1、研究背景和項(xiàng)目來(lái)源
地鐵是一種在狹小空間內(nèi)快速載運(yùn)高度密集人群的交通裝備，空間狹小決定了其管理措施的難度和復(fù)雜性；高速運(yùn)轉(zhuǎn)更突顯了系統(tǒng)多方面協(xié)調(diào)配合的重要性，每一個(gè)系統(tǒng)每一個(gè)細(xì)節(jié)都可能是影響安全的因素；人口高度密集決定了軌道交通一旦發(fā)生事故就是巨大的危險(xiǎn)和災(zāi)難；軌道交通的安全與規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)各個(gè)階段密切關(guān)聯(lián)，又決定了軌道交通安全管理的系統(tǒng)性和整體性。這些因素都對(duì)地鐵的安全管理工作提出了新的挑戰(zhàn)，也同時(shí)說(shuō)明了城市軌道交通一旦發(fā)生安全事故，其后果是極其嚴(yán)重的。
結(jié)構(gòu)體的安全監(jiān)測(cè)包括隧道結(jié)構(gòu)侵蝕監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測(cè)和環(huán)境情況監(jiān)測(cè)，其中尤其是結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測(cè)非常重要，其監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要為沿縱向分布的隧道橫截面沉降、橫向位移和斷面的收斂變形。
地鐵隧道的結(jié)構(gòu)體發(fā)生過(guò)大的形變將時(shí)造成災(zāi)害，所采取的預(yù)防措施主要是進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)，并可分為施工階段和運(yùn)營(yíng)階段。為了同時(shí)提高隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間的安全性，需要可靠的檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理方法，而傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)由于建筑施工的干擾及檢測(cè)方式、設(shè)備所限，只能間斷性地進(jìn)行記錄，并且不適用于隧道完工之后隧道運(yùn)營(yíng)的監(jiān)測(cè)。在隧道施工過(guò)程中，利用儀器通過(guò)人工測(cè)量或自動(dòng)測(cè)量等方法可對(duì)隧道整體及斷面的形變進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察和監(jiān)控，然而這往往僅對(duì)確保隧道施工質(zhì)量有效。對(duì)于自動(dòng)測(cè)量方法，由于其自動(dòng)測(cè)量?jī)x器（全站儀）的價(jià)格很高難以全線(xiàn)布點(diǎn)，它的自動(dòng)測(cè)量一般僅對(duì)施工的推進(jìn)面有效，其基準(zhǔn)測(cè)量還需人工定期測(cè)量，因此并不適用于運(yùn)營(yíng)隧道的檢測(cè)，施工結(jié)束后，這些設(shè)備即撤離了現(xiàn)場(chǎng)，地鐵隧道投入營(yíng)運(yùn)之后，無(wú)法對(duì)隧道的形變進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控。
目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)隧道施工階段的監(jiān)測(cè)技術(shù)已比較成熟，而對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)期間的監(jiān)測(cè)重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。事實(shí)上，運(yùn)營(yíng)階段因時(shí)間跨度大、影響因素復(fù)雜、發(fā)生災(zāi)害后的社會(huì)影響大，因此運(yùn)營(yíng)隧道的健康監(jiān)測(cè)更應(yīng)重視。
對(duì)已建地鐵隧道的沉降觀測(cè)資料研究發(fā)現(xiàn)，處于軟土地層中的隧道在長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)中，一般都會(huì)持續(xù)增大縱向沉降，該沉降為總沉降量的主要部分。隧道不均勻沉降會(huì)使隧道產(chǎn)生彎曲變形影響軌道的平整和乘客的舒適性，并導(dǎo)致隧道接縫張開(kāi)，從而進(jìn)一步加劇滲透，甚至漏泥，對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)、接頭和正常運(yùn)營(yíng)造成威脅。因此必須重視隧道結(jié)構(gòu)體在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中的沿縱向的整體形變，并從設(shè)計(jì)、施工、工程防治、周?chē)h(huán)境的影響等方面予以綜合管理與控制。
運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的形變包括隧道縱軸線(xiàn)沿橫斷面的位移及隧道橫斷面形狀的變化，當(dāng)隧道形變過(guò)大時(shí)將影響地鐵安全運(yùn)營(yíng)。本項(xiàng)目立項(xiàng)的目的就是研制運(yùn)營(yíng)隧道形變檢測(cè)分析系統(tǒng)，根據(jù)隧道形變的漸變性及長(zhǎng)期性，采集隧道形變實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并建立長(zhǎng)時(shí)段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間及空間的融合，為實(shí)現(xiàn)隧道形變的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布并建立隧道變形預(yù)警機(jī)制做好前期的準(zhǔn)備工作。本課題屬于軌道交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)安全綜合技術(shù)研究與應(yīng)用的重要組成部分。
2、主要研究?jī)?nèi)容
針對(duì)本課題，項(xiàng)目組已經(jīng)進(jìn)行了大量前期基礎(chǔ)研究工作?；诙嘟M立體相機(jī)和近景攝影測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)了建筑物模型的變形監(jiān)測(cè)?；谲?chē)載多傳感器移動(dòng)空間數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了GPS、INS、CCD立體相機(jī)、激光掃描等傳感器的集成與處理。隧道安全監(jiān)測(cè)采集車(chē)是近景立體攝影測(cè)量、全景相機(jī)和斷面掃等空間多傳感器網(wǎng)絡(luò)集成與數(shù)據(jù)融合，配以數(shù)據(jù)管理與實(shí)時(shí)發(fā)布的成功范例，在空間多傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的支撐下，實(shí)現(xiàn)了精度達(dá)5mm的定位精度，為該科研計(jì)劃的順利進(jìn)行與圓滿(mǎn)成功提供強(qiáng)有力支持。
根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)和內(nèi)容組成，該項(xiàng)目研究主要可以分為三個(gè)部分：
A. 隧道整體變形檢測(cè)：研究采用網(wǎng)絡(luò)化智能圖像傳感器進(jìn)行運(yùn)營(yíng)地鐵隧道形變?yōu)暮ΡO(jiān)測(cè)。主要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化智能圖像傳感器研究、智能圖像傳感器姿態(tài)自穩(wěn)定裝置研究、研究通過(guò)圖像分析處理獲得基準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)位移數(shù)據(jù)及采用數(shù)據(jù)融合及聯(lián)合平差理論處理傳感器網(wǎng)絡(luò)的序列影像實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量、傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)、三維隧道形變圖像建模和變形預(yù)警等。
B. 隧道局部（斷面）變形檢測(cè)：研制隧道斷面變形測(cè)量監(jiān)測(cè)儀。依據(jù)前一部分的成果，建立隧道軸線(xiàn)定位基準(zhǔn)的傳遞系統(tǒng)，為隧道斷面變形測(cè)量?jī)x提供精確的測(cè)量基準(zhǔn)，由隧道斷面變形測(cè)量?jī)x對(duì)隧道全面進(jìn)行掃描監(jiān)測(cè)，提供更加全面、豐富的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行隧道變形狀態(tài)的精準(zhǔn)分析診斷。
C. 建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)發(fā)布隧道變形信息：存儲(chǔ)及處理隧道整體變形及斷面變形測(cè)量數(shù)據(jù)，形成預(yù)警機(jī)制，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。
本項(xiàng)目主要研究采用網(wǎng)絡(luò)化智能圖像傳感器對(duì)一個(gè)試驗(yàn)區(qū)間中的運(yùn)營(yíng)隧道的縱軸線(xiàn)變形進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，建立隧道橫向整體位移在空間及時(shí)間上的分布規(guī)律，通過(guò)形變分析初步建立起隧道變形狀況的預(yù)警機(jī)制，并建立隧道軸線(xiàn)定位基準(zhǔn)的傳遞系統(tǒng)，為車(chē)載隧道斷面變形測(cè)量?jī)x提供精確的測(cè)量基準(zhǔn)。
在本項(xiàng)目中，首次提出以網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道形變進(jìn)行在線(xiàn)式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)隧道變形數(shù)據(jù)分析隧道變形狀況，及時(shí)預(yù)報(bào)隧道變形狀況不良引起的災(zāi)害。
同時(shí)以它為基礎(chǔ)進(jìn)行隧道軸線(xiàn)定位基準(zhǔn)的傳遞，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)采用隧道斷面變形測(cè)量?jī)x進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
這是一種新的非接觸式實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方法的不足。它采用非接觸、實(shí)時(shí)在線(xiàn)方式，全面獲取結(jié)構(gòu)體信息，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合，試驗(yàn)成本低，過(guò)程可重復(fù)，具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高精度的特點(diǎn)，能提高局部監(jiān)測(cè)的精度和時(shí)空上整體監(jiān)測(cè)分析的能力。
圖像傳感器以一定的間距分布于隧道斷面的頂部或側(cè)面，在每個(gè)斷面上設(shè)置一個(gè)或多個(gè)圖像傳感器，所有傳感器組成一個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，由各站的監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和初步分析，再通過(guò)站間的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)全線(xiàn)路隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警。目前，這種集成影像和傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)和系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)報(bào)道。
3、主要研究成果
創(chuàng)新點(diǎn)
?。?） 首次提出基于圖像分析的隧道形變監(jiān)測(cè)和定位基準(zhǔn)傳遞的方案和理論。實(shí)現(xiàn)隧道整體變形的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。
?。?） 設(shè)計(jì)了一套基于圖像測(cè)量技術(shù)的針對(duì)隧道變形在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的智能圖像傳感器系統(tǒng)。
?。?） 設(shè)計(jì)了一套集激光測(cè)距、緊密轉(zhuǎn)角控制、電子傾角測(cè)量等為一體的斷面掃描檢測(cè)車(chē)。
（4） 提出了一種對(duì)智能圖像傳感器姿態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，解決了由于傳感器姿態(tài)引入的測(cè)量誤差。
?。?） 提出了一套多種傳感器多點(diǎn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理方法。
?。?） 提出了智能圖像傳感器的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定及維護(hù)保養(yǎng)更換的可行方法。
?。?） 制定了適合隧道在線(xiàn)檢測(cè)多傳感器信息交換，滿(mǎn)足多傳感器同步性要求的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。
通過(guò)該項(xiàng)目的研究構(gòu)建了圖像傳感器陣列和斷面變形測(cè)量?jī)x的多傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)自檢校的專(zhuān)用傳感器標(biāo)定框架，實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步。解決了多傳感器數(shù)據(jù)融合的高精度聯(lián)合處理算法，實(shí)現(xiàn)基于立體序列影像的監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的高精度計(jì)算。開(kāi)發(fā)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于多傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成上海試驗(yàn)區(qū)間隧道實(shí)地監(jiān)測(cè)示范。
表1 專(zhuān)利成果一覽表
序號(hào)
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專(zhuān)利及著作權(quán)
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類(lèi)別
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1
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CCD光學(xué)傳感器隧道形變檢測(cè)裝置
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實(shí)用新型
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2
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車(chē)載式激光掃描隧道斷面形變檢測(cè)車(chē)
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實(shí)用新型
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3
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車(chē)載式激光掃描隧道斷面形變檢測(cè)車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)
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實(shí)用新型
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4
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智能圖像采集終端布圖
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發(fā)明
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5
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激光掃描儀隧道斷面形變檢測(cè)技術(shù)
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實(shí)用新型
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6
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CCD光學(xué)傳感器應(yīng)用于隧道形變鏡頭姿態(tài)誤差消減技術(shù)
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發(fā)明
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7
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復(fù)雜背景的圖像提取方法
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軟件著作權(quán)
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8
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隧道形變檢測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)
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軟件著作權(quán)
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4、應(yīng)用前景與效益預(yù)測(cè)
1）社會(huì)效益
本項(xiàng)目提出的多傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠快速捕捉隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)形變、對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)分析和預(yù)警發(fā)布。因此，應(yīng)用該技術(shù)在隧道結(jié)構(gòu)的安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)，指導(dǎo)和改進(jìn)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，在減輕災(zāi)害損失、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定等方面具有重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。
2）經(jīng)濟(jì)效益
本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的多傳感器網(wǎng)絡(luò)集成、監(jiān)測(cè)、分析和發(fā)布技術(shù)應(yīng)用于隧道結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，具有試驗(yàn)成本低，非接觸、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高精度、預(yù)警發(fā)布等特點(diǎn)。以相對(duì)來(lái)說(shuō)非常小的代價(jià)提供傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法無(wú)可比擬的能力，監(jiān)測(cè)分析結(jié)果用于調(diào)整隧道施工與運(yùn)營(yíng)，避免對(duì)于軌道交通運(yùn)營(yíng)過(guò)程中碰到的安全問(wèn)題，可以產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益。
有望在隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的實(shí)用技術(shù)創(chuàng)新方面取得突破，為形成隧道結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)、評(píng)價(jià)的技術(shù)體系奠定基礎(chǔ)，在該領(lǐng)域獲得一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)、方法和實(shí)用系統(tǒng)，具有重大的應(yīng)用價(jià)值。
