自動化監測技術在地鐵中的應用研究

李濤

（石家莊市軌道交通集團有限責任公司，河北 石家莊 050000）

一、在地鐵中運用自動化監測技術的必要性

隨著我國各大城市經濟不斷發展，交通擁堵問題已經成為社會日益關注的問題。修建地鐵工程能夠解決城市路面擁堵的問題，緩解交通壓力。但隨著城市地鐵線路的不斷增加，地鐵工程布局變得越來越復雜，加上房地產與城市地下空間開發的不斷推進，建筑基坑施工鄰近地鐵運營隧道的情況越來越多，不可避免地給地鐵運營隧道造成不同程度的影響。所以，在地鐵運營隧道中運用自動化監測技術是十分有必要的。這主要是因為地鐵運營一般不允許中斷，人員不允許進入隧道，常規的人工監測方法無法實施，這時候就需要采取自動化監測技術，對地鐵運營隧道進行全天候二十四小時實時監測。在地鐵運營隧道中運用自動化監測技術不僅能夠確保地鐵正常運營，而且還可以實時獲取運營隧道的沉降、變形數據，全面掌握周邊施工對運營隧道的影響程度，從而準確判斷運營隧道的安全狀況。

二、地鐵監控量測現狀

地鐵是鐵路運輸的一種形式，指在地下運行為主的城市軌道交通系統，其中包括城市地區各種地下和地上路權專有，具有高密度、高運量的優勢，同時可以節省地面空間，避免地面交通擁擠，減少對地面建筑的破壞，節約能源，減少污染，是現代交通建設不可缺少的一部分。在我們在看到地鐵帶來的優勢的同時，要理性地分析和學習地鐵本身的一些限制因素。例如建造成本高、前期時間長、部分災害抵御能力弱等問題也要求對地鐵機電設備進行定期維護和保養，針對地鐵系統運行時間長出現的故障、磨損、老化等問題通過維修增加使用年限，保證地鐵運行安全穩定。地鐵的合理運行，要一套非常完備的管理技術體系。地鐵機電設備主要包括通風空調、給排水、低壓供電、綜合監控、氣體滅火系統、電梯和扶梯等。加強對地鐵機電設備的質量監控，確保各個系統安全可靠，是保證地鐵運行正常的關鍵，而提高機電設備的維修質量和安全性、防止事故的發生、保障人身安全是加強地鐵機電設備監控的主要目的。

（一）控制結構

地鐵機電設備監控系統一般由中央級和分控級控制，中央級指控制中心，分控級指各個車站，并由控制中心、各個車站和就地控制區組成控制網，多層面多方向進行實時監控。

（二）中央級控制中心的主要功能

對全線的地鐵機電設備監控其運行狀態，監控各個設備是否發生故障。監控全線的地鐵機電設備的事故警報，發出警報信息。發生事故的情況下，中央控制中心可直接控制單個車站的機電設備的緊急啟停。接收各車站測試點的測試數據，整體調度控制數據設置。監控各車站的運行狀態畫面，收集各車的位置信息。編輯修改時間表、順序控制表等，統一系統時間。

（三）分控級控制功能

根據系統控制模式對地鐵機電設備進行開啟或停止，實時控制各機電設備運行狀況。監測各個試點參數，監控集水池水位，超出安全水位范圍及時發出警報。發生火災等危險情況及時啟動災害模式。執行中央級控制中心發出的指令，同時接受中央級控制中心發出的警報信息。

（四）就地級控制功能

信息采集、整合、傳輸，實時單個設備的調控。顯示工作狀態，診斷設備故障。交換數據，執行命令。現在的設備一般采用的都是總分總的形式，及開頭為總開關總電纜，在中間的部分都會分成許多小的分支，這些小的分支來控制一些微型的系統。這些小的分支采用的是區域式的管理，將總開關分為各個小開關，小開關控制著某一區域的設施運行。并通過一些數字技術將其傳輸到設備上。

三、自動化監測技術在地鐵中的應用

地鐵自動化監測系統的組成。地鐵自動化監測系統的組成包括：數據采集設備、無線傳輸設備、自動化監測控制軟件。

（一）數據采集與傳輸系統

數據的采集與傳輸系統包括監測數據采集設備和數據傳輸設備的同時，還需要穩定的電源系統對數據采集和傳輸設備持續供電。同時，防雷系統、保護機箱及防震動、干擾等其他設備都是地鐵監測現場數據采集和傳輸設備穩定的重要保障，也是自動化監測技術應用的基礎。根據監測類型分類，目前廣泛使用的監測設備：沉降類主要采用靜力水準、梁式傾斜儀、光纖等監測設備、水平位移類主要采用測量機器人等監測設備)、微距離變化類主要有裂縫計、變位計等監測設備、應力應變類主要有鋼筋計、應變片等監測設備。按照其工作原理，監測設備分為：電壓式傳感器、電阻式傳感器、電感式傳感器、振弦式傳感器、CCD 式傳感器、標準信號等。目前，數據的采集設備應用和開發較為成熟。但是由于地鐵類監測項目較多，市面上的自動化監測設備還不完全，且部分設備由于監測項目的特殊性還沒有完全達到自動化監測。有些數據采集設備由于其結構復雜、造價高昂，使得在自動化監測使用上不能普及，這也成了自動化監測技術普及的障礙。怎么結合工程實際，發展性能穩定、價格低廉的數據采集設備成為今后自動化監測技術需要解決的問題。數據傳輸系統主要在于監測數據傳輸方式的選擇。自動化監測的數據及操作指令傳輸主要采用有線傳輸和無線傳輸兩種方式，這一技術已經非常成熟，在此不再敘述。兩種傳輸方式各有優缺點，結合地鐵工程實際，選擇合適的數據和操作指令傳輸方式。

（二）自動化監測控制軟件

自動化監測控制軟件分為采集單元及傳感器控制部分和數據后處理部分。采集單元及傳感器控制部分能夠控制現場監測設備，發送數據采集指令達到數據自動化采集的目的。數據采集之后，數據后處理部分將監測成果進行整合、管理分析、存儲，自動生成分析報表、圖表等。1.系統設計原則系統設計應遵循以下原則:（1）系統可擴展性和靈活性，實現系統體系結構和應用功能的可擴展性和靈活性。（2）系統可靠性，架構設計科學、合理。（3）系統安全性，充分考慮網絡系統級、操作系統級、數據庫系統級和應用程序的安全性,保證系統安全運行。針對不同的用戶賦予不同的可訪問的權限。2.系統主要功能（1）遠程監測指令發送；（2）數據的入庫、出庫、管理；（3）設置控制值，通過控制值確定預警狀態；（4）生成報表、測量表、變化曲線圖；（5）工程量、預警情況等數據統計；（6）工程風險等級綜合評價。無線傳輸自動化監測系統在地鐵中的應用應結合工程實際需求，并且緊密貼合國家規范進行數據后處理模塊開發。

（三）運用要點

結合現場情況靈活設置工作基站及校核點根據現場條件，自動化監測工作基站既可以設置在變形影響區以外，也可以設置在變形影響區內。本次自動化監測區域隧道平面線形為直線，通視條件良好；為使各監測點誤差均勻，提高監測精度，并方便全站儀自動尋找目標，本項目自動化監測工作基站布設于監測區中部，即采取測站設置在變形區的方法。先制作全站儀托架，托架安裝在側壁隧道結構上，嚴格遵照設備限界線進行安裝設置。合理選擇通訊方式自動化監測系統的通訊方式可以是無線傳輸，也可以是有線傳輸。我國大部分的自動監測系統都是采用無線通信方式，這種通訊方式能夠方便監測人員對監測環境和結果進行控制。但實際上，不管是哪一種通訊方式，都是把傳感器的串口數據轉換成電磁波信號，并以微波的方式進行無線通信。而選擇通訊方式的根據是方案的成本、覆蓋范圍、接入方式等，監測人員可以根據業主要求及隧道的特點，合理選擇通訊方式，在降低監測成本的同時，還可以提高自動化監測技術結果的準確性，有效解決監測過程中出現的問題。自動化監測控制軟件分為采集單元及傳感器控制部分和數據后處理部分。采集單元及傳感器控制部分能夠控制現場監測設備，發送數據采集指令達到數據自動化采集的目的。數據采集之后，數據后處理部分將監測成果進行整合、管理分析、存儲，自動生成分析報表、圖表等。系統可擴展性和靈活性，實現系統體系結構和應用功能的可擴展性和靈活性。系統可靠性，架構設計科學、合理。系統安全性，充分考慮網絡系統級、操作系統級、數據庫系統級和應用程序的安全性，保證系統安全運行。針對不同的用戶賦予不同的可訪問的權限。

（四）隧道監測管理

每個預埋測點應達到一定的穩定性，識別難度不高，同時盡量拓展保護范圍，不可隨意更改或破壞測點，并相應形成更為完善的記錄信息。應嚴格按照技術要求實施監測，保證監測頻率達到標準要求。對數據的測量應準確，及時反饋測量結果，便于對信息進行動態掌握和管理。記錄的形式應相對正規，資料要盡量完備。及時處理和反饋監測數據。此外，對于站線外緣兩邊30m 范圍內的各類建筑體和管線等均需納入監測范圍，全面實施地鐵施工的監測工作。監測的對象主要為建筑、人行天橋、底線管線等。具體的監測內容應為發生沉降的建筑物、地表道路、管線及發生位移的土體等。實施城市地鐵項目施工的監測工作時，應將保障施工過程的安全性作為首要目標，變形監測地鐵線路沿途各類建筑，隧道的周邊收斂和拱頂下沉現象可直接說明隧道圍巖和支護穩定性的情況，技術人員可對周邊收斂和拱頂下沉情況進行測量，以此作為對支護結構穩定性的判定依據。通過對周邊收斂和下沉位移速度的測算，可確定實施二次襯砌澆筑的最佳時間，也為選擇適合的工藝類型和襯砌參數提供參考依據，監控施工對環境方面的影響，系統搜集數據信息，也可為后期開展同類型的隧道設計提供參考。實施高程聯系測量時，需將地面基點的高程引向橫通道的臨時基準點。實施現場測量時，需使用懸掛鋼尺完成高程的傳輸，將鋼尺掛于支架，零端放入基坑，同時在該端掛一重錘。在計算變化量方面，可將本次產生的拱頂高程與之前同點號的高程差作為變化量，與同點號的初始高程差作為累計的變化量。對于符號的相關規定：拱頂上升用“+”表示，下降用“－”表示，并用上述符號編制觀測報表和變形曲線圖。

結束語

我國城市地鐵運營隧道運用自動化監測技術已經有一段時間，其實踐結果已經證明了在地鐵運營隧道運行過程中運用自動化監測技術是非常必要，也是非常有效的。地鐵運營隧道具有一定的封閉性、復雜性、隱蔽性等特點，加上其作為一種大客流的公共交通通道，不允許輕易出現中斷或者改變運行時間。普通的人工監測技術已不能夠滿足地鐵運營隧道的發展要求，所以必須要運用自動化監測技術，才能夠實時監測周邊施工對運營地鐵隧道的影響，且不干擾正常的地鐵運行，保證地鐵運行效率。