地鐵沿線保護(hù)區(qū)施工項(xiàng)目信息化管理

李 凱，韓 鵬，吳 屾，羅 杰，李綠洲，郭 泰

(1.武漢地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，武漢 430000；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070)

當(dāng)前CORS(Continuously Operating Reference Stations，CORS)可為城市諸多領(lǐng)域如氣象、車船導(dǎo)航定位、物體跟蹤、公安消防、測(cè)繪、GIS(Geographic Information System，GIS)應(yīng)用等提供高精度的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)北斗定位服務(wù)，極大地加快該城市基礎(chǔ)地理信息的建設(shè)。按照新型基礎(chǔ)測(cè)繪的要求，持續(xù)推進(jìn)基礎(chǔ)測(cè)繪生產(chǎn)模式、服務(wù)產(chǎn)品、服務(wù)方式等方面的創(chuàng)新是CORS發(fā)展的主要方向。因此，以需求為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)CORS服務(wù)由標(biāo)準(zhǔn)化向定制化轉(zhuǎn)型，需要充分利用CORS系統(tǒng)，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上發(fā)展新的衍生應(yīng)用。為此在現(xiàn)有CORS基礎(chǔ)上，通過高精度的位置服務(wù)和高精度地圖成果來為智能化城市管理賦能，研發(fā)一種地鐵沿線保護(hù)區(qū)施工項(xiàng)目信息化管理系統(tǒng)。目前已有學(xué)者對(duì)地鐵沿線保護(hù)區(qū)施工項(xiàng)目信息化管理系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究，曾賢敏等[1]利用Visual Basic開發(fā)了一套地鐵保護(hù)區(qū)變形監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)保護(hù)區(qū)作業(yè)的變形監(jiān)測(cè)信息的有效管理和預(yù)報(bào)警；許碧華[2]針對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)保護(hù)區(qū)內(nèi)施工作業(yè)的各種復(fù)雜管理問題，基于百度地圖和GIS技術(shù)研發(fā)了一套地鐵保護(hù)區(qū)信息管理系統(tǒng)，闡明了技術(shù)路線、系統(tǒng)總體框架和數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主要功能是對(duì)保護(hù)區(qū)施工項(xiàng)目的全過程網(wǎng)絡(luò)審批管理和數(shù)據(jù)庫(kù)管理;王紫蔚等[3]利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)，結(jié)合全站儀的ATR功能和液體靜力水準(zhǔn)儀的安全監(jiān)測(cè)，研發(fā)了一套地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，大幅提高監(jiān)測(cè)效率，并有網(wǎng)絡(luò)傳輸、結(jié)果分析、預(yù)報(bào)警等功能。陸航[4]針對(duì)目前地鐵運(yùn)營(yíng)保護(hù)區(qū)管理缺乏判斷保護(hù)區(qū)范圍的技術(shù)手段，無法直接得出施工作業(yè)與地鐵結(jié)構(gòu)邊線的準(zhǔn)確距離，從而影響地鐵公司執(zhí)法管理的現(xiàn)狀，提出基于GIS、GPS定位技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等研發(fā)一套智能巡查執(zhí)法管理系統(tǒng)，以滿足地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)管需要。聶鑫路等[5]提出了采用目前流行的無人機(jī)技術(shù)，采用攝影測(cè)量的手段取代目前地鐵人工安全巡查，并在重慶地鐵6號(hào)線進(jìn)行了試驗(yàn)，為地鐵保護(hù)區(qū)管理提供了一種新的巡查思路。陳俊海等[6]采用GIS、計(jì)算機(jī)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等研發(fā)了一套基于北京地鐵運(yùn)營(yíng)的保護(hù)區(qū)巡查安全管理系統(tǒng)，針對(duì)地鐵沿線安全巡查采用信息化的手段進(jìn)行管理，取得了一定的效果。

論文充分分析武漢地鐵部方案需求，結(jié)合WHCORS平臺(tái)建立武漢高精度測(cè)繪服務(wù)系統(tǒng)，為武漢地鐵沿線的巡檢員提供一體化厘米級(jí)導(dǎo)航定位終端；終端可實(shí)時(shí)向服務(wù)端上傳實(shí)時(shí)位置信息，服務(wù)端顯示巡檢員實(shí)時(shí)軌跡，并配合動(dòng)態(tài)“電子圍欄”，同時(shí)可利用二維數(shù)字地圖動(dòng)態(tài)大屏展示巡檢員和項(xiàng)目的實(shí)況；研發(fā)融入高精度地圖的手機(jī)APP，為用戶提供更好的服務(wù)體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

信息化巡檢監(jiān)控系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分，整體框架如圖1所示。由巡檢監(jiān)控與管理子系統(tǒng)組成，在用戶端則提供單獨(dú)的APP實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)航定位終端和巡檢員監(jiān)控平臺(tái)的交互。

1.1 RTK-INS導(dǎo)航終端設(shè)計(jì)

采用集成GNSS天線、雙頻GNSS接收芯片、MEMS慣性芯片、通訊模塊一體的整機(jī)設(shè)計(jì)方案，充分考慮防水、防塵、抗低溫和續(xù)航等需求，同時(shí)采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保障終端可快速便捷安裝在巡檢員手機(jī)上。

1.2 巡檢監(jiān)控管理子系統(tǒng)

平臺(tái)提供用戶實(shí)時(shí)軌跡、歷史軌跡與違規(guī)記錄查詢；提供項(xiàng)目信息錄入；提供文檔文件的上傳；提供數(shù)據(jù)的報(bào)表統(tǒng)計(jì)；實(shí)時(shí)對(duì)接APP中的用戶個(gè)人信息、匯報(bào)上傳等功能。設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

1.3 移動(dòng)端APP

APP嵌入地區(qū)影像圖，加載鐵路軌跡，巡檢員登錄，實(shí)時(shí)顯示客戶端當(dāng)前位置、授權(quán)道路信息；提供歷史巡檢路線的查看；提供巡檢任務(wù)的結(jié)果提交上傳；預(yù)留不同終端間的交互、交流接口。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

當(dāng)前導(dǎo)航定位需求朝著低成本、實(shí)時(shí)高精度、硬件小型化和低功耗的方向發(fā)展，因此，在研制RTK/INS模組和終端時(shí)需對(duì)成本和硬件數(shù)據(jù)質(zhì)量等進(jìn)行權(quán)衡，因此可以通過相應(yīng)的算法來彌補(bǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量和解算效率的不足。在設(shè)計(jì)硬件時(shí)，需要根據(jù)具體需求進(jìn)行具體分析，在充分了解各項(xiàng)需求的前提下給出具體的技術(shù)路線,如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)內(nèi)部主要由CPU核心板、GNSS芯片、IMU芯片、氣壓計(jì)芯片組成，系統(tǒng)外部由GNSS天線接口、兩個(gè)串口組成，一個(gè)串口用于供電、調(diào)試和打印，另一個(gè)串口用戶發(fā)送NMEA數(shù)據(jù)并獲取RTCM格式的差分改正數(shù)。

2.3 工作原理

系統(tǒng)內(nèi)部CPU和GNSS芯片通過USB和串口進(jìn)行連接并獲取IMU數(shù)據(jù)，通常IMU提供SPI和I2C接口，其中SPI數(shù)據(jù)傳輸速率相比I2C要高出數(shù)倍。為了保障高采樣IMU數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，將CPU和IMU通過SPI連接實(shí)時(shí)讀取IMU數(shù)據(jù)，而氣壓計(jì)只需要1 Hz的采樣即可，可以通過I2C將CPU和氣壓計(jì)連接并獲取氣壓計(jì)數(shù)據(jù)。

此外，RTK在工作時(shí)必須接收差分改正信息才能獲得高精度的定位信息，而該終端設(shè)計(jì)只保留串口，因此需要借助外部4G通訊模塊連接設(shè)備串口來獲取差分改正信息。

1)GNSS芯片通過GNSS接收機(jī)接收到衛(wèi)星信號(hào)后，將原始GNSS觀測(cè)值傳輸?shù)紺PU。

2)CPU得到GNSS數(shù)據(jù)，解算SPP并將SPP結(jié)果以NMEA的格式通過串口傳輸?shù)?G通信模塊后發(fā)送到CORS服務(wù)中心。

3)在進(jìn)行2)的同時(shí)，CPU實(shí)時(shí)讀取IMU和氣壓計(jì)數(shù)據(jù)，與SPP結(jié)果進(jìn)行組合解算。

4)CPU接收CORS中心通過4G模塊發(fā)送到串口的差分改正數(shù)據(jù)，進(jìn)行RTK解算，同時(shí)讀取IMU和氣壓計(jì)數(shù)據(jù)，與RTK結(jié)果進(jìn)行組合解算得到組合導(dǎo)航結(jié)果。

2.4 監(jiān)控平臺(tái)功能

1)大屏數(shù)據(jù)可視化 通過大屏可視化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)全局監(jiān)控巡檢員位置信息、項(xiàng)目位置和二維底圖的可視化。

2)歷史回看 巡檢員每天的巡檢路線都會(huì)通過終端回傳到服務(wù)器進(jìn)行永久保存。該功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史巡檢線路的檢測(cè)及通過地圖展示檢索結(jié)果的詳細(xì)線路和位置。

3)用戶管理 通過標(biāo)記用戶的角色，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢員和領(lǐng)導(dǎo)身份信息的管理，方便其他模塊通過身份來控制不同的權(quán)限。例如：對(duì)于巡檢員，能登錄APP，并且只能看到自己的實(shí)時(shí)位置和檢索自己的歷史軌跡。對(duì)于領(lǐng)導(dǎo)，可以看到所有巡檢員的實(shí)時(shí)更新位置等，后臺(tái)管理只能領(lǐng)導(dǎo)登錄。每一項(xiàng)通過獨(dú)立編碼確認(rèn)該項(xiàng)的表達(dá)場(chǎng)景。也需要通過編碼進(jìn)行檢索值列表。同時(shí)提供工號(hào)檢索和巡檢員的添加、修改、刪除。

4)數(shù)據(jù)字典管理 在項(xiàng)目信息當(dāng)中，有些信息如果通過文字輸入，結(jié)果會(huì)變得不可控制，而這些值本身是有不同結(jié)果區(qū)分的，是固定的表現(xiàn)形式。通過數(shù)據(jù)字典可以對(duì)這些常量信息進(jìn)行管理和控制，進(jìn)而整個(gè)系統(tǒng)用到的常量信息都可以檢索到，然后選擇對(duì)應(yīng)的值。該功能可展示系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)字典信息并提供新增功能和每一項(xiàng)的修改和刪除。

5)項(xiàng)目管理 通過在線網(wǎng)頁形式將項(xiàng)目所有關(guān)聯(lián)信息進(jìn)行存檔,便于以后的編輯和檢索。項(xiàng)目管理可實(shí)現(xiàn)：項(xiàng)目和片區(qū)的添加、片區(qū)基本信息的編輯、片區(qū)可選信息的編輯、相關(guān)文檔的上傳和存儲(chǔ)，在線閱覽、excel統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)報(bào)表的生成、施工進(jìn)展列表檢索。項(xiàng)目分為多個(gè)片區(qū)，每個(gè)片區(qū)可以進(jìn)行編輯和刪除等操作。片區(qū)分為基本信息和可選信息。

基本信息包括位置、類型(空地、建房、道路等)、概括(權(quán)屬單位、參建單位、位置關(guān)系等)。

可選信息通過勾選可以添加到基本信息中，包括告知單、技術(shù)管理中心回函、安全影響中心評(píng)估報(bào)告、檢測(cè)方案資料(方案，專家意見，會(huì)議簽到表及其他)、初始化狀態(tài)調(diào)查報(bào)告、安全協(xié)議、第三方檢測(cè)報(bào)告(每期報(bào)告)、專項(xiàng)施工方案(方案，專家意見，簽到表及其他)、交涉協(xié)調(diào)資料(照片，語音，錄像等)、監(jiān)護(hù)巡查記錄(執(zhí)法記錄儀，航拍，視屏，照片等)、施工進(jìn)展等。

6)文檔管理 提供文檔的存儲(chǔ)能力，方便快速地檢索，以及在線閱讀。可以將本地文件(圖片，視屏，word，excel等各種格式文件)上傳到服務(wù)器。數(shù)量不限制，大小控制在30 M以內(nèi)，保存上傳時(shí)間、標(biāo)題等信息。

7)統(tǒng)計(jì)報(bào)表 對(duì)系統(tǒng)全局?jǐn)?shù)據(jù)的匯總，將結(jié)果以數(shù)據(jù)或者統(tǒng)計(jì)圖的形式表現(xiàn)出來。統(tǒng)計(jì)范圍包括：巡檢員范圍完成的統(tǒng)計(jì)、告知單數(shù)統(tǒng)計(jì)、評(píng)估報(bào)告統(tǒng)計(jì)、安全協(xié)議統(tǒng)計(jì)、施工方案統(tǒng)計(jì)。

2.5 數(shù)據(jù)庫(kù)

服務(wù)系統(tǒng)基本庫(kù)存儲(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的基本信息包括：服務(wù)系統(tǒng)基本庫(kù)表說明、用戶信息表、用戶權(quán)限表、位置實(shí)時(shí)信息表、數(shù)據(jù)字典表、文檔信息表、項(xiàng)目信息表、項(xiàng)目詳細(xì)表、系統(tǒng)日志表。

2.6 移動(dòng)端APP

通過賬號(hào)和密碼登錄，確認(rèn)身份。通過BLE低功耗藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)APP和終端導(dǎo)航設(shè)備的互聯(lián)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、解算、加載。基于百度地圖實(shí)現(xiàn)最終的位置實(shí)時(shí)展示。

APP上實(shí)時(shí)軌跡技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線如下：導(dǎo)航定位終端實(shí)時(shí)傳輸當(dāng)前的位置信息到服務(wù)平臺(tái)，服務(wù)平臺(tái)接收到位置信息并在Web端顯示，然后通過HTTP協(xié)議將實(shí)時(shí)位置信息發(fā)送到華為平板上的APP，APP接收到位置坐標(biāo)后，采用打點(diǎn)的形式實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前位置。具體流程如圖4所示。

3 結(jié) 論

城市軌道交通控制保護(hù)區(qū)管理系統(tǒng)可為管理工作提供一系列便捷高效、智能的移動(dòng)式可視化功能,具備處理巨型數(shù)據(jù)的能力。該系統(tǒng)有助于提高軌道控制保護(hù)區(qū)管理工作效率、準(zhǔn)確率,減少軌道控制保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目對(duì)軌道交通建設(shè)及運(yùn)營(yíng)的安全影響。軌道控制保護(hù)區(qū)管理系統(tǒng)還引入了衛(wèi)星遙感技術(shù),對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)建筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)拍,提高了控制保護(hù)區(qū)內(nèi)違法建設(shè)項(xiàng)目的查找效率。隨著計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展,城市軌道交通建設(shè)及運(yùn)營(yíng)管理定將突破傳統(tǒng)方式的束縛,日趨智能化、網(wǎng)絡(luò)化﹑高效化。