基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)

李孟榮

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

由于地鐵結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土隧道結(jié)構(gòu)在使用過程中容易發(fā)生較大變形，在不均勻變形情況下，極易導(dǎo)致應(yīng)力集中，使結(jié)構(gòu)變脆弱。因此，要對地鐵隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，及時(shí)掌握隧道結(jié)構(gòu)變形實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以保障地鐵運(yùn)營安全。軌道交通對保證整個(gè)社會(huì)正常運(yùn)行起到不可替代的作用[1]。而地鐵隧道施工是地鐵建設(shè)的中心環(huán)節(jié)，加強(qiáng)隧道施工是保障地鐵運(yùn)營的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時(shí)，利用自動(dòng)檢測技術(shù)不僅可以快速地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題，還可以實(shí)時(shí)掌握隧道的變形[2]。因此，提高地鐵隧道自動(dòng)化監(jiān)測水平并對其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化，已成為城市進(jìn)入現(xiàn)代化進(jìn)程的重要標(biāo)志。由于地鐵施工運(yùn)營期無法采用人工監(jiān)測手段，因此需要一種全自動(dòng)化的監(jiān)測系統(tǒng)，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行全天候監(jiān)測，從而降低監(jiān)測工作與地鐵施工運(yùn)營、維護(hù)工作的相互影響。為全面落實(shí)這項(xiàng)工作，該文將在這次研究中引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以某地鐵隧道結(jié)構(gòu)為例，開發(fā)穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，通過這次開發(fā)，對地鐵隧道工程進(jìn)行建設(shè)工程全面優(yōu)化。

1 硬件設(shè)備選型

為滿足監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)需求，選用Chainway 型號(hào)的數(shù)據(jù)采集器作為地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測主要設(shè)備[3]。Chainway 型號(hào)的數(shù)據(jù)采集器可以將條碼掃描裝置與數(shù)據(jù)終端一體化，同時(shí)帶有電池，可離線操作終端電腦設(shè)備，具備實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)存儲(chǔ)、即時(shí)顯示、即時(shí)反饋、自動(dòng)處理以及自動(dòng)傳輸功能。為地鐵隧道現(xiàn)場自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性、實(shí)時(shí)性、可用性提供保證。同時(shí)，Chainway型號(hào)的數(shù)據(jù)采集器的優(yōu)點(diǎn)是具有一體性、機(jī)動(dòng)性，其體積小、質(zhì)量輕、性能高且可以手持，同時(shí)，該數(shù)據(jù)采集器具有Wi-Fi、GPRS 以及藍(lán)牙等移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸功能，可以很方便地移動(dòng)或者室外作業(yè)。設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)采集器技術(shù)參數(shù)

對數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行選型后，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，選用SR630 V3 雙機(jī)熱備服務(wù)器作為監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用服務(wù)器，SR630 V3 雙機(jī)熱備服務(wù)器針對的是伺服器的故障。伺服器的故障可能由各種原因引起，例如設(shè)備發(fā)生故障、軟體系統(tǒng)故障以及作業(yè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障等。在技術(shù)人員現(xiàn)場操作情況下，恢復(fù)伺服器時(shí)間不確定，可能須10min、幾小時(shí)甚至幾天。基于以往的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，即使簡單地重啟伺服器（可能隱患仍然存在），也需要幾個(gè)小時(shí)。技術(shù)人員不在現(xiàn)場，恢復(fù)服務(wù)的時(shí)間待定。如果重要系統(tǒng)中斷，就需要利用SR630 V3 雙機(jī)熱備服務(wù)器來避免長時(shí)間服務(wù)中斷，保證系統(tǒng)長期采集觀測地鐵隧道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

該服務(wù)器是文件管理、數(shù)據(jù)錄入與存儲(chǔ)的核心控制設(shè)備，可通過與單片機(jī)間建立連接，讀取U 盤、SD 卡中數(shù)據(jù)與文件，也可以與USB 接口設(shè)備或數(shù)據(jù)接口建立連接后，進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的通信與傳輸。按照上述內(nèi)容，完成監(jiān)測系統(tǒng)中硬件設(shè)備選型[4]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵隧道結(jié)構(gòu)觀測數(shù)據(jù)采集與處理

在硬件設(shè)備的支撐下引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采集地鐵隧道結(jié)構(gòu)觀測數(shù)據(jù)[5]。在該過程中，按照規(guī)范，數(shù)據(jù)采集器將其部署在地鐵隧道結(jié)構(gòu)的不同位置，如直接采集數(shù)據(jù)，此時(shí)的采樣信號(hào)是RS485信號(hào)，為確保采樣信號(hào)能夠被解析，按照公式（1）對采樣信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。

式中：S為轉(zhuǎn)換后的地鐵隧道結(jié)構(gòu)采樣信號(hào)；G為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換物聯(lián)網(wǎng)傳輸接口；s為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式；Pt為在t時(shí)刻下采集的RS485 信號(hào)。

按照公式（1）將RS485 信號(hào)轉(zhuǎn)換為RJ45 信號(hào)[6]。在該基礎(chǔ)上，采樣的信號(hào)通過測站傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)監(jiān)測終端，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵隧道結(jié)構(gòu)觀測數(shù)據(jù)采集與處理。

3 建立地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)庫

采用有限差分?jǐn)?shù)值分析方法對地鐵隧道結(jié)構(gòu)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化管理，對地鐵隧道結(jié)構(gòu)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理后，對采樣的數(shù)據(jù)與信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一處理，處理過程如公式（2）所示[7]。

式中：Z為歸一化處理后的監(jiān)測信號(hào)與數(shù)據(jù)；j為無量綱表達(dá)方式；ω為數(shù)據(jù)或信號(hào)映射區(qū)間；L為數(shù)據(jù)長度。按照上述方式，完成采樣信號(hào)的歸一處理后，引進(jìn)MySQL 建立地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)可參照表2 設(shè)計(jì)[8]。

表2 地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

按照表2 所示的內(nèi)容，構(gòu)建地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性預(yù)警

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)行地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸，在該過程中應(yīng)明確該文開發(fā)的系統(tǒng)屬于Web 架構(gòu)，在開發(fā)Web 相關(guān)應(yīng)用的過程中，減少了多余工作量。Web 框架主要用于地鐵結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)、地鐵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性預(yù)警以及動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)，動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)主要是指現(xiàn)在的主要的頁面，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，完善業(yè)務(wù)功能。在使用Web 框架開發(fā)Web 的過程中，對地鐵隧道結(jié)構(gòu)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)庫訪問、數(shù)據(jù)安全校驗(yàn)等方面，不需要手動(dòng)重新實(shí)現(xiàn)，而是將業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)的代碼寫入框架即可。也就是說，將軟件程序本體部署到云服務(wù)器終端上，用戶可以通過瀏覽器，對部署在云服務(wù)器上的軟件提出請求，完成對瀏覽器請求的處理后，將信息返回給瀏覽器。為滿足監(jiān)測信息的傳輸需求，使用JavaScript，編譯界面顯示內(nèi)容，完成瀏覽器傳回請求信息處理工作[9]。但考慮到系統(tǒng)中上述2 組程序?qū)儆诓煌悇e的程序，因此，在開發(fā)過程中，需要建立與程序間的關(guān)聯(lián)框架，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的預(yù)警設(shè)計(jì)，根據(jù)監(jiān)測基站中的觀測數(shù)據(jù)與資料，使用交會(huì)方式，計(jì)算工作基點(diǎn)坐標(biāo)的近似值。假設(shè)控制網(wǎng)中的基準(zhǔn)點(diǎn)保持穩(wěn)定不變的狀態(tài)，采集三維平差數(shù)據(jù)，獲取監(jiān)測點(diǎn)的三維參量。同時(shí)，引進(jìn)Helmert 方差估算公式，計(jì)算觀測值單位權(quán)中誤差，通過該方式，校正與統(tǒng)計(jì)前段反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)。該過程如公式（3）所示。

式中：T為補(bǔ)償后的地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)；i、k、q為不同監(jiān)測點(diǎn)；v為改正數(shù)；m01、m02、m03為3 次監(jiān)測數(shù)值的補(bǔ)償系數(shù)。

設(shè)定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或變形預(yù)警值，當(dāng)出現(xiàn)補(bǔ)償后的地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)T≥預(yù)警值的情況時(shí)，觸發(fā)終端預(yù)警。按照上述方式，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性預(yù)警，完成基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)。

5 對比試驗(yàn)

該文從硬件、軟件2 個(gè)方面，引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，完成系統(tǒng)開發(fā)，為檢測該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的效果，以某地鐵隧道工程項(xiàng)目為例，采用對比試驗(yàn)的方式進(jìn)行研究。根據(jù)地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的監(jiān)測與運(yùn)營管理需求，選擇1 個(gè)工作基點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，搭建穩(wěn)定性監(jiān)測網(wǎng)，相關(guān)內(nèi)容如圖1所示。

圖1 變形監(jiān)測網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，為確保監(jiān)測的數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)具有較高的適配度，完成相關(guān)工作后，進(jìn)行監(jiān)測終端配置，相關(guān)內(nèi)容見表3。

表3 地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測終端配置

完成上述配置后，使用該文開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測，在監(jiān)測過程中，先按照規(guī)范配置系統(tǒng)硬件設(shè)備，在硬件的支撐下，引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)，采集地鐵隧道結(jié)構(gòu)的觀測數(shù)據(jù)，按照規(guī)范處理采集的數(shù)據(jù)。完成上述設(shè)計(jì)后，建立監(jiān)測中的結(jié)構(gòu)觀測數(shù)據(jù)庫，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的預(yù)警，將該系統(tǒng)應(yīng)用于測試環(huán)境中。

為滿足試驗(yàn)結(jié)果的對比需求，引進(jìn)基于合成孔徑雷達(dá)干涉的監(jiān)測系統(tǒng)、基于GNSS 的監(jiān)測系統(tǒng)，將其作為傳統(tǒng)系統(tǒng)1 與傳統(tǒng)系統(tǒng)2。使用該文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)，進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性監(jiān)測，將3 個(gè)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)的有效采樣數(shù)據(jù)量作為檢驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用效果的關(guān)鍵指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 單位時(shí)間內(nèi)3 個(gè)系統(tǒng)的采樣有效數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)

從表4 的數(shù)據(jù)可以得出，在3 個(gè)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)系統(tǒng)1 基于合成孔徑雷達(dá)干涉的監(jiān)測系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)比傳統(tǒng)系統(tǒng)2 基于GNSS 的監(jiān)測系統(tǒng)的有效采樣數(shù)據(jù)多數(shù)倍，而該文系統(tǒng)大概比傳統(tǒng)系統(tǒng)1 的有效采樣數(shù)據(jù)多2 倍，只有該文系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)的有效采樣數(shù)據(jù)最多，而傳統(tǒng)系統(tǒng)1 與傳統(tǒng)系統(tǒng)2 在單位時(shí)間內(nèi)的有效采樣數(shù)據(jù)條數(shù)相對較少，由此可以證明，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，該文系統(tǒng)在監(jiān)測中的采樣能力更佳。

完成上述測試后，將監(jiān)測結(jié)果顯示在地鐵軌道三維顯示面板上，對監(jiān)測結(jié)果和實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比對，統(tǒng)計(jì)3 個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果偏差。相關(guān)內(nèi)容見表5。

表5 系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果偏差

表5 中，“+”為正向偏差，“-”為反向偏差。

從表5 的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在3 個(gè)系統(tǒng)中，該文系統(tǒng)檢測結(jié)果偏差正向偏差最高在+0.2mm，反向最低偏差在-0.1mm；傳統(tǒng)系統(tǒng)1 檢測結(jié)果偏差正向偏差最高在+2.3mm，反向最低偏差在-1.6mm；傳統(tǒng)系統(tǒng)2 檢測結(jié)果偏差正向偏差最高在+2.3mm，反向最低偏差在-2.1mm；整體對比后只有該文系統(tǒng)可以將穩(wěn)定性監(jiān)測結(jié)果偏差控制在±0.2mm，而傳統(tǒng)系統(tǒng)1 與傳統(tǒng)系統(tǒng)2 的監(jiān)測結(jié)果偏差較大，穩(wěn)定性監(jiān)測結(jié)果偏差平均±2.0mm。因此，在完成上述試驗(yàn)后，得到以下結(jié)論：由于地鐵隧道的構(gòu)造內(nèi)部錯(cuò)綜復(fù)雜，在施工過程中容易受到人為或自然因素的影響，無法控制結(jié)構(gòu)變形，從而發(fā)生地鐵事故。為解決地鐵事故方面的問題，基于此，引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)相比，該文開發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用效果較好，按照規(guī)范進(jìn)行地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的監(jiān)測，可以在提高單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)有效采樣數(shù)據(jù)量的基礎(chǔ)上，控制監(jiān)測結(jié)果偏差。采用該方式保障地鐵隧道運(yùn)營安全。

6 結(jié)語

隨著地鐵工程建設(shè)里程增長，從北京第一條地鐵運(yùn)營線路開通至今，我國地鐵建設(shè)已有30 多年的歷史，地鐵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是保障其安全運(yùn)行的重要因素?，F(xiàn)階段，我國已經(jīng)成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，國家經(jīng)濟(jì)依然在飛速發(fā)展，地鐵的安全性、穩(wěn)定性和可靠性成為鐵路運(yùn)營管理單位的關(guān)注重點(diǎn)。由于地鐵隧道的構(gòu)造較為復(fù)雜，因此在施工過程中極易受到人為或自然因素的影響而出現(xiàn)不可控的變形，從而導(dǎo)致交通事故發(fā)生。為解決這方面問題，該文引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以某地鐵隧道結(jié)構(gòu)為例，通過地鐵隧道結(jié)構(gòu)觀測數(shù)據(jù)采集與處理、建立地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性預(yù)警，完成穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)。完成設(shè)計(jì)后，通過對比試驗(yàn)證明了該文開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，該系統(tǒng)可以在提高單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)有效采樣數(shù)據(jù)量的基礎(chǔ)上，控制監(jiān)測結(jié)果偏差。