城市軌道交通設施安全智能監測預警系統設計

汪 波，騰 騫，鮑 楓，宋曉敏

（1. 北京市地鐵運營有限公司，北京 100044；2. 北京雋德科技有限公司，北京 100084；3. 北京市智慧交通發展中心，北京 100073；4. 交通運輸部科學研究院，北京 100029）

隨著中國交通基礎設施建設的快速發展，城市軌道交通已成為大中城市公共交通的主要組成部分。截至2020年12月31日，中國內地共有45座城市開通城軌運營里程7969.7 km，運營車站達到4 681座。由于城市軌道交通準時高效的優勢，越來越多出行者更愿意選擇此類出行方式。以北京市為例，2020年城市軌道交通運送乘客 22.94億人次，選擇軌道交通出行的比例占公共交通出行的56.11%。

城市軌道交通系統建設復雜，涉及巨量設施，一旦重要設施出現故障，可能在環境相對封閉的地下空間內造成嚴重安全事故。為了預防軌道交通事故的發生，保證人民生命安全財產，有必要開發一套城市軌道交通設施安全智能監測預警系統。已有城市在客運量較大的軌道交通運營線路根據實際需求安裝了城市軌道交通設施安全智能監測預警系統，為軌道交通運營安全提供技術保障。

目前有很多學者對城市軌道交通設施安全監測預警系統進行了研究開發。陳旭[1]研發了一種針對地鐵安全環境的監測預警軟件系統，該軟件實現了數據的采集、儲存、分析和預警功能。周耀[2]建立了地鐵車站結構健康監測系統，主要監測結構溫度、應變、裂縫、徐變等，為地鐵車站的安全運營提供了保障。謝偉等[3]提出建立基于GIS的地鐵隧道安全監測信息系統，以實現監測數據和圖形位置的雙向快速查詢以及空間統計分析工作。李秋明等[4]開發了基于GIS的運營隧道自動化監測預警系統，該系統可以對運營隧道結構設施的豎向沉降、水平位移、裂縫、扁率和地下水位等項目進行監測管理與及時預警。石傳基等[5]設計了基于BIM技術隧道監測預警系統，該系統可以實現自動預警和面向不同層級用戶的數據可視化管理。吳賢國等[6]開發了一套基于BIM技術的物聯網運營地鐵結構健康系統架構，該架構實現了檢測系統的可視化。何高峰等[7]則將BIM和GIS結合起來，研究了其在地鐵隧道安全預警預報方面的應用。張建清等[8]設計了一種針對高鐵無砟軌道的溫度監測與預警系統，該系統可以計算和預測出無砟軌道的溫度場。高臻等[9]設計了一種車輛基地機電設備的故障監測及診斷系統，該系統能實時獲取設備狀態信息，對設備進行故障預測和健康管理。龐穎等[10]對車輛基地的智能診斷技術進行了研究，提出了車輛基地通知診斷技術的總體方案。徐耀德等[11]建立了一種基于多因素權重矩陣分析法的工程安全風險狀態量化評估方法，克服了當前監測預警多、風險評判定性為主的工程安全風險狀態局限性。

上述研究主要集中在某項功能的開發設計上，對軌道交通設施的數據采集、數據傳輸、數據保存、智能預警功能等描述較少?；诖耍O計了一種城市軌道交通設施安全智能監測預警系統，重點論述了該系統的設計要求，為城市軌道交通安全運營提供技術保障。

1 基本概念

1.1 城市軌道交通設施

城市軌道交通設施是軌道交通系統的骨架，是保證軌道交通安全運營的硬件設備。本文中的城市軌道交通設施是指保障城市軌道交通系統正常安全運營而設置的土建設施的總稱。主要包括：土地、隧道、橋涵、路基、軌道、車站建筑、車輛段與綜合基地建筑、房屋建筑、管道、道路、附屬設施。

本文的城市軌道交通設施監測主要指對隧道、橋涵的動態監測。

1.2 城市軌道交通設施監測指標及分級預警要求

1.2.1 監測指標

城市軌道交通設施安全性除了考慮自身結構的變化，還需考慮外界環境的影響。因此軌道交通設施監測指標主要包括環境監測指標和結構響應監測指標。環境監測指標有溫度、風速、風向、雨量、雪量、橋下積水；結構響應監測指標有梁體裂縫長度和寬度、梁體位移、支座位移、支座變形、橋墩位移、聲屏障應力、聲屏障變形、梁體擾度、斜拉橋索力、斜拉橋橋塔位移、斜拉橋橋面振動、碰撞記錄及隧道裂縫。

1.2.2 智能化分級預警標準

監測指標的變化程度代表著不同預警等級，因此需要建立智能化分級預警標準。對各指標分別設置閾值預警值和變化率預警值。

1.3 安全應急智能監測預警系統

安全智能監測預警系統指對重點土建設施結構狀況進行監控與評估，為土建設施在特殊氣候、交通條件下或運營狀況異常時發出預警信號的系統。

2 系統組成及技術要求

2.1 系統組成

城市軌道交通設施安全智能監測預警系統需具備數據采集、數據傳輸、數據保存、預警等功能。這些功能分別由前端采集設備子系統、數據傳輸設備子系統、硬件設備子系統和軟件子系統實現。監測系統架構如圖1所示。

圖1 監測系統架構Figure 1 Monitoring system architecture

前端采集設備子系統，用于監測并采集城市軌道交通設施結構響應信息及外在環境信息。

數據傳輸設備子系統，利用無線傳輸技術，用于傳輸前端采集設備采集的城市軌道交通設施結構響應信息及外在環境信息至監控平臺。

監控平臺包括硬件設備子系統和軟件子系統，實現數據管理、監控預警、分析等功能。

其中監控預警功能的視頻監控功能主要設計思路為：在城市軌道交通橋梁可能受碰撞的地方安裝防撞架，當車輛碰到防撞架后，加速度傳感器檢測到的數值發生瞬間變化，該數值通過數據采集儀上傳至監控平臺，監控平臺進行預警，同時給聯動攝像機一個抓拍信號，攝像機將抓拍照片存儲到本地和數據庫中。系統組成見表1。

表1 城市軌道交通設施安全智能監測預警系統組成Table 1 The composition of an intelligent safety monitoring and early warning system for urban rail transit facilities

2.2 前端采集設備技術要求

前端采集設備由各種不同類型的傳感器和數據采集設備組成，作用是將被監測對象的不同形式的物理量轉換成便于記錄及再處理的電壓、電源或光信號。

2.2.1 傳感器選型及布點技術要求

對于前端傳感器，其類型決定了數據采集的精度及質量，應從性能和造價等方面考慮傳感器的選型，基于此提出以下技術要求：傳感器在使用壽命內穩定可靠運行；傳感器應耐久性好和抗干擾性強；傳感器技術成熟、性能先進；傳感器應便于維護和更換；傳感器在滿足監測要求的情況下，應造價低、易安裝。

前端傳感器的布點的位置也需滿足相關要求：

1) 傳感器的布置應體現優化原則，利用盡可能少的傳感器獲取全面、精確的環境和結構參數信息；

2) 傳感器的數量和設備能力等應具有適度冗余，以確保系統的可靠性，并滿足系統改進、擴充和系統升級的需求；

3) 傳感器的布設工藝不能損傷結構；

4) 傳感器要布設在存在嚴重病害的結構上；

5) 傳感器要布設在曲線半徑小(<600 m)、大縱坡(>15‰)等線路運營條件差的橋梁結構上；

6) 傳感器要布設在跨越市政道路、高速公路、鐵路和河道處的橋梁結構上；

7) 傳感器要布設在臨近橋位處有施工、路口容易被撞的橋梁結構和防撞架上；

8) 傳感器要布設在超高橋梁結構等不易人工檢測的位置上。

2.2.2 數據采集設備性能要求

傳感器布設完畢之后，需要利用數據采集設備進行數據收集。該系統的數據采集設備包括光纖光柵解調儀、數據采集儀、擴展模塊、振動數據采集儀。各設備宜采用的性能要求見表2。

表2 數據采集設備性能參數Table 2 Performance parameters of the data collection equipment

2.3 數據傳輸設備技術要求

數據傳輸設備負責信號采集、傳輸和處理。為保障在復雜條件下正常功能的實現，傳輸設備應符合下列規定：

1) 在無人值守條件下能夠連續運行；

2) 在特殊狀態下進行采集或人工干預采集；

3) 數據采集軟件具有數據采集、數據自動處理和緩存管理功能；

4) 能夠實現數據的同步采集；

5) 滿足長期穩定工作；

6) 數據傳輸設備性能應滿足相關要求。

2.4 硬件設備技術要求

硬件設備負責信號數據的保存，是軟件系統的平臺。主要硬件設備應滿足以下技術要求：

1) 路由器

① 設備類型：多業務路由器；

② 包轉發率：10 Mbps：14 800 pps；100 Mbps：148 800 pps；1 000 Mbps：1 488 000 pps；

③ 支持擴展模塊插槽數：≥8；

④ 最大Flash內存：≥256 MB；

⑤ 最大DRAM內存：≥1 GB；

⑥ 控制端口：Console；

⑦ 支持的網管協議：SNMP。

2) 交換機

① 設備類型：二層交換機；

② 傳輸速率：10/100 Mbps、10/100/1 000 Mbps；

③ 端口結構：非模塊化；

④ 端口數量：≥24；

⑤ 接口介質：10/100 Base-TX、10/100/1 000 Base-T、1 000 Base-X SFP；

⑥ 傳輸模式：全雙工/半雙工自適應；

⑦ 交換方式：存儲-轉發。

2.5 軟件系統技術要求

2.5.1 一般要求

軟件系統需要實現包括結構安全狀態的實時監控、預警報警、統計分析、專家庫等系統功能，可以完成數據的歸檔、查詢、存儲、維護和打印輸出等工作。其可用性、效率、兼容性和數據集成與共享方面需要滿足以下要求：

1) 系統可用性。由于軟件監測系統為24 h連續使用，系統的可用性(A=MTBF(平均無故障工作時間)/MTBF+MTTR(平均維修時間))應達到99.99%。MTBF不小于3 000 h，MTTR不大于0.5 h。

2) 系統效率。監測系統涉及地鐵的安全運行，各系統的運行效率直接影響到系統的效率，要求復雜查詢響應時間不應超過40 s，并且系統發布信息的刷新周期應不超過30 min。

3) 兼容性要求。要通盤考慮整體業務需求、性能需求及安全需求，系統在硬件平臺、網絡平臺和業務應用系統的開發建設上要滿足已建成系統和未來建設的相關系統的兼容性要求，適應未來業務發展和變化的要求。

4) 滿足數據共享與集成的要求。當業務的發展需要建設新的應用系統時，可以充分享用已有的數據資源，最大限度滿足數據共享的需求。

2.5.2 功能要求

監測軟件系統組成見圖 2。軟件系統具體功能要求如下：

圖2 監測系統架構Figure 2 Monitoring system architecture

1) 土建設施及前端設備信息維護子系統：用于配置、維護土建設施及其附屬設施、前端設備部件的參數信息；

2) 監測數據采集子系統：自動獲取前端設備部件采集的土建設施結構響應信息及外在環境信息，并將其轉換為土建設施的物理量；

3) 監測與預警子系統：將轉換得到的物理量和預設的控制值進行對比分析，根據結果進行分級預警；

4) 視頻監控子系統：用于對土建施工工程、土建設施維修改造工程、橋隧設施隱患風險點進行視頻監控，并保存、回放視頻和圖像；

5) 土建設施隱患風險點管控子系統：用于管控預先設置的重點部位的日常排查工作、異常情況排查工作、隱患排查工作和安全保護區排查工作；

6) 安全質量管理子系統：用于與地鐵資產管理信息系統聯動，形成土建設施的實時監控、預警報警、維修處置、工后核查和統計評估的安全質量閉合管理子系統；

7) 統計分析預測子系統：用于對獲取的土建設施結構響應信息及外在環境信息和安全質量管理子系統中的安全質量管理數據進行分析、匯總，得到監測指標信息；預測土建設施監測指標的發展趨勢、預測監測指標數據與目標因素之間的關系；進行自適應智能化土建設施監測指標預警實時診斷。

系統還設置了外部接口，與氣象部門、地震監管部門對接惡劣天氣和地震信息或數據，與建委等政府建管部門對接軌道交通沿線的重大基建項目信息等。

2.5.3 數據接入規范

1) 監測中心與外場采集設備之間采用TCP/IP通信協議，以長連接方式進行數據傳輸，并保持心跳在線，如果長時間不傳輸數據，中心將自動斷開超時的連接；

2) 外場采集設備按照統一規范的數據包報文格式進行監測數據傳輸，整個數據包報文采用UTF-8字符串格式轉換為二進制數組定期上傳到監測中心；

3) 每個數據包報文內容應包括采集時間、采集儀編號、傳感器通道(編號)、監測數值等信息。數據包報文樣例如圖3所示。

圖3 數據包報文樣例Figure 3 Sample data of the packet message

2.6 預警系統設計注意事項

1) 設計需考慮用戶界面清晰簡潔，支持手機等移動式監控用戶需要；還應考慮安裝、設備維護的便捷性等；

2) 通過多種渠道獲得的各種數據要實現信息共享，實現信息的獲取、集成和融合，達到信息在各個子系統之間安全順暢共享、傳遞、協同管理以及信息深層次利用的目的；

3) 系統應具備動態預警技術，能根據算法自我完善并動態調節預警閾值功能。系統能在數據融合基礎上實現BCI評估，并根據歷史數據調整各參數的權重比。

3 軌道交通設施監測指標分級預警要求

1) 系統預警功能的控制指標分為閾值預警值、閾值控制值、變化率預警值和變化率控制值4種。

2) 為了保證預警、報警的準確性，應每年對前端采集設備的精度至少進行一次標定，使用專用檢測設備對前端采集設備的誤差進行校驗和修訂，以保證準確性。對于激光類傳感器應最少3個月對激光頭的表面做清潔以避免由于灰塵導致激光類傳感器監測數值不準確情況發生。

3) 通過閾值比對和病害率比對等技術手段提供被監控設施的狀態預警，對明顯超過正常數值和變化率的被監控設施進行技術性分析，并按照系統報警處理規定執行各項技術流程。

4) 被監測設施的閾值控制值的設置要依據設計文件、相關規范要求，結合監控對象隨溫度的受力變形特點、材料屬性和歷史數據規律，并根據實際使用情況，由專業的設計單位根據橋梁的不同特點在充分論證的基礎上進行合理制定和修訂。

5) 閾值預警值報警功能分為2級管理，分別是二級預警(黃色)和一級預警(紅色)。

根據設計單位計算及對歷史數據挖掘，二級預警值按照閾值控制值的60%設定，一級預警值按照閾值控制值的80%設定。

閾值預警與閾值控制值應符合公式(1)的要求。

式中：a為系統實際監測值；b為閾值控制值。

6) 變化率是指相鄰2個月，同一日期，同一時間監測值的差值。變化率的計算要采用合理的排異算法，消除異常數據的影響，并合理考慮同一天的平均變化率。被監測設施的變化率控制值設置為閾值控制值的50%；

7) 變化率預警值報警功能分為2級管理，分別是二級預警(黃色)和一級預警(紅色)。二級預警值按照變化率控制值的60%設定，一級預警值按照變化率控制值的80%設定。

變化率預警與變化率控制值應符合公式(2)的要求。

式中：c為系統實際計算的變化率預警值；d為變化率控制值，d=0.5b。

8) 風力、雨量及雪量不設置變化量預警值和變化量控制值。

4 結語

為預防由于城市軌道交通設施故障導致的嚴重安全事故，提高軌道交通安全運營的技術保障，設計了一種城市軌道交通設施安全智能監測預警系統，實現軌道交通設施監測數據采集、數據傳輸、數據保存、智能預警功能，對系統功能及布局提出了具體的設計要求，同時根據安全性的需求劃分了預警級別。該系統進一步提高了城市軌道交通設施運行使用的可靠性，改善了城市軌道交通運營安全環境。