基于信息化的地鐵安保區隧道結構設施內外關聯技術

曹秀麗，方恩權

基于信息化的地鐵安保區隧道結構設施內外關聯技術

曹秀麗1，方恩權2

（1. 鄭州財經學院，鄭州 450044；2. 廣州地鐵集團有限公司，廣州 510330）

現有的地鐵運營隧道結構病害檢查與地鐵安全保護區隧道設施保護管理各自獨立，洞內結構病害信息與外部巡檢信息無法進行實時的交互與分析。基于Web Service技術和Java編程語言，以某地鐵某安全保護區運營隧道為實例，通過研究隧道結構設施內外關聯技術，研制了Web端管理系統及手持巡檢終端，實現了隧道結構洞內外信息的實時關聯與獲取，進而為運營期的隧道整體結構安全與控制提供信息化手段。

地鐵安保區；運營隧道；結構設施；內外關聯技術；Web管理系統

隨著國內各大城市地鐵運營里程的不斷增加，運營期任何一次隧道事故所引發的停運都可能給廣大市民出行造成巨大的影響[1-3]。因此，對地鐵運營隧道結構安全狀態的把握至關重要，不僅需要檢查統計隧道結構的自身病害，還要對影響隧道結構安全的周邊項目進行巡查管理，只有兩方面同時入手，進行數據共享、關聯分析，才能達到全面掌握隧道結構安全的目的[4-7]。然而目前地鐵隧道結構管養方面仍存在以下問題[8-9]：

1）路面巡查過程中缺少直觀判斷施工項目與地鐵結構本身距離的依據。地基加固、基坑開挖、堆土、卸土等施工過程會對既有線路的地鐵結構產生一定的結構變形影響。在日常巡檢時，巡檢人員由于缺少判斷施工項目離地鐵結構本身距離的依據，只是通過自身經驗來判斷，從而對控制保護區紅線周圍項目的判斷準確性較差。

2）缺少直接有效的方法來確定施工項目所對應的地鐵結構位置。在實際日常生產過程中，遇到險情時，無法有效、快速地把洞內外信息與該險情發生位置的地質、監測、標圖等環境信息進行結合。因此，如何有效打通洞內外關系，及時進行風險應急處理成為地鐵運營存在的又一個關鍵問題。

3）日常數據管理過程耗時，工作效率相對較低。巡查人員過去通常是以紙質的形式對施工項目進行記錄，未能對現場的情況以圖像的形式具像地展現在管理人員面前。即使巡查人員拍攝現場情況進行記錄，但內業工作時仍需將紙質記錄的內容轉換成電子文檔形式，同時還需將現場照片與電子文稿一一對應，降低了巡查人員的工作效率。

1 內外關聯技術總體思路

1.1 安保區地鐵及環境信息數字化

地鐵結構的使用壽命隨著地鐵運營結構病害的增加在逐年降低，然而地鐵安保區附近的施工項目仍在增加，結構病害檢查與地鐵結構的安保工作成幾何倍數增長。目前，完全依靠施工圖，通過人工對地鐵本體結構與安保區施工項目等信息之間的關聯作出分析的工作手段繁瑣、信息滯后，使用極為不便，因此必須借助先進的信息化技術，對安保區域的地鐵結構及周邊環境進行數字化，從而實現快速的信息傳輸、科學統計與分析。

1.2 安保區隧道設施關聯的數據標準編譯

通過建立安保區隧道設施關聯系統的統一標準，可以使所有數據的采集及錄入、傳輸及管理均達到規范化。此外，為提升系統的標準化水平，結合自制的應用程序，將安保區隧道設施內外關聯系統的技術流程和相關信息的描述、記錄格式進行固化。

在實施編譯過程中，將隧道本體洞內信息（如車站、位置、病害、地質等）和安保區施工項目信息（監護項目、違規項目，監測信息等）進行標準化編譯，并添加到手持終端中，以規范和指引現場工作人員的操作，提高采集信息及分析結果的可靠性。技術標準編譯體系如圖1所示。

1.3 地鐵結構與安保區信息關聯

將安保區內項目信息與地鐵結構信息進行電子化同步，使工作人員在處理問題時減少中間處理環節，進而提高信息傳遞的時效性和準確性。將地鐵結構的CAD線路圖以矢量形式固化至手持巡查終端，外業人員在進行查詢、對比工作時可節省大量的信息獲取時間周期，并提供匯總巡查成果及時上傳功能，以提高信息的時效性；同時，通過全過程的信息化錄入手段，減少工作交接錯誤及信息遺漏的可能性，進一步提高信息的準確性。

圖1 安保區隧道設施關聯技術標準編譯

2 內外關聯關鍵技術研究

針對現有的洞內結構病害信息與外部巡檢信息無法進行實時交互與分析的現狀，如何使兩者之間的數據進行交互是研究的重點，建立地鐵安全保護區隧道設施內外關聯系統無疑是解決問題的關鍵所在。

根據使用者的需求，利用高精度定位功能手持路面巡查終端進行路面巡查時，使用者可直接在終端內查看當前所在位置與地鐵本體結構位置的關系，此外，終端還可對巡查人員的巡查路徑、巡查軌跡進行考勤，手持終端最主要的就是記錄功能，包括對違規項目的詳情記錄及監護項目的情況跟蹤。在違規項目的記錄中，終端還可進行距離及項目面積的自動測量測算。

2.1 基于Web Service技術的系統集成

本系統建設分為Web端和手持終端兩部分，通過Web Service技術使得移動智能終端與Web管理系統實現有效交互，即高精度定位功能手持路面巡查終端，通過系統提供的Web Service接口與遠程服務器連接，進而實現交互式的數據傳輸與更新操作。

手持巡查終端與后臺系統進行交互（上傳/下載）的接口主要有：下載用戶信息、結構巡查人員信息上傳、巡查任務信息上傳、外部施工項目信息上傳、項目相關圖片與視頻信息上傳等。

2.2 基于GUID技術的二維碼編譯

考慮到地鐵隧道結構內無GPS、GPRS等衛星定位信號或網絡通信信號較弱，文章基于全球唯一標識GUID（globally unique identifier）技術編譯地鐵結構的基礎信息為二維碼圖像，如圖2所示。該GUID值與數據庫信息（隧道洞內外信息）相關聯，編譯的信息主要包括車站名稱、位置信息（里程/環號、上/下行）、病害信息等，并將二維碼制作成銘牌安裝在地鐵隧道內壁，該二維碼為對應安裝地點的唯一標識。通過使用手持終端設備讀取銘牌上的二維碼信息以實現地下結構空間定位和結構信息數據讀取。

圖2 二維碼編譯標識

2.3 安保區違規項目位置判定技術

針對安全保護區內違規項目的位置判定主要包括坐標判定、距離判定和面積判定，手持路面巡查終端中內嵌線路結構的CAD圖，包括車站輪廓、車站紅線、區間中心軸線和區間紅線，如圖3所示。使用人員可通過手持路面巡查終端，觀察違規項目在CAD底圖上的所處位置，進而直接判斷該項目是否處于安保區內。

圖3 地鐵線路結構CAD底圖

2.3.1 坐標判定

手持路面巡查終端采用的是具有高精度GPS/BD定位功能的硬件設備，通過衛星可對使用終端所在位置進行坐標定位。

2.3.2 距離判定

一旦確定違規項目屬于安保區內，使用人員即可對該項目區域外輪廓進行角點采集，手持巡查終端可自行計算出其與地鐵線路之間的距離。

2.3.3 面積判定

根據三點成面法，手持巡查終端至少需要采集三個角點，方可形成一個面，如圖4所示。根據每個角點的坐標，手持路面巡查終端可自行計算出該項目的面積大小，避免有些違規項目因施工條件限制無法進行準確測量。

圖4 角點采集功能

3 系統研制及工程應用

結合以上關鍵技術，研制信息化管理系統，主要可以分為WEB端、終端APP及預留接口3部分內容。其系統功能模塊架構如圖5所示。

圖5 系統功能模塊架構

3.1 WEB端設計

WEB端（或網頁端），其功能模塊如圖6所示，主要包括以下功能模塊：1）巡查計劃；2）巡查成果；3）監護項目管理。

圖6 WEB端功能模塊架構

巡查計劃包括計劃發布及計劃跟蹤。計劃發布模塊如圖7所示，用戶可輸入計劃名稱、選擇計劃類型、起止時間、計劃實施人員，選擇巡查范圍區間/線路。

圖7 計劃發布模塊展示

巡查計劃發布后，系統可自動將該任務派發給終端APP，計劃實施人員可按終端APP派發的計劃信息開始巡查。

計劃實施人員完成巡查工作后，將巡查結果上傳至WEB端，用戶可在計劃跟蹤模塊中對巡查過程信息進行下載查看，信息包括：

1）巡查軌跡。巡查軌跡是對計劃實施人員的考勤，具體可顯示巡查實施人員的行走痕跡，從而更有效地對人員考勤進行控制。

2）違規項目信息。經由終端APP搜集的違規項目信息包括：違規項目名稱、所屬線路、區間、違規項目坐標、違規項目面積、違規項目結構外延距離、違規施工內容、違規項目責任單位信息、違規項目影像、違規告知單等。

3）監護項目信息。巡查過程中除可對違規項目信息進行上傳外，還可對監護項目信息進行上傳。監護項目信息包括施工內容狀態的更新、是否預警、監護項目影像等，從而更有效地提醒用戶進行重點查看。

巡查成果模塊主要是對巡查項目跟蹤，用戶可通過信息檢索快速有效地搜索到所需查看的項目，以及項目的具體信息。

監護項目管理模塊主要是對監護項目的信息進行管理，包括監護項目的新增、編輯及刪除。

3.2 路面巡查終端APP設計

終端APP（或數據采集端），主要包括以下功能模塊：1）巡查計劃執行；2）巡查軌跡考勤；3）監護項目跟蹤；4）違規項目記錄。其主要架構如圖8所示。

圖8 路面巡查終端APP

巡查計劃執行包括過程記錄、巡查計劃下載、巡查計劃上傳。巡查軌跡考勤主要是對人員行走軌跡的記錄，如圖9所示。監護項目跟蹤主要包括對監護項目施工內容的更新、是否需要預警及影像的記錄。

圖9 巡查人員行走軌跡

違規項目記錄主要包括對違規項目的新增及更新。具體信息包括違規項目的基本信息（項目名稱、違規項目責任單位信息等）、違規項目的面積及結構外延距離。終端APP可進行違規項目面積的自動測算、違規內容的自動選擇（即違規項目的施工內容，違規告知單的簽收派發及違規項目影像的記錄）。

3.3 工程應用

通過結合某地鐵示范工程的應用，路面巡查終端APP及其配套系統的試用已進一步獲得成功[10]。

通過使用路面巡查終端，將地鐵安全保護區的施工項目信息及時進行搜集與更新，以數據庫的形式存儲上傳，同時還可通過對隧道洞內外數據進行交互分析從而輔助決策。

該系統直接面向數據分析及決策人員，通過數據庫管理技術及統計分析手段，為用戶提供各種信息服務，實現巡查進度管理、數據查看、空間上橫向數據統計對比、時間上縱向數據分析等功能，按用戶需要定制各種圖表及曲線查看方式以及使用權限。

4 結論

文章通過建立地鐵安保區隧道設施關聯的數據標準及信息關聯方式，研究了隧道結構設施內外關聯技術。并基于Web Servicer技術、java語言及GUID編譯技術開發了地鐵安全保護區隧道設施內外關聯的WEB端管理系統及相應的GPS手持巡查終端APP，不僅在地圖上固化了地鐵安全保護區內車站輪廓、車站上下行紅線、區間中心軸線、區間紅線，還建立了地鐵安全保護區內違規項目及監護項目的信息標準，規范了項目信息的記錄格式與內容，提高了地鐵安全保護區內施工項目信息的準確度和規范化。

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（編輯：郝京紅）

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

曹秀麗，女，碩士，工程師、講師，主要從事課程教改和校企合作項目研究，caoxiulizzjm@163.com

“十三五”國家重點研發計劃項目（2016YFC0802500）