吳賢國， 劉鵬程， 王 雷， 陳虹宇， 張立茂

(1. 華中科技大學 土木工程與力學學院， 湖北 武漢 430074； 2. 南洋理工大學 土木工程與環(huán)境學院， 新加坡 639798)

我國滲漏水監(jiān)測技術(shù)隨著科技進步不斷提高，對滲漏水監(jiān)測技術(shù)從傳統(tǒng)的量測到現(xiàn)階段已有的電法探測、彈性波監(jiān)測、示蹤法監(jiān)測、光線光柵和分布式光纖等。這些方法包括了從物理到化學再到光學的相互結(jié)合和應用。在分析并總結(jié)運營地鐵滲漏水表現(xiàn)規(guī)律的基礎(chǔ)上，基于物聯(lián)網(wǎng)三維激光掃描技術(shù)特點與運營地鐵隧道滲漏水安全管理需要高度契合，在運營地鐵內(nèi)部布置監(jiān)測運營地鐵隧道滲漏水的物聯(lián)網(wǎng)三維激光掃描系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義和可行性[1]。

三維激光掃描技術(shù)擁有多種優(yōu)勢，包括較快的掃描速度、非常高的測量精度等多種優(yōu)勢，對運營隧道進行全方位掃描檢測滲漏水，從三維掃描的圖像特征，不僅可以檢測到漏水，還可以檢測不同水量的水流量。其中滲漏水的位置可以毫米級高精度進行確定，滲漏水水量大小也可以數(shù)量化[2]。采用三維激光掃描的物聯(lián)網(wǎng)感知層的探測，具有實時性、自動化等優(yōu)點，可以有效彌補當前運營地鐵隧道滲漏水監(jiān)測的不足。通過先進的技術(shù)、專業(yè)化的手段提高滲漏水監(jiān)測的效率，對滲漏水病害等級進行診斷結(jié)果報警，以便根據(jù)滲漏水病害等級采取防治措施，在發(fā)生滲漏水災害時及時地進行搶險救災，保護人身、財產(chǎn)安全。

盧穎[3]基于室外試驗的基礎(chǔ)上，研究得出三維激光掃描技術(shù)可以用于無資料舊橋的變形檢測，而且如果使用合適的高精度儀器以及在合理距離進行測量時，用三維激光掃描技術(shù)進行檢測也能達到傳統(tǒng)方法的精度，同時此種方法也具有多種優(yōu)點，包括方便、速度快、交互性良好、能夠?qū)崿F(xiàn)多點同時測量等優(yōu)勢。在國外，已經(jīng)有一些公司，如德國SPACETEC等公司采用了三維激光掃描技術(shù)對隧道工程進行檢測，對運營隧道進行全方位掃描檢測，具有快速、高精度等優(yōu)點，掃描結(jié)果可分析出滲漏水發(fā)生位置與面積大小。魯偉等[4]采用超聲波檢測儀對房建的滲漏情況進行檢測。黃永杰等[5]經(jīng)現(xiàn)場試驗，得出的結(jié)論是盾構(gòu)隧道滲漏水自動檢測系統(tǒng)可以精確地進行信息采集和處理，為后續(xù)安全管理提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。楊一平等[6]提出一種在全景圖像(Convolutional Naural Network, CNN)基礎(chǔ)上構(gòu)建的隧道工程風險自動識別技術(shù)，主要利用的科學方法是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，此技術(shù)方法對病害識別可靠且全面。Zou等[7]在調(diào)查重慶地區(qū)隧道滲漏水現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，綜合分析了影響隧道滲漏水的因素，確定了隧道滲漏等級標準，建立了隧道滲漏水模型指標體系。

本文研究運營地鐵隧道滲漏水病害劃分等級，采用運營地鐵隧道的機載可移動式滲漏水感知器設(shè)備通過沿隧道的長度方向移動來帶動三維掃描儀移動，對運營地鐵滲漏水進行病害檢測，將檢查得到的病害癥狀輸入監(jiān)測及診斷預警系統(tǒng)，系統(tǒng)便能根據(jù)輸入的運營地鐵滲漏水病害情況進行推斷，最后根據(jù)發(fā)出滲漏水病害的診斷結(jié)果進行預警，并給出滲漏水病害治理方案的優(yōu)化。

1 隧道滲漏水病害等級劃分

國內(nèi)外依據(jù)不同的標準對運營隧道滲漏水病害等級進行不同的劃分。在定義隧道滲水的危害等級時，來自日本的專家學者以叢書的形式詳細介紹了不同程度的災害情況，根據(jù)裂縫大小以及滲水級別將其概括為滲出、滴水、流出、噴出四大類；來自美國的專家學者則以文件的形式將災害等級歸納為輕度、中度、重度三大類。在我國的鐵路隧道養(yǎng)護工作中，所依據(jù)的對象不同，有兩種劃分方法，一種是按照滲漏水發(fā)生位置以及滲漏水表現(xiàn)形式分為點、縫、面漏與基地水害、集中涌水處；另一種分類方法是基于病害程度來進行等級劃分，各個等級分別是漏水、射水、涌水、潤濕、滲水、滴水。

表1 運營地鐵隧道滲漏水等級劃分

結(jié)合我國運營隧道滲漏水病害的實際情況、數(shù)據(jù)調(diào)查的可操作性等，同時借鑒我國鐵路隧道中滲漏水病害等級劃分的經(jīng)驗，根據(jù)滲漏水病害嚴重程度將運營地鐵隧道滲漏水病害劃分為五個等級，滲漏水狀態(tài)分別是潤濕、滲潤、滴水、漏水、射水。五個等級中滲漏水病害等級不斷加深，其中滲漏病害對應的狀態(tài)見表1。

2 基于三維激光掃描技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)方案設(shè)計

將滲漏水監(jiān)測指標通過三維激光掃描儀器為感知層中的傳感器，對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行構(gòu)建，其技術(shù)構(gòu)架的實施過程如圖1所示。感知層由三維激光掃描儀器、智能溫度傳感器、GNSS(Global Navigation Satellite System)接收機及其配套設(shè)備組成。數(shù)據(jù)傳輸層通過DSC(Distributed Source Coding)無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟硬件進行傳輸數(shù)據(jù)，建立與終端手機、電腦的連接，本傳輸系統(tǒng)采用的是CMNET(China Mobile Network)，其中硬件使用的是DSC無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的通訊模塊。應用層是結(jié)合武漢王家灣隧道工程實際監(jiān)測情況，運營隧道滲漏水監(jiān)測系統(tǒng)主要包含運營隧道信息中心、滲漏水監(jiān)測中心、滲漏水風險管理中心和應急處理措施中心。

圖1 運營隧道滲漏水物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

3 三維激光掃描技術(shù)的應用

3.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)由于其測量的精確性和圖景的高清晰性，也被叫做“高清線測量”方法，通過三維激光掃描可以快速精確獲取實物表面點信息，然后對數(shù)據(jù)進行處理可以呈現(xiàn)出實物的模擬景象。

在三維激光掃描儀中，徠卡三維激光掃描系統(tǒng)是掃描精度與速度最快的產(chǎn)品，本研究采用徠卡ScanStation C10三維激光掃描儀器對試驗監(jiān)測對象掃描。此三維激光掃描系統(tǒng)的軟硬件設(shè)施完備，含有完整的掃描儀硬件設(shè)備以及強大的Cyclone處理軟件，由于此系統(tǒng)擁有基于CAD的一個插件，故用戶可以方便地在CAD上進行信息處理。徠卡ScanStation C10三維激光掃描儀器在獲取點云數(shù)據(jù)的同時可拍照獲取運營隧道圖像，自動調(diào)整以振鏡方式或轉(zhuǎn)鏡面方式進行三維掃描，工作效率較傳統(tǒng)的掃描方式提高了10倍，節(jié)省了10%的人工及成本。

本研究選取武漢地鐵王家灣站區(qū)進行移動三維激光掃描儀器的在線監(jiān)測。在布置傳感器數(shù)量應滿足監(jiān)測項目的前提下控制成本，實現(xiàn)低能耗、高精度、大范圍及實時性掃描。

3.2 三維激光儀器掃描步驟

本研究根據(jù)運營地鐵隧道實際情況，在檢測滲漏水時采用三維彩色三點數(shù)據(jù)以便辨別出滲漏水位置與其他位置(拼接縫、電纜鋪設(shè)等位置)。

(1)原始點云數(shù)據(jù)采集

掃描儀器獲取實物的尺寸、位置信息，形成點云數(shù)據(jù)。選擇在光線較好的情況下，將標靶球安置于設(shè)計好的點位，且距離掃描儀不超過15 m。安置儀器并設(shè)置好儀器的配置文件、分辨率、質(zhì)量及掃描范圍等。本次掃描設(shè)置的分辨率為44 MPts，質(zhì)量為 1/4，掃描范圍是橫向 360°和縱向300°。每次掃描完畢后將標靶球上蓋打開，露出標靶球內(nèi)的反光標靶，將全站儀安置在能通視標靶球的控制點上測量反光標靶，記錄標靶的點位信息。

(2)線劃圖件

利用點云數(shù)據(jù)在CAD中采用Cloudworx插件獲取運營隧道的平面圖、立面圖和剖面圖等圖件，以讀取隧道尺寸、形狀、內(nèi)部設(shè)施布置位置。

1)點云拼接與坐標系歸一化。點云拼接是通過一定的約束條件將多站點掃描數(shù)據(jù)配準到統(tǒng)一坐標系中的過程，拼接完成之后將得到一個項目的完整點云。具體步驟包括新建一個 Registration，在Registration 中添加相鄰的站點數(shù)據(jù)，添加約束條件，拼接點云等，這一系列操作可以通過 Registration 菜單下的工具實現(xiàn)。

2)點云去噪與點云合并。點云去噪通過 Fence 工具和 Limit Box 工具實現(xiàn)。點云合并通過 Unify Clouds 工具或 Merge 工具實現(xiàn)。

3)點云切割與平立剖面圖繪制。利用 Cyclone 9.1 軟件的 Cutplane 切片工具分別從水平和垂直方向?qū)c云數(shù)據(jù)進行切片處理，切片厚度根據(jù)具體情況調(diào)整，以能夠直觀清晰地看到構(gòu)件的輪廓線為準。

(3)建立模型

用軟件系統(tǒng)對收集的各個點云數(shù)據(jù)信息進行模型構(gòu)建處理，形成mesh格網(wǎng)模型，模型建立成功后就可以在映射的基礎(chǔ)上將所收集到的所有施工信息建立成數(shù)字化的工程滲漏水模型。

1)靶球坐標賦予。在軟件中，新建一個項目文件，將掃描的點云數(shù)據(jù)導入該項目文件下，利用軟件的選擇工具選擇標靶球作為球體，這樣，一個球體就被創(chuàng)建。在創(chuàng)建對象中，還可以創(chuàng)建其它如平面、中心點等多種幾何圖形。創(chuàng)建兩個球體之后，選擇三維清晰視圖，將看到兩個帶顏色的球體。

2)點云處理及著色。對獲取的點云數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，并選取要去除的噪聲點，利用軟件的刪除功能快速刪除選中的噪聲點云數(shù)據(jù)。在掃描前，選擇色彩信息，可以在側(cè)邊項目欄中應用圖片，如果沒有保存，系統(tǒng)會提示保存現(xiàn)在灰度數(shù)據(jù)。保存后，系統(tǒng)將色彩信息自動與點云信息進行匹配，使每一個點都有一個RGB 信息，完成后導出數(shù)據(jù)。

3)多站數(shù)據(jù)擬合。將多站數(shù)據(jù)導入與單站數(shù)據(jù)一樣。在掃描時選擇用標靶球做為多站的接合目標球，選擇勾選“首次加載掃描”“更新對象擬合”“應用圖片”“檢測自然參考”“布置掃描”“創(chuàng)建項目點云”項后，自動處理。處理完成后，選擇菜單欄中“3D”，點圖標后，會出現(xiàn)全部掃描數(shù)據(jù)，檢查完成后再將數(shù)據(jù)導出，得到工程滲漏水模型。

(4)點云數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)布

通過Cyclone軟件中的發(fā)布模板與Tru-View軟件，將點云數(shù)據(jù)放在同一空間坐標體系中可以通過電腦界面對云數(shù)據(jù)實現(xiàn)發(fā)布、拼接、建模、紋理貼圖。

3.3 移動三維激光掃描儀在隧道中的應用

針對現(xiàn)有運營地鐵隧道滲漏水監(jiān)測技術(shù)的缺陷，本研究采用一種適用于運營地鐵隧道滲漏水的機載移動式安全檢測設(shè)備，利用三維激光掃描技術(shù)，實現(xiàn)對運營隧道滲漏水病害檢測識別，具有快速、準確對運營地鐵滲漏水病害等級診斷及滲漏水病害治理的功能。

運營地鐵隧道滲漏水病害檢測設(shè)備具有以下特點：(1)三維激光掃描儀在移動機載上運行工作，減少儀器使用的磨損、勞動力的需求量；(2)沿隧道方向布局三維激光掃描儀器推動的自動化設(shè)備，通過電力的供給提供推動三維激光掃描儀前進；(3)三維激光掃描檢測設(shè)備包括調(diào)節(jié)機構(gòu)，調(diào)節(jié)機構(gòu)用于控制驅(qū)動電機的開與關(guān)及機載移動設(shè)備的移動速度；(4)數(shù)據(jù)處理組件包括數(shù)據(jù)處理器；(5)三維激光掃描儀與徠卡數(shù)據(jù)處理軟件相連，數(shù)據(jù)處理器用于將接收到的采樣數(shù)據(jù)進行篩選處理，以發(fā)現(xiàn)臨界區(qū)域及危險點[8]。

該運營地鐵隧道的機載可移動式滲漏水感知器設(shè)備，在武漢地鐵三號線王家灣運營地鐵隧道的應用見圖2。其三維掃描儀設(shè)置在移動機構(gòu)上，移動機構(gòu)通過沿隧道的長度方向移動來帶動三維掃描儀移動，以使三維掃描儀隨著移動以掃描隧道的不同區(qū)域，提高了檢測效率；機載移動式安全檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、檢測精度高、掃描范圍全面，簡單、準確和快速對運營地鐵隧道滲漏水病害進行檢測，并可以物聯(lián)網(wǎng)相連實現(xiàn)病害的診斷，有利于推廣應用[9]。圖3為三號線王家灣地鐵隧道中三維激光掃描全貌圖。

圖2 三號線王家灣地鐵隧道中三維激光掃描應用

圖3 三號線王家灣地鐵隧道中三維激光掃描全貌

在三維激光掃描儀呈現(xiàn)的圖形中可以從截面呈現(xiàn)圖中發(fā)現(xiàn)，隧道頂部局部小區(qū)域發(fā)現(xiàn)紅色點云，點云圖中識別出1個/20 m2滲漏點，其中識別出的點有一個最大面積屬于滴水現(xiàn)象規(guī)定，通過分析該區(qū)域有少量漏水點。

綜合判定，該王家灣監(jiān)測區(qū)域診斷為滴水現(xiàn)象明顯，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)測下進一步對王家灣區(qū)域進行滲漏水病害診斷。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)三維激光掃描技術(shù)的滲漏水監(jiān)測診斷預警

本研究在滲漏水五個等級劃分的基礎(chǔ)上，在物聯(lián)網(wǎng)三維激光掃描應用層中診斷輸出端，根據(jù)滲漏水等級所造成的病害嚴重程度不同將物聯(lián)網(wǎng)三維激光掃描體系中的滲漏水預警劃分為四個等級，如表2所示，其中潤濕、滲潤情況下地鐵運營隧道保持正常的運營與維護即可；當監(jiān)測到滲漏水呈現(xiàn)滴漏狀，此時整個運營地鐵隧道滲漏水監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)三維激光掃描體系中的診斷板塊發(fā)出橙色信號，需要增加對此處的例行檢測，并準備治理滴漏的方案，防止?jié)B漏病害進一步擴大；如果監(jiān)測出運營隧道有涌流的情況，則物聯(lián)網(wǎng)三維激光掃描預警板塊發(fā)出黃色預警，此時需要維護人員立刻制定運營管理暫停措施，并及時到達現(xiàn)場排除病害，防止因積水造成運營隧道的電路網(wǎng)出現(xiàn)故障；如監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)有射水流，此時預警端口發(fā)出紅色預警，各個部門需要相互配合做好運營隧道危險的排除與人員安全疏散，同時要及時搶險，將噴射處隧道結(jié)構(gòu)進行維修與防水治理。

表2 運營地鐵隧道滲漏水監(jiān)測診斷預警

5 物聯(lián)網(wǎng)三維激光掃描監(jiān)測滲漏水診斷和知識庫系統(tǒng)

5.1 監(jiān)測滲漏水診斷系統(tǒng)

進入左側(cè)的系統(tǒng)菜單區(qū)域，選擇“專家系統(tǒng)”選項卡，點擊進入專家系統(tǒng)選項卡下的“滲漏水病害診斷”模塊，如圖4所示。在此模塊，用戶按照檢查細則對運營地鐵滲漏水進行病害檢測，將檢查得到的病害癥狀輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)便能根據(jù)輸入的運營地鐵滲漏水病害情況進行推斷，并輸出相應的滲漏水病害養(yǎng)護、維修和治理措施。

滲漏水病害診斷主界面有上下兩塊區(qū)域，上方區(qū)域供用戶輸入在實際管養(yǎng)檢查中發(fā)現(xiàn)的病害類型、病害位置、病害情況描述；下方區(qū)域為顯示用戶輸入病害情況后推理得出的病害維修措施。如圖5所示。

推理時，首先點擊滲漏水病害診斷面板中的滲漏水病害類別組合框，點擊后便會彈出常見滲漏水病害類別，在其中選擇實際檢查到的滲漏水病害類別；其次點擊病害發(fā)生位置組合框，在彈出的常見滲漏水病害發(fā)生位置中選擇實際檢查到的滲漏水病害發(fā)生位置；最后點擊滲漏水病害情況描述組合框，對滲漏水病害的具體情況進行多項選擇。滲漏水病害類別組合框和滲漏水病害發(fā)生位置組合框均為單選點擊，滲漏水病害情況描述組合框可以進行多選點擊。

圖4 專家系統(tǒng)模塊

圖5 專家系統(tǒng)滲漏水診斷模塊頁面

依次點選完三個組合框后，點擊如圖7所示的診斷按鈕，專家系統(tǒng)便根據(jù)點選的滲漏水病害情況推理得出具體的滲漏水病害治理措施，并顯示在滲漏水病害治理措施面板上，如圖6所示。表3為監(jiān)測區(qū)域診斷結(jié)果。

圖6 點擊滲漏水病害診斷得出推理結(jié)果

表3 監(jiān)測區(qū)域診斷結(jié)果

物聯(lián)網(wǎng)三維激光掃描監(jiān)測系統(tǒng)在王家灣監(jiān)測點上發(fā)出橙色診斷信號，監(jiān)控室內(nèi)值班人員需要對王家灣地鐵運營隧道調(diào)配人工巡檢，在分析隧道滴水原因的基礎(chǔ)上，根據(jù)王家灣結(jié)構(gòu)資料、施工工藝等及時做出治理滲漏水備選方案的治理方案。

5.2 隧道滲漏水治理方法知識庫

對地鐵隧道工程的滲漏水狀況進行治理是一項復雜工作，它需要綜合考慮多方面的因素，包括工程施工的復雜程度、維修保養(yǎng)成本以及工程維護的耐久性等各因素，綜合權(quán)衡考慮多方面因素才能做好滲漏水治理工作。隧道滲漏水治理方案的設(shè)計不降低原有技術(shù)標準，應考慮原結(jié)構(gòu)整體性，按照防排堵截相結(jié)合的原則，減少對結(jié)構(gòu)的損傷、保護環(huán)境、減少施工對隧道運營的影響。

該物聯(lián)網(wǎng)三維激光掃描監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)案例中的隧道、滲漏水病害預警等級以及專家經(jīng)驗的庫存輸出五種滲漏水治理方案，如表4所示。

表4 五種運營隧道滲漏水治理方法

6 結(jié) 論

(1)國內(nèi)外依據(jù)不同的標準對運營隧道滲漏水病害等級進行不同的劃分。結(jié)合我國運營隧道滲漏水病害的實際情況、數(shù)據(jù)調(diào)查的可操作性等，同時借鑒我國鐵路隧道中滲漏水病害等級劃分的經(jīng)驗，將運營地鐵隧道滲漏水病害劃分為五個等級，分別為潤濕、滲潤、滴水、漏水、射水。

(2)三維激光掃描技術(shù)擁有多種優(yōu)勢，包括較快的掃描速度、非常高的測量精度等多種優(yōu)勢，對運營隧道進行全方位掃描檢測滲漏水，從三維掃描的圖像特征，不僅可以檢測到漏水，還可以檢測不同水量的水流量。其中滲漏水的位置可以毫米級高精度進行確定，滲漏水水量大小也可以數(shù)量化。采用三維激光掃描的物聯(lián)網(wǎng)感知層的探測，具有實時性、自動化等優(yōu)點可以有效彌補當前運營地鐵隧道滲漏水監(jiān)測不足之處。

(3)建立物聯(lián)網(wǎng)三維激光掃描監(jiān)測滲漏水診斷系統(tǒng)，用戶按照檢查細則對運營地鐵滲漏水進行病害檢測，將檢查得到的病害癥狀輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)便能根據(jù)輸入的運營地鐵滲漏水病害情況進行推斷，并輸出相應的滲漏水病害養(yǎng)護、維修和治理措施。對武漢地鐵中南路、王家灣站與香港路高危險點進行物聯(lián)網(wǎng)三維激光掃描系統(tǒng)布局并重點監(jiān)測，結(jié)果與實際情況相符。