軌道交通地下工程建筑安全檢測系統技術研究

田玉冬，王廣勛，高建洪

(1.蘇州科技學院 機械工程學院，蘇州 215009；2.上海交通大學 能源研究院，上海 200030)

軌道交通地下工程建筑安全檢測系統技術研究

田玉冬1，2，王廣勛1，高建洪1

(1.蘇州科技學院 機械工程學院，蘇州 215009；2.上海交通大學 能源研究院，上海 200030)

城市軌道交通地下工程建筑安全檢測是軌道交通安全工程領域的一個重要研究方向。本文分析城市軌道交通地下工程建筑安全檢測的目標和內容，設計安全檢測系統，給出工作原理和技術方法，并對安全檢測系統的結構原理、技術實現和設計特點進行詳細研究。

軌道交通；地下工程；建筑安全；檢測系統；技術研究

隨著國民經濟的快速增長，我國城市軌道交通得到了大力發展，建設速度驚人[1]。自1969年我國第一條地鐵在北京建成通車后，城市軌道交通在天津、上海、廣州、深圳、南京等城市相繼建成和投運[2]。到2014年底，我國有城市軌道交通的城市已達22個，線路101條，長度3 155 km。在營運的北京、上海、廣州等大都市，日均客流量已超過100萬[3]。在上下班和節假日高峰擁堵時，城市軌道交通以其安全、快速和準確等特點，已成為人們出行的首選交通方式之一。

在不斷增長的城市大客流量面前，城市軌道交通在推動城市發展的同時，也對環境和建筑產生了一定的影響，這給城市生態環境和人們的安全帶來了新的問題和挑戰[4]。目前，不少地區城市軌道交通地下建筑安全問題和地面沉降、地質裂縫、地洞等地質災害及其次生問題不斷發生，浪費了大量的人力和物力[5]。事實上，自地鐵誕生之日起，地鐵建筑支護檢測和修補便開始了，地鐵對環境和建筑的危害就一直沒有間斷過，充分暴露出城市軌道交通地下建筑環境安全和控制措施的不足，因此，對城市軌道交通地下工程建筑安全檢測等新問題和新技術進行長期深入研究具有重要的現實意義。

1 城市軌道交通地下工程建筑安全

從結構上，城市軌道交通地下工程建筑主要由地鐵站臺和地鐵隧道組成，屬于典型的坑道節點式構造[6]。根據城市軌道交通、地下鐵道工程和鐵路隧道工程方面的國家標準，城市軌道交通地下工程建筑結構的設計使用年限應為100年[7]。其安全要求包括結構強度、結構功能和結構可修復3個方面。

城市軌道交通地下工程建筑安全檢測是通過測量和巡查，對地下工程建筑的主要參數進行監控，經過評價指標分析進行安全等級評判[8]。其目的是通過測量，評價城市軌道交通地下工程建筑結構的安全性。

一般來說，影響城市軌道交通地下工程建筑結構安全的主要因素包含有環境和人為這兩個方面。

綜合以上分析，目前城市軌道交通地下工程建筑結構安全檢測的內容主要有：（1）斷層；（2）裂隙；（3）剝落；（4）滲透水；（5）變形和位移。檢測方法采用傳統的定期關鍵點巡查和結構工程儀器直接接觸式離散測量，從而形成報表制度。

2 安全檢測系統設計和工作原理

2.1 安全檢測系統設計

城市軌道交通地下工程建筑安全檢測系統的設計主要由車地兩套獨立計算機裝置組成，以完成對地下工程建筑結構支護圍欄兩側涂覆黑白色帶圖像和位置進行檢測，對拱頂自然結構狀態進行檢測，以及對地面為拱橋軌道結構狀態進行檢測。

車輛上安裝下位機和上位機兩級計算機裝置，通過串行通信進行數據交換。下位機由嵌入式系統組成，完成測量傳感器的信號處理；上位機由工控計算機組成，完成操作、輸出、顯示、監測測量結果，并進行管理。地面車站計算機裝置實時執行操作和管理，完成檢測、統計、分析和報表。其系統總體結構框架如圖1所示。

圖1 安全檢測系統結構圖

2.2 安全檢測系統工作原理

城市軌道交通地下工程建筑安全檢測系統的基本工作原理是，通過CCD傳感器獲取被測物體的圖像，然后對圖像進行處理，在圖像處理后完成對被測結構的測量。一般圖像只能進行2D測量，此處采用視覺自動聚焦技術就能夠進行2.5D測量。視覺自動聚焦技術是采用自動聚焦判別函數對高度不屬于同一平面上的兩點進行精確聚焦，然后通過計算得到兩點間的距離。

通過CCD傳感器獲取被測結構圖像的模擬信號，經過車載下位機進行A/D轉換，轉換成數字信號、輸入到計算機，然后由圖像處理手段對圖像中需要測量的幾何圖元進行測量，從而實現對被測結構的非接觸測量。圖像處理需要實現的功能包括圖像獲取、圖像濾波降噪、圖像增強、圖像邊緣定位、特征定位、圖元擬合、圖元計算等。

3 安全檢測系統技術實現

隨著計算機技術、通信技術、控制技術和微電子技術的飛速發展，采用計算機圖像檢測技術進行城市軌道交通地下工程建筑安全檢測，并按照我國城市軌道交通技術規定，采用車地無線通信系統[9]。

3.1 硬件技術

嵌入式系統是集成電路技術和微型計算機技術高速發展的產物。在車載下位機中的測量模塊采用嵌入式系統檢測單元設計方案，主要是考慮了系統模塊化和可維護性。

由于圖像處理的直觀性和可視性，檢測單元中的傳感器選用CMOS型CCD，代表性產品有USB攝像頭。嵌入式系統處理器現有單片機、DSP和微處理器3大類，此處采集和處理的均為實時彩色圖像，故采用微處理器，其典型產品有ARM系列多個品種可靈活選用。視頻數據采集和圖像處理可采用Linux軟件實現，對處理后的壓縮圖像通過城市軌道交通監控系統通信標準由規定的接口完成即可。最后，視頻圖像傳送給車載上位機進行實時的顯示和控制。其系統硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖

3.2 軟件技術

根據城市軌道交通技術標準和設計規范的要求，安全檢測系統在軟件技術方面需要具備完成圖像處理的功能。

在圖像產生、傳輸和變換的過程中，由于各種因素的影響，往往會使圖像與被測結構之間產生差異。這給從圖像中提取各種安全信息造成了很大困難。因此，對CCD傳感器得到的圖像要進行各種處理，以降低噪聲干擾。常見的圖像噪聲包括光學成像及采樣過程中常會出現的混疊噪聲、插入噪聲、抖動噪聲、電子噪聲等。而且邊緣的檢測和提取往往對噪聲較敏感，因此首先需要對圖像進行濾波降噪處理。

數字圖像濾波器有線性和非線性兩大類。線性濾波器對高斯噪聲有較好的平滑作用，但對其他噪聲的抑制效果較差，而且會出現模糊邊緣。在非線性濾波器中，中值濾波器在過濾噪聲的同時，還能較好保護邊緣輪廓，對消除孤立點和線段的干擾十分有用，特別是對于二進制噪聲尤為有效。這就特別符合幾何測量中對邊緣定位的需求，因此安全檢測系統選用中值濾波器對圖像進行濾波降噪。

由于要測量物體輪廓邊緣的幾何信息，所以圖像邊緣信息提取的好壞就顯得尤為關鍵。一般物體和背景具有較大的對比度，反映在圖像上就是物體和背景的灰度差別較大，圖像直方圖將呈現較為明顯的雙峰型，所以安全檢測系統采用閾值法實現圖像分割。

4 安全檢測系統設計特點

4.1 模塊化

由于嵌入式器件的整體功能越來越強大，嵌入式系統模塊化設計、組裝、調試和維護技術已經非常完善，技術人員通過專業學習可以快速掌握和應用。在城市軌道交通現場應用中，各級子系統大量采用嵌入式系統完成模塊化功能的實現。

4.2 集成化

現場檢測技術進一步的發展，必然是高度集成化。對于日益復雜的城市軌道交通，從橫向上考慮，隨著城市軌道交通建設規模的擴大和發展，各個子系統數量不斷增加，遍布所有城市軌道交通的子系統；從縱向上考慮，各系統都有向下層深入的趨勢。因此，多子系統構成的安全檢測系統不僅能夠實現車站級集成，還能夠實現現場級集成，甚至直接到各檢測傳感器上。

4.3 網絡化

在一個城市，一般都存在多條軌道交通線路，這就要求把不同的線路資源進行網絡化處理。從單線路的檢測系統向路網級檢測系統發展，是網絡化發展的必然趨勢。對于城市軌道交通的綜合檢測，可以采用線路、車站、車輛為層次單元，組成相對完善的網絡結構，同時具備強大的數據處理能力，能夠更好地滿足和適應軌道交通網絡在不同層面上的需求。

5 結束語

建設準確實時高效的城市軌道交通地下工程建筑安全檢測系統有助于節約資源，促進生態文明發展。城市軌道交通地下工程建筑安全檢測系統技術反映了城市軌道交通信號、系統和集成的特性。本文在分析城市軌道交通地下空間建筑結構安全檢測目標和內容的基礎上，建立了模塊化、集成化和網絡化的計算機圖像檢測系統模型，詳細介紹了其安全檢測系統的設計思想、基本原理、技術實現和技術特點，對進一步技術開發和設備升級奠定了基礎。

[1] 錢七虎.地下工程建設安全面臨的挑戰與對策[J].巖石力學與工程學報，2012, 31（10）： 1945-1956.

[2] 劉伯鴻，李國寧.城市軌道交通信號[M].成都：西南交通大學出版社，2011.

[3] 劉伯鴻，李國寧.城市軌道交通綜合監控系統及集成[M].成都：西南交通大學出版社，2011.

[4] 周曉軍.地下工程監測和檢測理論與技術[M].北京：科學出版社，2014.

[5] 張開冉.城市軌道交通安全[M].北京：科學出版社，2013.

[6] 住房和城鄉建設部工程質量安全監管司.城市軌道交通工程質量安全檢查指南[M].北京：中國建筑工業出版社, 2012.

[7] 朱滬生.上海軌道交通網絡化運營中的安全管理與風險控制[J].城市軌道交通研究，2012（10）：1-5.

[8] 呂培印，廖弈棋，羅鳳霞.城市軌道交通工程建設安全管理信息系統設計與應用[J].鐵路計算機應用, 2012, 21（5）： 37-40.

[9] 常瀏凱，譚 華.地鐵信號設備在線監測系統設計與實現[J].鐵路計算機應用，2015，24（3）：54-57.

責任編輯 陳 蓉

Underground Engineering Building Safety Test System for Urban Transit

TIAN Yudong1,2, WANG Guangxun1, GAO Jianhong1
( 1.School of Mechanical Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China; 2.Energy Research Institute, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China )

The underground engineering building safety test for Urban Transit is an important research area.This article analyzed the aim and content of test, designed the Underground Engineering Building Safety Test System, presented the principle and technology method of the System, researched on the structure principle, technology implementation and design characteristics in detail.

Urban Transit; underground engineering; building safety; Test System; technical study

U231.3∶TP39

A

2015-07-18

建設部2013年科學技術項目計劃（2013K534）。

田玉冬，教授；王廣勛，副教授。

1005-8451（2016）03-0067-03