测量机器人在地铁隧道健康监测中的应用

韩博,刘双承

信息产业部电子综合勘察研究院 陕西西安 710000

摘要：随着新技术的发展，特别是云计算以及大数据概念的推广，隧道健康监测工程可描述成一个大数据采集分析过程。隧道健康监测系统是基于大数据分析概念而开发的，其将“量大、多样、高复杂度”的隧道结构化和非结构化数据，在分布式技术、云数据库技术、云计算模式的支持下对数据提取、存储、管理、分析，获取隧道系统及隧道环境系统的综合状态，对隧道的使用性能和风险控制进行智能化管理，提供准确的管养决策支持。

关键词：测量机器人；自动化；健康监测

引言

由于隧道可以缩短里程、保护环境、改善线形、改善公路通车条件，因此，现代高速公路，遇到复杂地形和地质条件，大都采用隧道建筑。而隧道是在地下的隐蔽工程，地下地质条件复杂，存在许多潜在、无法预知的地质因素，属于线状工程，有的规模较大，可长达几公里数十公里，往往穿越许多不同的环境空域和时域，工程条件往往比较复杂，有时环境十分恶劣，稍有不甚，就会造成塌方、沉陷、突泥涌水、支护结构变形、人员和设备伤害等，进而严重影响隧道安全。为了确保隧道工程安全、及时预报险情，故对隧道工程的安全和稳定状态的监测和评估十分重要，主要为通过监测手段了解隧道运营情况，建立的监测系统对隧道工程监测、评估和预测以趋利避害，已成为现代隧道工程发展的迫切需求。笔者通过西安某地铁线路隧道监测实例，经分析对比、不断优化，最终确定了技术可行、经济合理的隧道健康监测方案。

监测方案

1.监测目的

通过地铁自动化监测系统，掌握车站结构在三维方向的局部范围和隧道整体的变形监测数据信息，并提供轨道是否偏移和隧道轴线是否变位的监测数据，具体如下：

⑴通过对地铁既有结构的监测，指导施工。

⑵通过对施工全过程中地铁既有结构的监测，将既有结构的变形控制在一定安全范围内；通过对监测数据的相关分析和信息反馈，掌握施工过程中结构受力与变形的关系，及时修正设计和指导施工，对施工过程进行有效的预测和控制，优化施工工序和调整施工措施。

⑶引进先进的信息化施工技术，对施工全过程中地铁既有结构进行实时监测，确保施工效果，施工安全及提高施工工艺水平。

⑷通过监测工作的实施，掌握新建工程对既有线的影响，为建设方及运营方提供及时可靠的数据和信息，评定新建工程对既有线结构和轨道的影响，为及时判断既有线结构安全和运营安全状况提供依据，对可能发生的事故提供及时、准确的预报，使有关各方有时间做出反应，避免恶性事故的发生，确保既有线安全运营。

2.监测项目

本次监测项目包含：竖向位移、水平位移、相对收敛、结构裂缝、道床及轨道变位。

3.监测频次及监测周期

自动化监测设备可全天24小时无人值守，全天侯、实时同步三维地获取了大量监测数据。监测时间段为每日每隔1小时采集一次数据（受地铁运营影响，自动化设备主要采集时间段为24：00-05:00），每隔1小时进行后方交会设站，更新设站坐标。

4.监测周期

依据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T202-2013）7.3.2条，城市轨道交通结构的的监测周期，应从测定监测项目初始值开始，至外部作业完成且监测数据趋于稳定（最后100d变形速率不大于0.04mm/d时视为稳定）后结束。

5.监测初始值采集要求

自动化区域数据采集不少于3天，监测测回数为4个测回，取3天内所有稳定数据求平均值作为初始值，并进行报验。

6.自动化监测系统

6.1自动化监测系统构成

自动监测系统主要由如下四个单元构成：监测设备、参考系、变形体和控制设备。其中，监测设备由测量机器人、地铁结构变形自动化监测系统软件和监测控制房组成；参考系由基准点组成；变形体由变形监测点组成；控制设备由工控机及远程控制电脑组成。

6.2自动监测系统工作流程概述

系统工作流程可概括为：首先建立计算机和测量机器人的通信，将计算机的串口通信参数设置成与测量机器人一致，然后对测量机器人进行初始化，此外进行测站及控制限差的设置，所有设置完毕后便进行学习测量，也可以直接导入学习测量数据执行自动观测任务，接下来设置点组和定时器，根据点位的重要性以及监测频率将相同的观测点纳入同一点组，定时器是用来控制仪器的观测周期，最后便是进行自动观测，一周期观测完毕后软件便对原始观测数据进行差分处理，得到各变形点的三维坐标、变形量及变形曲线图，根据设置软件还可以将原始观测数据及差分处理后数据通过报警模块发送至联系人。

6.3监测数据采集

⑴多测项、多传感器融合管理功能

随着现代科学技术的不断发展与进步， 各类传感器的性能及应用领域得到不断扩展与发展。传统的单一传感器受到技术的限制捕获得到的信息往往无法达到高度准确、高度完全及精确的要求，在采集信息方面也表现出其单一性，极易造成信息偏差及错误等现象，无法满足变形监测的要求。为了更可靠的监测出目标的变形情况，就必须多个传感器同时采集信息，弥补了传统的单一传感器中的不足，实现信息采集多面化。本监测系统为了更多地适应不同项目需求，尽量把终端监测设备及其接口做到标准化，自动化。并且在系统接口方面提供多种API接口，可供第三方传感器的接入。

⑵多信息管理功能

报告需要由数据、图片、曲线、CAD图、地图等信息组成，如此就需要系统对这些数据进行管理分类，以方便后续的自动化在线报告生成提供基础。

⑶目标属性管理功能

监测目标类型繁多，从属关系较为复杂，系统可以对监测类型进行分类，并对不同类型设置不同的目标。

⑷自检、自诊断功能

单片机工作原理的传感器相对简单，运行起来就相对稳定，但是自带系统的仪器，比如全站仪，GNSS，就可能会有死机的情况出现，如此就需要有能远程对仪器自身的工作性态进行检查，对发生死机的仪器进行自动重启，对故障的仪器应自动报警。

GPRS长时间的与信号塔相连的情况，也会出现连接断开的情况，本监测系统会每隔3分钟检查数据连接，断开就会自动重启并重连，保证数据链稳定。

⑸供电一体化及断电保护

现场的数据采集装置设有储存器和掉电保护模块，能暂存已经采集的数据，并在掉电情况下不丢失数据。系统设有备用电源，在断电情况下，系统应能自动切换，并继续工作一段时间，具体持续工作时间能满足工程的要求，一般在7天以上。

结语

经实际检验，本次监测能够符合监测要求，为业主方提供了真实可靠的监测数据，确保了隧道和地铁的运营安全，取得了良好的经济和社会效益。

参考文献：

[1]CJJ/T202-2013. 《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[S]

[2]GB 50026-2020. 《工程测量标准》[S]

[3]蒋晨，测量机器人在线控制及其在地铁隧道自动化监测中的应用[J].中国矿业大学，2015