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基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2023-11-14 08:54:48李孟榮
關(guān)鍵詞:偏差聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定性

李孟榮

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600)

由于地鐵結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土隧道結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中容易發(fā)生較大變形,在不均勻變形情況下,極易導(dǎo)致應(yīng)力集中,使結(jié)構(gòu)變脆弱。因此,要對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè),及時(shí)掌握隧道結(jié)構(gòu)變形實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),以保障地鐵運(yùn)營(yíng)安全。軌道交通對(duì)保證整個(gè)社會(huì)正常運(yùn)行起到不可替代的作用[1]。而地鐵隧道施工是地鐵建設(shè)的中心環(huán)節(jié),加強(qiáng)隧道施工是保障地鐵運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時(shí),利用自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)不僅可以快速地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)問(wèn)題,還可以實(shí)時(shí)掌握隧道的變形[2]。因此,提高地鐵隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)水平并對(duì)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化,已成為城市進(jìn)入現(xiàn)代化進(jìn)程的重要標(biāo)志。由于地鐵施工運(yùn)營(yíng)期無(wú)法采用人工監(jiān)測(cè)手段,因此需要一種全自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè),從而降低監(jiān)測(cè)工作與地鐵施工運(yùn)營(yíng)、維護(hù)工作的相互影響。為全面落實(shí)這項(xiàng)工作,該文將在這次研究中引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),以某地鐵隧道結(jié)構(gòu)為例,開發(fā)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)這次開發(fā),對(duì)地鐵隧道工程進(jìn)行建設(shè)工程全面優(yōu)化。

1 硬件設(shè)備選型

為滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)需求,選用Chainway 型號(hào)的數(shù)據(jù)采集器作為地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)主要設(shè)備[3]。Chainway 型號(hào)的數(shù)據(jù)采集器可以將條碼掃描裝置與數(shù)據(jù)終端一體化,同時(shí)帶有電池,可離線操作終端電腦設(shè)備,具備實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)存儲(chǔ)、即時(shí)顯示、即時(shí)反饋、自動(dòng)處理以及自動(dòng)傳輸功能。為地鐵隧道現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性、實(shí)時(shí)性、可用性提供保證。同時(shí),Chainway型號(hào)的數(shù)據(jù)采集器的優(yōu)點(diǎn)是具有一體性、機(jī)動(dòng)性,其體積小、質(zhì)量輕、性能高且可以手持,同時(shí),該數(shù)據(jù)采集器具有Wi-Fi、GPRS 以及藍(lán)牙等移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸功能,可以很方便地移動(dòng)或者室外作業(yè)。設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)采集器技術(shù)參數(shù)

對(duì)數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行選型后,根據(jù)設(shè)計(jì)需求,選用SR630 V3 雙機(jī)熱備服務(wù)器作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用服務(wù)器,SR630 V3 雙機(jī)熱備服務(wù)器針對(duì)的是伺服器的故障。伺服器的故障可能由各種原因引起,例如設(shè)備發(fā)生故障、軟體系統(tǒng)故障以及作業(yè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障等。在技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)操作情況下,恢復(fù)伺服器時(shí)間不確定,可能須10min、幾小時(shí)甚至幾天?;谝酝膶?shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié),即使簡(jiǎn)單地重啟伺服器(可能隱患仍然存在),也需要幾個(gè)小時(shí)。技術(shù)人員不在現(xiàn)場(chǎng),恢復(fù)服務(wù)的時(shí)間待定。如果重要系統(tǒng)中斷,就需要利用SR630 V3 雙機(jī)熱備服務(wù)器來(lái)避免長(zhǎng)時(shí)間服務(wù)中斷,保證系統(tǒng)長(zhǎng)期采集觀測(cè)地鐵隧道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

該服務(wù)器是文件管理、數(shù)據(jù)錄入與存儲(chǔ)的核心控制設(shè)備,可通過(guò)與單片機(jī)間建立連接,讀取U 盤、SD 卡中數(shù)據(jù)與文件,也可以與USB 接口設(shè)備或數(shù)據(jù)接口建立連接后,進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的通信與傳輸。按照上述內(nèi)容,完成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中硬件設(shè)備選型[4]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵隧道結(jié)構(gòu)觀測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理

在硬件設(shè)備的支撐下引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),采集地鐵隧道結(jié)構(gòu)觀測(cè)數(shù)據(jù)[5]。在該過(guò)程中,按照規(guī)范,數(shù)據(jù)采集器將其部署在地鐵隧道結(jié)構(gòu)的不同位置,如直接采集數(shù)據(jù),此時(shí)的采樣信號(hào)是RS485信號(hào),為確保采樣信號(hào)能夠被解析,按照公式(1)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。

式中:S為轉(zhuǎn)換后的地鐵隧道結(jié)構(gòu)采樣信號(hào);G為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換物聯(lián)網(wǎng)傳輸接口;s為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式;Pt為在t時(shí)刻下采集的RS485 信號(hào)。

按照公式(1)將RS485 信號(hào)轉(zhuǎn)換為RJ45 信號(hào)[6]。在該基礎(chǔ)上,采樣的信號(hào)通過(guò)測(cè)站傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端,實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵隧道結(jié)構(gòu)觀測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理。

3 建立地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)

采用有限差分?jǐn)?shù)值分析方法對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化管理,對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理后,對(duì)采樣的數(shù)據(jù)與信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一處理,處理過(guò)程如公式(2)所示[7]。

式中:Z為歸一化處理后的監(jiān)測(cè)信號(hào)與數(shù)據(jù);j為無(wú)量綱表達(dá)方式;ω為數(shù)據(jù)或信號(hào)映射區(qū)間;L為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。按照上述方式,完成采樣信號(hào)的歸一處理后,引進(jìn)MySQL 建立地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)可參照表2 設(shè)計(jì)[8]。

表2 地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

按照表2 所示的內(nèi)容,構(gòu)建地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性預(yù)警

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上,進(jìn)行地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸,在該過(guò)程中應(yīng)明確該文開發(fā)的系統(tǒng)屬于Web 架構(gòu),在開發(fā)Web 相關(guān)應(yīng)用的過(guò)程中,減少了多余工作量。Web 框架主要用于地鐵結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地鐵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性預(yù)警以及動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)開發(fā),動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)主要是指現(xiàn)在的主要的頁(yè)面,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互,完善業(yè)務(wù)功能。在使用Web 框架開發(fā)Web 的過(guò)程中,對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)安全校驗(yàn)等方面,不需要手動(dòng)重新實(shí)現(xiàn),而是將業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)的代碼寫入框架即可。也就是說(shuō),將軟件程序本體部署到云服務(wù)器終端上,用戶可以通過(guò)瀏覽器,對(duì)部署在云服務(wù)器上的軟件提出請(qǐng)求,完成對(duì)瀏覽器請(qǐng)求的處理后,將信息返回給瀏覽器。為滿足監(jiān)測(cè)信息的傳輸需求,使用JavaScript,編譯界面顯示內(nèi)容,完成瀏覽器傳回請(qǐng)求信息處理工作[9]。但考慮到系統(tǒng)中上述2 組程序?qū)儆诓煌悇e的程序,因此,在開發(fā)過(guò)程中,需要建立與程序間的關(guān)聯(lián)框架,保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上,進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的預(yù)警設(shè)計(jì),根據(jù)監(jiān)測(cè)基站中的觀測(cè)數(shù)據(jù)與資料,使用交會(huì)方式,計(jì)算工作基點(diǎn)坐標(biāo)的近似值。假設(shè)控制網(wǎng)中的基準(zhǔn)點(diǎn)保持穩(wěn)定不變的狀態(tài),采集三維平差數(shù)據(jù),獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維參量。同時(shí),引進(jìn)Helmert 方差估算公式,計(jì)算觀測(cè)值單位權(quán)中誤差,通過(guò)該方式,校正與統(tǒng)計(jì)前段反饋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。該過(guò)程如公式(3)所示。

式中:T為補(bǔ)償后的地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);i、k、q為不同監(jiān)測(cè)點(diǎn);v為改正數(shù);m01、m02、m03為3 次監(jiān)測(cè)數(shù)值的補(bǔ)償系數(shù)。

設(shè)定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或變形預(yù)警值,當(dāng)出現(xiàn)補(bǔ)償后的地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)T≥預(yù)警值的情況時(shí),觸發(fā)終端預(yù)警。按照上述方式,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性預(yù)警,完成基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)。

5 對(duì)比試驗(yàn)

該文從硬件、軟件2 個(gè)方面,引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),完成系統(tǒng)開發(fā),為檢測(cè)該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的效果,以某地鐵隧道工程項(xiàng)目為例,采用對(duì)比試驗(yàn)的方式進(jìn)行研究。根據(jù)地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)與運(yùn)營(yíng)管理需求,選擇1 個(gè)工作基點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn),搭建穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)網(wǎng),相關(guān)內(nèi)容如圖1所示。

圖1 變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上,為確保監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)具有較高的適配度,完成相關(guān)工作后,進(jìn)行監(jiān)測(cè)終端配置,相關(guān)內(nèi)容見表3。

表3 地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)終端配置

完成上述配置后,使用該文開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè),在監(jiān)測(cè)過(guò)程中,先按照規(guī)范配置系統(tǒng)硬件設(shè)備,在硬件的支撐下,引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng),采集地鐵隧道結(jié)構(gòu)的觀測(cè)數(shù)據(jù),按照規(guī)范處理采集的數(shù)據(jù)。完成上述設(shè)計(jì)后,建立監(jiān)測(cè)中的結(jié)構(gòu)觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的預(yù)警,將該系統(tǒng)應(yīng)用于測(cè)試環(huán)境中。

為滿足試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比需求,引進(jìn)基于合成孔徑雷達(dá)干涉的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于GNSS 的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),將其作為傳統(tǒng)系統(tǒng)1 與傳統(tǒng)系統(tǒng)2。使用該文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng),進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè),將3 個(gè)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)的有效采樣數(shù)據(jù)量作為檢驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用效果的關(guān)鍵指標(biāo),統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 單位時(shí)間內(nèi)3 個(gè)系統(tǒng)的采樣有效數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)

從表4 的數(shù)據(jù)可以得出,在3 個(gè)系統(tǒng)中,傳統(tǒng)系統(tǒng)1 基于合成孔徑雷達(dá)干涉的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)比傳統(tǒng)系統(tǒng)2 基于GNSS 的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效采樣數(shù)據(jù)多數(shù)倍,而該文系統(tǒng)大概比傳統(tǒng)系統(tǒng)1 的有效采樣數(shù)據(jù)多2 倍,只有該文系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)的有效采樣數(shù)據(jù)最多,而傳統(tǒng)系統(tǒng)1 與傳統(tǒng)系統(tǒng)2 在單位時(shí)間內(nèi)的有效采樣數(shù)據(jù)條數(shù)相對(duì)較少,由此可以證明,與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比,該文系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)中的采樣能力更佳。

完成上述測(cè)試后,將監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示在地鐵軌道三維顯示面板上,對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),統(tǒng)計(jì)3 個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果偏差。相關(guān)內(nèi)容見表5。

表5 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果偏差

表5 中,“+”為正向偏差,“-”為反向偏差。

從表5 的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在3 個(gè)系統(tǒng)中,該文系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果偏差正向偏差最高在+0.2mm,反向最低偏差在-0.1mm;傳統(tǒng)系統(tǒng)1 檢測(cè)結(jié)果偏差正向偏差最高在+2.3mm,反向最低偏差在-1.6mm;傳統(tǒng)系統(tǒng)2 檢測(cè)結(jié)果偏差正向偏差最高在+2.3mm,反向最低偏差在-2.1mm;整體對(duì)比后只有該文系統(tǒng)可以將穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)結(jié)果偏差控制在±0.2mm,而傳統(tǒng)系統(tǒng)1 與傳統(tǒng)系統(tǒng)2 的監(jiān)測(cè)結(jié)果偏差較大,穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)結(jié)果偏差平均±2.0mm。因此,在完成上述試驗(yàn)后,得到以下結(jié)論:由于地鐵隧道的構(gòu)造內(nèi)部錯(cuò)綜復(fù)雜,在施工過(guò)程中容易受到人為或自然因素的影響,無(wú)法控制結(jié)構(gòu)變形,從而發(fā)生地鐵事故。為解決地鐵事故方面的問(wèn)題,基于此,引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比,該文開發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用效果較好,按照規(guī)范進(jìn)行地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè),可以在提高單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)有效采樣數(shù)據(jù)量的基礎(chǔ)上,控制監(jiān)測(cè)結(jié)果偏差。采用該方式保障地鐵隧道運(yùn)營(yíng)安全。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著地鐵工程建設(shè)里程增長(zhǎng),從北京第一條地鐵運(yùn)營(yíng)線路開通至今,我國(guó)地鐵建設(shè)已有30 多年的歷史,地鐵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是保障其安全運(yùn)行的重要因素?,F(xiàn)階段,我國(guó)已經(jīng)成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體,國(guó)家經(jīng)濟(jì)依然在飛速發(fā)展,地鐵的安全性、穩(wěn)定性和可靠性成為鐵路運(yùn)營(yíng)管理單位的關(guān)注重點(diǎn)。由于地鐵隧道的構(gòu)造較為復(fù)雜,因此在施工過(guò)程中極易受到人為或自然因素的影響而出現(xiàn)不可控的變形,從而導(dǎo)致交通事故發(fā)生。為解決這方面問(wèn)題,該文引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),以某地鐵隧道結(jié)構(gòu)為例,通過(guò)地鐵隧道結(jié)構(gòu)觀測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理、建立地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性預(yù)警,完成穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)。完成設(shè)計(jì)后,通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)證明了該文開發(fā)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用效果良好,該系統(tǒng)可以在提高單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)有效采樣數(shù)據(jù)量的基礎(chǔ)上,控制監(jiān)測(cè)結(jié)果偏差。

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