多源信息融合技术在轨道交通监控系统中的应用*

魏汉明，赵 靓

(1.山西省信息产业技术研究院有限公司，山西 太原 030012；2.山西云时代技术有限公司，山西 太原 030600)

0 引言

截至2019年9月，中国已经有39个城市开通轨道交通，线路运营里程达到6333.3公里。随着更多的城市获批开始修建地铁，地铁建设的速度正逐年加快。我国城市轨道交通工程建设具有较强的特殊性和复杂性，工程建设过程中安全事故频发，轨道交通建设安全风险管理形势日益严峻，越来越受各级单位高度重视[1]。如何提高工程建设过程中的安全风险控制水平，加强安全风险管理的研究和实施已成为各级政府、建设单位和各相关参建单位共同期盼和亟待解决的重要任务[2]。

基于此研发一种城市轨道交通工程建设中监控系统。通过利用多源信息融合技术，通过网络传输手段采集监测信息，对各种安全影响因素进行风险分析并及时采取相应的防范措施，以满足城市大规模轨道交通工程建设和安全风险管理的需求，及时规避城市地下建设、运营过程中存在的潜在风险，确保建设安全[3]。

1 系统结构设计

本文将多源信息融合技术利用到城市轨道交通风险监测中。自动采集设备主要利用压力测试仪、土压力盒、轴力计等。人工采集设备主要包括全站仪、水准仪等。通过有线与无线传输手段，将数据汇聚到后端平台，实现对轨道交通建设中风险源的监测。图1为轨道交通风险监控系统工作结构示意图。

图1 轨道交通监控系统工作结构示意图

2 技术关键

2.1 多源信息融合技术

随着传感器技术、计算机技术的迅猛发展，多传感器信息融合技术已成为一种新兴热点技术[4]。多传感信息融合技术是在一定规则下将来自多种传感器的信息和数据进行分析和综合。

轨道交通工程土建施工过程中，为监控施工状态，需采用自动化监测、人工测量和人工巡检等多种手段进行施工信息获取。从多个传感器或多信息源采集的原始信息在形式上有很大区别，即使是同一层次采集的信息，由于外界因素及客观条件的影响可能存在不同的数据描述和说明。不同的数据源数据形式千差万别，所以必须把采集到的各种原始信息转换成对监测对象或研究对象的同一层次的数据描述和说明，使各种信息成为同一信息，可相互比较和交流。多源信息转换的关键在于:对于监测对象或研究对象不同的及相似的数据描述或说明需要及时转换成能被计算机处理的数字量同一信息，而且不同层次之间的多源信息也需被转换成能被计算机处理的数字量信息。

对多个传感器或多信息源采集的轨道交通工程土建施工原始数据和信息进行相关分析处理，综合分析工程安全风险状态[5]。多源信息相关的关键问题是克服采集的原始数据和信息的不精确性，以及各种数据和信息干扰引起的二次信息相关性。考虑原始信息相关处理后的信息，利用各种适合的信息融合算法对处理后的工程信息进行组合。

2.2 智能监测预警技术

基于多源信息融合技术对现场数据进行及时分析，动态判断工程风险状态等级，实现安全风险自动化预警与控制[6]。

基坑数据智能监测是一项流程复杂，数据类型、种类繁多，连续性强的多角度、多空间监测工作。而智能监测技术的应用，能够很好地完成持续性全范围的数据监测工作，更好地监测和掌握深基坑施工稳定性判断以及形变情况，且能更准确及时地将信息反馈给深基坑施工者，为深基坑安全提供了保障[7]。

深基坑水平位移智能监测技术以安全信息收集塔作为基准点，在被测点位置安装无源感知模块，通过信息塔和被监测点之间的相对位移数据来判断监测点处的问题和变形数值。安全塔周期性向被测点发射无线信号，根据信号特征变化和测量参量矩阵来计算相对位移数据，通过压缩感知技术进行数据校准[8]。汇聚各监测点数据后利用物联网络上传数据至后台。

在工程建设施工过程中，根据相关规范和工程经验，将工点范围内的施工区域按照变形时空演化的规律进行合理分解，以分解后的工程、环境实体和施工过程作为警情评价和决策的单元，称之为变形预警区域。随着实际工程施工的不断推进，变形预警区域也跟着发生动态变化。以变形预警区域为单位，将地质参数、施工参数、设计参数、工程环境信息、各监测点的监测数据、现场巡视研究、安全检查研究的原始数据等所有与地表变形有关的信息进行动态分配。

针对某一变形预警区域，根据输入的警情(风险)征兆(特征)空间，确定和输出该区域警情(风险)状态(级别)空间，属于特征级融合中的特征输入特征输出过程。将轨道交通工程土建施工预警区域的整个警兆空间分解为若干个警兆子空间，然后针对每个警兆子空间设计一个警兆融合模型，分别完成各自的警兆子空间到警情状态空间的非线性映射关系。图2为数据传输示意图。

图2 数据传输示意图

3 软件设计

通过分析城市轨道交通工程建设中风险事故统计数据，通过近年的轨道交通工程事故案例搜集、分类统计与分析，采用My SQL形成风险事件数据库。针对数据库中工程事故采用力学及统计学方法进行数据挖掘，分析轨道交通工程结构变形及破坏机理，针对不同事故原因进行分类，辨识关键性因素，选取可反映其安全状态的关键指标。构建了城市轨道交通工程土建施工的风险知识库，并且利用风险知识库信息进行风险评估、风险跟踪、风险预报、风险控制；基于自动监测、人工测量与巡检数据等信息，研究适合于城市轨道交通土建施工的多源信息的融合技术；实现以预警区域分配、警兆融合、预警决策融合的风险自动预警；满足城市大规模轨道交通工程建设和安全风险管理的需求，及时规避城市地下建设、运营过程中存在的潜在风险，确保建设安全。图3为系统工作流程图。

图3 系统工作流程图

4 总结信息

后端平台接收到来自前端的数据，基于多源信息融合技术对数据信息进行分析处理，完成后在软件界面中显示出信息的变化示意图。如图4所示为目标监测点#5水位数据变化示意图。图5为目标监测点GC3-4水位数据变化示意图。

图4 #5水位数据变化示意图

图5 GC3-4水位数据变化示意图

5 结论

本文对多源信息融合技术在城市轨道交通监控系统中的应用做了详细的叙述。通过在基坑支护桩上设置智能监测点，安装多种类型传感器，结合物联网技术的应用，分别对基坑围护结构的水平和竖向位移等信息进行在线监测，实现了对轨道交通建设中涉及多种数据信息的采集与处理。汇集各监测点的数据后利用网络上传至数据后台管理中心进行分析，以达到全天候实时监测的目的。实现了对轨道交通建设中涉及多种数据信息的采集与处理，满足城市轨道交通工程建设安全风险管理需求，确保建设安全。