运营轨道交通结构 安全 立体感知

信息服务平台

           

上海申通地铁集团有限公司

上海勘察设计研究院（集团）有限公司

摘   要

结合城市运营轨道交通结构安全保障和健康维护的重大需求，针对上海超大规模轨道交通网络结构监护监控体系存在“信息碎片化、数据集成难、大数据挖掘与智能预警不足”的问题，开发“运营轨道交通结构安全立体感知信息服务平台”，该平台目标支持来自“空中+地面+地下”的卫星及低空遥感影像、地面移动全景摄影、三维激光扫描、多源自动化传感器和精密工程测量等多源数据的集成管理，并通过大数据算法，实现结构安全状态评估和风险预测，满足轨道交通结构安全监控“集成、高效、智能”的精细化管理要求。

关键字 ：轨道交通；结构安全；立体感知；精细化管理

Abstract

Combined with urban rail transit structure safety and health maintenance of major requirements, in view of very large scale of Shanghai rail transit network structure monitoring system "Information Fragmentation, Difficulty in data integration, Insufficient data mining and intelligent warning" problem, "Operating urban transit structure safety stereo perception information service platform", was developed, The platform aims to support the integrated management of multi-source data from "Air & Ground & Underground" satellite and low-altitude remote sensing images, ground moving panoramic photography, 3D laser scanning, multi-source automatic sensors and precision engineering survey, finally structural safety state assessment and risk prediction was achieved through big data algorithms. The "Integration, Efficiency and Intelligence" management requirements for rail transit structure safety monitoring was met.

Key words : Urban rail transit; Structural safety; Stereo perception; Fine management

     

1. 建设背景

     

1.1 轨道交通保护区管理任务重

轨道交通的投资额巨大，日均客流量大，如上海目前运营里程已达772km,工作日客流超过1100万，占公共交通出行比例已超过50%。

近年来，媒体公开报道相关重大事故多起，如：某年度10月到12月的2个月内，某城市地铁9号、11号线发生2起地铁隧道被击穿事故，2009年发生京沪高铁管桩击穿上海11号线事故，南京地铁2011、2014年发生两起隧道被桩基击穿事故。

以上海地铁为例，近三年累计发现各类涉及轨道交通安全保护区事件1200多起，发现并及时处置了一批勘探钻孔、基坑施工、违规堆载、桥隧穿越等违规作业。

1.2 运营期结构安全影响因素多

城市轨道交通多采用地下结构，受地质条件、施工质量、施工扰动、内外部荷载变化、列车振动及周边工程建设等综合因素影响，土建结构的整体受力和变形变得十分复杂。

以及沿线实施了数以百计的工程施工，对建设和运营的轨道交通产生了较大影响，尤其是违规土方堆载、未经批准的勘探钻孔或桩基施工、“近、大、深”基坑施工及降水、近距离穿越施工等，必须在过程中加强管理，否则可能对轨道交通结构和轨道平顺性造成严重影响，导致后续加固修复时需投入巨额资金。

1.3 传统作业和数据管理效率低

针对轨道交通的结构病害检（监）测主要分为横向变形、纵向变形及病害巡查等，其中： （1） 病害调查和测量工作，大量依靠人工作业； （2） 数据集中管理困难，大多数为分散的报表、报告或图纸等资料； （3） 缺少专业数据分析工具，难以分析多个项目、长时间段、不同工况、不同来源的工程数据； （4） 现有管理技术手段难以对图像、文档等非结构化数据进行有效管理和利用。

1.4 结构安全分析评估指标单一

对于隧道的结构安全评估，目前主要以基于指标的计算法为主，重在评估指标和计算方法的不断优化，同时预警提示主要依靠单一指标，但是由于隧道结构演化机理的复杂性和不确定性，目前评估方法的普遍适用性和可靠性尚不强，更复杂综合指标的预警提示主要依赖于专家经验修正，评估结果的时效性和对维护保障的指导作用受到制约，亟需建立基于多源数据融合的评估预警体系。

     

2. 建设目标

     

结合城市运营轨道交通结构安全保障和健康维护的重大需求，基于地理信息技术、遥感影像、云技术、物联网等信息技术，通过系统的研发与工程应用，支持卫星影像及低空遥感影像、移动全景摄影、精密工程测量等结构安全监测数据的集成和应用，并通过数据分析和挖掘，辅助进行结构安全状态评估和风险管理，为轨道交通运营维护保障行业提供便捷可靠的数据管理和信息化服务。

     

3. 建设规划（方案）

     

信息化平台总体上分为基础层、数据层、支撑层和应用层。

（1）基础层

主要为各类IT基础设施和轨道交通结构安全状态感知相关的传感器设备，是本服务平台运行的基础。IT基础设施建设方面，考虑以“私有服务器+云服务”的混合解决方案，及后期升级扩展性和兼顾系统安全性。

（2）数据层

系统的基础数据主要包括各类测绘地理信息、工程勘察、设计施工图纸等数据。基于测绘、勘察和设计等行业标准，开发符合轨道交通运营全生命周期维护保障需求的数据存储解决方案、数据加工与应用工具，保证与基础信息数据的持续获取、更新、处理。

（3）支撑层

系统的支撑层主要提供授权管理、应用配置、数据更新、数据统计、影像发布 与访问等基础应用支撑服务。

（4） 应用层

系统需支持的监测项包括：沉降、平面位移、倾斜、收敛、静力水准等，增加对卫星及低空遥感影像、移动全景摄影两类数据源的支持。

本平台分为两个主要的子系统：

（1）保护区巡查子系统

保护区巡查业务子系统为实时处理系统，所应用的网络范围为广域网。该子系统需要调用大量存储于公有云服务的卫星影像、全景影像、巡查拍照信息、巡查记录等，基础数据经作业人员筛选判定之后，建立巡查任务台帐和巡查成果目录，并分配任务流程。

（2）相邻工程活动影响监测信息管理子系统

监护项目管理子系统为实时处理系统，所应用的网络为广域网+局域网。该子系统主要用于接收大量自动化传感器和精密工程测量数据，用于隧道结构安全的实时监控、业务报表输出、监护项目日常管理等。广域网用于接收传感器数据和移动办公管理，局域网用于查看涉密数据、项目管理和日常办公。

     

4. 产品选型

     

本平台产品选型有以下内容：

（1） 系统基于WEB的B/S架构，可支持业界流行的浏览器Chrome等。

（2） 系统实现采用业界主流开发技术，并且支持定制开发。

（3） 符合业主公司整体软件接口开发有关技术规范和标准要求，使用业主综合管控系统数据总线产品提供数据总线服务。

（4） 系统符合开放的原则，具有良好的集成性，能够方便地实现与其它软件系统的应用和数据集成。可提供企业级的Web Services，支持HTTP、WSDL、SOAP标准和协议。

     

5. 实施过程及应用系统内容

     

5.1 项目实施过程

项目实行项目负责人全面负责制，下设专业技术研发组、平台开发与维护组和技术服务与市场推广组。专业技术研发组主要负责专业业务的需求调研与分析，明确系统主要专业技术功能、数据处理方法、格式标准适用性、统计分析模型、风险评估算法等；平台开发与维护组主要负责系统的开发工作，包括系统的概要设计、详细设计、编码测试、开发文档编制等；技术服务与市场推广组主要负责系统承担对用户的技术培训、支持和市场推广。

项目实施进度：

项目建设周期：2017年1月-2020年1月。实施过程如下：

2017年1月-2017年6月，需求分析、技术方案选型项目详细设计、需求说明文档、设备采购

2017年7月-2018年8月，系统开发、迭代需求验证

2018年9月-2019年5月，系统集成测试、文档编制

2019年6月-2019年12月，培训资料准备、测试运行、系统调优

2020年1月-2020年02月，项目评审鉴定与验收。

5.2 应用系统内容

系统主要完成四大主要功能：

（1）多源数据集成管理：与业务流程相结合的精密测量、自动化监测等传统矢量数据管理，对接卫星及无人机遥感、三维激光扫描等新型传感多源海量数据管理，监测报告智能辅助编制等。

（2）多类型自动化传感器集成式管理：封装了不同厂商多类型传感设备采集指令，实现集约式采集；定制通信和数据同步协议、长连接技术，实现实时采集、传输、处理的全流程可视化监控。

（3）结构安全评估和风险预测: 基于现行技术规范和管理流程，封装结构安全大数据分析评估模型和风险源筛选规则，实现数据驱动的风险识别、安全评价与预测预警。

（4）保护区安全风险巡查管理：集成移动网络支持的GIS系统，分级加载地铁线路及保护区数据，快速精准掌握地铁位置，保证不漏巡、不多巡，科学布置巡查工作；集成GPS实时定位系统，连续记录巡查人员轨迹信息，并实现地图圈定违规影响范围功能，通过GIS系统存档，保证实物工作量追溯有依据。

     

6. 建设成效

     

6.1 技术创新

系统平台有以下技术创新：

• 6.1.1 运营轨道交通结构安全监测业务数据接口标准

平台支持卫星和无人机遥感影像、地面全景、三维激光扫描、工况巡查、精密工程测量、多源自动化传感器实时监测等丰富数据格式，引入OGC WMS服务、Rest API接口、WebSocket技术、云端文件托管等数据管理技术，形成了一套广泛兼容、高效查询、灵活扩展的数据访问接口。

 图1 在建项目分布图 

图2 上海长期监测分布图

图3 监护监测项目管理

• 6.1.2 基于WebSocket协议的多源传感器集成技术

集成解决了沉降、收敛、位移、倾斜等多源自动化传感器感知技术，包含激光测距仪、倾角计、测量机器人、静力水准、电水平尺、裂缝计等6大类设备；采用数据同步、通信协议、长连接技术，解决了传统CS架构的跨平台远程访问的数据离散问题；支持多源数据的综合分析，融合粗差剔除、数据异常识别、联合平差数据处理算法。

图4  多源传感器集成管理

• 6.1.3 基于数据驱动的结构安全风险识别与评估技术

整合上海地铁结构安全监测数据资源（约5000万条目录），以“空中-地面-地下”感知数据为基础，结合结构安全评估模型和风险源筛选规则，开发符合现行技术规范和管理流程的数据可视化工具，实现以数据驱动的结构安全风险识别；开展了保护区巡查、长期监测、保护区监护项目等多源数据综合分析的特色风险可视化应用，帮助专业工程师拓展结构安全状态的理解和认知，并通过基于大数据技术的分析方法获得新的结构安全风险洞察力。

图5 基于数据驱动的施工影响项目结构安全评估

• 6.1.4 基于多源感知数据融合的病害分析与形变预测

系统面向轨道交通运营维护，开发了主要功能包含数据查询、工程类比、数据清洗、数据分析以及数据维护的融合分析模块。集成了轨道交通结构信息、测量监护项目信息、周边工程活动信息以及地质勘察信息、区域环境信息等6大类信息，通过数据结构化及标准化处理，形成了包含6大项36个特征的轨道交通结构变形预测样本库，并研发和融合了一套适用于隧道结构变形预测的大数据分析模型，准确的预测和评估隧道未来的结构变形和安全状态。

图6 基于多源数据融合病害信息分析

图7 基于多源数据融合的形变信息分析预测

• 6.1.5 基于微服务架构的“互联网+”共享服务模式

系统以标准接口、共享应用工具为载体，连接上海轨道交通保护区全部监护测量行业单位，支持“空中-地面-地下”等多类数据源，基于微服务架构，开发web页面、手机App、Excel数据管控助手和微信服务号等业务协作、数据共享和信息传递的工具，降低信息化的准入门槛，提高了工作效率，保证了传统测量数据的时效性，实现了数据成果质量控制的现场化、实时化和在线化，形成了地铁保护区监护监测项目的“互联网+”服务模式。

6.2 管理效益

本平台目前服务于整个上海地铁监护15个行业单位，管理了1000余个工程、2亿余条数据，成果在国内多个城市地铁企业得到推广应用，提升行业整体技术能力和数据共享水平，满足了地铁维保“高精度、高效率、实时预报警” 管理要求，具有极为重要的意义与示范效应。

6.3 经济效益

本平台中多源传感器集成、激光扫描综合检测等关键技术，累计成功应用于地铁长期结构监测、地铁保护区相邻影响监测等项目700余项，完成单线长近2000km的激光扫描数据处理及成果管理，生产合同逾6亿元。同时提升作业效率10倍以上，显著节省资源。

6.4 社会效益

鉴于轨道交通设计使用寿命为100年，城市轨道交通投入运营后，随着结构性能的劣化及外部环境的影响，存在长期的安全监控需求。本平台基于多源大数据分析的集成与预警技术，有力规避了保护区施工对轨道交通结构安全的风险，保障了轨道交通乃至城市运行的安全，社会效益显著。

     

7. 建设经验总结

     

7.1 迫切的生产管理需求是系统平台建设的源动力

本平台的建设正是基于上海超大地铁网路运维和监护管理的迫切需求，由“建养并重”向以运营为主，迫切需求运维管理向数字化、智能化方向发展，具体表现为轨道交通安全保护区管理能力及运营隧道结构安全管控水平的提升，因此过程中能够利用敏捷开发模式的进行迭代升级，务实严谨地完成平台的建设和长期运营，保证了系统平台持续升级的源动力！

7.2 深度融合专业的信息新技术是系统平台的生命力

本平台的建设是轨道交通、测绘技术与信息技术进行深度融合的产物，立足于融入上海轨道交通保护区管理的成熟经验和技术，结合计算机和互联网的最新技术，基于创新、共享的理念，围绕多源感知数据集成、大数据分析与可视化、提升信息传递效率和服务工程安全风险管控等进行建设。整个平台经历了长时间专业人员使用及重大项目应用的考验，保持了源源不断的生命力，居业内领先水平。

7.3 稳定多专业融合的技术团队是系统平台的保障

本平台在建设之初，便建立了集岩土工程、隧道工程、地理信息、计算机、信息化等多专业融合的开发团队。整个团队具备良好的技术、人才及软硬件基础，并长期稳定，形成了独立的自主研发优势，能够完成“经典勘察测量技术+互联网技术”的深度融合，突破多项技术瓶颈，保障需求与技术的无缝链接，形成专业化的定制集成产品。

参考文献：

[1]付秋平.基于SuperMap的基坑预警管理系统的设计与实现[D].北京工业大学, 2016.

[2]李家平.上海地铁结构监护测量信息化管理的问题及对策探讨[J].城市道桥与防洪, 2016-03.

[3]王令文,程效军,万程辉.基于三维激光扫描技术的隧道检测技术研究[J].工程勘察,2013,41(07):53-57.

[4]王淑嫱.轨道交通工程施工安全监控管理信息系统设计与应用研究[D].武汉理工大学,2010.

[5]罗富荣. 北京地铁工程建设安全风险控制体系及监控系统研究[D].北京交通大学,2011.

[6]李昂,戎晓力.地铁工程施工远程监控及预警系统研究[J].江苏建筑,2012(04):50-53.

[7]褚平进.基于三维激光扫描数据的单圆盾构隧道内壁影像生成算法[J].浙江水利水电学院学报,2016,28(01):58-62.

[8]许碧华.基于GIS的地铁保护区信息管理系统应用研究[J].中国安全生产科学技术,2016,12(06):175-179.