基于GIS的运营隧道监测预警系统

李秋明，郑 艳， 李鹏飞，覃 璐

（1.广州市地下铁道总公司，广州 510030；2.北京安捷工程咨询有限公司，北京 100037；

3.重庆交通大学，重庆 400060）

目前，城市轨道交通的建设和运营过程中，运营隧道周边常有建筑物的施工工程侵入保护区，对运营隧道的行车安全造成隐患。为了对轨道交通运营隧道的安全进行保护，需要对轨道交通设施保护区段周边的外部工程施工进行自动化监测，实现实时监测隧道的变形情况和对突发事件快速预警处理。

本文将GIS地理信息应用于运营隧道监测预警领域，利用其处理空间实体数据及关系的功能，使自动化监测信息的空间数据和属性数据有效结合，开发了基于GIS的运营隧道自动化监测预警系统，提供了集成的数据环境和可视化的分析平台，实现了运营隧道实时监测和预警。该系统的设计研究对于指导周边工程施工，实现运营隧道自动化监测预警的快捷化、系统化、科学化、规范化等具有重要意义。

1 系统设计思路

（1）通过自动化监测设备采集运营隧道内关于X、Y和Z三个方向的结构变形数据，将其以有线或无线传输的方式自动传送至监控中心的服务器，进行过滤分析后，筛除异常数据，而无异常数据自动录入；

（2）监控中心的控制系统读取服务器中的X、Y和Z3个方向的结构变形数据并进行分析判断是否预警；

（3）如果X、Y和Z三个方向的结构变形数据中任一数据超过相应的设定阈值，控制系统将根据判断结果分级别产生预警记录，一般分为预警、报警和控制3个级别，同时控制系统将不同级别的预警信号发送给GIS，分别以黄灯、橙灯和红灯进行分类预警显示在地图上，点击可查看对应监测位置的实时数据；

（4）控制系统根据不同级别的预警信号，通过手机短信、语音传真、电话的方式通知相关人员进行排险处理，完成后GIS地图上的黄灯、橙灯或红灯恢复为绿色，控制系统自动消警并恢复正常状态，实现闭环管理。

2 系统整体框架及功能设计

2.1 系统整体框架

利用GIS的空间数据处理技术和方法，以及图形创造和可视化表达手段，针对运营隧道自动化监测数据，建立基于GIS的运营隧道自动化监测预警系统，并通过预警模型对数据进行处理、分析、显示和发布。系统主要达到的目标：

（1）运营隧道自动化监测信息采用计算机数字化管理，实现信息管理快速化、精确化、高效化。

（2）对自动化监测数据进行实时数据采集，利用预警模型对数据进行集中处理，对运营隧道自动化监测情况进行预测预报。

（3）所有原始数据、计算、统计分析结果以报表和图标形式展现、输出。

2.2 监测信息的管理

监测信息管理工作主要是对自动化监测数据的管理，能够将自动化监测设备采集到的温度和数据进行计算机化处理，并进行计算、汇总、统计、分析。自动化监测数据管理的主要技术指标有：基准点编号、监测点编号、监测时间、温度、监测数据数值、预警等级等。

2.3 自动化监测管理

利用GIS软件对CAD图纸进行数字化，对运营隧道自动化监测系统采取从“点—线—面”的直观图形化管理。将基准点、监测点进行统一编号、命名，并在图形上标注各点的具体位置，并与预警指标信息关联起来，点击可以查阅相关信息。

2.4 监测数据预警

系统将自动化监测设备采集的温度、数据根据特定的公式进行计算后，输出实时监测数据，利用计算机模型在系统中进行设置监测预警模型，具体预警流程见图1。

图1 监测预警流程图

2.5 监测数据的导出、报表展示

自动化监测数据既能以Excel表格的形式输出，又能以图形形式直观展示。

3 系统组成

本系统主要由数据自动化采集系统和监测信息系统组成，如图2。

图 2 自动化监测系统图

3.1 数据自动化采集系统功能

（1）数据采集；（2）数据存储；（3）系统自检；（4）远程控制。

3.2 监测信息系统功能

（1）监测数据分析；（2）数据展示；（3）预警管理。

4 系统应用流程

首先根据监测任务、工程现场实际情况等进行监测施工方案设计，设计内容包括自动化传感器、数据采集单元布设的数量级位置，现场的布线方案等。根据监测方案以及硬件布设的情况，进行设备采购，设置监测控制软件，主要包括建立测点及数据采集单位，设计算法等。根据现场通信信号的情况，选择信号强、传输稳定的无线传输设备进行传输；通过专业软件虚拟串口，并调试无线数据服务中心与现场DTU设备的通信；各部分设置完成后，进行整体调试，保证设备高效、无缝连接；根据实际工程需要，设施需要的自动化监测频率，将现场采集到的数据定期传输到服务器；根据设置的监测频率，在自动化监测控制软件上设置自动取数及解算频率。

5 系统应用实例

本项监测工作是在广州市轨道交通某区段，为实时掌握区间隧道上方地表大面积堆土对隧道结构的影响情况，保障既有线路安全运营而采取的专项监测工作。

5.1 工程概况

广州轨道交通某区间，隧道兼有明挖和盾构2种结构形式。2010年12月中旬，维修中心接4号线隧道监测单位报告：区间上行ZDK21+513~575区间隧道沉降异常（ZDK21+544.6，最大沉降值达-30.55 mm），根据图纸及设计院地面地形与高程测量报告显示，沉降区段地面存在淤泥堆放场，面积约为1万m2，该处堆土至2010年年底为止无变化。隧道上行线对应地面新增堆土，主要为市政道路垃圾堆积。

5.2 自动化实时监测范围

本次监测范围为上行线ZDK 2 1+5 3 5—21+680、下行YDK21+540—21+685，约150 m。该区间上、下行线各设置6个监测点，共计12个，2个基准点。布点详细情况如图3。

图3 监测布点图

5.3 自动化实时监测项目、精度、频率、周期

根据区间隧道异常区段结构的变形特点，建议对道床结构或隧道侧壁结构进行实时自动化监测。自动化实时监测项目、精度、频率及周期要求见表1。

表1 自动化实时监测项目、精度、频率及周期

5.4 实时监测控制标准

具体控制指标由设计单位、运营单位综合研究确定。根据工程经验，参考指标如下：变形沉降控制值指标±5 mm，相临监测点的沉降差不超过4 mm，日变形量不超过2 mm。监测警戒指标分为3级，分别为预警值、报警值、控制值，预警值取控制值的70%，报警值取控制值的80%。

5.5 信息化监测及成果反馈

本工程采用自动化实时监测系统，同时结合软件及人工对监测信息的综合分析、判断，将监测成果及时准确反馈给设计、施工、监理、建设管理、运营管理等各单位，根据监测情况可及时进行决策，采取相应的施工措施、运营维修、养护措施或必要管理措施，以保障区间隧道的运营安全。

6 结束语

在运营隧道自动化监测技术的基础上，将GIS技术应用于隧道自动化监测预警领域，利用先进的计算机技术，实现对监测数据的自动化采集、自动预警。监测数据与测点空间位置相结合，可以直观地掌握监测情况，出现超限报警时能够及时采取相应的控制措施。系统优化了监测单位的监测模式，提高了生产效率，降低了人力成本。该系统自动化程度高、监测精度高、传输稳定性强，不仅能运用于城市轨道交通运营隧道监测，在市政设施、地质灾害、大坝等监测领域，都具有一定的应用价值及推广意义。

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