李 帥， 楊 柳， 劉 恒， 蒲玲玲

(1. 西南交通大學信息科學與技術(shù)學院，四川成都 611756；2. 西南交通大學唐山研究生院，河北唐山 063020； 3.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，陜西西安 710043；4.西南交通大學綜合交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室，四川成都 611756)

由于我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，進入21世紀以來，國內(nèi)的隧道數(shù)量不斷增加。所以，我國已是世界上隧道規(guī)模最大、數(shù)量最多、修建技術(shù)發(fā)展最快的國家[1]。我國的地勢復雜，這為我國的交通發(fā)展也帶來了許多困難。由于隧道能夠幫助解決我國在地勢復雜地區(qū)的各種交通問題。因此，現(xiàn)代高速公路、鐵路，遇到復雜地形和地質(zhì)條件時，可以采用隧道來解決，故我國的隧道需求越來越大。隧道能夠克服山嶺地區(qū)地形或高程的障礙，縮短公路里程，同時也對疏導交通起到積極的效應(yīng)[2]。

雖然目前我國隧道眾多，但是隧道在運營過程中，由于受到材料退化、極端天氣降雨導致的積水、地震導致的隧道洞口塌方，以及人為因素等影響，會發(fā)生隧道主體結(jié)構(gòu)的損壞和劣化[3]。

目前，對于隧道的健康監(jiān)測還有很大部分是采用傳統(tǒng)的監(jiān)測方式，即采用人工的檢測方式，對隧道中的傳感器進行定期的數(shù)據(jù)記錄。采用人工的方式對隧道進行檢測存在著許多的缺陷，同時效率低下。傳統(tǒng)的監(jiān)測方式已經(jīng)難以滿足早發(fā)現(xiàn)早預警的監(jiān)測要求[4]。隨著云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能等前沿信息技術(shù)的快速發(fā)展，針對隧道的健康監(jiān)測與這些前沿技術(shù)應(yīng)用結(jié)合的相關(guān)研究正如火如荼的進行著。在未來，隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測會向著更智能化、信息化、科技化的方向發(fā)展[5]。

本文主要講述了在科技飛速發(fā)展的今天，結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能等信息技術(shù)的監(jiān)測方法在隧道的健康監(jiān)測中的實際應(yīng)用，同時分析傳統(tǒng)隧道健康監(jiān)測的缺陷。

1 隧道健康監(jiān)測

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測最早由喬治·豪斯納在20世紀中期提出來的概念，距今已經(jīng)過去了幾十年。因為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測能夠在大型工程的修建期以及運營期提供極大的幫助，所以在各國政府以及科研機構(gòu)的大力推動下，在各種大型工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

“隧道健康監(jiān)測”這個概念自 1997 年提出到現(xiàn)在，已經(jīng)取得了階段性成功[6]。隧道是屬于隱蔽工程，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復雜性以及監(jiān)測上的各種困難等原因，在隧道領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測發(fā)展緩慢，且落后于其他領(lǐng)域的發(fā)展。

雖然結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在隧道的發(fā)展落后于其他工程領(lǐng)域，但仍是眾多國家政府以及科研機構(gòu)的熱點研究問題。所以，對于隧道健康監(jiān)測的的應(yīng)用理論和技術(shù)也是多種多樣。

隧道健康監(jiān)測的主要任務(wù)就是對隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集，再對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，得到可靠的結(jié)論，能夠隨時掌握隧道的結(jié)構(gòu)信息，為后續(xù)采取的各種防護措施提供堅實的基礎(chǔ)，同時為可能出現(xiàn)的各種危險情況進行預測，從而避免出現(xiàn)重大損失。

隨著科技的不斷發(fā)展，以及世界各國政府對隧道監(jiān)測的不斷重視，對于隧道健康監(jiān)測的發(fā)展也越來越快。從當初對于隧道監(jiān)測采用人工的方式進入隧道內(nèi)部檢測，到采用自動化傳感器設(shè)備對隧道進行監(jiān)測。隧道的監(jiān)測方式越來越先進，對于監(jiān)測的結(jié)果也越來越準確，這讓隧道監(jiān)測做出了更進一步的發(fā)展。

2 隧道監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國目前的隧道健康監(jiān)測方法，多為本地化部署。當需要對目標隧道進行檢測時，需要人工至隧道內(nèi)部，對隧道內(nèi)的每一個傳感器進行遍歷記錄數(shù)據(jù)，等檢測完畢后，再對所有的數(shù)據(jù)進行分析和計算，再將分析和計算后的結(jié)果錄入至計算機，做成報表，以供專家判斷和審核來確定結(jié)構(gòu)物的狀態(tài)。傳統(tǒng)的隧道監(jiān)測方法當面臨數(shù)據(jù)量大時，在分析和錄入數(shù)據(jù)時就容易出現(xiàn)失誤的情況，嚴重影響工作效率。

在數(shù)據(jù)分析方面，我國大多數(shù)的隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)把采集得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，再把分析得到的結(jié)果與標準值進行對比，從而判斷出此時隧道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息。這種方法存在著極大的弊端，因為是人工把分析得到的數(shù)據(jù)結(jié)果與標準值進行對比，存在著極大的主觀性，且沒有考慮隧道中監(jiān)測數(shù)據(jù)的儀器可能出現(xiàn)的問題，理論與實際相脫離。

我國在隧道監(jiān)測方面起步較晚，監(jiān)測項目通常為掌子面、圍巖、襯砌以及錨桿等[7]。這些傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)存在著極大的缺陷，例如成本高、監(jiān)測緩慢、監(jiān)測不實時等。

隨著近些年來，光纖技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)等一些尖端監(jiān)測技術(shù)發(fā)展成熟，這些技術(shù)也與隧道監(jiān)測慢慢結(jié)合了起來，使隧道健康監(jiān)測有了新的發(fā)展機遇。通過這些先進的監(jiān)測技術(shù)，可以讓監(jiān)測結(jié)果更加準確，達到隧道監(jiān)測的需要，為隧道工程的全天候、自動化遠程監(jiān)測創(chuàng)造了條件。

由于大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能等前沿信息技術(shù)的快速發(fā)展，隧道健康監(jiān)測與信息技術(shù)的結(jié)合也是一種新的發(fā)展趨勢，為隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測變得更加方便，監(jiān)測成本變低，以及對隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的預測提供了可能。

3 信息技術(shù)在隧道健康監(jiān)測的應(yīng)用

3.1 三維掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)在20世紀90年代中期出現(xiàn)，它利用了激光測距的原理發(fā)展而來，可以達到對物體面測量的目的。三維激光掃描技術(shù)通過記錄被測物體表面大量而密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，快速復建出被測目標的三維模型[8]。三維激光掃描技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)應(yīng)用于許多行業(yè)之中，例如大型工程的變形監(jiān)測、測量及安全評估，還可以應(yīng)用于文物的保護和三維可視化建模，以及數(shù)字化信息的提取，三維激光掃描技術(shù)在這些領(lǐng)域應(yīng)用中已經(jīng)取得了一些較好的成績。

三維激光掃描技術(shù)具有眾多的優(yōu)勢所在，不僅僅可以應(yīng)用在其他的工程建設(shè)上,該項技術(shù)還應(yīng)用在隧道工程建設(shè)及運營的過程中。它能夠精確對隧道的外表結(jié)構(gòu)進行測量，為結(jié)構(gòu)素描提供及時準確的數(shù)據(jù)。

所以，隧道健康監(jiān)測與三維激光掃描技術(shù)結(jié)合，對隧道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集，這也是目前隧道健康監(jiān)測發(fā)展方向之一。三維激光掃描技術(shù)還可以加快隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)采集速度，提高數(shù)據(jù)的準確性，降低操作強度，使隧道監(jiān)測變得更加科學與智能化。

馮發(fā)杰等[9]將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于隧道的變形分析, 提出基于KNNS-ICP拉近算法的變形分析方法。先對隧道的相同區(qū)域切片，再把拉近的切片數(shù)據(jù)進行分析，最后得出分析結(jié)果。

張麗等[10]針對地鐵隧道結(jié)構(gòu)特點，提出了一種基于新型移動式三維激光測量技術(shù)的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測方案。這種方案與傳統(tǒng)的三維激光掃描監(jiān)測隧道有很大的不同，該方案的硬件主要分為2個部分，分別是移動小車以及三維激光掃描儀，見圖1。

圖1 移動測量系統(tǒng)集成

通過在地鐵隧道移動來掃描隧道的二維斷面結(jié)構(gòu)信息，同時在前進的方向上采用螺旋的方式采集空間的三維數(shù)據(jù)。再通過自動化三維點云的系統(tǒng)軟件，對獲得的海量點云數(shù)據(jù)進行一系列處理，最后把監(jiān)測結(jié)果快速的輸出。這種監(jiān)測方式克服了以往傳統(tǒng)站式三維激光掃描儀許多弊端，例如點云拼接繁雜、監(jiān)測效率不高等等，具有更大的優(yōu)勢，且更加符合地鐵隧道的監(jiān)測需要。

目前，在我國的隧道健康監(jiān)測中，三維掃描技術(shù)已經(jīng)開始了推廣和應(yīng)用。它將會是未來隧道監(jiān)測的重要手段之一，隨著信息技術(shù)進程的加快, 三維掃描技術(shù)在隧道監(jiān)測中將會扮演著更加重要的角色, 為我國帶來更大的經(jīng)濟和社會效益。

3.2 傳感器技術(shù)

3.2.1 多傳感器監(jiān)測技術(shù)

所謂的多傳感器監(jiān)測技術(shù)，就是將多個傳感器結(jié)合使用來到達監(jiān)測的目的。首先，在需要監(jiān)測的工程項目中，把多個傳感器放置在不同的位置進行監(jiān)測，每個傳感器都擁有著自己的監(jiān)測范圍。當多個傳感器開始工作時，會把不同位置的傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匯總，然后再把匯總的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和處理，得到監(jiān)測的結(jié)果。

目前，多傳感器監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于隧道監(jiān)測也是一種發(fā)展方向。多傳感器監(jiān)測技術(shù)能夠避免單一傳感器的弊端，大大提高了隧道監(jiān)測的精度和效率。

柏文鋒等[11]采用多傳感器聯(lián)合的監(jiān)測方案可以對隧道結(jié)構(gòu)的變形情況進行自動化監(jiān)測，可以及時準確地獲取隧道結(jié)構(gòu)的位移變化規(guī)律，方案示意圖如圖2。

圖2 地鐵隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測方案示意

北京地鐵5號線的施工就通過運用遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)做了實時動態(tài)監(jiān)測[12]。多傳感器監(jiān)測技術(shù)的成功應(yīng)用，證明了該技術(shù)用于隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測的可行性，保證了其對于地鐵隧道監(jiān)測的有效及可靠。

3.2.2 光纖傳感技術(shù)

光纖傳感技術(shù)出現(xiàn)于1977年，隨著它的出現(xiàn)，已廣泛用于許多領(lǐng)域，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

光纖傳感器也具有眾多的優(yōu)勢，故光纖傳感技術(shù)在工程建筑的監(jiān)測方面得到了非常廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)對于光纖傳感器應(yīng)用在了各個方面。例如，可以通過光纖傳感器探測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷；三峽大壩壩前水溫監(jiān)測；在軍事上的應(yīng)用等等。所以，把光纖傳感技術(shù)與隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測相結(jié)合是一個很好的選擇。

光纖傳感技術(shù)的興起，給工程監(jiān)測領(lǐng)域提供了一類新的技術(shù)和手段，可以實現(xiàn)遠距離實時監(jiān)測[13]。這類監(jiān)測技術(shù)，是以光波為載體，通過光纖作為媒介，所以能夠達到遠距離監(jiān)測的目的。這種監(jiān)測技術(shù)具有許多其他監(jiān)測技術(shù)所沒有的優(yōu)勢，不僅抗干擾能力強、動態(tài)響應(yīng)快，還具有傳感合一的功能特點。

光纖傳感技術(shù)在盾構(gòu)隧道監(jiān)測中非常有效、便捷，具有廣泛的應(yīng)用前景[14]。把光纖傳感器安裝到隧道縱斷面時，光纖傳感器先加工完成，再安裝在新拼裝的管片頂部和管片底部，光纖傳感器中間部位錨固在管片之間的縱向拼裝接縫處，光纖傳感器在縱斷面上的布設(shè)位置示意見圖3。

圖3 傳感器在縱斷面上的布設(shè)位置示意

光纖傳感技術(shù)能夠滿足隧道中安全監(jiān)控測量的要求，還可以克服傳統(tǒng)監(jiān)測方式的缺陷，其發(fā)展能夠為隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)打下堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.3 邊緣計算

邊緣計算是一種分散式運算的架構(gòu)，和以往處理數(shù)據(jù)的技術(shù)不同。邊緣計算是將采集而來的數(shù)據(jù)，先在網(wǎng)絡(luò)邏輯的邊緣節(jié)點進行初步的計算處理，再把得到的結(jié)果再傳遞到中心節(jié)點進行處理。邊緣運算將原本完全由中心節(jié)點處理大型服務(wù)加以分解，把切分的服務(wù)交給分散的結(jié)點進行處理。

毛磊等[15]指出可以在隧道監(jiān)測中結(jié)合邊緣計算及5G來進行數(shù)據(jù)的處理，通過在信息源處應(yīng)用于邊緣計算對信息進行處理，再通過5G對處理過后的數(shù)據(jù)進行傳輸。通過這個方式可以讓冗余的數(shù)據(jù)在邊緣節(jié)點先進行計算處理，提取出有價值的信息，再把各個邊緣節(jié)點有價值的信息通過5G傳輸?shù)街行墓?jié)點，即可以減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，也可以利用5G來加快傳輸速率。

孫宏彬等[16]提出了結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和邊緣計算這2種技術(shù)，構(gòu)建分布式光纖傳感電纜隧道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框架。目前，邊緣計算結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)在隧道健康監(jiān)測的應(yīng)用也是一種新的研究方向，該系統(tǒng)結(jié)合了3層架構(gòu)而實現(xiàn)，見圖4。系統(tǒng)提出了一種基于移動邊緣計算的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方法，可以有效地減少數(shù)據(jù)傳輸時的能量損耗，為電纜隧道的運行提供了保障。

圖4 基于邊緣計算的物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)卸載傳輸體系結(jié)構(gòu)

通過上述分析，可知隧道監(jiān)測結(jié)合邊緣計算，可以減少需要傳遞的數(shù)據(jù)量，極大的提高了數(shù)據(jù)的傳遞效率、減少了延遲，減輕了中心節(jié)點的計算負擔，又可以保證采集到數(shù)據(jù)的可靠性。所以，邊緣計算非常適合于隧道監(jiān)測這種會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

3.4 云計算

云計算也稱之為云端運算，是一種互聯(lián)網(wǎng)上的資源利用新方式。云計算可以將用戶電腦中的運算功能以及存儲的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)放入“云”里面，即超級電腦中。用戶可以通過個人電腦進入云端，去處理數(shù)據(jù)資料。云計算的出現(xiàn)，可以讓應(yīng)用軟件高掛云端，不必搭配在用戶的電腦里，且不必分配專業(yè)人員進行維護，會由云服務(wù)提供商的專業(yè)團隊去解決。

隧道監(jiān)測與云計算的結(jié)合，已經(jīng)開始應(yīng)用于實際的監(jiān)測項目中了。楊金源[17]發(fā)明了一種基于云計算的公路隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)就是利用了云存儲平臺，把存儲系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)，放置在了云平臺內(nèi)，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)訪問云平臺內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時，該系統(tǒng)的其他功能模塊也都放置在了云平臺內(nèi)，例如數(shù)據(jù)接收功能模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等等。通過這種方式，極大的減輕了系統(tǒng)的存儲壓力，為隧道健康監(jiān)控提供了一種可參考的方向。

國內(nèi)的基康儀器公司基于云計算與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也開發(fā)出了一種智能隧道自動化檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)平臺是以集中式分區(qū)化的方式，為用戶提供有效的遠程監(jiān)控整體解決方案[18]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在隧道健康監(jiān)測中可以運用云計算技術(shù)來不僅僅減輕了監(jiān)測人員的維護壓力，還提高了對于隧道健康監(jiān)測的效率，讓監(jiān)測人員不必去擔心監(jiān)測系統(tǒng)軟件及硬件的各種問題，只需要負責對隧道的監(jiān)測即可。

3.5 大數(shù)據(jù)

隨著時代的進步，大數(shù)據(jù)的時代已經(jīng)到來，大數(shù)據(jù)的各種應(yīng)用也已經(jīng)滲透到了各個領(lǐng)域。對于大數(shù)據(jù)的處理也是必不可少的，所以大數(shù)據(jù)技術(shù)由此發(fā)展而來，為各個行業(yè)的發(fā)展提供了一個新的技術(shù)與思維角度。大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)將極大的推動社會科技的發(fā)展，國家對于大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展也越來越重視，大數(shù)據(jù)技術(shù)與各個行業(yè)的結(jié)合應(yīng)用也是一種新的研究方向。

大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠處理對各種類型的數(shù)據(jù)，無論是關(guān)系型數(shù)據(jù)還是非關(guān)系性數(shù)據(jù)。當需要處理的數(shù)據(jù)過于龐大而其中有價值的信息太少時候，就可以考慮使用大數(shù)據(jù)技術(shù)將冗余的數(shù)據(jù)進行處理，挖掘出其中有價值的信息，便于分析以及存儲。

AFK：是英文Away From Keyboard的縮寫，分別由英語“Away”、“From”、“Keyboard”的首字母組成，表示“不在電腦前”。

由于隧道在運營時期，每時每刻都會產(chǎn)生大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些監(jiān)測數(shù)據(jù)隨著時間的積累會越來越龐大，如果靠傳統(tǒng)的存儲技術(shù)及處理技術(shù)，不僅需要極高的成本，而且處理數(shù)據(jù)的效率也極其低下。所以大數(shù)據(jù)技術(shù)與隧道健康監(jiān)測的結(jié)合應(yīng)用是一種發(fā)展趨勢。

王少飛等[19]分析了隧道的大數(shù)據(jù)來源，然后提出構(gòu)建公路隧道大數(shù)據(jù)中心，見圖6。該大數(shù)據(jù)中心可以幫助運營時期隧道的管理者從各個方面去觀察監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而得出可靠的監(jiān)測結(jié)果。也為進一步隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的預測提供了堅實的后盾。

隧道運營的過程中，管理單位面臨著長期、繁重的養(yǎng)護任務(wù)，文獻[20]采用Tableau大數(shù)據(jù)分析軟件來解決上述問題。這個軟件從2個方面對隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，分別是隧道結(jié)構(gòu)的基本狀態(tài)情況和土建各結(jié)構(gòu)分項。通過對采集的隧道健康狀況的數(shù)據(jù)進行分析，可以得出其隧道變形程度，以此為隧道的養(yǎng)護工作提供參考。

文獻[21]利用大數(shù)據(jù)和WSN技術(shù)發(fā)明了一種公路隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由多個功能裝置組合而成，首先，它在隧道中起著采集數(shù)據(jù)的作用，然后再通過數(shù)據(jù)匯總裝置把所有的傳感器節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匯總處理，并發(fā)送給云存儲器，最后通過大數(shù)據(jù)處理裝置進行數(shù)據(jù)處理的工作。

張玉紅[22]基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，開發(fā)了一種隧道安全實時的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)統(tǒng)計出隧道的綜合安全系數(shù)，實現(xiàn)了對隧道的多方面安全監(jiān)測，具有可靠性高和準確性高的特點，有效保障了司乘人員的生命財產(chǎn)安全。

所以通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行存儲及處理不僅擴展了存儲空間還提高了數(shù)據(jù)的處理效率，為隧道的監(jiān)測及預測提供了安全性的保障。把大數(shù)據(jù)應(yīng)用在隧道監(jiān)測是一個重大的革新，極大的促進了我國隧道監(jiān)測的發(fā)展。

3.6 BIM技術(shù)

BIM的全稱叫做“建筑信息模型”，是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，建立的三維建筑模型。BIM是由美國的查克伊士曼所提出來的概念，經(jīng)過不斷的發(fā)展，如今已在世界范圍內(nèi)開始普遍使用。采用BIM技術(shù)，可以提高工程建筑的修建效率以及減少可能會出現(xiàn)的各種風險。國內(nèi)開始在本世紀初把BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑工程的領(lǐng)域，雖然我國開始應(yīng)用BIM技術(shù)的起步較晚，但由于眾多建筑工程的需要，故發(fā)展的速度很快。

隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)與隧道健康監(jiān)測的結(jié)合也是在所難免。采用BIM技術(shù)，大大減輕了管理人員的負擔，提高了隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測效率，讓隧道的監(jiān)測精細化、安全化、條理化，見圖7。BIM技術(shù)可以提高設(shè)計施工的質(zhì)量和效率，降低了工程造價和勞動強度，加強了不同工作方的協(xié)作程度[23]。

圖7 公路隧道的BIM顯示

黃廷等[24]建立了隧道BIM實施規(guī)劃及公路隧道BIM設(shè)備編碼規(guī)則，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于BIM的公路隧道運維系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了隧道的運營管理的可視化，可以讓不同專業(yè)的隧道管理人員也能直觀的觀察隧道的結(jié)構(gòu)信息，提高了管理人員的監(jiān)測隧道的效率，保證了隧道的運營。

李智[25]基于簡化 BIM 模型構(gòu)建綜合性運維和管控平臺，實現(xiàn)了公路隧道優(yōu)化管理、可視監(jiān)測和智能控制。田斌華[26]建立了基于 BIM 的隧道設(shè)備參數(shù)化方法，開發(fā)了一種 Revit 隧道設(shè)備控制參數(shù)可視化插件。

將BIM技術(shù)應(yīng)用到隧道工程中，可以為隧道的修建期以及運用期提供立體的模型，讓修建隧道的工程師以及運營的管理人員更清晰的了解目前隧道工程的狀態(tài)。

3.7 人工智能技術(shù)

人工智能在隧道監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，可以通過人工智能對處理過的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析、計算，對隧道未來一段時間的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行預測，就可以及時的發(fā)現(xiàn)險情，做出相應(yīng)的措施來進行避免。人工智能與隧道監(jiān)測的結(jié)合是未來的一種發(fā)展趨勢，下文為一些人工智能結(jié)合隧道健康監(jiān)測的例子。

孫鈞等[27]設(shè)計了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能預測方法，流程圖見圖8。該預測方法是通過3層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬人腦對隧道結(jié)構(gòu)以及周邊地表進行推演，預測的結(jié)果一般情況下與實際發(fā)生情況偏差極小，具有良好的穩(wěn)定性以及容錯性。

圖8 預測方法流程

通過這種方式進行預測，不僅僅是預測到當天所可能發(fā)生的情況，還可以預測到未來3～5天隧道結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)變化。通過預測，提前做出措施，可以避免重大的人員財產(chǎn)損失。

祝安龍等[28]為實現(xiàn)車站及大跨過渡段的安全建設(shè)，在八達嶺長城站建立了結(jié)合人工智能技術(shù)的隧道圍巖及結(jié)構(gòu)安全智能監(jiān)測系統(tǒng)。

方曉[29]利用遺傳算法優(yōu)化了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出一種基于深度學習的隧道襯砌裂縫自動識別算法，見圖9。由于隧道在運營過程中的圍巖變形是復雜的非線性過程，所以采用傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能會出現(xiàn)局部極值、依賴初值選擇等問題，故對傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過遺傳算法進行了優(yōu)化。優(yōu)化后的GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大大提高了計算能力，為隧道襯砌裂縫的預測提供了強有力的基礎(chǔ)。

圖9 隧道裂縫識別算法流程

盡管在我國人工智能的使用只有短短的是十幾年，但是，其在隧道工程中的運用得到了極快的發(fā)展。人工智能作為隧道工程中的使用工具，不僅僅扮演決策者的工具，還是人類設(shè)計師的助手。人工智能在隧道監(jiān)測方面的應(yīng)用，將使資源配置得到優(yōu)化，使工作效率得到有效提高。隧道監(jiān)測中的人工智能將會讓隧道的運營和監(jiān)控起到事半功倍的效果。

4 結(jié)論與展望

目前，隧道的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測仍有很大部分采用了傳統(tǒng)的監(jiān)測方式，即對隧道中的傳感器進行定期的數(shù)據(jù)記錄。采用人工的方式對隧道進行監(jiān)測存在著許多的缺陷，同時效率低下。

傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)和方法已經(jīng)不能夠完全滿足監(jiān)測的要求。一部分隧道的監(jiān)測技術(shù)采用數(shù)據(jù)整體收集，不再需要人工進入隧道，對隧道每一個設(shè)置監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)采集，在通過對隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)整體采集后，將采集后的數(shù)據(jù)進行分析，這樣可以減少由于數(shù)據(jù)量過于龐大而出現(xiàn)的失誤。

但隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的出現(xiàn)，將隧道的健康監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿科技已經(jīng)是不可避免的趨勢?；谏鲜鲅芯績?nèi)容，信息技術(shù)未來在隧道健康監(jiān)測主要有幾點重要研究方向。

(1)在邊緣計算方面，隧道監(jiān)測與邊緣計算的結(jié)合會不斷加深。邊緣計算與隧道監(jiān)測相結(jié)合能夠?qū)λ淼辣O(jiān)測的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。從而可以減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，同時還能夠?qū)π枰獋鬏數(shù)臄?shù)據(jù)進行加密處理，提高安全隱私保護。由于大大減少了需要傳輸數(shù)據(jù)的規(guī)模，還可以減少經(jīng)費預算。

(2)在云計算方面，因為運用云計算技術(shù)能夠減少工作人員對隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲花費過多精力以及財力。云計算的虛擬化可以解決隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲的問題，不需要花費更多的人力財力去關(guān)心數(shù)據(jù)的存儲?？梢酝ㄟ^云計算的虛擬平臺，每一個虛擬平臺則可以作為獨立的終端加入云端的分布式系統(tǒng)。所以結(jié)合云計算技術(shù)的隧道監(jiān)測，是未來隧道監(jiān)測的發(fā)展趨勢。

(3)在大數(shù)據(jù)方面，由于在隧道健康監(jiān)測的過程中會產(chǎn)生海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)中包含了許多冗余的信息，有價值的信息卻非常少。所以，可以通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對這些海量的數(shù)據(jù)先進行處理，提取出其中有價值的數(shù)據(jù)再進行存儲。

(4)BIM技術(shù)方面，BIM技術(shù)對于隧道運營時期的隧道健康監(jiān)測能夠提供極大的幫助。通過BIM技術(shù)，能夠把對隧道的各方面的監(jiān)測數(shù)據(jù)立體的呈現(xiàn)在監(jiān)測人員的面前，使對隧道的監(jiān)測更加準確，也提高了隧道監(jiān)測的數(shù)據(jù)的可視化。所以，隧道健康監(jiān)測結(jié)合BIM技術(shù)也是一種趨勢。

(5)在人工智能方面，大數(shù)據(jù)是人工智能的基礎(chǔ)，在擁有海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合人工智能技術(shù)的隧道監(jiān)測會變得更加智能且準確。同時由于人工智能的可學習性，隨著隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)隨著時間的積累，可以不斷提高隧道監(jiān)測結(jié)果的可靠性。目前，機器學習、深度學習等人工智能技術(shù)應(yīng)用于隧道監(jiān)測的例子也是越來越多。所以，把人工智能與隧道監(jiān)測結(jié)合是時代的潮流。

把這些前沿信息技術(shù)與隧道的健康監(jiān)測相結(jié)合，能夠克服目前隧道監(jiān)測的許多缺陷，使隧道健康監(jiān)測更加智能且準確，信息技術(shù)在隧道健康監(jiān)測的應(yīng)用是未來隧道監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的趨勢。