1、研究背景和項(xiàng)目來(lái)源
地鐵是一種在狹小空間內(nèi)快速載運(yùn)高度密集人群的交通裝備，空間狹小決定了其管理措施的難度和復(fù)雜性；高速運(yùn)轉(zhuǎn)更突顯了系統(tǒng)多方面協(xié)調(diào)配合的重要性，每一個(gè)系統(tǒng)每一個(gè)細(xì)節(jié)都可能是影響安全的因素；人口高度密集決定了軌道交通一旦發(fā)生事故就是巨大的危險(xiǎn)和災(zāi)難；軌道交通的安全與規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)各個(gè)階段密切關(guān)聯(lián)，又決定了軌道交通安全管理的系統(tǒng)性和整體性。這些因素都對(duì)地鐵的安全管理工作提出了新的挑戰(zhàn)，也同時(shí)說(shuō)明了城市軌道交通一旦發(fā)生安全事故，其后果是極其嚴(yán)重的。
結(jié)構(gòu)體的安全監(jiān)測(cè)包括隧道結(jié)構(gòu)侵蝕監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測(cè)和環(huán)境情況監(jiān)測(cè)，其中尤其是結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測(cè)非常重要，其監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要為沿縱向分布的隧道橫截面沉降、橫向位移和斷面的收斂變形。
地鐵隧道的結(jié)構(gòu)體發(fā)生過(guò)大的形變將時(shí)造成災(zāi)害，所采取的預(yù)防措施主要是進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)，并可分為施工階段和運(yùn)營(yíng)階段。為了同時(shí)提高隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間的安全性，需要可靠的檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理方法，而傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)由于建筑施工的干擾及檢測(cè)方式、設(shè)備所限，只能間斷性地進(jìn)行記錄，并且不適用于隧道完工之后隧道運(yùn)營(yíng)的監(jiān)測(cè)。在隧道施工過(guò)程中，利用儀器通過(guò)人工測(cè)量或自動(dòng)測(cè)量等方法可對(duì)隧道整體及斷面的形變進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察和監(jiān)控，然而這往往僅對(duì)確保隧道施工質(zhì)量有效。對(duì)于自動(dòng)測(cè)量方法，由于其自動(dòng)測(cè)量?jī)x器（全站儀）的價(jià)格很高難以全線布點(diǎn)，它的自動(dòng)測(cè)量一般僅對(duì)施工的推進(jìn)面有效，其基準(zhǔn)測(cè)量還需人工定期測(cè)量，因此并不適用于運(yùn)營(yíng)隧道的檢測(cè)，施工結(jié)束后，這些設(shè)備即撤離了現(xiàn)場(chǎng)，地鐵隧道投入營(yíng)運(yùn)之后，無(wú)法對(duì)隧道的形變進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控。
目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)隧道施工階段的監(jiān)測(cè)技術(shù)已比較成熟，而對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)期間的監(jiān)測(cè)重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。事實(shí)上，運(yùn)營(yíng)階段因時(shí)間跨度大、影響因素復(fù)雜、發(fā)生災(zāi)害后的社會(huì)影響大，因此運(yùn)營(yíng)隧道的健康監(jiān)測(cè)更應(yīng)重視。
對(duì)已建地鐵隧道的沉降觀測(cè)資料研究發(fā)現(xiàn)，處于軟土地層中的隧道在長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)中，一般都會(huì)持續(xù)增大縱向沉降，該沉降為總沉降量的主要部分。隧道不均勻沉降會(huì)使隧道產(chǎn)生彎曲變形影響軌道的平整和乘客的舒適性，并導(dǎo)致隧道接縫張開(kāi)，從而進(jìn)一步加劇滲透，甚至漏泥，對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)、接頭和正常運(yùn)營(yíng)造成威脅。因此必須重視隧道結(jié)構(gòu)體在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中的沿縱向的整體形變，并從設(shè)計(jì)、施工、工程防治、周圍環(huán)境的影響等方面予以綜合管理與控制。
運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的形變包括隧道縱軸線沿橫斷面的位移及隧道橫斷面形狀的變化，當(dāng)隧道形變過(guò)大時(shí)將影響地鐵安全運(yùn)營(yíng)。本項(xiàng)目立項(xiàng)的目的就是研制運(yùn)營(yíng)隧道形變檢測(cè)分析系統(tǒng)，根據(jù)隧道形變的漸變性及長(zhǎng)期性，采集隧道形變實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并建立長(zhǎng)時(shí)段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間及空間的融合，為實(shí)現(xiàn)隧道形變的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布并建立隧道變形預(yù)警機(jī)制做好前期的準(zhǔn)備工作。本課題屬于軌道交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)安全綜合技術(shù)研究與應(yīng)用的重要組成部分。
2、主要研究?jī)?nèi)容
針對(duì)本課題，項(xiàng)目組已經(jīng)進(jìn)行了大量前期基礎(chǔ)研究工作?；诙嘟M立體相機(jī)和近景攝影測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)了建筑物模型的變形監(jiān)測(cè)?；谲囕d多傳感器移動(dòng)空間數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了GPS、INS、CCD立體相機(jī)、激光掃描等傳感器的集成與處理。隧道安全監(jiān)測(cè)采集車是近景立體攝影測(cè)量、全景相機(jī)和斷面掃等空間多傳感器網(wǎng)絡(luò)集成與數(shù)據(jù)融合，配以數(shù)據(jù)管理與實(shí)時(shí)發(fā)布的成功范例，在空間多傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的支撐下，實(shí)現(xiàn)了精度達(dá)5mm的定位精度，為該科研計(jì)劃的順利進(jìn)行與圓滿成功提供強(qiáng)有力支持。
根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)和內(nèi)容組成，該項(xiàng)目研究主要可以分為三個(gè)部分：
A. 隧道整體變形檢測(cè)：研究采用網(wǎng)絡(luò)化智能圖像傳感器進(jìn)行運(yùn)營(yíng)地鐵隧道形變?yōu)暮ΡO(jiān)測(cè)。主要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化智能圖像傳感器研究、智能圖像傳感器姿態(tài)自穩(wěn)定裝置研究、研究通過(guò)圖像分析處理獲得基準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)位移數(shù)據(jù)及采用數(shù)據(jù)融合及聯(lián)合平差理論處理傳感器網(wǎng)絡(luò)的序列影像實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量、傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)、三維隧道形變圖像建模和變形預(yù)警等。
B. 隧道局部（斷面）變形檢測(cè)：研制隧道斷面變形測(cè)量監(jiān)測(cè)儀。依據(jù)前一部分的成果，建立隧道軸線定位基準(zhǔn)的傳遞系統(tǒng)，為隧道斷面變形測(cè)量?jī)x提供精確的測(cè)量基準(zhǔn)，由隧道斷面變形測(cè)量?jī)x對(duì)隧道全面進(jìn)行掃描監(jiān)測(cè)，提供更加全面、豐富的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行隧道變形狀態(tài)的精準(zhǔn)分析診斷。
C. 建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)發(fā)布隧道變形信息：存儲(chǔ)及處理隧道整體變形及斷面變形測(cè)量數(shù)據(jù)，形成預(yù)警機(jī)制，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。
本項(xiàng)目主要研究采用網(wǎng)絡(luò)化智能圖像傳感器對(duì)一個(gè)試驗(yàn)區(qū)間中的運(yùn)營(yíng)隧道的縱軸線變形進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，建立隧道橫向整體位移在空間及時(shí)間上的分布規(guī)律，通過(guò)形變分析初步建立起隧道變形狀況的預(yù)警機(jī)制，并建立隧道軸線定位基準(zhǔn)的傳遞系統(tǒng)，為車載隧道斷面變形測(cè)量?jī)x提供精確的測(cè)量基準(zhǔn)。
在本項(xiàng)目中，首次提出以網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道形變進(jìn)行在線式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)隧道變形數(shù)據(jù)分析隧道變形狀況，及時(shí)預(yù)報(bào)隧道變形狀況不良引起的災(zāi)害。
同時(shí)以它為基礎(chǔ)進(jìn)行隧道軸線定位基準(zhǔn)的傳遞，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)采用隧道斷面變形測(cè)量?jī)x進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
這是一種新的非接觸式實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方法的不足。它采用非接觸、實(shí)時(shí)在線方式，全面獲取結(jié)構(gòu)體信息，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合，試驗(yàn)成本低，過(guò)程可重復(fù)，具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高精度的特點(diǎn)，能提高局部監(jiān)測(cè)的精度和時(shí)空上整體監(jiān)測(cè)分析的能力。
圖像傳感器以一定的間距分布于隧道斷面的頂部或側(cè)面，在每個(gè)斷面上設(shè)置一個(gè)或多個(gè)圖像傳感器，所有傳感器組成一個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，由各站的監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和初步分析，再通過(guò)站間的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)全線路隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警。目前，這種集成影像和傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)和系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)報(bào)道。
3、主要研究成果
創(chuàng)新點(diǎn)
?。?） 首次提出基于圖像分析的隧道形變監(jiān)測(cè)和定位基準(zhǔn)傳遞的方案和理論。實(shí)現(xiàn)隧道整體變形的在線監(jiān)測(cè)。
?。?） 設(shè)計(jì)了一套基于圖像測(cè)量技術(shù)的針對(duì)隧道變形在線監(jiān)測(cè)的智能圖像傳感器系統(tǒng)。
?。?） 設(shè)計(jì)了一套集激光測(cè)距、緊密轉(zhuǎn)角控制、電子傾角測(cè)量等為一體的斷面掃描檢測(cè)車。
（4） 提出了一種對(duì)智能圖像傳感器姿態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，解決了由于傳感器姿態(tài)引入的測(cè)量誤差。
?。?） 提出了一套多種傳感器多點(diǎn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理方法。
?。?） 提出了智能圖像傳感器的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定及維護(hù)保養(yǎng)更換的可行方法。
?。?） 制定了適合隧道在線檢測(cè)多傳感器信息交換，滿足多傳感器同步性要求的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。
通過(guò)該項(xiàng)目的研究構(gòu)建了圖像傳感器陣列和斷面變形測(cè)量?jī)x的多傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)自檢校的專用傳感器標(biāo)定框架，實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步。解決了多傳感器數(shù)據(jù)融合的高精度聯(lián)合處理算法，實(shí)現(xiàn)基于立體序列影像的監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的高精度計(jì)算。開(kāi)發(fā)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于多傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成上海試驗(yàn)區(qū)間隧道實(shí)地監(jiān)測(cè)示范。
表1 專利成果一覽表
序號(hào)
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專利及著作權(quán)
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類別
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1
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CCD光學(xué)傳感器隧道形變檢測(cè)裝置
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實(shí)用新型
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2
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車載式激光掃描隧道斷面形變檢測(cè)車
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實(shí)用新型
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3
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車載式激光掃描隧道斷面形變檢測(cè)車機(jī)械結(jié)構(gòu)
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實(shí)用新型
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4
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智能圖像采集終端布圖
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發(fā)明
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5
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激光掃描儀隧道斷面形變檢測(cè)技術(shù)
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實(shí)用新型
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6
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CCD光學(xué)傳感器應(yīng)用于隧道形變鏡頭姿態(tài)誤差消減技術(shù)
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發(fā)明
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7
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復(fù)雜背景的圖像提取方法
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軟件著作權(quán)
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8
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隧道形變檢測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)
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軟件著作權(quán)
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4、應(yīng)用前景與效益預(yù)測(cè)
1）社會(huì)效益
本項(xiàng)目提出的多傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠快速捕捉隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)形變、對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)分析和預(yù)警發(fā)布。因此，應(yīng)用該技術(shù)在隧道結(jié)構(gòu)的安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)，指導(dǎo)和改進(jìn)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，在減輕災(zāi)害損失、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定等方面具有重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。
2）經(jīng)濟(jì)效益
本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的多傳感器網(wǎng)絡(luò)集成、監(jiān)測(cè)、分析和發(fā)布技術(shù)應(yīng)用于隧道結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，具有試驗(yàn)成本低，非接觸、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高精度、預(yù)警發(fā)布等特點(diǎn)。以相對(duì)來(lái)說(shuō)非常小的代價(jià)提供傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法無(wú)可比擬的能力，監(jiān)測(cè)分析結(jié)果用于調(diào)整隧道施工與運(yùn)營(yíng)，避免對(duì)于軌道交通運(yùn)營(yíng)過(guò)程中碰到的安全問(wèn)題，可以產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益。
有望在隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的實(shí)用技術(shù)創(chuàng)新方面取得突破，為形成隧道結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)、評(píng)價(jià)的技術(shù)體系奠定基礎(chǔ)，在該領(lǐng)域獲得一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)、方法和實(shí)用系統(tǒng)，具有重大的應(yīng)用價(jià)值。
