基于BIM和GIS的地鐵智能監測系統應用研究

曾 昊

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

1 概述

近年來，全國基礎建設進程加快，城市軌道交通工程建設范圍也逐漸由一線城市擴展到二、三線城市。雖然全國部分城市項目叫停，但2018年，中國城市軌道交通在建線路仍有202條，分布全國46座城市，總里程達5 520.904 km。隨著國內城市軌道交通工程進入大發展時代，事前設計、事中管理、事后監測必須跟上建設的步伐。一些項目因為“搶工期”，或多或少放松了現場安全監測管理，為事故的發生埋下了隱患。為了降低重大安全事故的發生，減少人員傷亡及財產損失，在工程項目建設期間必須貫徹“安全第一”的觀念，杜絕“四邊工程”[1-2]，做好實時監測管理工作，及時分析發現問題，提高項目建設周期的安全性。

在常規的鐵路隧道、公路隧道、地鐵車站及區間、建筑物深基坑、高邊坡等典型地下工程的施工監控量測作業中，由于技術及管理手段的限制，普遍存在著信息化程度不高、遠程監管手段缺乏的情況，這是導致不能及時發現并有效處理現場安全風險或隱患、規避安全事故的重要原因[3-5]，集中體現在三個方面：

1)真實性、準確性、效率：監控量測工作從測量、數據分析、超限識別到處置幾乎全由人工填報，不僅效率較低，且人為因素影響較大，數據的真實性及準確性無法保證，甚至連是否如實按設計要求開展了監控量測工作也無法確保。

2)及時性：現場測量后，需回到辦公室對數據進行計算后才能得出監測結論、發現超限情況。而施工現場的管理人員或公司管理人員，更要在經過層層上報后才能了解到該情況并安排處置工作，這存在較長時間的延遲，使得現場風險不能得到及時妥善處置。

3)統一數據管理、追溯、挖掘：監測數據是施工過程的重要資產，妥善的保存與挖掘利用將為整個鐵路建設生命周期提供巨大價值。但目前監控量測資料主要以大量紙質和電子檔的形式存在，零散且易丟失，未進行系統整理歸納，難以追溯歷史數據的情況，更談不上對數據進行有效的挖掘與分析利用。

針對以上問題，建立一套基于施工單位現場作業人員及項目部管理人員、監理單位及建設單位管理人員等不同層級參與方對管理項目監測信息的不同關切需求的平臺級智能監測系統成為必然。

得益于物聯網技術、無線通信技術及微電子技術的快速發展，各種智能監控系統在重大施工項目和環境工程中得到了廣泛應用。郝傳才[6]利用計算機技術對地鐵施工監測工作所產生的監測動態數據和基礎信息進行分析，反饋指導設計與施工，并在廣州市軌道交通五號線建設期內應用；李鵬等[7]通過徠卡 ADMS 測量機器人對地鐵線盾構隧道進行了自動化監測并制定三級預警制度進行管理，驗證了自動化監測在地鐵測量中的應用價值和前景；張成平等[8]在北京地鐵5號線崇文門站下穿既有地鐵隧道施工中應用遠程自動監測系統，在保障既有線安全運營中起到了至關重要的作用。任高峰等[9]基于 LabVIEW 虛擬儀器技術、多傳感器技術、無線網橋及GPRS傳輸技術，提出近接既有地鐵線施工防護的實時智能監測系統，實現對近接既有地鐵線及隧道結構變化的實時監測，及時預警。

雖然前期智能監測已做出許多重要的實踐應用，在監控設備及傳輸手段上不斷革新，但在可視化展示及監測數據分析應用方面研究較少。針對以上問題，依托廣州市軌道交通十一號線施工項目，通過將智能監測系統與BIM及GIS技術相結合，開發了一套平臺級的施工管理系統，在確保監測數據的及時、有效、準確性的同時，通過BIM及GIS可視化的優點輔助現場人員完成監測數據的分析挖掘。

2 應用項目概況

廣州市軌道交通十一號線線路全長44.2 km，全部采用地下敷設方式，全線共設車站32座，作為廣州首條環形地鐵，串聯廣州五大中心城區，連接廣州火車站、廣州東站等大型交通樞紐，具有重要的交通戰略意義，是廣州市在建地鐵重點工程和標志性工程。

該項目與廣州市中心城區地下管廊項目同步實施，近接關系復雜。同時，該項目穿過廣州五大中心城區，具有周邊環境復雜、建設難度大技術含量高、后期運營管理壓力大等問題，利用數字化技術及信息化手段在全線部署智能監測系統確保工程安全性具有重要意義。

3 系統基本架構

本系統在工點現場，通過外業智能采集終端及配套軟、硬件，建立與測量儀器(如水準儀、全站儀等)和傳感器的無線連接，自動采集原始數據，并實時進行分析計算，現場給出超限提示。測量完成后，成果數據將通過無線網絡實時上傳到數據服務器。回到辦公室后，現場測量人員可通過內業數據數據平臺導出對應的原始數據和成果報表，以便現場應用。整個過程人工無法對數據做出任何編輯。記錄完成的監測數據接入基于BIM技術的施工管理平臺中，基于GIS和BIM綜合展示監測信息，輔助完成對監測數據的分析與決策。同時，與平臺其他功能如安全管理、視頻監控、風險管理等業務模塊進行整合與聯動最大限度滿足各方需求(見圖1)。

為滿足移動辦公的需求，系統提供安卓和蘋果移動APP，可對所有項目的監控量測總體情況、報警統計情況等進行查看，并可按需點擊查看詳細數據、針對報警處置進行批示等。

4 系統主要功能

4.1 數據智能采集處理

本項目外業數據采集采用智能采集終端，該終端采用最高防護等級的安卓硬件及APP應用，通過與數字化監測儀器建立無線藍牙連接實現監控量測數據的自動采集，涵蓋包括水平位移及收斂、沉降、應力、水位變化等在內的所有監控量測項次。在實時采集過程中對數據進行初步分析，一旦發現監測數據超過閾值，立即提示現場測量人員，要求對測量數據的正確性進行確認并采取對應措施，當智能采集終端檢測到網絡信號時，將會提示測量人員，以便將采集到的數據即時、自動上傳至服務器平臺。

針對內業數據分析，系統為施工現場測量人員提供電腦桌面工作成果處理軟件，依行業規范、根據不同項目的管理要求定制生成各種類型的報表，如實測曲線、回歸分析、工作統計報告等，便于進行現場三方確認，內業數據處理軟件。

4.2 數據交互平臺

內業數據處理軟件主要針對現場測量人員對數據的處理及分析，用于報表生成，但并不適用于工程管理人員。本系統針對工程參建各方提供數據完整、功能豐富的信息交互及數據共享平臺，滿足參建各方對監測數據的應用需求，如圖2所示。平臺采用分級管理根據機構、項目、人員的組織關系，就不同組織機構級別下、不同項目、不同人員的賬戶及權限進行分級管理，確保所有用戶在恰當的權限下進行平臺應用，主要功能包括：

1)工程管理：提供設計信息、工程信息、施工進度等信息查詢輔助功能模塊，方便管理人員將監控量測與工程實際情況相結合。2)原始數據查看及數據分析：查詢監測原始數據及數據預測曲線。3)報警管理：當監測數據超過閾值觸發報警時，即時向授權人員推送短信，經過原因分析、妥善處置、驗證確認后方可由授權人員閉環關閉。4)監測項目管理：對監控量測的項次、基點、測點、報警閾值、報警短信接收人員、量測人員、監控量測日報等進行管理，確保現場工作的開展是基于正確項目授權的。5)監測記錄報警管理：對不符合監控頻次要求的進行報警處置。

4.3 GIS場景展示

為了更直觀、整體地查看現場監測情況，本系統通過二維GIS以及傾斜攝影模型在BS端對全線及工點監測數據進行綜合展示(見圖3)，根據參建各方的不同需求，顯示其最為關注的信息。在二維GIS場景中，包含以下幾個功能：

1)通過顏色區分各個工點的監測報警情況，可快速進行定位直接切換至數據交互平臺查看該工點的監測數據。

2)按照報警類型實時分類統計，掌握工點報警分布情況，協助完成報警情況分析。

3)按照預警點數進行實時排名，幫助管理人員找出需要關注的重點。

4.4 BIM模型綜合分析

通過本系統三維圖形引擎，將BIM模型進行輕量化處理后導入并與監測點信息綁定，如圖4所示。在BIM展示場景中，現場管理人員可準確定位報警數據位置，通過綜合分析多個報警數據，可快速有效地分析報警原因。同時，針對每個監測點，提供歷史數據查看及曲線分析，幫助現場管理人員完成問題追溯。

4.5 移動端APP

移動端APP，通過監控量測日報對所有授權項目監控量測情況進行快速管理，并可按需查看詳細的量測數據及關注其變化趨勢、對報警處置措施進行批示等，如圖5所示。

5 結論

1)基于BIM和GIS的城市軌道交通施工智能監測系統在廣州市軌道交通11號線工程中得到廣泛應用，解決了傳統監測手段的諸多問題，在提高現場作業效率的同時，保障數據的真實性、準確性、及時性，達成施工過程規范管理、安全風險預警管控、數據信息智能共享的目的。

2)通過將BIM及GIS技術與施工監測數據相結合，大幅提高施工現場安全信息的共享和利用效率，利用BIM可視化、參數化的優勢，精確定位異常數據，實現安全風險快速識別。

3)利用平臺將監測數據與其他子系統如現場視頻監控、安全管理、風險管理整合聯動，擴大了監測數據的應用范圍，提高了施工管理信息化水平，為智慧工地以及未來智慧城市的建設打下了基礎。