武漢地鐵建設環境安全監測及預警系統的研究

王德利， 胡洪軍， 褚 為

1新疆煤田地質局161隊（830000） 2中國中鐵電氣化局集團（100036）3中國地質大學（武漢）工程學院（430074）

1 系統建設必要性

隨著城市化進程的加快，大量流動人口涌進城市，人員出行和物資交流頻繁，使城市交通面臨著嚴峻的局勢，我國各大城市普遍存在道路擁擠、車輛堵塞、交通秩序混亂的現象。如何解決城市交通問題已成為市民普遍關注的焦點。為了緩解與改善此局面,不是僅僅靠拓寬馬路就能解決問題的。合理利用城市有限土地資源，拓展空間利用條件，積極引入大中客運量地鐵和輕軌交通方式，已是必然趨勢。

2004年，線長約10 km輕軌在漢口通車，將武漢帶入地鐵時代。2006年11月，貫穿漢口到武昌的地鐵2號線正式開工建設。不算之前的輕軌，武漢是內地第10個建設地鐵的城市。目前，武漢已經進入地鐵工程的“高峰期”。由圖1所示可知,武漢市地鐵線網由3條市域快線、9條市區線路構成，線路全長530 km，設站309座，其建設規模已經超過法國巴黎500 km的地鐵規模。但武漢地鐵建設地質條件復雜，主要表現在以下幾個方面:1）瓦斯高；2）地鐵建造中的水壓問題；3）漢口武昌地質條件差異問題。并且，地鐵建設往往處于城區繁華區域，沿線建（構）筑物密布、歷史文物建筑集中，地下管線設施極其復雜等。

這些因素決定在武漢地鐵建設過程中及完成后,必須開展施工監測工作。上海、廣州、杭州等地鐵事故教訓已證明這項工作的重要性。綜合現代科技，研制對施工信息進行實時監測、識別、評估及預警為一體的自動化技術，是有效解決地鐵事故的先進手段，具有重大意義。

2 系統建設目標

依據地鐵設計文件和國家及行業有關規范、結合武漢地鐵實際情況,該系統的建設應能滿足武漢地鐵工程任務的要求，并能夠滿足工程運行及自動化水平的需要。其目標主要有:

1）在武漢地鐵施工期和運行期進行安全監測和安全監控。

2）信息實時采集、傳輸均實現自動化。

3）對自動采集的各類監測資料以及與安全決策有關的設計、施工資料，以及分析方法、專家知識與經驗進行處理和管理[1]。

4）通過檢測，掌握施工期間及運營后基坑、支護結構與周邊環境的動態變化,明確影響程度及可能產生的安全事故的薄弱環節，驗證施工方案的合理性。

5）及時評估和分析環境安全風險水平和趨勢，對可能出現的地鐵事故進行預測和提出處理建議，并實現遠程操控。

6）積累資料，為今后類似工程或工法本身的發展提供借鑒，并為地鐵運營后的養護與維護提供可靠的原始數據。

3 系統原理與特點

地鐵建設安全監測與預警系統全面運用虛擬儀器技術，利用高性能的模塊化數據采集硬件完成監測要素的自動采集，結合高效靈活的軟件對數據進行分析處理，通過無線傳送技術完成實時監測數據的傳輸過程,并且在網絡上發布觀測數據，具有實時數據顯示、歷史數據查看、地鐵事故報警等功能，詳見圖2所示。系統軟件部分可采用LabVIEW編寫,它是一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發工具，利用它，設計者可以像堆積木一樣，輕松組建一個測量系統和構造自己的儀器面板,而無需進行任何繁瑣的計算機代碼的編寫[2]。

4 系統總體結構

地鐵建設安全監測及預警工作涉及多個學科，如土力學、流體力學、儀器儀表、計算機技術、自動化技術、數值分析、系統科學與遠程通訊等，具有很強的綜合性，實際上是一個典型的系統工程。該系統由以下幾個子系統構成。

4.1 監測子系統

其功能是通過不同的方式和不同的儀器,從各方面自動采集監測數據和資料。所需監測項目包括位移測量、角度測量、力的測量、強度測量等，詳見圖3所示。

該系統需要考慮信息的采集頻率、采集精度和采集點等問題，遵循成本低、精度高、布設合理的原則。

4.2 數據接收與處理子系統

該子系統具備實施數據接收、處理和對監測子系統監控的功能，對接收到的監測數據進行檢查、轉換、糾錯、插補、分類等工作，建立數據庫，提供信息查詢、輸出、打印、發布、交換等功能[3]。該子系統采用圖形化編程語言LabVIEW進行開發，便捷輕松，并且具有強大的Internet功能。

4.3 數據庫子系統

數據庫子系統是監測與預警系統的“倉庫”[4]，負責其它子系統對數據的管理和應用，滿足各子系統對數據的采集、存儲、檢查、查詢、統計、分析及評估報警等多方面的功能要求。數據庫內容包括工程概況數據庫、原始數據庫、監測和分析數據庫、分析結果和報告數據庫。

4.4 模型庫子系統

模型庫子系統可以描述監測數據在數據庫子系統中的結構和數據操作方法，與數據庫子系統相結合，將大大提高系統預警決策能力，包括統計學模型、決定論模型、信息理論模型、模糊判別預測模型、灰色預測模型等。

4.5 通信子系統

該子系統設計時需要選擇通信方式，可采用超短波、衛星、GPRS、GSM等一項或多項組網，上述通信方式各有優缺點，應結合工程實際情況，在保證通信質量的前提下，設計成本較低，結構較簡單，工作性能較穩定的通信方案。

各個子系統間的指令傳輸方式 （即工作體制）有自報式、應答式及混合式三種，根據系統功能要求、電源等特點，應采用應答式或混合式工作體制。

4.6 遠程監控子系統

LabVIEW軟件不僅測量功能強大,而且也具有強大的通信功能，利用NI的TCP網絡通信方式[5]，可以將現場監測數據實現TCP/IP協議，使數據采集與傳輸都能在Internet上進行，從而使系統擁有一個一體的網絡平臺,以實現遠程監控。

該子系統能夠實現工作人員在遠離工程現場的辦公室里，便可通過瀏覽網頁來獲取或查詢實時監測數據，并進行相關操作。

4.7 預警子系統

預警子系統功能為預報可能發生的地鐵事故,提出處理方案和應急措施。預警內容包括要素越限（位移、強度等采集要素越過某一規定數值）、供電不足、設備事故報警，當出現上述情況時，該系統選用屏幕顯示、聲、光等報警方式進行報警，并提示事故方位等信息[6]。

5 結語

目前，國內檢測與預警系統研究主要集中在水利水電、大壩、橋梁等領域，地鐵方向研究相對較少。本文根據武漢地鐵工程現狀,對一套適用于地鐵建設的環境安全監測與預警系統進行了初步研究。該系統具有以下幾個優點:

1）采用LabVIEW完成系統軟件設計，開發周期短，界面友好，工作穩定，且成本較低。

2）實現遠程監控技術，工作人員可以隨時隨地查詢現場監測數據，以及操作現場儀器，達到資源共享的目的。

3）采用無線通信方式，不存在線路光纜布置問題，符合地下工程（地鐵工程）特點，布網不受現場條件限制。

4）該系統能夠在第一時間掌握地鐵工程運行狀況，實時采集監測數據，及時預測安全風險水平和趨勢，將安全事故消滅于萌芽狀態，對武漢及全國其他城市地鐵建設具有重大現實意義。

[1] 王德厚.大壩安全監測與監控[M].中國水利水電出版社,2004

[2] 劉君華,賈惠芹,丁暉等.虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M].西安電子科技大學出版社,2001

[3] 水利部水利水電規劃設計總院.中水東北勘測設計研究有限責任公司.水利水電工程水文自動測報系統設計手冊[M].第一版，2008（45）

[4] 李娜,冷俊,梁柱等.深港西部通道深圳灣大橋結構健康及安全監控預警系統概述[J].公路,2009,(5):186

[5] 李文娟,韓福強.基于LabVIEW的排水泵站遠程監控系統[J].工程技術,2009,(9):162

[6] 郎祿平.建筑自動消防工程[M].中國建材工業出版社,2006