自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用研究

李濤

（石家莊市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050000）

一、在地鐵中運(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的必要性

隨著我國(guó)各大城市經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，交通擁堵問(wèn)題已經(jīng)成為社會(huì)日益關(guān)注的問(wèn)題。修建地鐵工程能夠解決城市路面擁堵的問(wèn)題，緩解交通壓力。但隨著城市地鐵線路的不斷增加，地鐵工程布局變得越來(lái)越復(fù)雜，加上房地產(chǎn)與城市地下空間開(kāi)發(fā)的不斷推進(jìn)，建筑基坑施工鄰近地鐵運(yùn)營(yíng)隧道的情況越來(lái)越多，不可避免地給地鐵運(yùn)營(yíng)隧道造成不同程度的影響。所以，在地鐵運(yùn)營(yíng)隧道中運(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)是十分有必要的。這主要是因?yàn)榈罔F運(yùn)營(yíng)一般不允許中斷，人員不允許進(jìn)入隧道，常規(guī)的人工監(jiān)測(cè)方法無(wú)法實(shí)施，這時(shí)候就需要采取自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)隧道進(jìn)行全天候二十四小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在地鐵運(yùn)營(yíng)隧道中運(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅能夠確保地鐵正常運(yùn)營(yíng)，而且還可以實(shí)時(shí)獲取運(yùn)營(yíng)隧道的沉降、變形數(shù)據(jù)，全面掌握周邊施工對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道的影響程度，從而準(zhǔn)確判斷運(yùn)營(yíng)隧道的安全狀況。

二、地鐵監(jiān)控量測(cè)現(xiàn)狀

地鐵是鐵路運(yùn)輸?shù)囊环N形式，指在地下運(yùn)行為主的城市軌道交通系統(tǒng)，其中包括城市地區(qū)各種地下和地上路權(quán)專有，具有高密度、高運(yùn)量的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以節(jié)省地面空間，避免地面交通擁擠，減少對(duì)地面建筑的破壞，節(jié)約能源，減少污染，是現(xiàn)代交通建設(shè)不可缺少的一部分。在我們?cè)诳吹降罔F帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，要理性地分析和學(xué)習(xí)地鐵本身的一些限制因素。例如建造成本高、前期時(shí)間長(zhǎng)、部分災(zāi)害抵御能力弱等問(wèn)題也要求對(duì)地鐵機(jī)電設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)和保養(yǎng)，針對(duì)地鐵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)出現(xiàn)的故障、磨損、老化等問(wèn)題通過(guò)維修增加使用年限，保證地鐵運(yùn)行安全穩(wěn)定。地鐵的合理運(yùn)行，要一套非常完備的管理技術(shù)體系。地鐵機(jī)電設(shè)備主要包括通風(fēng)空調(diào)、給排水、低壓供電、綜合監(jiān)控、氣體滅火系統(tǒng)、電梯和扶梯等。加強(qiáng)對(duì)地鐵機(jī)電設(shè)備的質(zhì)量監(jiān)控，確保各個(gè)系統(tǒng)安全可靠，是保證地鐵運(yùn)行正常的關(guān)鍵，而提高機(jī)電設(shè)備的維修質(zhì)量和安全性、防止事故的發(fā)生、保障人身安全是加強(qiáng)地鐵機(jī)電設(shè)備監(jiān)控的主要目的。

（一）控制結(jié)構(gòu)

地鐵機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)一般由中央級(jí)和分控級(jí)控制，中央級(jí)指控制中心，分控級(jí)指各個(gè)車站，并由控制中心、各個(gè)車站和就地控制區(qū)組成控制網(wǎng)，多層面多方向進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（二）中央級(jí)控制中心的主要功能

對(duì)全線的地鐵機(jī)電設(shè)備監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控各個(gè)設(shè)備是否發(fā)生故障。監(jiān)控全線的地鐵機(jī)電設(shè)備的事故警報(bào)，發(fā)出警報(bào)信息。發(fā)生事故的情況下，中央控制中心可直接控制單個(gè)車站的機(jī)電設(shè)備的緊急啟停。接收各車站測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，整體調(diào)度控制數(shù)據(jù)設(shè)置。監(jiān)控各車站的運(yùn)行狀態(tài)畫(huà)面，收集各車的位置信息。編輯修改時(shí)間表、順序控制表等，統(tǒng)一系統(tǒng)時(shí)間。

（三）分控級(jí)控制功能

根據(jù)系統(tǒng)控制模式對(duì)地鐵機(jī)電設(shè)備進(jìn)行開(kāi)啟或停止，實(shí)時(shí)控制各機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀況。監(jiān)測(cè)各個(gè)試點(diǎn)參數(shù)，監(jiān)控集水池水位，超出安全水位范圍及時(shí)發(fā)出警報(bào)。發(fā)生火災(zāi)等危險(xiǎn)情況及時(shí)啟動(dòng)災(zāi)害模式。執(zhí)行中央級(jí)控制中心發(fā)出的指令，同時(shí)接受中央級(jí)控制中心發(fā)出的警報(bào)信息。

（四）就地級(jí)控制功能

信息采集、整合、傳輸，實(shí)時(shí)單個(gè)設(shè)備的調(diào)控。顯示工作狀態(tài)，診斷設(shè)備故障。交換數(shù)據(jù)，執(zhí)行命令。現(xiàn)在的設(shè)備一般采用的都是總分總的形式，及開(kāi)頭為總開(kāi)關(guān)總電纜，在中間的部分都會(huì)分成許多小的分支，這些小的分支來(lái)控制一些微型的系統(tǒng)。這些小的分支采用的是區(qū)域式的管理，將總開(kāi)關(guān)分為各個(gè)小開(kāi)關(guān)，小開(kāi)關(guān)控制著某一區(qū)域的設(shè)施運(yùn)行。并通過(guò)一些數(shù)字技術(shù)將其傳輸?shù)皆O(shè)備上。

三、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用

地鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成。地鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成包括：數(shù)據(jù)采集設(shè)備、無(wú)線傳輸設(shè)備、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)控制軟件。

（一）數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)的采集與傳輸系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的同時(shí)，還需要穩(wěn)定的電源系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備持續(xù)供電。同時(shí)，防雷系統(tǒng)、保護(hù)機(jī)箱及防震動(dòng)、干擾等其他設(shè)備都是地鐵監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備穩(wěn)定的重要保障，也是自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。根據(jù)監(jiān)測(cè)類型分類，目前廣泛使用的監(jiān)測(cè)設(shè)備：沉降類主要采用靜力水準(zhǔn)、梁式傾斜儀、光纖等監(jiān)測(cè)設(shè)備、水平位移類主要采用測(cè)量機(jī)器人等監(jiān)測(cè)設(shè)備)、微距離變化類主要有裂縫計(jì)、變位計(jì)等監(jiān)測(cè)設(shè)備、應(yīng)力應(yīng)變類主要有鋼筋計(jì)、應(yīng)變片等監(jiān)測(cè)設(shè)備。按照其工作原理，監(jiān)測(cè)設(shè)備分為：電壓式傳感器、電阻式傳感器、電感式傳感器、振弦式傳感器、CCD 式傳感器、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)等。目前，數(shù)據(jù)的采集設(shè)備應(yīng)用和開(kāi)發(fā)較為成熟。但是由于地鐵類監(jiān)測(cè)項(xiàng)目較多，市面上的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備還不完全，且部分設(shè)備由于監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的特殊性還沒(méi)有完全達(dá)到自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。有些數(shù)據(jù)采集設(shè)備由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高昂，使得在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)使用上不能普及，這也成了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)普及的障礙。怎么結(jié)合工程實(shí)際，發(fā)展性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉的數(shù)據(jù)采集設(shè)備成為今后自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)需要解決的問(wèn)題。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要在于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)及操作指令傳輸主要采用有線傳輸和無(wú)線傳輸兩種方式，這一技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在此不再敘述。兩種傳輸方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合地鐵工程實(shí)際，選擇合適的數(shù)據(jù)和操作指令傳輸方式。

（二）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)控制軟件

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)控制軟件分為采集單元及傳感器控制部分和數(shù)據(jù)后處理部分。采集單元及傳感器控制部分能夠控制現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令達(dá)到數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集的目的。數(shù)據(jù)采集之后，數(shù)據(jù)后處理部分將監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行整合、管理分析、存儲(chǔ)，自動(dòng)生成分析報(bào)表、圖表等。1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則:（1）系統(tǒng)可擴(kuò)展性和靈活性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用功能的可擴(kuò)展性和靈活性。（2）系統(tǒng)可靠性，架構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)、合理。（3）系統(tǒng)安全性，充分考慮網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)級(jí)、操作系統(tǒng)級(jí)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)級(jí)和應(yīng)用程序的安全性,保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。針對(duì)不同的用戶賦予不同的可訪問(wèn)的權(quán)限。2.系統(tǒng)主要功能（1）遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)指令發(fā)送；（2）數(shù)據(jù)的入庫(kù)、出庫(kù)、管理；（3）設(shè)置控制值，通過(guò)控制值確定預(yù)警狀態(tài)；（4）生成報(bào)表、測(cè)量表、變化曲線圖；（5）工程量、預(yù)警情況等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；（6）工程風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)綜合評(píng)價(jià)。無(wú)線傳輸自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際需求，并且緊密貼合國(guó)家規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理模塊開(kāi)發(fā)。

（三）運(yùn)用要點(diǎn)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況靈活設(shè)置工作基站及校核點(diǎn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工作基站既可以設(shè)置在變形影響區(qū)以外，也可以設(shè)置在變形影響區(qū)內(nèi)。本次自動(dòng)化監(jiān)測(cè)區(qū)域隧道平面線形為直線，通視條件良好；為使各監(jiān)測(cè)點(diǎn)誤差均勻，提高監(jiān)測(cè)精度，并方便全站儀自動(dòng)尋找目標(biāo)，本項(xiàng)目自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工作基站布設(shè)于監(jiān)測(cè)區(qū)中部，即采取測(cè)站設(shè)置在變形區(qū)的方法。先制作全站儀托架，托架安裝在側(cè)壁隧道結(jié)構(gòu)上，嚴(yán)格遵照設(shè)備限界線進(jìn)行安裝設(shè)置。合理選擇通訊方式自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通訊方式可以是無(wú)線傳輸，也可以是有線傳輸。我國(guó)大部分的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是采用無(wú)線通信方式，這種通訊方式能夠方便監(jiān)測(cè)人員對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境和結(jié)果進(jìn)行控制。但實(shí)際上，不管是哪一種通訊方式，都是把傳感器的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電磁波信號(hào)，并以微波的方式進(jìn)行無(wú)線通信。而選擇通訊方式的根據(jù)是方案的成本、覆蓋范圍、接入方式等，監(jiān)測(cè)人員可以根據(jù)業(yè)主要求及隧道的特點(diǎn)，合理選擇通訊方式，在降低監(jiān)測(cè)成本的同時(shí)，還可以提高自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，有效解決監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)控制軟件分為采集單元及傳感器控制部分和數(shù)據(jù)后處理部分。采集單元及傳感器控制部分能夠控制現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令達(dá)到數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集的目的。數(shù)據(jù)采集之后，數(shù)據(jù)后處理部分將監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行整合、管理分析、存儲(chǔ)，自動(dòng)生成分析報(bào)表、圖表等。系統(tǒng)可擴(kuò)展性和靈活性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用功能的可擴(kuò)展性和靈活性。系統(tǒng)可靠性，架構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)、合理。系統(tǒng)安全性，充分考慮網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)級(jí)、操作系統(tǒng)級(jí)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)級(jí)和應(yīng)用程序的安全性，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。針對(duì)不同的用戶賦予不同的可訪問(wèn)的權(quán)限。

（四）隧道監(jiān)測(cè)管理

每個(gè)預(yù)埋測(cè)點(diǎn)應(yīng)達(dá)到一定的穩(wěn)定性，識(shí)別難度不高，同時(shí)盡量拓展保護(hù)范圍，不可隨意更改或破壞測(cè)點(diǎn)，并相應(yīng)形成更為完善的記錄信息。應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)要求實(shí)施監(jiān)測(cè)，保證監(jiān)測(cè)頻率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)數(shù)據(jù)的測(cè)量應(yīng)準(zhǔn)確，及時(shí)反饋測(cè)量結(jié)果，便于對(duì)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)掌握和管理。記錄的形式應(yīng)相對(duì)正規(guī)，資料要盡量完備。及時(shí)處理和反饋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。此外，對(duì)于站線外緣兩邊30m 范圍內(nèi)的各類建筑體和管線等均需納入監(jiān)測(cè)范圍，全面實(shí)施地鐵施工的監(jiān)測(cè)工作。監(jiān)測(cè)的對(duì)象主要為建筑、人行天橋、底線管線等。具體的監(jiān)測(cè)內(nèi)容應(yīng)為發(fā)生沉降的建筑物、地表道路、管線及發(fā)生位移的土體等。實(shí)施城市地鐵項(xiàng)目施工的監(jiān)測(cè)工作時(shí)，應(yīng)將保障施工過(guò)程的安全性作為首要目標(biāo)，變形監(jiān)測(cè)地鐵線路沿途各類建筑，隧道的周邊收斂和拱頂下沉現(xiàn)象可直接說(shuō)明隧道圍巖和支護(hù)穩(wěn)定性的情況，技術(shù)人員可對(duì)周邊收斂和拱頂下沉情況進(jìn)行測(cè)量，以此作為對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的判定依據(jù)。通過(guò)對(duì)周邊收斂和下沉位移速度的測(cè)算，可確定實(shí)施二次襯砌澆筑的最佳時(shí)間，也為選擇適合的工藝類型和襯砌參數(shù)提供參考依據(jù)，監(jiān)控施工對(duì)環(huán)境方面的影響，系統(tǒng)搜集數(shù)據(jù)信息，也可為后期開(kāi)展同類型的隧道設(shè)計(jì)提供參考。實(shí)施高程聯(lián)系測(cè)量時(shí)，需將地面基點(diǎn)的高程引向橫通道的臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)。實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，需使用懸掛鋼尺完成高程的傳輸，將鋼尺掛于支架，零端放入基坑，同時(shí)在該端掛一重錘。在計(jì)算變化量方面，可將本次產(chǎn)生的拱頂高程與之前同點(diǎn)號(hào)的高程差作為變化量，與同點(diǎn)號(hào)的初始高程差作為累計(jì)的變化量。對(duì)于符號(hào)的相關(guān)規(guī)定：拱頂上升用“+”表示，下降用“－”表示，并用上述符號(hào)編制觀測(cè)報(bào)表和變形曲線圖。

結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)城市地鐵運(yùn)營(yíng)隧道運(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)有一段時(shí)間，其實(shí)踐結(jié)果已經(jīng)證明了在地鐵運(yùn)營(yíng)隧道運(yùn)行過(guò)程中運(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)是非常必要，也是非常有效的。地鐵運(yùn)營(yíng)隧道具有一定的封閉性、復(fù)雜性、隱蔽性等特點(diǎn)，加上其作為一種大客流的公共交通通道，不允許輕易出現(xiàn)中斷或者改變運(yùn)行時(shí)間。普通的人工監(jiān)測(cè)技術(shù)已不能夠滿足地鐵運(yùn)營(yíng)隧道的發(fā)展要求，所以必須要運(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，才能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)周邊施工對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的影響，且不干擾正常的地鐵運(yùn)行，保證地鐵運(yùn)行效率。