自动化监测技术在地铁中的应用研究

李涛

（石家庄市轨道交通集团有限责任公司，河北 石家庄 050000）

一、在地铁中运用自动化监测技术的必要性

随着我国各大城市经济不断发展，交通拥堵问题已经成为社会日益关注的问题。修建地铁工程能够解决城市路面拥堵的问题，缓解交通压力。但随着城市地铁线路的不断增加，地铁工程布局变得越来越复杂，加上房地产与城市地下空间开发的不断推进，建筑基坑施工邻近地铁运营隧道的情况越来越多，不可避免地给地铁运营隧道造成不同程度的影响。所以，在地铁运营隧道中运用自动化监测技术是十分有必要的。这主要是因为地铁运营一般不允许中断，人员不允许进入隧道，常规的人工监测方法无法实施，这时候就需要采取自动化监测技术，对地铁运营隧道进行全天候二十四小时实时监测。在地铁运营隧道中运用自动化监测技术不仅能够确保地铁正常运营，而且还可以实时获取运营隧道的沉降、变形数据，全面掌握周边施工对运营隧道的影响程度，从而准确判断运营隧道的安全状况。

二、地铁监控量测现状

地铁是铁路运输的一种形式，指在地下运行为主的城市轨道交通系统，其中包括城市地区各种地下和地上路权专有，具有高密度、高运量的优势，同时可以节省地面空间，避免地面交通拥挤，减少对地面建筑的破坏，节约能源，减少污染，是现代交通建设不可缺少的一部分。在我们在看到地铁带来的优势的同时，要理性地分析和学习地铁本身的一些限制因素。例如建造成本高、前期时间长、部分灾害抵御能力弱等问题也要求对地铁机电设备进行定期维护和保养，针对地铁系统运行时间长出现的故障、磨损、老化等问题通过维修增加使用年限，保证地铁运行安全稳定。地铁的合理运行，要一套非常完备的管理技术体系。地铁机电设备主要包括通风空调、给排水、低压供电、综合监控、气体灭火系统、电梯和扶梯等。加强对地铁机电设备的质量监控，确保各个系统安全可靠，是保证地铁运行正常的关键，而提高机电设备的维修质量和安全性、防止事故的发生、保障人身安全是加强地铁机电设备监控的主要目的。

（一）控制结构

地铁机电设备监控系统一般由中央级和分控级控制，中央级指控制中心，分控级指各个车站，并由控制中心、各个车站和就地控制区组成控制网，多层面多方向进行实时监控。

（二）中央级控制中心的主要功能

对全线的地铁机电设备监控其运行状态，监控各个设备是否发生故障。监控全线的地铁机电设备的事故警报，发出警报信息。发生事故的情况下，中央控制中心可直接控制单个车站的机电设备的紧急启停。接收各车站测试点的测试数据，整体调度控制数据设置。监控各车站的运行状态画面，收集各车的位置信息。编辑修改时间表、顺序控制表等，统一系统时间。

（三）分控级控制功能

根据系统控制模式对地铁机电设备进行开启或停止，实时控制各机电设备运行状况。监测各个试点参数，监控集水池水位，超出安全水位范围及时发出警报。发生火灾等危险情况及时启动灾害模式。执行中央级控制中心发出的指令，同时接受中央级控制中心发出的警报信息。

（四）就地级控制功能

信息采集、整合、传输，实时单个设备的调控。显示工作状态，诊断设备故障。交换数据，执行命令。现在的设备一般采用的都是总分总的形式，及开头为总开关总电缆，在中间的部分都会分成许多小的分支，这些小的分支来控制一些微型的系统。这些小的分支采用的是区域式的管理，将总开关分为各个小开关，小开关控制着某一区域的设施运行。并通过一些数字技术将其传输到设备上。

三、自动化监测技术在地铁中的应用

地铁自动化监测系统的组成。地铁自动化监测系统的组成包括：数据采集设备、无线传输设备、自动化监测控制软件。

（一）数据采集与传输系统

数据的采集与传输系统包括监测数据采集设备和数据传输设备的同时，还需要稳定的电源系统对数据采集和传输设备持续供电。同时，防雷系统、保护机箱及防震动、干扰等其他设备都是地铁监测现场数据采集和传输设备稳定的重要保障，也是自动化监测技术应用的基础。根据监测类型分类，目前广泛使用的监测设备：沉降类主要采用静力水准、梁式倾斜仪、光纤等监测设备、水平位移类主要采用测量机器人等监测设备)、微距离变化类主要有裂缝计、变位计等监测设备、应力应变类主要有钢筋计、应变片等监测设备。按照其工作原理，监测设备分为：电压式传感器、电阻式传感器、电感式传感器、振弦式传感器、CCD 式传感器、标准信号等。目前，数据的采集设备应用和开发较为成熟。但是由于地铁类监测项目较多，市面上的自动化监测设备还不完全，且部分设备由于监测项目的特殊性还没有完全达到自动化监测。有些数据采集设备由于其结构复杂、造价高昂，使得在自动化监测使用上不能普及，这也成了自动化监测技术普及的障碍。怎么结合工程实际，发展性能稳定、价格低廉的数据采集设备成为今后自动化监测技术需要解决的问题。数据传输系统主要在于监测数据传输方式的选择。自动化监测的数据及操作指令传输主要采用有线传输和无线传输两种方式，这一技术已经非常成熟，在此不再叙述。两种传输方式各有优缺点，结合地铁工程实际，选择合适的数据和操作指令传输方式。

（二）自动化监测控制软件

自动化监测控制软件分为采集单元及传感器控制部分和数据后处理部分。采集单元及传感器控制部分能够控制现场监测设备，发送数据采集指令达到数据自动化采集的目的。数据采集之后，数据后处理部分将监测成果进行整合、管理分析、存储，自动生成分析报表、图表等。1.系统设计原则系统设计应遵循以下原则:（1）系统可扩展性和灵活性，实现系统体系结构和应用功能的可扩展性和灵活性。（2）系统可靠性，架构设计科学、合理。（3）系统安全性，充分考虑网络系统级、操作系统级、数据库系统级和应用程序的安全性,保证系统安全运行。针对不同的用户赋予不同的可访问的权限。2.系统主要功能（1）远程监测指令发送；（2）数据的入库、出库、管理；（3）设置控制值，通过控制值确定预警状态；（4）生成报表、测量表、变化曲线图；（5）工程量、预警情况等数据统计；（6）工程风险等级综合评价。无线传输自动化监测系统在地铁中的应用应结合工程实际需求，并且紧密贴合国家规范进行数据后处理模块开发。

（三）运用要点

结合现场情况灵活设置工作基站及校核点根据现场条件，自动化监测工作基站既可以设置在变形影响区以外，也可以设置在变形影响区内。本次自动化监测区域隧道平面线形为直线，通视条件良好；为使各监测点误差均匀，提高监测精度，并方便全站仪自动寻找目标，本项目自动化监测工作基站布设于监测区中部，即采取测站设置在变形区的方法。先制作全站仪托架，托架安装在侧壁隧道结构上，严格遵照设备限界线进行安装设置。合理选择通讯方式自动化监测系统的通讯方式可以是无线传输，也可以是有线传输。我国大部分的自动监测系统都是采用无线通信方式，这种通讯方式能够方便监测人员对监测环境和结果进行控制。但实际上，不管是哪一种通讯方式，都是把传感器的串口数据转换成电磁波信号，并以微波的方式进行无线通信。而选择通讯方式的根据是方案的成本、覆盖范围、接入方式等，监测人员可以根据业主要求及隧道的特点，合理选择通讯方式，在降低监测成本的同时，还可以提高自动化监测技术结果的准确性，有效解决监测过程中出现的问题。自动化监测控制软件分为采集单元及传感器控制部分和数据后处理部分。采集单元及传感器控制部分能够控制现场监测设备，发送数据采集指令达到数据自动化采集的目的。数据采集之后，数据后处理部分将监测成果进行整合、管理分析、存储，自动生成分析报表、图表等。系统可扩展性和灵活性，实现系统体系结构和应用功能的可扩展性和灵活性。系统可靠性，架构设计科学、合理。系统安全性，充分考虑网络系统级、操作系统级、数据库系统级和应用程序的安全性，保证系统安全运行。针对不同的用户赋予不同的可访问的权限。

（四）隧道监测管理

每个预埋测点应达到一定的稳定性，识别难度不高，同时尽量拓展保护范围，不可随意更改或破坏测点，并相应形成更为完善的记录信息。应严格按照技术要求实施监测，保证监测频率达到标准要求。对数据的测量应准确，及时反馈测量结果，便于对信息进行动态掌握和管理。记录的形式应相对正规，资料要尽量完备。及时处理和反馈监测数据。此外，对于站线外缘两边30m 范围内的各类建筑体和管线等均需纳入监测范围，全面实施地铁施工的监测工作。监测的对象主要为建筑、人行天桥、底线管线等。具体的监测内容应为发生沉降的建筑物、地表道路、管线及发生位移的土体等。实施城市地铁项目施工的监测工作时，应将保障施工过程的安全性作为首要目标，变形监测地铁线路沿途各类建筑，隧道的周边收敛和拱顶下沉现象可直接说明隧道围岩和支护稳定性的情况，技术人员可对周边收敛和拱顶下沉情况进行测量，以此作为对支护结构稳定性的判定依据。通过对周边收敛和下沉位移速度的测算，可确定实施二次衬砌浇筑的最佳时间，也为选择适合的工艺类型和衬砌参数提供参考依据，监控施工对环境方面的影响，系统搜集数据信息，也可为后期开展同类型的隧道设计提供参考。实施高程联系测量时，需将地面基点的高程引向横通道的临时基准点。实施现场测量时，需使用悬挂钢尺完成高程的传输，将钢尺挂于支架，零端放入基坑，同时在该端挂一重锤。在计算变化量方面，可将本次产生的拱顶高程与之前同点号的高程差作为变化量，与同点号的初始高程差作为累计的变化量。对于符号的相关规定：拱顶上升用“+”表示，下降用“－”表示，并用上述符号编制观测报表和变形曲线图。

结束语

我国城市地铁运营隧道运用自动化监测技术已经有一段时间，其实践结果已经证明了在地铁运营隧道运行过程中运用自动化监测技术是非常必要，也是非常有效的。地铁运营隧道具有一定的封闭性、复杂性、隐蔽性等特点，加上其作为一种大客流的公共交通通道，不允许轻易出现中断或者改变运行时间。普通的人工监测技术已不能够满足地铁运营隧道的发展要求，所以必须要运用自动化监测技术，才能够实时监测周边施工对运营地铁隧道的影响，且不干扰正常的地铁运行，保证地铁运行效率。