地鐵隧道變形自動檢測系統(tǒng)研究-科研成果小結.doc

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地鐵隧道變形自動檢測系統(tǒng)研究 主要完成單位：上海地鐵盾構設備工程有限公司 同濟大學 主要完成人員：何自強、張 恒、史海舟、周奇才、熊肖磊、陳傳林、趙炯、呂 強、李 炯 1、研究背景和項目來源 地鐵是一種在狹小空間內快速載運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雜性；高速運轉更突顯了系統(tǒng)多方面協(xié)調配合的重要性，每一個系統(tǒng)每一個細節(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和災難；軌道交通的安全與規(guī)劃、建設、運營各個階段密切關聯(lián)，又決定了軌道交通安全管理的系統(tǒng)性和整體性。這些因素都對地鐵的安全管理工作提出了新的挑戰(zhàn)，也同時說明了城市軌道交通一旦發(fā)生安全事故，其后果是極其嚴重的。 結構體的安全監(jiān)測包括隧道結構侵蝕監(jiān)測、結構形變監(jiān)測、結構內力監(jiān)測和環(huán)境情況監(jiān)測，其中尤其是結構形變監(jiān)測非常重要，其監(jiān)測內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。 地鐵隧道的結構體發(fā)生過大的形變將時造成災害，所采取的預防措施主要是進行形變監(jiān)測，并可分為施工階段和運營階段。為了同時提高隧道建設及運營期間的安全性，需要可靠的檢測和數(shù)據(jù)處理方法，而傳統(tǒng)的測量技術由于建筑施工的干擾及檢測方式、設備所限，只能間斷性地進行記錄，并且不適用于隧道完工之后隧道運營的監(jiān)測。在隧道施工過程中，利用儀器通過人工測量或自動測量等方法可對隧道整體及斷面的形變進行實時觀察和監(jiān)控，然而這往往僅對確保隧道施工質量有效。對于自動測量方法，由于其自動測量儀器（全站儀）的價格很高難以全線布點，它的自動測量一般僅對施工的推進面有效，其基準測量還需人工定期測量，因此并不適用于運營隧道的檢測，施工結束后，這些設備即撤離了現(xiàn)場，地鐵隧道投入營運之后，無法對隧道的形變進行檢測和監(jiān)控。 目前，國內外針對隧道施工階段的監(jiān)測技術已比較成熟，而對隧道運營期間的監(jiān)測重視程度遠遠不夠。事實上，運營階段因時間跨度大、影響因素復雜、發(fā)生災害后的社會影響大，因此運營隧道的健康監(jiān)測更應重視。 對已建地鐵隧道的沉降觀測資料研究發(fā)現(xiàn)，處于軟土地層中的隧道在長期的運營中，一般都會持續(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，并導致隧道接縫張開，從而進一步加劇滲透，甚至漏泥，對隧道的結構、接頭和正常運營造成威脅。因此必須重視隧道結構體在長期運營中的沿縱向的整體形變，并從設計、施工、工程防治、周圍環(huán)境的影響等方面予以綜合管理與控制。 運營地鐵隧道的形變包括隧道縱軸線沿橫斷面的位移及隧道橫斷面形狀的變化，當隧道形變過大時將影響地鐵安全運營。本項目立項的目的就是研制運營隧道形變檢測分析系統(tǒng)，根據(jù)隧道形變的漸變性及長期性，采集隧道形變實時數(shù)據(jù)并建立長時段基礎數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進行時間及空間的融合，為實現(xiàn)隧道形變的網(wǎng)絡發(fā)布并建立隧道變形預警機制做好前期的準備工作。本課題屬于軌道交通網(wǎng)絡運營安全綜合技術研究與應用的重要組成部分。 2、主要研究內容 針對本課題，項目組已經(jīng)進行了大量前期基礎研究工作。基于多組立體相機和近景攝影測量原理，實現(xiàn)了建筑物模型的變形監(jiān)測?；谲囕d多傳感器移動空間數(shù)據(jù)采集設備，實現(xiàn)了GPS、INS、CCD立體相機、激光掃描等傳感器的集成與處理。隧道安全監(jiān)測采集車是近景立體攝影測量、全景相機和斷面掃等空間多傳感器網(wǎng)絡集成與數(shù)據(jù)融合，配以數(shù)據(jù)管理與實時發(fā)布的成功范例，在空間多傳感器網(wǎng)絡等技術的支撐下，實現(xiàn)了精度達5mm的定位精度，為該科研計劃的順利進行與圓滿成功提供強有力支持。 根據(jù)項目的特點和內容組成，該項目研究主要可以分為三個部分： A. 隧道整體變形檢測：研究采用網(wǎng)絡化智能圖像傳感器進行運營地鐵隧道形變?yōu)暮ΡO(jiān)測。主要進行網(wǎng)絡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、研究通過圖像分析處理獲得基準點相對位移數(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)絡的序列影像實現(xiàn)高精度測量、傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)技術、三維隧道形變圖像建模和變形預警等。 B. 隧道局部（斷面）變形檢測：研制隧道斷面變形測量監(jiān)測儀。依據(jù)前一部分的成果，建立隧道軸線定位基準的傳遞系統(tǒng)，為隧道斷面變形測量儀提供精確的測量基準，由隧道斷面變形測量儀對隧道全面進行掃描監(jiān)測，提供更加全面、豐富的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便進行隧道變形狀態(tài)的精準分析診斷。 C. 建立空間數(shù)據(jù)庫存儲發(fā)布隧道變形信息：存儲及處理隧道整體變形及斷面變形測量數(shù)據(jù)，形成預警機制，并通過網(wǎng)絡發(fā)布。 本項目主要研究采用網(wǎng)絡化智能圖像傳感器對一個試驗區(qū)間中的運營隧道的縱軸線變形進行實時檢測，建立隧道橫向整體位移在空間及時間上的分布規(guī)律，通過形變分析初步建立起隧道變形狀況的預警機制，并建立隧道軸線定位基準的傳遞系統(tǒng)，為車載隧道斷面變形測量儀提供精確的測量基準。 在本項目中，首次提出以網(wǎng)絡傳感器技術和圖像識別技術為基礎對運營地鐵隧道形變進行在線式實時監(jiān)測，根據(jù)隧道變形數(shù)據(jù)分析隧道變形狀況，及時預報隧道變形狀況不良引起的災害。 同時以它為基礎進行隧道軸線定位基準的傳遞，為進一步實現(xiàn)采用隧道斷面變形測量儀進行隧道結構安全監(jiān)測，提供基礎數(shù)據(jù)。 這是一種新的非接觸式實時安全監(jiān)測技術，能彌補傳統(tǒng)結構監(jiān)測方法的不足。它采用非接觸、實時在線方式，全面獲取結構體信息，基于計算機網(wǎng)絡通信技術實現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合，試驗成本低，過程可重復，具有實時、動態(tài)、高精度的特點，能提高局部監(jiān)測的精度和時空上整體監(jiān)測分析的能力。 圖像傳感器以一定的間距分布于隧道斷面的頂部或側面，在每個斷面上設置一個或多個圖像傳感器，所有傳感器組成一個監(jiān)測網(wǎng)絡，由各站的監(jiān)測計算機進行數(shù)據(jù)采集和初步分析，再通過站間的計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)對全線路隧道進行實時監(jiān)測預警。目前，這種集成影像和傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)隧道結構的安全監(jiān)測技術和系統(tǒng)在國內外還未見報道。 3、主要研究成果 創(chuàng)新點 （1） 首次提出基于圖像分析的隧道形變監(jiān)測和定位基準傳遞的方案和理論。實現(xiàn)隧道整體變形的在線監(jiān)測。 （2） 設計了一套基于圖像測量技術的針對隧道變形在線監(jiān)測的智能圖像傳感器系統(tǒng)。 （3） 設計了一套集激光測距、緊密轉角控制、電子傾角測量等為一體的斷面掃描檢測車。 （4） 提出了一種對智能圖像傳感器姿態(tài)進行補償?shù)姆椒?，解決了由于傳感器姿態(tài)引入的測量誤差。 （5） 提出了一套多種傳感器多點長期監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理方法。 （6） 提出了智能圖像傳感器的現(xiàn)場標定及維護保養(yǎng)更換的可行方法。 （7） 制定了適合隧道在線檢測多傳感器信息交換，滿足多傳感器同步性要求的網(wǎng)絡通信協(xié)議。 通過該項目的研究構建了圖像傳感器陣列和斷面變形測量儀的多傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)，設計自檢校的專用傳感器標定框架，實現(xiàn)高精度時間同步。解決了多傳感器數(shù)據(jù)融合的高精度聯(lián)合處理算法，實現(xiàn)基于立體序列影像的監(jiān)測點坐標的高精度計算。開發(fā)了自主知識產(chǎn)權的基于多傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡的隧道結構安全監(jiān)測系統(tǒng)，完成上海試驗區(qū)間隧道實地監(jiān)測示范。 表1 專利成果一覽表 序號 專利及著作權 類別 1 CCD光學傳感器隧道形變檢測裝置 實用新型 2 車載式激光掃描隧道斷面形變檢測車 實用新型 3 車載式激光掃描隧道斷面形變檢測車機械結構 實用新型 4 智能圖像采集終端布圖 發(fā)明 5 激光掃描儀隧道斷面形變檢測技術 實用新型 6 CCD光學傳感器應用于隧道形變鏡頭姿態(tài)誤差消減技術 發(fā)明 7 復雜背景的圖像提取方法 軟件著作權 8 隧道形變檢測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) 軟件著作權 4、應用前景與效益預測 1）社會效益 本項目提出的多傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測技術，能夠快速捕捉隧道內結構形變、對監(jiān)測結果實時分析和預警發(fā)布。因此，應用該技術在隧道結構的安全進行監(jiān)測，指導和改進相關的設計規(guī)范，在減輕災害損失、維護社會穩(wěn)定等方面具有重要作用，具有廣闊的應用前景。 2）經(jīng)濟效益 本項目開發(fā)的多傳感器網(wǎng)絡集成、監(jiān)測、分析和發(fā)布技術應用于隧道結構的安全監(jiān)測技術，具有試驗成本低，非接觸、實時、動態(tài)、高精度、預警發(fā)布等特點。以相對來說非常小的代價提供傳統(tǒng)監(jiān)測方法無可比擬的能力，監(jiān)測分析結果用于調整隧道施工與運營，避免對于軌道交通運營過程中碰到的安全問題，可以產(chǎn)生重大的經(jīng)濟效益。 有望在隧道結構安全監(jiān)測的實用技術創(chuàng)新方面取得突破，為形成隧道結構的可靠性設計、分析、試驗、評價的技術體系奠定基礎，在該領域獲得一批具有自主知識產(chǎn)權的技術、方法和實用系統(tǒng)，具有重大的應用價值。