基于信息化的地铁安保区隧道结构设施内外关联技术

曹秀丽，方恩权

基于信息化的地铁安保区隧道结构设施内外关联技术

曹秀丽1，方恩权2

（1. 郑州财经学院，郑州 450044；2. 广州地铁集团有限公司，广州 510330）

现有的地铁运营隧道结构病害检查与地铁安全保护区隧道设施保护管理各自独立，洞内结构病害信息与外部巡检信息无法进行实时的交互与分析。基于Web Service技术和Java编程语言，以某地铁某安全保护区运营隧道为实例，通过研究隧道结构设施内外关联技术，研制了Web端管理系统及手持巡检终端，实现了隧道结构洞内外信息的实时关联与获取，进而为运营期的隧道整体结构安全与控制提供信息化手段。

地铁安保区；运营隧道；结构设施；内外关联技术；Web管理系统

随着国内各大城市地铁运营里程的不断增加，运营期任何一次隧道事故所引发的停运都可能给广大市民出行造成巨大的影响[1-3]。因此，对地铁运营隧道结构安全状态的把握至关重要，不仅需要检查统计隧道结构的自身病害，还要对影响隧道结构安全的周边项目进行巡查管理，只有两方面同时入手，进行数据共享、关联分析，才能达到全面掌握隧道结构安全的目的[4-7]。然而目前地铁隧道结构管养方面仍存在以下问题[8-9]：

1）路面巡查过程中缺少直观判断施工项目与地铁结构本身距离的依据。地基加固、基坑开挖、堆土、卸土等施工过程会对既有线路的地铁结构产生一定的结构变形影响。在日常巡检时，巡检人员由于缺少判断施工项目离地铁结构本身距离的依据，只是通过自身经验来判断，从而对控制保护区红线周围项目的判断准确性较差。

2）缺少直接有效的方法来确定施工项目所对应的地铁结构位置。在实际日常生产过程中，遇到险情时，无法有效、快速地把洞内外信息与该险情发生位置的地质、监测、标图等环境信息进行结合。因此，如何有效打通洞内外关系，及时进行风险应急处理成为地铁运营存在的又一个关键问题。

3）日常数据管理过程耗时，工作效率相对较低。巡查人员过去通常是以纸质的形式对施工项目进行记录，未能对现场的情况以图像的形式具像地展现在管理人员面前。即使巡查人员拍摄现场情况进行记录，但内业工作时仍需将纸质记录的内容转换成电子文档形式，同时还需将现场照片与电子文稿一一对应，降低了巡查人员的工作效率。

1 内外关联技术总体思路

1.1 安保区地铁及环境信息数字化

地铁结构的使用寿命随着地铁运营结构病害的增加在逐年降低，然而地铁安保区附近的施工项目仍在增加，结构病害检查与地铁结构的安保工作成几何倍数增长。目前，完全依靠施工图，通过人工对地铁本体结构与安保区施工项目等信息之间的关联作出分析的工作手段繁琐、信息滞后，使用极为不便，因此必须借助先进的信息化技术，对安保区域的地铁结构及周边环境进行数字化，从而实现快速的信息传输、科学统计与分析。

1.2 安保区隧道设施关联的数据标准编译

通过建立安保区隧道设施关联系统的统一标准，可以使所有数据的采集及录入、传输及管理均达到规范化。此外，为提升系统的标准化水平，结合自制的应用程序，将安保区隧道设施内外关联系统的技术流程和相关信息的描述、记录格式进行固化。

在实施编译过程中，将隧道本体洞内信息（如车站、位置、病害、地质等）和安保区施工项目信息（监护项目、违规项目，监测信息等）进行标准化编译，并添加到手持终端中，以规范和指引现场工作人员的操作，提高采集信息及分析结果的可靠性。技术标准编译体系如图1所示。

1.3 地铁结构与安保区信息关联

将安保区内项目信息与地铁结构信息进行电子化同步，使工作人员在处理问题时减少中间处理环节，进而提高信息传递的时效性和准确性。将地铁结构的CAD线路图以矢量形式固化至手持巡查终端，外业人员在进行查询、对比工作时可节省大量的信息获取时间周期，并提供汇总巡查成果及时上传功能，以提高信息的时效性；同时，通过全过程的信息化录入手段，减少工作交接错误及信息遗漏的可能性，进一步提高信息的准确性。

图1 安保区隧道设施关联技术标准编译

2 内外关联关键技术研究

针对现有的洞内结构病害信息与外部巡检信息无法进行实时交互与分析的现状，如何使两者之间的数据进行交互是研究的重点，建立地铁安全保护区隧道设施内外关联系统无疑是解决问题的关键所在。

根据使用者的需求，利用高精度定位功能手持路面巡查终端进行路面巡查时，使用者可直接在终端内查看当前所在位置与地铁本体结构位置的关系，此外，终端还可对巡查人员的巡查路径、巡查轨迹进行考勤，手持终端最主要的就是记录功能，包括对违规项目的详情记录及监护项目的情况跟踪。在违规项目的记录中，终端还可进行距离及项目面积的自动测量测算。

2.1 基于Web Service技术的系统集成

本系统建设分为Web端和手持终端两部分，通过Web Service技术使得移动智能终端与Web管理系统实现有效交互，即高精度定位功能手持路面巡查终端，通过系统提供的Web Service接口与远程服务器连接，进而实现交互式的数据传输与更新操作。

手持巡查终端与后台系统进行交互（上传/下载）的接口主要有：下载用户信息、结构巡查人员信息上传、巡查任务信息上传、外部施工项目信息上传、项目相关图片与视频信息上传等。

2.2 基于GUID技术的二维码编译

考虑到地铁隧道结构内无GPS、GPRS等卫星定位信号或网络通信信号较弱，文章基于全球唯一标识GUID（globally unique identifier）技术编译地铁结构的基础信息为二维码图像，如图2所示。该GUID值与数据库信息（隧道洞内外信息）相关联，编译的信息主要包括车站名称、位置信息（里程/环号、上/下行）、病害信息等，并将二维码制作成铭牌安装在地铁隧道内壁，该二维码为对应安装地点的唯一标识。通过使用手持终端设备读取铭牌上的二维码信息以实现地下结构空间定位和结构信息数据读取。

图2 二维码编译标识

2.3 安保区违规项目位置判定技术

针对安全保护区内违规项目的位置判定主要包括坐标判定、距离判定和面积判定，手持路面巡查终端中内嵌线路结构的CAD图，包括车站轮廓、车站红线、区间中心轴线和区间红线，如图3所示。使用人员可通过手持路面巡查终端，观察违规项目在CAD底图上的所处位置，进而直接判断该项目是否处于安保区内。

图3 地铁线路结构CAD底图

2.3.1 坐标判定

手持路面巡查终端采用的是具有高精度GPS/BD定位功能的硬件设备，通过卫星可对使用终端所在位置进行坐标定位。

2.3.2 距离判定

一旦确定违规项目属于安保区内，使用人员即可对该项目区域外轮廓进行角点采集，手持巡查终端可自行计算出其与地铁线路之间的距离。

2.3.3 面积判定

根据三点成面法，手持巡查终端至少需要采集三个角点，方可形成一个面，如图4所示。根据每个角点的坐标，手持路面巡查终端可自行计算出该项目的面积大小，避免有些违规项目因施工条件限制无法进行准确测量。

图4 角点采集功能

3 系统研制及工程应用

结合以上关键技术，研制信息化管理系统，主要可以分为WEB端、终端APP及预留接口3部分内容。其系统功能模块架构如图5所示。

图5 系统功能模块架构

3.1 WEB端设计

WEB端（或网页端），其功能模块如图6所示，主要包括以下功能模块：1）巡查计划；2）巡查成果；3）监护项目管理。

图6 WEB端功能模块架构

巡查计划包括计划发布及计划跟踪。计划发布模块如图7所示，用户可输入计划名称、选择计划类型、起止时间、计划实施人员，选择巡查范围区间/线路。

图7 计划发布模块展示

巡查计划发布后，系统可自动将该任务派发给终端APP，计划实施人员可按终端APP派发的计划信息开始巡查。

计划实施人员完成巡查工作后，将巡查结果上传至WEB端，用户可在计划跟踪模块中对巡查过程信息进行下载查看，信息包括：

1）巡查轨迹。巡查轨迹是对计划实施人员的考勤，具体可显示巡查实施人员的行走痕迹，从而更有效地对人员考勤进行控制。

2）违规项目信息。经由终端APP搜集的违规项目信息包括：违规项目名称、所属线路、区间、违规项目坐标、违规项目面积、违规项目结构外延距离、违规施工内容、违规项目责任单位信息、违规项目影像、违规告知单等。

3）监护项目信息。巡查过程中除可对违规项目信息进行上传外，还可对监护项目信息进行上传。监护项目信息包括施工内容状态的更新、是否预警、监护项目影像等，从而更有效地提醒用户进行重点查看。

巡查成果模块主要是对巡查项目跟踪，用户可通过信息检索快速有效地搜索到所需查看的项目，以及项目的具体信息。

监护项目管理模块主要是对监护项目的信息进行管理，包括监护项目的新增、编辑及删除。

3.2 路面巡查终端APP设计

终端APP（或数据采集端），主要包括以下功能模块：1）巡查计划执行；2）巡查轨迹考勤；3）监护项目跟踪；4）违规项目记录。其主要架构如图8所示。

图8 路面巡查终端APP

巡查计划执行包括过程记录、巡查计划下载、巡查计划上传。巡查轨迹考勤主要是对人员行走轨迹的记录，如图9所示。监护项目跟踪主要包括对监护项目施工内容的更新、是否需要预警及影像的记录。

图9 巡查人员行走轨迹

违规项目记录主要包括对违规项目的新增及更新。具体信息包括违规项目的基本信息（项目名称、违规项目责任单位信息等）、违规项目的面积及结构外延距离。终端APP可进行违规项目面积的自动测算、违规内容的自动选择（即违规项目的施工内容，违规告知单的签收派发及违规项目影像的记录）。

3.3 工程应用

通过结合某地铁示范工程的应用，路面巡查终端APP及其配套系统的试用已进一步获得成功[10]。

通过使用路面巡查终端，将地铁安全保护区的施工项目信息及时进行搜集与更新，以数据库的形式存储上传，同时还可通过对隧道洞内外数据进行交互分析从而辅助决策。

该系统直接面向数据分析及决策人员，通过数据库管理技术及统计分析手段，为用户提供各种信息服务，实现巡查进度管理、数据查看、空间上横向数据统计对比、时间上纵向数据分析等功能，按用户需要定制各种图表及曲线查看方式以及使用权限。

4 结论

文章通过建立地铁安保区隧道设施关联的数据标准及信息关联方式，研究了隧道结构设施内外关联技术。并基于Web Servicer技术、java语言及GUID编译技术开发了地铁安全保护区隧道设施内外关联的WEB端管理系统及相应的GPS手持巡查终端APP，不仅在地图上固化了地铁安全保护区内车站轮廓、车站上下行红线、区间中心轴线、区间红线，还建立了地铁安全保护区内违规项目及监护项目的信息标准，规范了项目信息的记录格式与内容，提高了地铁安全保护区内施工项目信息的准确度和规范化。

[1] 周帅, 朱合华, 闫治国, 等. 城市轨道交通隧道结构病害数值分析[C]//运营安全与节能环保的隧道及地下空间暨交通基础设施建设全国学术研讨会, 2013, 40-44. ZHOU Shuai, ZHU Hehua, YAN Zhiguo, et al. The numerical analysis of disease in urban rail transit tunnel[C]//The 4thNation-wide seminar proceedings of operation safety and energy conservation and environment protection of tunnels and underground space as well as the reconversion of transportation infrastructure, 2013, 40-44.

[2] 方恩权. 基于Web技术的地铁隧道结构调查管理系统研究[J]. 现代隧道技术, 2017, 54(2): 40-45. FANG Enquan. On web-based investigation and mana­ge­ment system for subway tunnel structure[J]. Modern tun­nelling technology, 2017, 54(2): 40-45.

[3] 吕一锋, 陈淋. 地铁运营隧道安全巡检系统及其应用[J]. 城市轨道交通研究, 2014, 17(10): 126-128. LV Yifeng, CHEN Lin. Urban rail transit tunnel inspection system and its application[J]. Urban mass transit, 2014, 17(10): 126-128.

[4] 姚旭朋. 运营地铁隧道结构病害快速检测技术[J]. 现代隧道技术, 2014, 51(S1): 205-209. YAO Xupeng. Rapid detection technology for structure defects of operating metro tunnels[J]. Modern tunnelling technology, 2014, 51(S1): 205-209.

[5] 罗昆升, 赵跃堂, 罗中兴, 等. 地铁盾构隧道管片结构初始状态的数值模拟分析[J]. 土木工程学报, 2013, 46(4): 78-84. LUO Kunsheng, ZHAO Yuetang, LUO Zhongxing, et al. Numerical simulation on initial stress and strain state of subway segmented tunnel[J]. China civil engineering jour­nal, 2013, 46(4): 78-84.

[6] 孙长军. 北京地铁近接施工安全风险控制技术及应用研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2017. SUN Changjun. Research on safety risk control tech­nology and its application in Beijing Metro approaching con­struction[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2017.

[7] 赖金星, 邱军领, 潘云鹏, 等. 盾构隧道管片裂缝病害的综合监测与分析[J]. 现代隧道技术, 2015, 52(2): 187-191. LAI Jinxing, QIU Junling, PAN Yunpeng, et al. Compre­hensive monitoring and analysis of segment cracking in shield tunnels[J]. Modern tunnelling technology, 2015, 52(2): 187-191.

[8] 杨春山. 运营地铁盾构隧道衬砌结构安全评估体系研究[D]. 广州: 广东工业大学, 2012. YANG Chunshan. Study on safety evaluation system of the existing subway shield tunnel lining structure[D]. Guang­zhou: Guangdong University of Technology, 2012.

[9] 李宇杰, 王梦恕, 徐会杰, 等. 地铁矿山法区间隧道病害分级标准及补强对策[J]. 都市快轨交通, 2014, 27(1): 86-89. LI Yujie, WANG Mengshu, XU Huijie, et al. Study on the damage classification criterion and reinforcement strategies of mine construction subway[J]. Urban rapid rail transit, 2014, 27(1): 86-89.

[10] 地铁安全保护区隧道设施内外关联技术及其系统研制[R].广州地铁集团有限公司, 2017. Research on the technology of internal & exteed connection and function system of tunnel facilities in subway safety protection area[R]. Guangzhou Metro Co. Ltd., 2017.

（编辑：郝京红）

Research on the Inner and Outer CorrelativeTechnology of Tunnel Structural Facilities in Subway Safety Protection Zones Based on Information

CAO Xiuli1, FANG Enquan2

(1. Zhengzhou Institute of Finance and Economics, Zhengzhou 450044; 2. Guangzhou Metro Group Co., Ltd., Guangzhou 510330)

The existing structural damage inspection of subway operational tunnels is separated from the protection and management of tunnel facilities in the subway safety protection zones. Hence, there is no real-time interaction and analysis of structural disease information and external inspection information within the tunnel. Based on web service technology and using the Java programming language, in this paper, we use the tunnel of a certain safety zone of a subway as an example to study the internal and external correlation technology of the tunnel structural facility, developing a web-based management system and a hand-held inspection terminal to realize the real-time correlation and acquisition of information of the interior and exterior of the tunnel structure. The proposed system can provide information for the overall structural safety and control of the tunnel during the operation period.

subway; safety protection zones; operational tunnel; structural facility; the internal and external correlation technology; Web-based management system

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.016

U231

A

1672-6073(2018)05-0081-05

2018-03-25

2018-04-15

曹秀丽，女，硕士，工程师、讲师，主要从事课程教改和校企合作项目研究，caoxiulizzjm@163.com

“十三五”国家重点研发计划项目（2016YFC0802500）