監(jiān)護(hù)項(xiàng)目日常管理等。廣域網(wǎng)用于接收傳感器數(shù)據(jù)和移動(dòng)辦公管理，局域網(wǎng)用于查看涉密數(shù)據(jù)、項(xiàng)目管理和日常辦公。

本平臺(tái)產(chǎn)品選型有以下內(nèi)容：

1.系統(tǒng)基于WEB的B/S架構(gòu)，可支持業(yè)界流行的瀏覽器Chrome等。

2.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采用業(yè)界主流開(kāi)發(fā)技術(shù)，并且支持定制開(kāi)發(fā)。

3.符合業(yè)主公司整體軟件接口開(kāi)發(fā)有關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，使用業(yè)主綜合管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線產(chǎn)品提供數(shù)據(jù)總線服務(wù)。

4.系統(tǒng)符合開(kāi)放的原則，具有良好的集成性，能夠方便地實(shí)現(xiàn)與其它軟件系統(tǒng)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)集成。可提供企業(yè)級(jí)的Web Services，支持HTTP、WSDL、SOAP標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。

三、實(shí)施過(guò)程及應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)容

項(xiàng)目實(shí)行項(xiàng)目負(fù)責(zé)人全面負(fù)責(zé)制，下設(shè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)研發(fā)組、平臺(tái)開(kāi)發(fā)與維護(hù)組和技術(shù)服務(wù)與市場(chǎng)推廣組。專(zhuān)業(yè)技術(shù)研發(fā)組主要負(fù)責(zé)專(zhuān)業(yè)業(yè)務(wù)的需求調(diào)研與分析，明確系統(tǒng)主要專(zhuān)業(yè)技術(shù)功能、數(shù)據(jù)處理方法、格式標(biāo)準(zhǔn)適用性、統(tǒng)計(jì)分析模型、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估算法等；平臺(tái)開(kāi)發(fā)與維護(hù)組主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作，包括系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼測(cè)試、開(kāi)發(fā)文檔編制等；技術(shù)服務(wù)與市場(chǎng)推廣組主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)承擔(dān)對(duì)用戶(hù)的技術(shù)培訓(xùn)、支持和市場(chǎng)推廣。

系統(tǒng)主要完成四大主要功能：

1.多源數(shù)據(jù)集成管理：與業(yè)務(wù)流程相結(jié)合的精密測(cè)量、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等傳統(tǒng)矢量數(shù)據(jù)管理，對(duì)接衛(wèi)星及無(wú)人機(jī)遙感、三維激光掃描等新型傳感多源海量數(shù)據(jù)管理，監(jiān)測(cè)報(bào)告智能輔助編制等。

2.多類(lèi)型自動(dòng)化傳感器集成式管理：封裝了不同廠商多類(lèi)型傳感設(shè)備采集指令，實(shí)現(xiàn)集約式采集；定制通信和數(shù)據(jù)同步協(xié)議、長(zhǎng)連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理的全流程可視化監(jiān)控。

3.結(jié)構(gòu)安全評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè):基于現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范和管理流程，封裝結(jié)構(gòu)安全大數(shù)據(jù)分析評(píng)估模型和風(fēng)險(xiǎn)源篩選規(guī)則，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、安全評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)預(yù)警。

4.保護(hù)區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)巡查管理：集成移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)支持的GIS系統(tǒng)，分級(jí)加載地鐵線路及保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)，快速精準(zhǔn)掌握地鐵位置，保證不漏巡、不多巡，科學(xué)布置巡查工作；集成GPS實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，連續(xù)記錄巡查人員軌跡信息，并實(shí)現(xiàn)地圖圈定違規(guī)影響范圍功能，通過(guò)GIS系統(tǒng)存檔，保證實(shí)物工作量追溯有依據(jù)。

四、建設(shè)成效

（一）技術(shù)創(chuàng)新

1.運(yùn)營(yíng)軌道交通結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)。平臺(tái)支持衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)遙感影像、地面全景、三維激光掃描、工況巡查、精密工程測(cè)量、多源自動(dòng)化傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等豐富數(shù)據(jù)格式，引入OGC WMS服 務(wù)、Rest API接 口、WebSocket技術(shù)、云端文件托管等數(shù)據(jù)管理技術(shù)，形成了一套廣泛兼容、高效查詢(xún)、靈活擴(kuò)展的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口。

2.基于WebSocket協(xié)議的多源傳感器集成技術(shù)。集成解決了沉降、收斂、位移、傾斜等多源自動(dòng)化傳感器感知技術(shù)，包含激光測(cè)距儀、傾角計(jì)、測(cè)量機(jī)器人、靜力水準(zhǔn)、電水平尺、裂縫計(jì)等6大類(lèi)設(shè)備；采用數(shù)據(jù)同步、通信協(xié)議、長(zhǎng)連接技術(shù)，解決了傳統(tǒng)CS架構(gòu)的跨平臺(tái)遠(yuǎn)程訪問(wèn)的數(shù)據(jù)離散問(wèn)題；支持多源數(shù)據(jù)的綜合分析，融合粗差剔除、數(shù)據(jù)異常識(shí)別、聯(lián)合平差數(shù)據(jù)處理算法。

3.基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估技術(shù)。整合上海地鐵結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資源（約5000萬(wàn)條目錄），以“空中-地面-地下”感知數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合結(jié)構(gòu)安全評(píng)估模型和風(fēng)險(xiǎn)源篩選規(guī)則，開(kāi)發(fā)符合現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范和管理流程的數(shù)據(jù)可視化工具，實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別；開(kāi)展了保護(hù)區(qū)巡查、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、保護(hù)區(qū)監(jiān)護(hù)項(xiàng)目等多源數(shù)據(jù)綜合分析的特色風(fēng)險(xiǎn)可視化應(yīng)用，幫助專(zhuān)業(yè)工程師拓展結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的理解和認(rèn)知，并通過(guò)基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的分析方法獲得新的結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)洞察力。

4.基于多源感知數(shù)據(jù)融合的病害分析與形變預(yù)測(cè)。系統(tǒng)面向軌道交通運(yùn)營(yíng)維護(hù)，開(kāi)發(fā)了主要功能包含數(shù)據(jù)查詢(xún)、工程類(lèi)比、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)維護(hù)的融合分析模塊。集成了軌道交通結(jié)構(gòu)信息、測(cè)量監(jiān)護(hù)項(xiàng)目信息、周邊工程活動(dòng)信息以及地質(zhì)勘察信息、區(qū)域環(huán)境信息等6大類(lèi)信息，通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化及標(biāo)準(zhǔn)化處理，形成了包含6大項(xiàng)36個(gè)特征的軌道交通結(jié)構(gòu)變形預(yù)測(cè)樣本庫(kù)，并研發(fā)和融合了一套適用于隧道結(jié)構(gòu)變形預(yù)測(cè)的大數(shù)據(jù)分析模型，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和評(píng)估隧道未來(lái)的結(jié)構(gòu)變形和安全狀態(tài)。

5.基于微服務(wù)架構(gòu)的“互聯(lián)網(wǎng)+”共享服務(wù)模式。系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)接口、共享應(yīng)用工具為載體，連接上海軌道交通保護(hù)區(qū)全部監(jiān)護(hù)測(cè)量行業(yè)單位，支持“空中-地面-地下”等多類(lèi)數(shù)據(jù)源，基于微服務(wù)架構(gòu)，開(kāi)發(fā)web頁(yè)面、手機(jī)App、Excel數(shù)據(jù)管控助手和微信服務(wù)號(hào)等業(yè)務(wù)協(xié)作、數(shù)據(jù)共享和信息傳遞的工具，降低信息化的準(zhǔn)入門(mén)檻，提高了工作效率，保證了傳統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)效性，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)成果質(zhì)量控制的現(xiàn)場(chǎng)化、實(shí)時(shí)化和在線化，形成了地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的“互聯(lián)網(wǎng)+”服務(wù)模式。

（二）管理效益

本平臺(tái)目前服務(wù)于上海地鐵監(jiān)護(hù)15個(gè)行業(yè)單位，管理了1000余個(gè)工程、2億余條數(shù)據(jù)，成果在國(guó)內(nèi)多個(gè)城市地鐵企業(yè)得到推廣應(yīng)用，提升行業(yè)整體技術(shù)能力和數(shù)據(jù)共享水平，滿(mǎn)足了地鐵維?！案呔取⒏咝?、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)警” 管理要求，具有極為重要的意義與示范效應(yīng)。

本平臺(tái)中多源傳感器集成、激光掃描綜合檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，累計(jì)成功應(yīng)用于地鐵長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、地鐵保護(hù)區(qū)相鄰影響監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目700余項(xiàng)，完成單線長(zhǎng)近2000km的激光掃描數(shù)據(jù)處理及成果管理，生產(chǎn)合同逾6億元。同時(shí)提升作業(yè)效率10倍以上，顯著節(jié)省資源。

鑒于軌道交通設(shè)計(jì)使用壽命為100年，城市軌道交通投入運(yùn)營(yíng)后，隨著結(jié)構(gòu)性能的劣化及外部環(huán)境的影響，存在長(zhǎng)期的安全監(jiān)控需求。本平臺(tái)基于多源大數(shù)據(jù)分析的集成與預(yù)警技術(shù)，有力規(guī)避了保護(hù)區(qū)施工對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)安全的風(fēng)險(xiǎn)，保障了軌道交通乃至城市運(yùn)行的安全，社會(huì)效益顯著。

（三）經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

迫切的生產(chǎn)管理需求是系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)的源動(dòng)力。本平臺(tái)的建設(shè)正是基于上海超大地鐵網(wǎng)路運(yùn)維和監(jiān)護(hù)管理的迫切需求，由“建養(yǎng)并重”向以運(yùn)營(yíng)為主，迫切需求運(yùn)維管理向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，具體表現(xiàn)為軌道交通安全保護(hù)區(qū)管理能力及運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)安全管控水平的提升，因此過(guò)程中能夠利用敏捷開(kāi)發(fā)模式的進(jìn)行迭代升級(jí)，務(wù)實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)赝瓿善脚_(tái)的建設(shè)和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，保證了系統(tǒng)平臺(tái)持續(xù)升級(jí)的源動(dòng)力。

深度融合專(zhuān)業(yè)的信息新技術(shù)是系統(tǒng)平臺(tái)的生命力。本平臺(tái)的建設(shè)是軌道交通、測(cè)繪技術(shù)與信息技術(shù)進(jìn)行深度融合的產(chǎn)物，立足于融入上海軌道交通保護(hù)區(qū)管理的成熟經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的最新技術(shù)，基于創(chuàng)新、共享的理念，圍繞多源感知數(shù)據(jù)集成、大數(shù)據(jù)分析與可視化、提升信息傳遞效率和服務(wù)工程安全風(fēng)險(xiǎn)管控等進(jìn)行建設(shè)。整個(gè)平臺(tái)經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間專(zhuān)業(yè)人員使用及重大項(xiàng)目應(yīng)用的考驗(yàn)，保持了源源不斷的生命力，居業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。

穩(wěn)定多專(zhuān)業(yè)融合的技術(shù)團(tuán)隊(duì)是系統(tǒng)平臺(tái)的保障。本平臺(tái)在建設(shè)之初，便建立了集巖土工程、隧道工程、地理信息、計(jì)算機(jī)、信息化等多專(zhuān)業(yè)融合的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)。整個(gè)團(tuán)隊(duì)具備良好的技術(shù)、人才及軟硬件基礎(chǔ)，并長(zhǎng)期穩(wěn)定，形成了獨(dú)立的自主研發(fā)優(yōu)勢(shì)，能夠完成“經(jīng)典勘察測(cè)量技術(shù)+互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”的深度融合，突破多項(xiàng)技術(shù)瓶頸，保障需求與技術(shù)的無(wú)縫鏈接，形成專(zhuān)業(yè)化的定制集成產(chǎn)品。