基于物聯網的運營地鐵隧道結構健康監測系統軟件平臺開發

陳虹宇 吳賢國 張浩蔚 吳霽鋒 翁 順

（1.新加坡南洋理工大學土木工程與環境學院，639798，新加坡；2.華中科技大學土木工程與力學學院，430074，武漢；3.武漢匯科質量檢測有限公司，430070，武漢；4.武漢中城實業開發有限公司，430040，武漢∥第一作者，博士研究生）

近年來，大城市的地下軌道交通得到了高速的發展。但由于受周邊環境、自身負荷、列車運營等方面的影響，其在運營周期內將會發生各種病害。這些病害如果不及時發現并進行評估與維修，將可能威脅公眾的生命財產安全。因此，研發一套具有監測和評估功能的軌道交通地下結構安全監測系統，具有重要的實用價值。

文獻［1］于2011 年根據南京長江公路隧道的監測需要，開發了一套大型盾構隧道結構健康監測系統。文獻［2］于2014 年對南京市緯三路過江盾構隧道進行了運營期的監測，開發了一套具備預警功能的監測系統。文獻［3］針對穿越工程影響下的既有地鐵隧道，構建了地鐵時空一體化精密監測系統。英國伯明翰大學的研究人員將一種光纖光柵（FBG）傳感器應用在隧道襯砌及接縫的變形監測中［4］。韓國在高鐵隧道中設計并安裝了長期健康監測系統， 以此對隧道的安全性狀況進行評價［5-6］。文獻［7］以青島膠州灣海底隧道為工程實例，將三維激光掃描技術運用于隧道工程安全監測中。文獻［8-9］將三維激光掃描技術運用到盾構隧道的運營期監測中。文獻［10］提出了使用三維激光掃描技術對隧道結構進行收斂變形監測。從目前的研究情況看，基于物聯網的運營隧道結構健康監測系統的研究還比較缺乏。

本研究建立由全自動全站儀、傾角傳感器、三維激光掃描儀組成的三維全景監測技術的運營地鐵隧道結構健康監測模塊，在此基礎上構建評估模塊以及管養決策模塊，采用MVC（模型視圖控制）以及Struts 框架等相關Web 框架搭建技術，完成了軟件平臺的框架搭建，并將監測模塊、評估模塊、管養決策功能模塊集成至軟件平臺的框架中，構建了基于WSN（無線傳感器網絡）的監測系統，為實現運營地鐵隧道結構健康監測系統的智能化分析與決策提供有效的基礎數據與知識支持。

1 基于物聯網的運營地鐵隧道結構健康監測系統

本研究構建基于物聯網的運營地鐵隧道結構健康監測系統，主要包括數據采集與傳輸子系統、監測中心應用管理子系統等。本研究選擇武漢地鐵3 號線王家灣至宗關區間跨江段下行線（右線）作為監測對象，監測區段全長約300 m，全為盾構隧道，采用的施工方法為礦山法開挖、初支襯砌，盾構機拼裝管片通過。

1.1 數據采集與傳輸子系統

考慮到該監測段的特點，參考相關文獻，本項目采用的監測儀器有：遠程自動全站儀、加速度傳感器、應變儀、傾角傳感器和三維激光掃描儀等。

地鐵隧道結構健康監測系統中的數據采集與傳輸子系統主要負責將地鐵隧道結構健康監測數據轉換、匯集和傳輸。本研究構建了基于WSN 的監測系統，可以為實現運營地鐵隧道結構健康監測系統的智能化分析與決策提供有效的基礎數據與知識支持，其包括3 個部分：實現數據采集功能的傳感器節點部分，實現數據匯聚功能的匯聚節點部分，實現數據接收和分析處理的監控中心部分。

1.2 監測中心應用管理子系統

1.2.1 監測中心應用管理功能模塊的搭建

本研究開發的運營地鐵隧道結構健康監測系統軟件平臺采用的是基于B/S（瀏覽器/服務器）的Web 模式架構，即把軟件平臺的本體部署于云端服務器，用戶通過瀏覽器向部署在云端服務器上的軟件發出請求，軟件對瀏覽器的請求進行處理后，再將用戶處理后的結果信息返回至瀏覽器中。

因而在進行軟件開發時，既使用了JavaScript直譯式腳本語言實現瀏覽器端的軟件平臺界面顯示，又使用了Java 的計算機編程語言來完成瀏覽器傳回的請求處理。但由于兩者是不同的編程體系，所以在開發過程中需要搭建相應的框架來建立二者之間的連接關系。

本研究的框架搭建使用的是基于MVC 標準的Struts 技術。即把實現瀏覽器端界面顯示的JavaScript 程序放在框架的View 層，把進行請求處理與邏輯業務的Java 程序放在框架的Model 層，然后在項目文件中創建struts-config.xml 文件；strutsconfig.xml 文件中將編寫每個JavaScript 程序和與之對應的Java 程序之間的連接關系，配置好連接關系的struts-config.xml 文件即作為框架的Control層。

本軟件平臺框架如圖1 所示。完成框架搭建并集成后的“運營地鐵隧道結構健康監測系統”軟件平臺功能集成了監測模塊、評估模塊、管養決策模塊、人工監測的數據管理模塊等。

1.2.2 關鍵技術的實現

1.2.2.1 三維激光掃描監測數據分析

基于地鐵三維全景監測的特點與監測后得到的數據特征，開發了能完成點云數據導入、解析、管理、計算與分析的三維激光掃描監測數據分析模塊。該功能模塊具備軌道變形計算、斷面點云數據擬合、斷面變形數據查看等3 項子功能。

1）點云數據的解析：由于使用三維激光掃描技術進行三維全景監測后得到的監測數據為地鐵隧道空間的全息點云數據，所以功能模塊首先需要將這些點云數據進行解析，才能進行后續的數據存儲與管理、計算與分析。點云指的是在獲取物體表面每個采樣點的空間坐標后，得到的點的集合。目前，點云數據的格式有很多，比如.las、.pcd、.txt 等格式，但各種格式的點云數據中包含的數據信息均較為統一，一般為各點的三維坐標信息、激光反射強度和顏色信息。而本文使用的徠卡SiTrack:One 型移動式三維激光掃描儀在進行掃描監測之后支持生成的點云格式有.las 和.txt 兩種格式。由于.txt 格式的點云數據通用性更強，而且使用Java 語言也更易對其進行解析，所以本文主要針對.txt 格式的點云數據進行功能模塊的開發。

2）Java 與Matlab 語言間數據交互與調用接口的實現：采用Matlab 編寫了基于最小二乘法的點云數據斷面擬合程序，為了實現斷面的點云數據擬合功能，將編寫的Matlab 程序集成至使用Java 語言編寫的功能模塊中，需要編寫Java 與Matlab 語言之間的調用與數據交互接口程序。

1.2.2.2 傾角傳感器原始監測數據解析

由于傾角傳感器傳回的原始監測數據是沒有經過解析的十六進制ACSII 碼，里面除了具有X、Y 兩個方向的傾角數據外，還包含了傳感器型號、編號及監測時間等信息。所以從云服務器中調取傾角監測數據后，還需要對這些原始的監測數據按照廠商提供的編碼文檔進行解析。

1.2.2.3 BIM（建筑信息模型）可視化三維模型集成

由于研發的軟件平臺界面使用的是基于Web的JavaScript 編程語言進行開發的，而監測數據則是保存至SQL（結構化查詢語言）數據庫中，所以若要將BIM 可視化三維模型集成至功能模塊中，實現三維可視化監測，則需要建立BIM 在JavaScript 中的導入接口。

1.2.3 主要功能模塊

1）三維激光掃描監測數據分析模塊：外業掃描得到地鐵隧道點云數據和三維激光掃描儀如圖2 所示。本研究使用自行行走式徠卡SiTrack:One 型移動式三維激光掃描儀。三維激光掃描監測數據分析模塊主要由軌道變形計算、斷面擬合以及斷面變形數據查看3 個子功能組成。其中，軌道變形計算子功能截圖如圖3 所示，用戶將SiTrack:One 激光掃描儀掃描得到的軌道點云數據導入界面的導入功能模塊中，功能模塊將對導入的軌道點云數據進行三維顯示，同時進行軌距計算并與規范要求的標準軌距進行對比。

圖1 軟件平臺框架

圖2 三維激光掃描點云圖和三維激光掃描儀

圖3 三維激光掃描軌道變形計算界面截圖

2）全站儀沉降監測數據模塊：用戶在斷面選擇面板中選擇了需要查看監測數據的斷面里程后，程序即把對應的三維可視化BIM 斷面模型顯示在監測點位選擇面板中；用戶根據需要在該BIM 斷面模型中點選監測點位后，程序將從中心數據庫中調取對應的監測數據，并顯示在界面的右半部分面板中，用戶可以將調取的監測數據進行報表導出。由于監測數據多而復雜，因此該模塊還提供了按照監測時間對監測數據進行索引的功能。

3）傾角傳感器監測數據模塊：與上述的全站儀沉降監測數據模塊的功能相似，程序也將根據斷面里程以及傳感器位置從中心數據庫中調取對應的傾角監測數據，并繪制為時序曲線，由于一個傾角傳感器將采集兩組傾角數據（分別為X 軸方向的傾角數據和Y 軸方向的傾角數據），所以用戶可以在曲線繪制部分自行選擇只查看一個方向的曲線或者同時查看兩個方向的曲線。

4）人工監測數據錄入模塊：用戶可以將人工沉降監測的監測報表按照對應的監測區間上傳到軟件平臺中，軟件平臺即可對監測報表中的沉降數據進行讀取、存儲，并與同監測里程的上次監測數據進行比對，計算相對沉降，進行曲線繪制與顯示。

5）預警管理功能模塊：軟件平臺會定時從數據庫中調取沉降數據并與預先設定的閾值進行比較，當某一監測點位的沉降數據超過閾值時，軟件平臺即能夠將超限的監測點位信息顯示至界面中。預警功能設置了藍色、橙色、紅色共三級預警，每一級預警都可以在軟件平臺中設置閾值上限與下限值。同時，在軟件平臺的頂部設有藍色預警、橙色預警、紅色預警相對應的預警燈，預警燈后顯示的數字為超過該級預警閾值的監測點的個數，點擊該數字即可瀏覽該級預警的詳細信息。

2 結語

1）為構建基于物聯網的運營地鐵隧道結構健康監測系統，建立了基于三維全景監測技術的數據采集與傳輸子系統，也構建了基于WSN 的監測系統，為實現運營地鐵隧道結構健康監測系統的智能化分析與決策提供了有效的基礎數據與知識支持。

2）開發了相對應的監測功能軟件模塊，編寫了Java 與Matlab 語言交互與調用程序，實現了全自動全站儀、傾角傳感器的遠端三維可視化自動監測，以及三維激光掃描監測斷面數據的解析、計算、擬合、分析功能，從監測功能模塊獲取監測數據顯示。

3）使用MVC 以及Struts 框架等相關Web 框架搭建技術，完成了軟件平臺的框架搭建，將監測模塊、評估模塊、管養決策模塊集成至軟件平臺的框架中，建立了數據傳輸模塊、監測中心應用管理模塊、人工監測數據錄入模塊、預警管理模塊等。