軌道交通地下工程建筑安全檢測系統(tǒng)技術(shù)研究

田玉冬，王廣勛，高建洪

(1.蘇州科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，蘇州 215009；2.上海交通大學(xué) 能源研究院，上海 200030)

軌道交通地下工程建筑安全檢測系統(tǒng)技術(shù)研究

田玉冬1，2，王廣勛1，高建洪1

(1.蘇州科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，蘇州 215009；2.上海交通大學(xué) 能源研究院，上海 200030)

城市軌道交通地下工程建筑安全檢測是軌道交通安全工程領(lǐng)域的一個重要研究方向。本文分析城市軌道交通地下工程建筑安全檢測的目標(biāo)和內(nèi)容，設(shè)計安全檢測系統(tǒng)，給出工作原理和技術(shù)方法，并對安全檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理、技術(shù)實現(xiàn)和設(shè)計特點進行詳細(xì)研究。

軌道交通；地下工程；建筑安全；檢測系統(tǒng)；技術(shù)研究

隨著國民經(jīng)濟的快速增長，我國城市軌道交通得到了大力發(fā)展，建設(shè)速度驚人[1]。自1969年我國第一條地鐵在北京建成通車后，城市軌道交通在天津、上海、廣州、深圳、南京等城市相繼建成和投運[2]。到2014年底，我國有城市軌道交通的城市已達22個，線路101條，長度3 155 km。在營運的北京、上海、廣州等大都市，日均客流量已超過100萬[3]。在上下班和節(jié)假日高峰擁堵時，城市軌道交通以其安全、快速和準(zhǔn)確等特點，已成為人們出行的首選交通方式之一。

在不斷增長的城市大客流量面前，城市軌道交通在推動城市發(fā)展的同時，也對環(huán)境和建筑產(chǎn)生了一定的影響，這給城市生態(tài)環(huán)境和人們的安全帶來了新的問題和挑戰(zhàn)[4]。目前，不少地區(qū)城市軌道交通地下建筑安全問題和地面沉降、地質(zhì)裂縫、地洞等地質(zhì)災(zāi)害及其次生問題不斷發(fā)生，浪費了大量的人力和物力[5]。事實上，自地鐵誕生之日起，地鐵建筑支護檢測和修補便開始了，地鐵對環(huán)境和建筑的危害就一直沒有間斷過，充分暴露出城市軌道交通地下建筑環(huán)境安全和控制措施的不足，因此，對城市軌道交通地下工程建筑安全檢測等新問題和新技術(shù)進行長期深入研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 城市軌道交通地下工程建筑安全

從結(jié)構(gòu)上，城市軌道交通地下工程建筑主要由地鐵站臺和地鐵隧道組成，屬于典型的坑道節(jié)點式構(gòu)造[6]。根據(jù)城市軌道交通、地下鐵道工程和鐵路隧道工程方面的國家標(biāo)準(zhǔn)，城市軌道交通地下工程建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限應(yīng)為100年[7]。其安全要求包括結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)功能和結(jié)構(gòu)可修復(fù)3個方面。

城市軌道交通地下工程建筑安全檢測是通過測量和巡查，對地下工程建筑的主要參數(shù)進行監(jiān)控，經(jīng)過評價指標(biāo)分析進行安全等級評判[8]。其目的是通過測量，評價城市軌道交通地下工程建筑結(jié)構(gòu)的安全性。

一般來說，影響城市軌道交通地下工程建筑結(jié)構(gòu)安全的主要因素包含有環(huán)境和人為這兩個方面。

綜合以上分析，目前城市軌道交通地下工程建筑結(jié)構(gòu)安全檢測的內(nèi)容主要有：（1）斷層；（2）裂隙；（3）剝落；（4）滲透水；（5）變形和位移。檢測方法采用傳統(tǒng)的定期關(guān)鍵點巡查和結(jié)構(gòu)工程儀器直接接觸式離散測量，從而形成報表制度。

2 安全檢測系統(tǒng)設(shè)計和工作原理

2.1 安全檢測系統(tǒng)設(shè)計

城市軌道交通地下工程建筑安全檢測系統(tǒng)的設(shè)計主要由車地兩套獨立計算機裝置組成，以完成對地下工程建筑結(jié)構(gòu)支護圍欄兩側(cè)涂覆黑白色帶圖像和位置進行檢測，對拱頂自然結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行檢測，以及對地面為拱橋軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行檢測。

車輛上安裝下位機和上位機兩級計算機裝置，通過串行通信進行數(shù)據(jù)交換。下位機由嵌入式系統(tǒng)組成，完成測量傳感器的信號處理；上位機由工控計算機組成，完成操作、輸出、顯示、監(jiān)測測量結(jié)果，并進行管理。地面車站計算機裝置實時執(zhí)行操作和管理，完成檢測、統(tǒng)計、分析和報表。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 安全檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 安全檢測系統(tǒng)工作原理

城市軌道交通地下工程建筑安全檢測系統(tǒng)的基本工作原理是，通過CCD傳感器獲取被測物體的圖像，然后對圖像進行處理，在圖像處理后完成對被測結(jié)構(gòu)的測量。一般圖像只能進行2D測量，此處采用視覺自動聚焦技術(shù)就能夠進行2.5D測量。視覺自動聚焦技術(shù)是采用自動聚焦判別函數(shù)對高度不屬于同一平面上的兩點進行精確聚焦，然后通過計算得到兩點間的距離。

通過CCD傳感器獲取被測結(jié)構(gòu)圖像的模擬信號，經(jīng)過車載下位機進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號、輸入到計算機，然后由圖像處理手段對圖像中需要測量的幾何圖元進行測量，從而實現(xiàn)對被測結(jié)構(gòu)的非接觸測量。圖像處理需要實現(xiàn)的功能包括圖像獲取、圖像濾波降噪、圖像增強、圖像邊緣定位、特征定位、圖元擬合、圖元計算等。

3 安全檢測系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)

隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，采用計算機圖像檢測技術(shù)進行城市軌道交通地下工程建筑安全檢測，并按照我國城市軌道交通技術(shù)規(guī)定，采用車地?zé)o線通信系統(tǒng)[9]。

3.1 硬件技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)是集成電路技術(shù)和微型計算機技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。在車載下位機中的測量模塊采用嵌入式系統(tǒng)檢測單元設(shè)計方案，主要是考慮了系統(tǒng)模塊化和可維護性。

由于圖像處理的直觀性和可視性，檢測單元中的傳感器選用CMOS型CCD，代表性產(chǎn)品有USB攝像頭。嵌入式系統(tǒng)處理器現(xiàn)有單片機、DSP和微處理器3大類，此處采集和處理的均為實時彩色圖像，故采用微處理器，其典型產(chǎn)品有ARM系列多個品種可靈活選用。視頻數(shù)據(jù)采集和圖像處理可采用Linux軟件實現(xiàn)，對處理后的壓縮圖像通過城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)由規(guī)定的接口完成即可。最后，視頻圖像傳送給車載上位機進行實時的顯示和控制。其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 軟件技術(shù)

根據(jù)城市軌道交通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范的要求，安全檢測系統(tǒng)在軟件技術(shù)方面需要具備完成圖像處理的功能。

在圖像產(chǎn)生、傳輸和變換的過程中，由于各種因素的影響，往往會使圖像與被測結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生差異。這給從圖像中提取各種安全信息造成了很大困難。因此，對CCD傳感器得到的圖像要進行各種處理，以降低噪聲干擾。常見的圖像噪聲包括光學(xué)成像及采樣過程中常會出現(xiàn)的混疊噪聲、插入噪聲、抖動噪聲、電子噪聲等。而且邊緣的檢測和提取往往對噪聲較敏感，因此首先需要對圖像進行濾波降噪處理。

數(shù)字圖像濾波器有線性和非線性兩大類。線性濾波器對高斯噪聲有較好的平滑作用，但對其他噪聲的抑制效果較差，而且會出現(xiàn)模糊邊緣。在非線性濾波器中，中值濾波器在過濾噪聲的同時，還能較好保護邊緣輪廓，對消除孤立點和線段的干擾十分有用，特別是對于二進制噪聲尤為有效。這就特別符合幾何測量中對邊緣定位的需求，因此安全檢測系統(tǒng)選用中值濾波器對圖像進行濾波降噪。

由于要測量物體輪廓邊緣的幾何信息，所以圖像邊緣信息提取的好壞就顯得尤為關(guān)鍵。一般物體和背景具有較大的對比度，反映在圖像上就是物體和背景的灰度差別較大，圖像直方圖將呈現(xiàn)較為明顯的雙峰型，所以安全檢測系統(tǒng)采用閾值法實現(xiàn)圖像分割。

4 安全檢測系統(tǒng)設(shè)計特點

4.1 模塊化

由于嵌入式器件的整體功能越來越強大，嵌入式系統(tǒng)模塊化設(shè)計、組裝、調(diào)試和維護技術(shù)已經(jīng)非常完善，技術(shù)人員通過專業(yè)學(xué)習(xí)可以快速掌握和應(yīng)用。在城市軌道交通現(xiàn)場應(yīng)用中，各級子系統(tǒng)大量采用嵌入式系統(tǒng)完成模塊化功能的實現(xiàn)。

4.2 集成化

現(xiàn)場檢測技術(shù)進一步的發(fā)展，必然是高度集成化。對于日益復(fù)雜的城市軌道交通，從橫向上考慮，隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的擴大和發(fā)展，各個子系統(tǒng)數(shù)量不斷增加，遍布所有城市軌道交通的子系統(tǒng)；從縱向上考慮，各系統(tǒng)都有向下層深入的趨勢。因此，多子系統(tǒng)構(gòu)成的安全檢測系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)車站級集成，還能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場級集成，甚至直接到各檢測傳感器上。

4.3 網(wǎng)絡(luò)化

在一個城市，一般都存在多條軌道交通線路，這就要求把不同的線路資源進行網(wǎng)絡(luò)化處理。從單線路的檢測系統(tǒng)向路網(wǎng)級檢測系統(tǒng)發(fā)展，是網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的必然趨勢。對于城市軌道交通的綜合檢測，可以采用線路、車站、車輛為層次單元，組成相對完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時具備強大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠更好地滿足和適應(yīng)軌道交通網(wǎng)絡(luò)在不同層面上的需求。

5 結(jié)束語

建設(shè)準(zhǔn)確實時高效的城市軌道交通地下工程建筑安全檢測系統(tǒng)有助于節(jié)約資源，促進生態(tài)文明發(fā)展。城市軌道交通地下工程建筑安全檢測系統(tǒng)技術(shù)反映了城市軌道交通信號、系統(tǒng)和集成的特性。本文在分析城市軌道交通地下空間建筑結(jié)構(gòu)安全檢測目標(biāo)和內(nèi)容的基礎(chǔ)上，建立了模塊化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化的計算機圖像檢測系統(tǒng)模型，詳細(xì)介紹了其安全檢測系統(tǒng)的設(shè)計思想、基本原理、技術(shù)實現(xiàn)和技術(shù)特點，對進一步技術(shù)開發(fā)和設(shè)備升級奠定了基礎(chǔ)。

[1] 錢七虎.地下工程建設(shè)安全面臨的挑戰(zhàn)與對策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012, 31（10）： 1945-1956.

[2] 劉伯鴻，李國寧.城市軌道交通信號[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

[3] 劉伯鴻，李國寧.城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)及集成[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

[4] 周曉軍.地下工程監(jiān)測和檢測理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[5] 張開冉.城市軌道交通安全[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[6] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司.城市軌道交通工程質(zhì)量安全檢查指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2012.

[7] 朱滬生.上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營中的安全管理與風(fēng)險控制[J].城市軌道交通研究，2012（10）：1-5.

[8] 呂培印，廖弈棋，羅鳳霞.城市軌道交通工程建設(shè)安全管理信息系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].鐵路計算機應(yīng)用, 2012, 21（5）： 37-40.

[9] 常瀏凱，譚 華.地鐵信號設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].鐵路計算機應(yīng)用，2015，24（3）：54-57.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Underground Engineering Building Safety Test System for Urban Transit

TIAN Yudong1,2, WANG Guangxun1, GAO Jianhong1
( 1.School of Mechanical Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China; 2.Energy Research Institute, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China )

The underground engineering building safety test for Urban Transit is an important research area.This article analyzed the aim and content of test, designed the Underground Engineering Building Safety Test System, presented the principle and technology method of the System, researched on the structure principle, technology implementation and design characteristics in detail.

Urban Transit; underground engineering; building safety; Test System; technical study

U231.3∶TP39

A

2015-07-18

建設(shè)部2013年科學(xué)技術(shù)項目計劃（2013K534）。

田玉冬，教授；王廣勛，副教授。

1005-8451（2016）03-0067-03