田玉冬 王廣勛 高建洪

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城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)集成技術(shù)研究

田玉冬 王廣勛 高建洪

摘 要：城市軌道交通地下安全檢測是軌道交通安全工程領(lǐng)域的一個重要研究方向，是一個研究難點。針對這一問題，文章分析了我國城市軌道交通地下安全檢測的現(xiàn)有狀況，提出了城市軌道交通地下安全檢測的總體設(shè)計及其系統(tǒng)集成，并就系統(tǒng)集成的功能和技術(shù)特點進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；地下工程；安全檢測系統(tǒng)；集成技術(shù)

田玉冬：蘇州科技學(xué)院，教授，江蘇蘇州215009

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著基礎(chǔ)建設(shè)步伐的不斷加快，我國城市軌道交通得到了大力發(fā)展。在不斷增長的城市大客流量面前，城市軌道交通在推動城市發(fā)展的同時，也對環(huán)境和建筑產(chǎn)生了一定的影響，這給城市生態(tài)環(huán)境和人們的安全帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。目前，不少地區(qū)城市軌道交通地下建筑安全問題和地面沉降、地質(zhì)裂縫、地洞等地質(zhì)災(zāi)害及其次生問題不斷發(fā)生，因此，城市軌道交通地下安全檢測已成為軌道交通安全工程領(lǐng)域的一個重要研究方向，對城市軌道交通地下工程建筑安全檢測等新問題和新技術(shù)進(jìn)行深入研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1　地下安全檢測狀況

從結(jié)構(gòu)上，城市軌道交通地下工程建筑主要由地鐵車站和地鐵隧道組成，屬于典型的坑道節(jié)點式構(gòu)造。根據(jù)城市軌道交通、地下鐵道工程和鐵路隧道工程方面的國家標(biāo)準(zhǔn)，城市軌道交通地下工程建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限應(yīng)為100年。其安全要求包括結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)功能和結(jié)構(gòu)可修復(fù)等3個方面。

城市軌道交通地下安全檢測是通過測量和巡查，對地下工程建筑的主要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，經(jīng)過評價指標(biāo)分析進(jìn)行安全等級評判。其目標(biāo)是通過測量評價城市軌道交通地下工程建筑結(jié)構(gòu)安全滿足上述既定的要求。目前，城市軌道交通地下安全檢測，除了傳統(tǒng)的定期關(guān)鍵點巡查和測量外，大部分都安裝有消防管理、防水管理、防盜報警、遠(yuǎn)程通話和視頻監(jiān)控裝置，但是這些裝置自成一體，相互獨立，不能相互關(guān)聯(lián)。如果能夠?qū)⑦@些分立的裝置進(jìn)行整合，信息綜合，實現(xiàn)系統(tǒng)集成，將大大提高其有效性，為城市軌道交通地下安全檢測提供保障。

2　地下安全檢測系統(tǒng)設(shè)計

本城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)設(shè)計將以軟件分層結(jié)構(gòu)完成分立裝置系統(tǒng)集成的總體設(shè)計。

2.1系統(tǒng)設(shè)計要求

本城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)設(shè)計主要實現(xiàn)集控站、信息中心和應(yīng)急指揮對軌道交通地下安全檢測范圍內(nèi)的消防管理、防水管理、防盜報警、遠(yuǎn)程通話和視頻監(jiān)控裝置的系統(tǒng)集成，以完成集控站、信息中心和應(yīng)急指揮能在一個平臺上集中管理，能用 WEB 方式對各類報警、語音、視頻等信息進(jìn)行調(diào)閱、查詢和調(diào)度，能用通用中間件方式與上級管理系統(tǒng)實現(xiàn)安保與應(yīng)急等信息的雙向通信。

2.2系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)和原理

本城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)設(shè)計在結(jié)構(gòu)上是以監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和計算機網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用IT軟件作為管理平臺，分層次劃分，底層連接各個檢測裝置，自下而上通過通信服務(wù)，支撐中間層，最終到上層，便于上級管理。具體3層結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)模型

其原理是，通過底層，即硬件抽象層，為不同的硬件設(shè)備或檢測裝置提供統(tǒng)一的接口和標(biāo)準(zhǔn)，以便系統(tǒng)管理、配置和檢索所有的硬件設(shè)備或檢測裝置；通過中間層，即基礎(chǔ)服務(wù)層，借助地理信息系統(tǒng) GPS 可視化圖形界面，以視頻監(jiān)控為核心，連接各個分立裝置建立消防管理、防水管理、防盜報警、遠(yuǎn)程通話和視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)，完成統(tǒng)一的信息匹配；通過上層，即應(yīng)用業(yè)務(wù)層，面向事件的集控站、信息中心和應(yīng)急指揮，實現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)共享和操作，完成決策建議和分析。

3　地下安全檢測系統(tǒng)集成

隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，采用開放式接口協(xié)議，將城市軌道交通地下安全檢測的消防管理、防水管理、防盜報警、遠(yuǎn)程通話和視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)，按照我國城市軌道交通技術(shù)規(guī)定，組網(wǎng)后經(jīng)軟硬件數(shù)據(jù)交換，連接到集控站、信息中心和應(yīng)急指揮等終端。其系統(tǒng)集成軟硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)集成軟硬件結(jié)構(gòu)

3.1消防管理子系統(tǒng)集成

現(xiàn)有城市軌道交通中的消防管理是一個獨立的安防報警信號與通信系統(tǒng)，采用串行和區(qū)域網(wǎng)覆蓋。按照城市軌道交通消防管理國家標(biāo)準(zhǔn)，為不破壞其專用消防管理通道，其子系統(tǒng)集成主要通過標(biāo)準(zhǔn)的232/485和控制器局域網(wǎng) CAN（Controller Area Network）總線轉(zhuǎn)換因特網(wǎng) IP（Internet Protocol）方式完成第三方通信，因此，通過聯(lián)網(wǎng)消防管理主機和 IP 聯(lián)網(wǎng)模塊完成消防設(shè)備的全覆蓋。集成后的安全檢測系統(tǒng)不僅實現(xiàn)聲光電傳感、報警的聯(lián)動，而且實現(xiàn)報警定位和可視化的電子地圖關(guān)聯(lián)，完成圖像跟蹤、報警處理和記錄存儲等。

3.2防水管理子系統(tǒng)集成

在城市軌道交通中，現(xiàn)有的防水管理主要是通過布控關(guān)鍵點的水壓頭等傳感信號、監(jiān)控主機和人工定期巡查方式完成報表。為保證通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，此處建立防水管理子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），將各個分散的水壓頭、水壓傳感器、人工警示開關(guān)等防水設(shè)備和主機通過標(biāo)準(zhǔn)的串行422/485和 CAN 總線聯(lián)網(wǎng)，再通過 IP 聯(lián)網(wǎng)集成安全檢測系統(tǒng)聯(lián)動的防水管理子系統(tǒng)。這樣將離散的人工定期巡查方式改造為在線的人工警示開關(guān)和人工安全等級按鈕，實現(xiàn)實時監(jiān)控和人工定期巡查方式聯(lián)動，主機、服務(wù)器通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)完成檢測、監(jiān)控、定位和管理。

3.3防盜報警子系統(tǒng)集成

目前，城市軌道交通中的重要外圍設(shè)備主要包括電導(dǎo)線、周界電網(wǎng)和控制器及聲光報警器等，通過開關(guān)量信號連接報警主機，完成防盜報警任務(wù)。此處增設(shè) IP 聯(lián)網(wǎng)模塊連接各個防盜報警設(shè)備，主機則采用 IP2000或其他通信模塊與以太網(wǎng)相連，同時與上級安全檢測系統(tǒng)采用用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議 UDP（User Datagram Protocol）通信，以增強系統(tǒng)的通信速度。聯(lián)網(wǎng)集成后的防盜報警子系統(tǒng)能實現(xiàn)區(qū)域劃分、網(wǎng)絡(luò)防控、電子地圖定位和報警記錄等。

3.4遠(yuǎn)程通話子系統(tǒng)集成

城市軌道交通中的遠(yuǎn)程通話來源于鐵路和地鐵的喊話系統(tǒng)，現(xiàn)在則采用公共交換電話網(wǎng)絡(luò) PSTN（Public Switched Telephone Network）和干線網(wǎng)絡(luò) TN（TrunkNetwork）完成雙向語音通話。根據(jù)城市軌道交通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范的要求，安全檢測系統(tǒng)僅需要將遠(yuǎn)程通話設(shè)備通過雙向語音交換站和數(shù)據(jù)交換的信息網(wǎng)連接，并與上級安全檢測系統(tǒng)統(tǒng)一，即可完成遠(yuǎn)程通話子系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)集成，實現(xiàn)遠(yuǎn)程通話子系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮、調(diào)度、控制和管理，逐步向雙向語音圖像通信升級。

3.5視頻監(jiān)控子系統(tǒng)集成

當(dāng)前城市軌道交通數(shù)字化視頻監(jiān)控是安全檢測的主要發(fā)展方向，主要采用攝像頭、電荷耦合元件 CCD （Charge Coupled Device）、云臺、錄像機、控制器和主機及流媒體服務(wù)器，將視頻信號連接到計算機局域網(wǎng)絡(luò)，通過 IP 分配地址，由代理服務(wù)模塊和軟件開發(fā)工具 SDK（Software Development Kit），完成視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)城市軌道交通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，安全檢測系統(tǒng)在軟硬件技術(shù)方面不僅需要具備完善的功能，更主要的是需要完成圖像處理功能，因此其子系統(tǒng)集成通過ActiveX 軟件系統(tǒng)控件連接上級安全檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)實時管理。

4　地下安全檢測系統(tǒng)功能及特點

4.1系統(tǒng)功能

根據(jù)城市軌道交通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范的要求，城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)集成后需要具備以下完善的功能。

（1）用戶管理。具備集中統(tǒng)一的用戶管理功能，包括注冊管理和權(quán)限管理。應(yīng)根據(jù)注冊用戶的權(quán)限，開放不同的功能。使用權(quán)限級別至少具有系統(tǒng)管理級、運營操作級和瀏覽級?？刂萍墑e手動應(yīng)高于自動。

（2）文件報表。具備文件和報表管理、生成和打印功能。系統(tǒng)報表應(yīng)有報警報表、時間報表、數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表、各種日志報表等。被授權(quán)的用戶方可定制報表及其格式。

（3）操作記錄。具備對各類操作記錄、事件、報警、日志、歷史數(shù)據(jù)和文件進(jìn)行記錄、保存和歸檔功能。

（4）數(shù)據(jù)管理。具備歷史數(shù)據(jù)管理功能，并能對歷史數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行處理、分析、統(tǒng)計和存檔。

（5）配置組態(tài)。具備應(yīng)用配置組態(tài)功能。配置組態(tài)工具能實現(xiàn)用戶所需功能，且組態(tài)可在在線、離線進(jìn)行。

（6）網(wǎng)絡(luò)管理。具備網(wǎng)絡(luò)和通信管理功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理、配置管理、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、故障報告、性能管理、安全管理、事件記錄、參數(shù)調(diào)整、創(chuàng)建、編輯和刪除數(shù)據(jù)庫等操作。

（7）維護(hù)管理。具備檢測系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)管理功能，實現(xiàn)檢測設(shè)備運行監(jiān)控和維修、維護(hù)工作的管理。

（8）培訓(xùn)管理。具備培訓(xùn)管理系統(tǒng)功能，實現(xiàn)系統(tǒng)運行管理、操作、日常維護(hù)、故障排除等業(yè)務(wù)的培訓(xùn)。培訓(xùn)管理系統(tǒng)可以在線和離線運行，且具有相同的人機界面及其功能。

（9）備份恢復(fù)。具備系統(tǒng)備份和恢復(fù)功能。

4.2技術(shù)特點

城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)的設(shè)計思想是以計算機網(wǎng)絡(luò)和電子信息為核心，構(gòu)成實時檢測和監(jiān)控，具有如下技術(shù)特點。

（1）網(wǎng)絡(luò)化。在一個城市，一般都存在多條軌道交通線路，這就要求把不同的線路資源進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化處理。從單線路的安全檢測系統(tǒng)向路網(wǎng)級安全檢測系統(tǒng)發(fā)展，是網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的必然趨勢。對于城市軌道交通地下安全檢測，可以采用線路、車站、車輛為層次單元，組成相對完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時具備強大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠更好地滿足和適應(yīng)軌道交通網(wǎng)絡(luò)在不同層面上的需求。

（2）模塊化。由于嵌入式器件的整體功能和計算機軟硬件技術(shù)越來越強大，城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)各個裝置、設(shè)備的模塊化設(shè)計、組裝、調(diào)試和維護(hù)技術(shù)已經(jīng)非常完善，技術(shù)人員通過專業(yè)學(xué)習(xí)可以快速掌握和應(yīng)用。在城市軌道交通地下安全檢測現(xiàn)場應(yīng)用中，各級子系統(tǒng)大量采用嵌入式系統(tǒng)、數(shù)字交換和計算機網(wǎng)絡(luò)通信完成模塊化功能的實現(xiàn)。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化。城市軌道交通地下安全檢測進(jìn)一步的發(fā)展，必然是高度標(biāo)準(zhǔn)化。對于日益復(fù)雜的城市軌道交通，從橫向上考慮，隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的擴大和發(fā)展，各個子系統(tǒng)數(shù)量不斷增加，遍布所有城市軌道交通；從縱向上考慮，各子系統(tǒng)都有向下層深入的趨勢。各種設(shè)備種類復(fù)雜繁多，因此通過標(biāo)準(zhǔn)化，多子系統(tǒng)構(gòu)成的安全檢測系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)車站級集成，還能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場級集成，甚至直接到各檢測傳感器上。

5　結(jié)束語

建設(shè)準(zhǔn)確實時高效的城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)有助于節(jié)約資源，促進(jìn)生態(tài)文明發(fā)展。城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)集成技術(shù)反映了城市軌道交通信號、系統(tǒng)和集成的特性。本文在分析城市軌道交通地下安全檢測現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，建立了網(wǎng)絡(luò)化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的城市軌道交通地下安全檢測系統(tǒng)集成模型，詳細(xì)研究了其安全檢測系統(tǒng)集成的設(shè)計思想、基本原理、功能實現(xiàn)和技術(shù)特點，對進(jìn)一步技術(shù)開發(fā)和系統(tǒng)優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

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責(zé)任編輯 朱開明

Study on Integration Technology of Underground Safety Inspection System for Transit

Tian Yudong, Wang Guangxun, Gao Jianhong

Abstract:The urban rail transit underground safety inspection is an important study trend in the urban transit safety engineering fi eld, and it is a tough problem. To solve the problem, the paper makes an analysis on the present situation of the urban rail transit underground safety inspection in China, puts forward the overall design of urban rail transit safety inspection and system integration, and analyzes the system integration and technical characteristics.

Keywords:urban rail transit, underground engineering, safety inspection system, integration technology

中圖分類號：U239.5

基金項目：建設(shè)部2013年科學(xué)技術(shù)項目計劃（2013K534）

收稿日期2015-07-24