文：李家平，張少夏，邵華，付和寬，袁釗丨上海申通地鐵集團有限公司，上?？辈煸O(shè)計研究院（集團）有限公司

結(jié)合城市運營軌道交通結(jié)構(gòu)安全保障和健康維護的重大需求，針對上海超大規(guī)模軌道交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)監(jiān)護監(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”的問題，開發(fā)“運營軌道交通結(jié)構(gòu)安全立體感知信息服務(wù)平臺”，該平臺目標支持來自“空中+地面+地下”的衛(wèi)星及低空遙感影像、地面移動全景攝影、三維激光掃描、多源自動化傳感器和精密工程測量等多源數(shù)據(jù)的集成管理，并通過大數(shù)據(jù)算法，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估和風險預(yù)測，滿足軌道交通結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控“集成、高效、智能”的精細化管理要求。

一、建設(shè)背景

軌道交通保護區(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1100萬，占公共交通出行比例已超過50%，近三年累計發(fā)現(xiàn)各類涉及軌道交通安全保護區(qū)事件1200多起，發(fā)現(xiàn)并及時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)。

運營期結(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、內(nèi)外部荷載變化、列車振動及周邊工程建設(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。以及沿線實施了數(shù)以百計的工程施工，對建設(shè)和運營的軌道交通產(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，必需在過程中加強管理，否則可能對軌道交通結(jié)構(gòu)和軌道平順性造成嚴重影響，導(dǎo)致后續(xù)加固修復(fù)時需投入巨額資金。

傳統(tǒng)作業(yè)和數(shù)據(jù)管理效率低。針對軌道交通的結(jié)構(gòu)病害檢（監(jiān)）測主要分為橫向變形、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)為分散的報表、報告或圖紙等資料；缺少專業(yè)數(shù)據(jù)分析工具，難以分析多個項目、長時間段、不同工況、不同來源的工程數(shù)據(jù)，現(xiàn)有管理技術(shù)手段難以對圖像、文檔等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行有效管理和利用。

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

二、建設(shè)目標及方案

結(jié)合城市運營軌道交通結(jié)構(gòu)安全保障和健康維護的重大需求，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、移動全景攝影、精密工程測量等結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成和應(yīng)用，并通過數(shù)據(jù)分析和挖掘，輔助進行結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估和風險管理，為軌道交通運營維護保障行業(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)平臺運行的基礎(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，及后期升級擴展性和兼顧系統(tǒng)安全性。

（二）數(shù)據(jù)層

系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括各類測繪地理信息、工程勘察、設(shè)計施工圖紙等數(shù)據(jù)?；跍y繪、勘察和設(shè)計等行業(yè)標準，開發(fā)符合軌道交通運營全生命周期維護保障需求的數(shù)據(jù)存儲解決方案、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、影像發(fā)布與訪問等基礎(chǔ)應(yīng)用支撐服務(wù)。

（四）應(yīng)用層

系統(tǒng)需支持的監(jiān)測項包括：沉降、平面位移、傾斜、收斂、靜力水準等，增加對衛(wèi)星及低空遙感影像、移動全景攝影兩類數(shù)據(jù)源的支持。

本平臺分為兩個主要的子系統(tǒng)：

一是保護區(qū)巡查子系統(tǒng)。保護區(qū)巡查業(yè)務(wù)子系統(tǒng)為實時處理系統(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)臺帳和巡查成果目錄，并分配任務(wù)流程。

二是相鄰工程活動影響監(jiān)測信息管理子系統(tǒng)。監(jiān)護項目管理子系統(tǒng)為實時處理系統(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化傳感器和精密工程測量數(shù)據(jù)，用于隧道結(jié)構(gòu)安全的實時監(jiān)控、業(yè)務(wù)報表輸出、監(jiān)護項目日常管理等。廣域網(wǎng)用于接收傳感器數(shù)據(jù)和移動辦公管理，局域網(wǎng)用于查看涉密數(shù)據(jù)、項目管理和日常辦公。

本平臺產(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)實現(xiàn)采用業(yè)界主流開發(fā)技術(shù)，并且支持定制開發(fā)。

3.符合業(yè)主公司整體軟件接口開發(fā)有關(guān)技術(shù)規(guī)范和標準要求，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)符合開放的原則，具有良好的集成性，能夠方便地實現(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)級的Web Services，支持HTTP、WSDL、SOAP標準和協(xié)議。

三、實施過程及應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)容

項目實行項目負責人全面負責制，下設(shè)專業(yè)技術(shù)研發(fā)組、平臺開發(fā)與維護組和技術(shù)服務(wù)與市場推廣組。專業(yè)技術(shù)研發(fā)組主要負責專業(yè)業(yè)務(wù)的需求調(diào)研與分析，明確系統(tǒng)主要專業(yè)技術(shù)功能、數(shù)據(jù)處理方法、格式標準適用性、統(tǒng)計分析模型、風險評估算法等；平臺開發(fā)與維護組主要負責系統(tǒng)的開發(fā)工作，包括系統(tǒng)的概要設(shè)計、詳細設(shè)計、編碼測試、開發(fā)文檔編制等；技術(shù)服務(wù)與市場推廣組主要負責系統(tǒng)承擔對用戶的技術(shù)培訓(xùn)、支持和市場推廣。

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)合的精密測量、自動化監(jiān)測等傳統(tǒng)矢量數(shù)據(jù)管理，對接衛(wèi)星及無人機遙感、三維激光掃描等新型傳感多源海量數(shù)據(jù)管理，監(jiān)測報告智能輔助編制等。

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

3.結(jié)構(gòu)安全評估和風險預(yù)測: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)分析評估模型和風險源篩選規(guī)則，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的風險識別、安全評價與預(yù)測預(yù)警。

4.保護區(qū)安全風險巡查管理：集成移動網(wǎng)絡(luò)支持的GIS系統(tǒng)，分級加載地鐵線路及保護區(qū)數(shù)據(jù)，快速精準掌握地鐵位置，保證不漏巡、不多巡，科學(xué)布置巡查工作；集成GPS實時定位系統(tǒng)，連續(xù)記錄巡查人員軌跡信息，并實現(xiàn)地圖圈定違規(guī)影響范圍功能，通過GIS系統(tǒng)存檔，保證實物工作量追溯有依據(jù)。

四、建設(shè)成效

（一）技術(shù)創(chuàng)新

1.運營軌道交通結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接口標準。平臺支持衛(wèi)星和無人機遙感影像、地面全景、三維激光掃描、工況巡查、精密工程測量、多源自動化傳感器實時監(jiān)測等豐富數(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、靈活擴展的數(shù)據(jù)訪問接口。

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、傾斜等多源自動化傳感器感知技術(shù)，包含激光測距儀、傾角計、測量機器人、靜力水準、電水平尺、裂縫計等6大類設(shè)備；采用數(shù)據(jù)同步、通信協(xié)議、長連接技術(shù)，解決了傳統(tǒng)CS架構(gòu)的跨平臺遠程訪問的數(shù)據(jù)離散問題；支持多源數(shù)據(jù)的綜合分析，融合粗差剔除、數(shù)據(jù)異常識別、聯(lián)合平差數(shù)據(jù)處理算法。

3.基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)安全風險識別與評估技術(shù)。整合上海地鐵結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)資源（約5000萬條目錄），以“空中-地面-地下”感知數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合結(jié)構(gòu)安全評估模型和風險源篩選規(guī)則，開發(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，實現(xiàn)以數(shù)據(jù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)安全風險識別；開展了保護區(qū)巡查、長期監(jiān)測、保護區(qū)監(jiān)護項目等多源數(shù)據(jù)綜合分析的特色風險可視化應(yīng)用，幫助專業(yè)工程師拓展結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的理解和認知，并通過基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的分析方法獲得新的結(jié)構(gòu)安全風險洞察力。

4.基于多源感知數(shù)據(jù)融合的病害分析與形變預(yù)測。系統(tǒng)面向軌道交通運營維護，開發(fā)了主要功能包含數(shù)據(jù)查詢、工程類比、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)維護的融合分析模塊。集成了軌道交通結(jié)構(gòu)信息、測量監(jiān)護項目信息、周邊工程活動信息以及地質(zhì)勘察信息、區(qū)域環(huán)境信息等6大類信息，通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化及標準化處理，形成了包含6大項36個特征的軌道交通結(jié)構(gòu)變形預(yù)測樣本庫，并研發(fā)和融合了一套適用于隧道結(jié)構(gòu)變形預(yù)測的大數(shù)據(jù)分析模型，準確的預(yù)測和評估隧道未來的結(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)以標準接口、共享應(yīng)用工具為載體，連接上海軌道交通保護區(qū)全部監(jiān)護測量行業(yè)單位，支持“空中-地面-地下”等多類數(shù)據(jù)源，基于微服務(wù)架構(gòu)，開發(fā)web頁面、手機App、Excel數(shù)據(jù)管控助手和微信服務(wù)號等業(yè)務(wù)協(xié)作、數(shù)據(jù)共享和信息傳遞的工具，降低信息化的準入門檻，提高了工作效率，保證了傳統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的時效性，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)成果質(zhì)量控制的現(xiàn)場化、實時化和在線化，形成了地鐵保護區(qū)監(jiān)護監(jiān)測項目的“互聯(lián)網(wǎng)+”服務(wù)模式。

（二）管理效益

本平臺目前服務(wù)于上海地鐵監(jiān)護15個行業(yè)單位，管理了1000余個工程、2億余條數(shù)據(jù)，成果在國內(nèi)多個城市地鐵企業(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，滿足了地鐵維保“高精度、高效率、實時預(yù)報警” 管理要求，具有極為重要的意義與示范效應(yīng)。

本平臺中多源傳感器集成、激光掃描綜合檢測等關(guān)鍵技術(shù)，累計成功應(yīng)用于地鐵長期結(jié)構(gòu)監(jiān)測、地鐵保護區(qū)相鄰影響監(jiān)測等項目700余項，完成單線長近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)計使用壽命為100年，城市軌道交通投入運營后，隨著結(jié)構(gòu)性能的劣化及外部環(huán)境的影響，存在長期的安全監(jiān)控需求。本平臺基于多源大數(shù)據(jù)分析的集成與預(yù)警技術(shù)，有力規(guī)避了保護區(qū)施工對軌道交通結(jié)構(gòu)安全的風險，保障了軌道交通乃至城市運行的安全，社會效益顯著。

（三）經(jīng)驗總結(jié)

迫切的生產(chǎn)管理需求是系統(tǒng)平臺建設(shè)的源動力。本平臺的建設(shè)正是基于上海超大地鐵網(wǎng)路運維和監(jiān)護管理的迫切需求，由“建養(yǎng)并重”向以運營為主，迫切需求運維管理向數(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區(qū)管理能力及運營隧道結(jié)構(gòu)安全管控水平的提升，因此過程中能夠利用敏捷開發(fā)模式的進行迭代升級，務(wù)實嚴謹?shù)赝瓿善脚_的建設(shè)和長期運營，保證了系統(tǒng)平臺持續(xù)升級的源動力。

深度融合專業(yè)的信息新技術(shù)是系統(tǒng)平臺的生命力。本平臺的建設(shè)是軌道交通、測繪技術(shù)與信息技術(shù)進行深度融合的產(chǎn)物，立足于融入上海軌道交通保護區(qū)管理的成熟經(jīng)驗和技術(shù)，結(jié)合計算機和互聯(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)工程安全風險管控等進行建設(shè)。整個平臺經(jīng)歷了長時間專業(yè)人員使用及重大項目應(yīng)用的考驗，保持了源源不斷的生命力，居業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。

穩(wěn)定多專業(yè)融合的技術(shù)團隊是系統(tǒng)平臺的保障。本平臺在建設(shè)之初，便建立了集巖土工程、隧道工程、地理信息、計算機、信息化等多專業(yè)融合的開發(fā)團隊。整個團隊具備良好的技術(shù)、人才及軟硬件基礎(chǔ)，并長期穩(wěn)定，形成了獨立的自主研發(fā)優(yōu)勢，能夠完成“經(jīng)典勘察測量技術(shù)+互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”的深度融合，突破多項技術(shù)瓶頸，保障需求與技術(shù)的無縫鏈接，形成專業(yè)化的定制集成產(chǎn)品。