基于GIS的運營隧道監測預警系統

李秋明，鄭 艷， 李鵬飛，覃 璐

（1.廣州市地下鐵道總公司，廣州 510030；2.北京安捷工程咨詢有限公司，北京 100037；

3.重慶交通大學，重慶 400060）

目前，城市軌道交通的建設和運營過程中，運營隧道周邊常有建筑物的施工工程侵入保護區，對運營隧道的行車安全造成隱患。為了對軌道交通運營隧道的安全進行保護，需要對軌道交通設施保護區段周邊的外部工程施工進行自動化監測，實現實時監測隧道的變形情況和對突發事件快速預警處理。

本文將GIS地理信息應用于運營隧道監測預警領域，利用其處理空間實體數據及關系的功能，使自動化監測信息的空間數據和屬性數據有效結合，開發了基于GIS的運營隧道自動化監測預警系統，提供了集成的數據環境和可視化的分析平臺，實現了運營隧道實時監測和預警。該系統的設計研究對于指導周邊工程施工，實現運營隧道自動化監測預警的快捷化、系統化、科學化、規范化等具有重要意義。

1 系統設計思路

（1）通過自動化監測設備采集運營隧道內關于X、Y和Z三個方向的結構變形數據，將其以有線或無線傳輸的方式自動傳送至監控中心的服務器，進行過濾分析后，篩除異常數據，而無異常數據自動錄入；

（2）監控中心的控制系統讀取服務器中的X、Y和Z3個方向的結構變形數據并進行分析判斷是否預警；

（3）如果X、Y和Z三個方向的結構變形數據中任一數據超過相應的設定閾值，控制系統將根據判斷結果分級別產生預警記錄，一般分為預警、報警和控制3個級別，同時控制系統將不同級別的預警信號發送給GIS，分別以黃燈、橙燈和紅燈進行分類預警顯示在地圖上，點擊可查看對應監測位置的實時數據；

（4）控制系統根據不同級別的預警信號，通過手機短信、語音傳真、電話的方式通知相關人員進行排險處理，完成后GIS地圖上的黃燈、橙燈或紅燈恢復為綠色，控制系統自動消警并恢復正常狀態，實現閉環管理。

2 系統整體框架及功能設計

2.1 系統整體框架

利用GIS的空間數據處理技術和方法，以及圖形創造和可視化表達手段，針對運營隧道自動化監測數據，建立基于GIS的運營隧道自動化監測預警系統，并通過預警模型對數據進行處理、分析、顯示和發布。系統主要達到的目標：

（1）運營隧道自動化監測信息采用計算機數字化管理，實現信息管理快速化、精確化、高效化。

（2）對自動化監測數據進行實時數據采集，利用預警模型對數據進行集中處理，對運營隧道自動化監測情況進行預測預報。

（3）所有原始數據、計算、統計分析結果以報表和圖標形式展現、輸出。

2.2 監測信息的管理

監測信息管理工作主要是對自動化監測數據的管理，能夠將自動化監測設備采集到的溫度和數據進行計算機化處理，并進行計算、匯總、統計、分析。自動化監測數據管理的主要技術指標有：基準點編號、監測點編號、監測時間、溫度、監測數據數值、預警等級等。

2.3 自動化監測管理

利用GIS軟件對CAD圖紙進行數字化，對運營隧道自動化監測系統采取從“點—線—面”的直觀圖形化管理。將基準點、監測點進行統一編號、命名，并在圖形上標注各點的具體位置，并與預警指標信息關聯起來，點擊可以查閱相關信息。

2.4 監測數據預警

系統將自動化監測設備采集的溫度、數據根據特定的公式進行計算后，輸出實時監測數據，利用計算機模型在系統中進行設置監測預警模型，具體預警流程見圖1。

圖1 監測預警流程圖

2.5 監測數據的導出、報表展示

自動化監測數據既能以Excel表格的形式輸出，又能以圖形形式直觀展示。

3 系統組成

本系統主要由數據自動化采集系統和監測信息系統組成，如圖2。

圖 2 自動化監測系統圖

3.1 數據自動化采集系統功能

（1）數據采集；（2）數據存儲；（3）系統自檢；（4）遠程控制。

3.2 監測信息系統功能

（1）監測數據分析；（2）數據展示；（3）預警管理。

4 系統應用流程

首先根據監測任務、工程現場實際情況等進行監測施工方案設計，設計內容包括自動化傳感器、數據采集單元布設的數量級位置，現場的布線方案等。根據監測方案以及硬件布設的情況，進行設備采購，設置監測控制軟件，主要包括建立測點及數據采集單位，設計算法等。根據現場通信信號的情況，選擇信號強、傳輸穩定的無線傳輸設備進行傳輸；通過專業軟件虛擬串口，并調試無線數據服務中心與現場DTU設備的通信；各部分設置完成后，進行整體調試，保證設備高效、無縫連接；根據實際工程需要，設施需要的自動化監測頻率，將現場采集到的數據定期傳輸到服務器；根據設置的監測頻率，在自動化監測控制軟件上設置自動取數及解算頻率。

5 系統應用實例

本項監測工作是在廣州市軌道交通某區段，為實時掌握區間隧道上方地表大面積堆土對隧道結構的影響情況，保障既有線路安全運營而采取的專項監測工作。

5.1 工程概況

廣州軌道交通某區間，隧道兼有明挖和盾構2種結構形式。2010年12月中旬，維修中心接4號線隧道監測單位報告：區間上行ZDK21+513~575區間隧道沉降異常（ZDK21+544.6，最大沉降值達-30.55 mm），根據圖紙及設計院地面地形與高程測量報告顯示，沉降區段地面存在淤泥堆放場，面積約為1萬m2，該處堆土至2010年年底為止無變化。隧道上行線對應地面新增堆土，主要為市政道路垃圾堆積。

5.2 自動化實時監測范圍

本次監測范圍為上行線ZDK 2 1+5 3 5—21+680、下行YDK21+540—21+685，約150 m。該區間上、下行線各設置6個監測點，共計12個，2個基準點。布點詳細情況如圖3。

圖3 監測布點圖

5.3 自動化實時監測項目、精度、頻率、周期

根據區間隧道異常區段結構的變形特點，建議對道床結構或隧道側壁結構進行實時自動化監測。自動化實時監測項目、精度、頻率及周期要求見表1。

表1 自動化實時監測項目、精度、頻率及周期

5.4 實時監測控制標準

具體控制指標由設計單位、運營單位綜合研究確定。根據工程經驗，參考指標如下：變形沉降控制值指標±5 mm，相臨監測點的沉降差不超過4 mm，日變形量不超過2 mm。監測警戒指標分為3級，分別為預警值、報警值、控制值，預警值取控制值的70%，報警值取控制值的80%。

5.5 信息化監測及成果反饋

本工程采用自動化實時監測系統，同時結合軟件及人工對監測信息的綜合分析、判斷，將監測成果及時準確反饋給設計、施工、監理、建設管理、運營管理等各單位，根據監測情況可及時進行決策，采取相應的施工措施、運營維修、養護措施或必要管理措施，以保障區間隧道的運營安全。

6 結束語

在運營隧道自動化監測技術的基礎上，將GIS技術應用于隧道自動化監測預警領域，利用先進的計算機技術，實現對監測數據的自動化采集、自動預警。監測數據與測點空間位置相結合，可以直觀地掌握監測情況，出現超限報警時能夠及時采取相應的控制措施。系統優化了監測單位的監測模式，提高了生產效率，降低了人力成本。該系統自動化程度高、監測精度高、傳輸穩定性強，不僅能運用于城市軌道交通運營隧道監測，在市政設施、地質災害、大壩等監測領域，都具有一定的應用價值及推廣意義。

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