基于物联网模式的高速铁路工后变形监测预警体系研究

邱颖新，张献州，张拯，3，4，杨宏，张正国，罗奕

(1.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；2.西南交通大学 高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，四川 成都 610031；3.成都星瀚时空科技有限公司，四川 成都 610031；4.成都翰诚科技有限公司，四川 成都 610031；5.成都铁路局 成都高铁工务段，四川 成都 610000)



基于物联网模式的高速铁路工后变形监测预警体系研究

邱颖新1，2，张献州1，2，张拯1，2，3，4，杨宏1，2，张正国5，罗奕5

(1.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；2.西南交通大学 高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，四川 成都 610031；3.成都星瀚时空科技有限公司，四川 成都 610031；4.成都翰诚科技有限公司，四川 成都 610031；5.成都铁路局 成都高铁工务段，四川 成都 610000)

摘要:工程变形监测预警内容涵盖广泛，需要测绘、岩土、地质等各专业进行综合监测后，统筹各个监测内容所得到的数据及结论，进行变形分析和预警判断。为此，查阅有关变形监测预警的资料，研究轨道交通工程三级预警标准，初步建立一个可实现预警功能的变形监测物联网预警系统，并以高速铁路工后沉降监测为例，建立一个完善的运营期高速铁路沉降监测预警技术指标体系，对规范工程监测预警工作有实际意义。

关键词：高速铁路；变形监测；预警指标；物联网

工程预警是对工程全生命周期中可能出现的风险进行分析和评估，并根据设定的警戒范围进行报警，是一项跨学科的综合性研究课题。目前，国内大多数监测预警系统的研究主要集中在地灾应用方面，在工程变形监测领域的应用研究较少，在控制指标、预警标准等方面的依据和方法相对不足。预警需要制定预警标准，即确定警戒值的大小和预警等级的划分。预警标准是无法精确给出的，一般是根据相关规范、工程经验、仿真计算和概念设计来估算确定。 本文主要研究物联网模式下的高速铁路工后变形监测预警体系。在广泛收集国内有关工程变形监测预警的法律法规、技术规范和文献的基础上，建立三级预警标准，实现了物联网模式下的轨道交通工程变形监测预警系统。此外，结合实例分析，对预警指标和预警值的选取进行探讨，建立一个完善的高速铁路工后沉降监测预警指标体系，为类似工程的监测预警工作提供有益参考。

1物联网模式下轨道交通工程变形监测预警系统

1.1三级预警标准

《建筑变形测量规范》(JGJ8—2007)[1]规定，一项工程的预警值分级不宜过多，因此将监测安全等级分为预警、报警及极限3个等级更为合适，预警值一般取警戒值的0.7-0.8倍，报警值取警戒值的0.8-0.9倍，极限值即为警戒值的三级预警标准。傅志峰等[2]将安全预警级别分为“红色、橙色和黄色3个等级，并且建议等级差幅小于25%”。张书华等[3]提出了“水平位移和垂直位移的容许变形值不超过±10 mm；取最大值的1/3作为报警值；取最大值的2/3作为警戒值”。包欢等[4]提出地铁或者隧道结构的位移量达到10 mm时报警，达到15 mm时采取适当应变措施并严格控制在20 mm内。

不同文献中的各项预警指标有所区别，因为这些指标都是在符合规范要求下，最契合各自工程特点的监控标准。预警指标技术体系是进行高效、快速预警的重要保障，应根据工程特点、当地施工经验进行合理制定，预警级别过多或过少都不适宜。参考建筑变形测量规范[5]、城市轨道交通工程规范(GB 50308—2008)[6]和城市轨道交通工程监测技术规范(GB 50911—2013)[7]，可考虑将监测安全等级分为正常、预警和报警3个等级，设置为表1中所示的三级预警方式，可分别用红色、黄色、蓝色来表示，红色为最高级别，同时设置好各级控制值。监测项目控制值作为预警标准的重要内容，不能采用一刀切的方式对监测项目进行统一设定控制值，应经过充分的设计沟通与环境调查后，根据设计文件以及相关规范，取值采用比较之小值作为稳妥之选。

表1　三级监测预警标准

注：U3=70%U1，U2=85%U1

1.2基于物联网模式的轨道交通工程变形监测预警系统

工程变形监测是以各类传感测量设备为基础的。传统的监测方式在通讯集成方面存在不足，实际支持的传感器终端较为单一，在变形信息获取过程中，不同专业背景和知识结构的工作人员导致获取变形信息的方式有所差异，因此传统变形监测方式并不适用于工程中的综合变形监测。

随着数字技术的飞速发展，工程变形监测方式正由传统的单一传感器监测(大地测量仪器)逐步向多传感器集成监测过渡[8]，催生了现代化监测预警系统。这虽然改进了传统变形监测进行技术，但大多数监测预警系统只是应用了单一传感器与通讯方式，集成性不强，缺少整网相连的物联网思想和一个融合多种监测手段的系统化监测预警系统[9]。物联网模式下的变形监测预警系统以互联网技术为核心，结合大地测量技术、传感器技术、通讯技术，将各种几何量传感器(GPS和TPS等)、物理量传感器(裂缝计和应力应变计等)、气象元素及环境变量传感器等信息传感设备与互联网相连接，形成物物相联的智能化工程安全监控系统，其中以大地测量仪器和物理学传感器为感知层，以GPRS/CDMA和互联网为网络层，以集成化的数据中心软件和网络数据库为应用层，其系统架构如图1所示。

图1　监测预警系统总体架构图Fig.1 Overall chart of monitoring and warning system

依托物联网的轨道交通工程变形监测预警系统能综合施工监测信息与预警信息，为监测、业主、施工方之间的互动提供了处理平台。在复杂的环境、地质、岩土条件下，工程监测中存在的安全风险问题更甚。在对其进行变形监测预警时，应用物联网模式的变形监测预警系统，能提供更加科学的综合分析平台，使工程监控工作更加高效、全方位和自动化。

该系统具备数据采集、数据管理、预警报警等多种功能。数据采集功能可以采集各类传感器实时监测数据和周期数据，数据管理功能可以对实时监测数据与周期数据进行统一入库、综合管理，预警报警功能可以设置预警指标，实现工程安全预警。如图2所示，当变形量超过设置三级预警标准中的警戒值时，系统将自动发出预警信息。

图2　基于物联网模式的监测预警系统Fig.2 Monitoring and warning system under IOT mode

2预警指标体系

2.1监测预警项目及预警指标

目前，国内外缺少指标体系的系统研究和预警标准统一制定等。预警指标体系应包含了若干个监测预警项目及与之对应的预警指标，这些指标包括横向和纵向指标。横向指标由监测内容决定，轨道交通工程有哪些监测内容，就存在相应的横向的技术指标，每项监测内容都有一个最大容许变形值，超过了就需做出相应层次的预警。横向指标实际上是最简单的，即单纯的超过预设值就认为工程出现变形，但工程是一个复杂的整体，只以横向指标来反映变形体及周边环境的变形情况远远不够。为了更深入地了解变形并更科学地进行预警，逐渐出现了纵向指标，比如针对沉降而言，不止累计沉降指标一项，某些项目还设定了沉降速率指标和差异沉降指标。

监测项目控制值按监测项目的性质分为变形监测控制值和力学监测控制值。每个工程的实际情况不一样，需要进行变形监测的项目有所不同。就城市轨道交通工程而言，沉降、差异沉降、倾斜、裂缝、应力及应变等为目前工程建设的主要监测项目。在对各类规范进行综合比选之后，《城市轨道交通工程测量规范》中所列的适用于城市轨道交通工程的必要监测项目及技术指标相对全面并具有代表性，如表2所示，可作为监测项目及预警指标的参考。

表2　监测预警项目及技术指标

2.2某高速铁路工后沉降监测预警指标体系的建立

沉降监测是高速铁路变形监测中的重中之重。目前，高速铁路的修建正不断从地形简单区域跨越到地形复杂区域，影响工程构筑物稳定的因素越来越多，对其进行工后沉降监测预警意义重大。

高速铁路可视为由路基、涵洞、桥梁和隧道等部分组成，目前对这些特定的变形监测对象的研究较为深入，在此基础上，可建立一个完整的工后沉降监测预警指标体系。本文根据不同规范下的规定指标，依托华北地区某运营期高速铁路的沉降监测工作进行预警分析工作，建立了一个可供类似工程参考的预警指标体系。

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》、《客运专线无砟轨道铁路技术指南》[10]、《客运专线无砟轨道铺设条件评估施工技术指南》[11]、《高速铁路设计规范(TB 10601—2009)》[12]中对预警指标中的规定，结合前述的三级预警标准，初步建立一个预警指标体系，见表3。

表3　工后沉降变形监测预警指标

表3中各项取值来源如下：

1)工后沉降。《客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南》中规定：路基预测工后沉降值不应大于15 mm；涵洞、隧道的工后沉降预警值标与路基一致。对于桥梁墩台的工后沉降，《高速铁路设计规范》要求无砟轨道下桥墩的警戒值为20 mm。

2)沉降速率。沉降速率和沉降量是彼此映照的，因此将监测点沉降速率作为核心指标。《高速铁路工程测量规范》和《高速铁路运营沉降监测管理办法》以及相关的高速铁路测量规范中并没有对监测点的沉降速率提出明确的规定，因此参照《城市轨道交通工程监测技术规范》初步计算预警标准。

3)差异沉降、设计预测总沉降量与通过实测资料预测的总沉降量之差、2次预测沉降差、当前沉降/最终沉降、相关系数R，这几项在客运专线无砟轨道铁路技术指南、客运专线无砟轨道铺设条件评估施工技术指南中均有了相应一致的规定。

整理该高速铁路的沉降监测数据，首先统计全线沉降监测点的累计沉降量分布情况。见表4。

表4　全线沉降监测点累计沉降量分布表

注：1.表中正线及联络线监测点包含路基、涵洞和隧道。2.下沉为负值，隆起为正值。

根据《建筑变形测量规范》的有关规定，三等变形测量中，沉降量的绝对值大于3 mm则视为发生沉降现象。依据表4，可知全线有近40%的监测点是处于沉降状态中，因此对全线进行详尽标准的预警分析评估工作十分必要。

以表3中累计沉降量指标为标准进行频数及频率分析，发现对比路基(含涵洞、隧道)而言，桥梁墩台处监测点的在三级预警标准下的分布并不合理，这是由于大部分桥梁墩台监测点的沉降数据分布在±15 mm之间，几乎都能满足预警值14 mm，报警值与警戒值形同虚设。这是由于预警标准不能紧密联系工程实际情况，因此对桥梁墩台进行监测预警分析工作的意义并未得到很好的体现。

故对桥梁墩台的预警标准进行修改，考虑到相邻墩台沉降差限值为5 mm，因此结合表4中桥墩的累计沉降量分布，重新设定桥梁路段监测点警戒值(±20 mm)、报警值(±15 mm)、预警值(±5 mm)。

预警情况统计结果如表5所示。其中，监测数据位于预警值与报警值之间视为预警范围，位于报警值与警戒值之间视为超限范围，位于警戒值之上视为紧急范围。

表5　全线沉降监测点累计沉降量预警情况统计表

经过对桥梁墩台的累计沉降量预警指标进行调整后，由表5中数据可知：

1)全线约89%路段的累计沉降量小于预警值。其中，超过6%的监测点处于预警范围即超出预警值，约4%的沉降监测点处于超限范围即超出报警值，还有0.15%的监测点处于紧急范围即超出警戒值。处于超限范围和预警范围的数据大部分位于桥梁段，绝大部分路基、涵洞段的沉降量处于合理沉降范围以内。

2)99.84%的桥墩沉降量均处于±20 mm的范围内，绝大部分(86.19%)的桥墩沉降量处于±5 mm即正常范围内，约14%的桥墩发生明显沉降，其中，部分桥墩点还呈现隆起态势。进一步分析发现，这部分监测点均位于联络线上，且连同1)中所述处于紧急范围的监测点，均位于区域沉降地区，因此在后期的监测工作中，可纳入合成孔径雷达干涉技术(InSAR)对沿线的区域沉降地区进行监测，为线路的安全运营和沉降趋势的准确预报提供可靠信息。

为了验证表3中所列的其余工后变形监测预警指标是否合理，在该高速铁路的沉降监测预警工作中也进行了类似过程的研究和分析：

1)根据该运营期高速铁路沉降监测中所得到累计沉降量和沉降变化量(单期沉降量)，以及观测时间的间隔，计算出单期沉降速率和总体沉降速率。由于全线监测点沉降速率几乎均小于初设的预警值，所以重新选定预警标准。在《建筑变形测量规范》中，规定使用最后100天的沉降速率小于0.01～0.04mm/d作为稳定指标。故设置警戒值、报警值和预警值分别为0.04(1.2 mm/月)，0.04×0.85=0.034(1.02 mm/月)，0.04×0.7=0.028(0.84 mm/月)。在单月沉降速率分析中，超出预警值的监测点绝大部分出现在联络线上，也即区域沉降地区。总体沉降速率分析的结果与单月沉降速率分析保持一致。说明正线的工后沉降整体处于趋于稳定的态势，只有极少数点位的沉降速率还没有表现出趋于稳定的态势；但联络线整体处于下沉的态势，部分路段的下沉速率有所减缓，并尚未表现出稳定的趋势。对这部分地区，应当加强监测频率。

2)通过比较2期沉降监测数据，2个监测点之间的高差之差可反映出2个监测点之间的差异沉降量。对全线差异沉降进行分析得知，全线整体发生差异沉降的路段比例很低，按照相邻墩台和过渡段不同结构物之间差异沉降的三级预警标准，有1.90%的监测点超出预警值，0.24%的监测点超出报警值，0.01%的监测点超出警戒值。因此线路能够很好的满足列车运行的平顺性要求。绝大部分(98.3%)差异沉降超限情况出现在联络线上的路基段和桥梁段，包括路基段出现60次(包括站上12次)，桥梁段出现21次，说明联络线整体处于不均匀速率的下沉态势并尚未表现出稳定趋势外。

此外，表3中的其余指标在该铁路的预警评估中基本均满足，对预警工作不起控制作用。

通过以上分析，重新建立适用于该高速铁路的工后变形监测预警体系，如表6所示。

表6　运营期高速铁路变形监测预警指标

工后沉降量和沉降速率是核心指标，要求严格按照三级预警标准进行沉降监测工作，任何一个指标达到预警标准时都要进行预警。对于差异沉降量这个指标，要求整体满足，个别指标超限不大时，可以暂时不进行预警，但要持续关注。

3结论

1)在工程变形监测及预警理论初步形成的阶段，需要多学科专家协同，全面规范工程监测预警技术，建立指标的判定标准，对工程项目进行整体性综合评估，以判断工程的安全性。

2)当前国内实际的监测预警系统大多只是应用了单一的传感器、单一的通讯方式对传统的监测技术进行改进，集成性不强，基于物联网模式的轨道交通工程变形监测预警体系中以物联网技术为基础，应用各种传感技术，通过网络通讯手段将工程现场与互联网相连接，实现实时预警、在线监控。

3)结合现行法律法规和已有成熟做法，轨道交通工程监测预警等级可由高级到低级分为红色预警、橙色预警、黄色预警这三级预警标准，建立一个符合物联网工作模式的安全监测预警系统。

4)以轨道交通工程为例，总结了如何建立一个拥有定量化指标信息、条理化(横向和纵向指标)的预警指标体系，并在某高速铁路的工后沉降监测预警工作中，对如何建立一个有效、适用的预警指标体系进行了探讨和分析，为类似工程提供了正确、可靠、合乎工程实际的预警指标。

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Researchon high-speed rail post-construction deformation monitoring and warning system based on internet of things

QIU Yingxin1，2，ZHANG Xianzhou1，2，ZHANG Zheng1，2，3，4，YANG Hong1，2，ZHANG Zhengguo5，LUO Yi5

(1. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. State-province Joint Engineering Laboratory of Spatial Information Technology for High-Speed Railway Safety, Chengdu 610031, China;3.Chengdu Galaxy Space-time Technology Co. Ltd., Chengdu 610031, China;4.Chengdu Hancheng Technology Co. Ltd., Chengdu 610031, China ;5.Chengdu Railway Bureau Chengdu High ironwork Works Section, Chengdu 610000, China)

Abstract:Projects deformation monitoring and warning includes wide contents. Thus the combination of survey, geotechnical, geological and other professional is required to conduct comprehensive monitoring, co-ordinate various monitoring data and conclusions. Then the deformation analysis and warning judgment can be achieved. Therefore, this paper looks over the information about deformation monitoring and warning and do some research on rail transit project about three warning standards. It can help to establish a deformation monitoring warning system based on Internet of things initially which enables warning function. Besides, research results establish a better high-speed rail post-construction subsidence monitoring and warning technology system as an example, which is meaningful to the standardization of similar projects.

Key words：high-speed rail; deformation monitoring; warning indicators; Internet of things (IOT)

中图分类号：TU454

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)04-0606-07

通讯作者：张献州(1962-)，男，河南扶沟人，教授，博士，从事工程测量与变形观测等领域的教学与科研；E-mail：xzzhangswjtu@163.com

基金项目：长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT13092)

收稿日期：2015-09-13