地铁隧道变形自动检测系统研究
1、研究背景和项目来源
地铁是一种在狭小空间内快速载运高度密集人群的交通装备，空间狭小决定了其管理措施的难度和复杂性；高速运转更突显了系统多方面协调配合的重要性，每一个系统每一个细节都可能是影响安全的因素；人口高度密集决定了轨道交通一旦发生事故就是巨大的危险和灾难；轨道交通的安全与规划、建设、运营各个阶段密切关联，又决定了轨道交通安全管理的系统性和整体性。这些因素都对地铁的安全管理工作提出了新的挑战，也同时说明了城市轨道交通一旦发生安全事故，其后果是极其严重的。
结构体的安全监测包括隧道结构侵蚀监测、结构形变监测、结构内力监测和环境情况监测，其中尤其是结构形变监测非常重要，其监测内容主要为沿纵向分布的隧道横截面沉降、横向位移和断面的收敛变形。
地铁隧道的结构体发生过大的形变将时造成灾害，所采取的预防措施主要是进行形变监测，并可分为施工阶段和运营阶段。为了同时提高隧道建设及运营期间的安全性，需要可靠的检测和数据处理方法，而传统的测量技术由于建筑施工的干扰及检测方式、设备所限，只能间断性地进行记录，并且不适用于隧道完工之后隧道运营的监测。在隧道施工过程中，利用仪器通过人工测量或自动测量等方法可对隧道整体及断面的形变进行实时观察和监控，然而这往往仅对确保隧道施工质量有效。对于自动测量方法，由于其自动测量仪器（全站仪）的价格很高难以全线布点，它的自动测量一般仅对施工的推进面有效，其基准测量还需人工定期测量，因此并不适用于运营隧道的检测，施工结束后，这些设备即撤离了现场，地铁隧道投入营运之后，无法对隧道的形变进行检测和监控。
目前，国内外针对隧道施工阶段的监测技术已比较成熟，而对隧道运营期间的监测重视程度远远不够。事实上，运营阶段因时间跨度大、影响因素复杂、发生灾害后的社会影响大，因此运营隧道的健康监测更应重视。
对已建地铁隧道的沉降观测资料研究发现，处于软土地层中的隧道在长期的运营中，一般都会持续增大纵向沉降，该沉降为总沉降量的主要部分。隧道不均匀沉降会使隧道产生弯曲变形影响轨道的平整和乘客的舒适性，并导致隧道接缝张开，从而进一步加剧渗透，甚至漏泥，对隧道的结构、接头和正常运营造成威胁。因此必须重视隧道结构体在长期运营中的沿纵向的整体形变，并从设计、施工、工程防治、周围环境的影响等方面予以综合管理与控制。
运营地铁隧道的形变包括隧道纵轴线沿横断面的位移及隧道横断面形状的变化，当隧道形变过大时将影响地铁安全运营。本项目立项的目的就是研制运营隧道形变检测分析系统，根据隧道形变的渐变性及长期性，采集隧道形变实时数据并建立长时段基础数据，通过对数据进行时间及空间的融合，为实现隧道形变的网络发布并建立隧道变形预警机制做好前期的准备工作。本课题属于轨道交通网络运营安全综合技术研究与应用的重要组成部分。
2、主要研究内容
针对本课题，项目组已经进行了大量前期基础研究工作。基于多组立体相机和近景摄影测量原理，实现了建筑物模型的变形监测。基于车载多传感器移动空间数据采集设备，实现了GPS、INS、CCD立体相机、激光扫描等传感器的集成与处理。隧道安全监测采集车是近景立体摄影测量、全景相机和断面扫等空间多传感器网络集成与数据融合，配以数据管理与实时发布的成功范例，在空间多传感器网络等技术的支撑下，实现了精度达5mm的定位精度，为该科研计划的顺利进行与圆满成功提供强有力支持。
根据项目的特点和内容组成，该项目研究主要可以分为三个部分：
A. 隧道整体变形检测：研究采用网络化智能图像传感器进行运营地铁隧道形变灾害监测。主要进行网络化智能图像传感器研究、智能图像传感器姿态自稳定装置研究、研究通过图像分析处理获得基准点相对位移数据及采用数据融合及联合平差理论处理传感器网络的序列影像实现高精度测量、传感器网络组网技术、三维隧道形变图像建模和变形预警等。
B. 隧道局部（断面）变形检测：研制隧道断面变形测量监测仪。依据前一部分的成果，建立隧道轴线定位基准的传递系统，为隧道断面变形测量仪提供精确的测量基准，由隧道断面变形测量仪对隧道全面进行扫描监测，提供更加全面、丰富的监测数据，以便进行隧道变形状态的精准分析诊断。
C. 建立空间数据库存储发布隧道变形信息：存储及处理隧道整体变形及断面变形测量数据，形成预警机制，并通过网络发布。
本项目主要研究采用网络化智能图像传感器对一个试验区间中的运营隧道的纵轴线变形进行实时检测，建立隧道横向整体位移在空间及时间上的分布规律，通过形变分析初步建立起隧道变形状况的预警机制，并建立隧道轴线定位基准的传递系统，为车载隧道断面变形测量仪提供精确的测量基准。
在本项目中，首次提出以网络传感器技术和图像识别技术为基础对运营地铁隧道形变进行在线式实时监测，根据隧道变形数据分析隧道变形状况，及时预报隧道变形状况不良引起的灾害。
同时以它为基础进行隧道轴线定位基准的传递，为进一步实现采用隧道断面变形测量仪进行隧道结构安全监测，提供基础数据。
这是一种新的非接触式实时安全监测技术，能弥补传统结构监测方法的不足。它采用非接触、实时在线方式，全面获取结构体信息，基于计算机网络通信技术实现多传感器数据融合，试验成本低，过程可重复，具有实时、动态、高精度的特点，能提高局部监测的精度和时空上整体监测分析的能力。
图像传感器以一定的间距分布于隧道断面的顶部或侧面，在每个断面上设置一个或多个图像传感器，所有传感器组成一个监测网络，由各站的监测计算机进行数据采集和初步分析，再通过站间的计算机网络实现对全线路隧道进行实时监测预警。目前，这种集成影像和传感器网络实现隧道结构的安全监测技术和系统在国内外还未见报道。
3、主要研究成果
创新点
（1） 首次提出基于图像分析的隧道形变监测和定位基准传递的方案和理论。实现隧道整体变形的在线监测。
（2） 设计了一套基于图像测量技术的针对隧道变形在线监测的智能图像传感器系统。
（3） 设计了一套集激光测距、紧密转角控制、电子倾角测量等为一体的断面扫描检测车。
（4） 提出了一种对智能图像传感器姿态进行补偿的方法，解决了由于传感器姿态引入的测量误差。
（5） 提出了一套多种传感器多点长期监测的数据处理方法。
（6） 提出了智能图像传感器的现场标定及维护保养更换的可行方法。
（7） 制定了适合隧道在线检测多传感器信息交换，满足多传感器同步性要求的网络通信协议。
通过该项目的研究构建了图像传感器阵列和断面变形测量仪的多传感器监测网络系统，设计自检校的专用传感器标定框架，实现高精度时间同步。解决了多传感器数据融合的高精度联合处理算法，实现基于立体序列影像的监测点坐标的高精度计算。开发了自主知识产权的基于多传感器监测网络的隧道结构安全监测系统，完成上海试验区间隧道实地监测示范。
表1 专利成果一览表
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序号
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专利及著作权
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类别
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1
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CCD光学传感器隧道形变检测装置
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实用新型
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2
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车载式激光扫描隧道断面形变检测车
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实用新型
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3
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车载式激光扫描隧道断面形变检测车机械结构
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实用新型
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4
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智能图像采集终端布图
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发明
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5
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激光扫描仪隧道断面形变检测技术
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实用新型
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6
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CCD光学传感器应用于隧道形变镜头姿态误差消减技术
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发明
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7
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复杂背景的图像提取方法
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软件著作权
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8
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隧道形变检测数据管理系统
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软件著作权
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4、应用前景与效益预测
1）社会效益
本项目提出的多传感器网络监测技术，能够快速捕捉隧道内结构形变、对监测结果实时分析和预警发布。因此，应用该技术在隧道结构的安全进行监测，指导和改进相关的设计规范，在减轻灾害损失、维护社会稳定等方面具有重要作用，具有广阔的应用前景。
2）经济效益
本项目开发的多传感器网络集成、监测、分析和发布技术应用于隧道结构的安全监测技术，具有试验成本低，非接触、实时、动态、高精度、预警发布等特点。以相对来说非常小的代价提供传统监测方法无可比拟的能力，监测分析结果用于调整隧道施工与运营，避免对于轨道交通运营过程中碰到的安全问题，可以产生重大的经济效益。
有望在隧道结构安全监测的实用技术创新方面取得突破，为形成隧道结构的可靠性设计、分析、试验、评价的技术体系奠定基础，在该领域获得一批具有自主知识产权的技术、方法和实用系统，具有重大的应用价值。
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