一种地铁安全远端自动化监测及分析系统和方法与流程

本发明属于隧道施工安全监控、预警领域，更具体地，涉及一种地铁安全远端自动化监测及分析系统和方法。

背景技术：

随着城镇化率以及机动车保有量迅猛增加，为了缓解由此带来的地上交通拥堵问题，轨道交通地下结构作为一种速度快、运量大的公共交通系统，为缓解大城市地上交通拥堵、运载能力不足等问题提供了有效的解决手段。

但是，城市轨道交通的高速发展也伴随着安全隐患。由于地质条件、列车运营、地面建筑物施工、地铁隧道结构自身负荷、施工水平等因素，轨道交通地下结构在全寿命运营周期内将会发生沉降、变形、裂缝、渗漏水等病害。这些病害不仅会影响城市轨道地下交通作为快速安全通道的使用功能，而且如果这些病害不能及时被发现、并采取相应的维修措施，将有可能出现隧道主体结构失稳、严重开裂甚至严重坍塌等重大事故，最终威胁公众的生命财产安全。

为了确保轨道交通地下结构在运营期的安全与稳定，及时掌握地下隧道结构状况，必须对其进行安全监测，但是传统的人工监测手段不仅效率低、人工费高、工序复杂，而且监测只能在列车停运之后进行，不能对其运营状态进行实时的监测。

因此，亟需一种可以实现地铁隧道结构状况安全远端自动化监测功能及三维激光扫描监测数据分析功能的方法及系统。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种地铁安全远端自动化监测及分析系统和方法，其目的在于，将三维激光扫描方法与传统的布点式监测方法相结合，由此解决地铁隧道结构运营阶段监测的传统人工监测手段效率低、人工费高、工序复杂，不能对其运营状态进行实时的监测的技术问题。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种地铁安全远端自动化监测及分析系统，包括：全站仪、棱镜、现场服务器、倾角传感器、自动采集箱、中心数据库、三维激光扫描仪、处理器以及隧道结构提取程序模块；

所述全站仪用于监测地铁隧道的沉降数据；

所述棱镜用于布设在地铁隧道的监测区间内，以将监测区间内的监测断面上布设的测点反射至全站仪；

所述现场服务器用于对全站仪的检测数据进行格式转换及存储，以及将格式转换后的数据传输至远端的中心数据库；

所述倾角传感器用于采集监测断面的倾角数据；

所述自动采集箱用于接收采集到的倾角数据并传输至远端的中心数据库；

所述三维激光扫描仪用于扫描获取地铁隧道及轨道的三维点云数据，所述隧道结构提取程序模块用于在被所述处理器调用时，基于最小二乘的断面拟合法从三维点云数据中获取地铁隧道结构的断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况。

进一步地，所述三维激光扫描仪包括隧道扫描单元、平板控制单元、标靶球定位单元以及轨道断面扫描单元；

所述隧道扫描单元与所述轨道断面扫描单元分别用于对隧道及轨道进行三维扫描；

所述标靶球定位单元用于点云数据的检校与配准；

平板控制单元为操作控制面板，用于控制所述三维激光扫描仪的工作。

为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种地铁安全远端自动化监测及分析方法，包括如下步骤：

步骤1：架设如权利要求1所述的一种地铁安全远端自动化监测及分析系统；

步骤2：通过本地数据库从倾角传感器的原始监测数据中提取监测时间、监测传感器编号以及倾角监测数据，并存储于本地数据库中，以备调用；

通过三维激光扫描仪扫描获取隧道及轨道的三维点云数据，并传输至远端的中心数据库；

步骤3：远端的处理器从中心数据库调取三维点云数据，建立地铁隧道与轨道的三维模型，基于最小二乘的断面拟合法从三维点云数据中获取地铁隧道结构的断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况，并输出至可视化平台进行显示。

进一步地，所述步骤1中的具体布设方法如下：

将全站仪紧固于隧道管片壁上并与现场服务器连接，将全站仪的监测基准点选择在监测区段两端沉降较为稳定的风井处；

在整个监测区间设置多个沉降监测断面，分别在各个沉降监测断面的内拱顶、两拱腰、道床两侧布设测点，并在整个沉降监测区间布设多个棱镜，以将各测点反射至全站仪；

将倾角传感器布置在监测断面处，并与自动采集箱连接；

在地铁远端设置中心数据库，并与全站仪和自动采集箱建立无线连接。

进一步地，所述步骤2中，现场服务器依据原始监测数据中每部分监测信息的字节顺序与字节大小进行索引，将监测时间、监测传感器编号以及倾角监测数据进行提取，然后传输至远端的中心数据库中，从而实现数据的解析。

进一步地，步骤3包括如下子步骤：

3.1：远端的处理器从中心数据库调取三维点云数据，根据待分析数据保留有效点、删除无效点，从而进行点云去噪，建立地铁隧道与轨道的三维模型，然后截取出断面切片点云；所述待分析数据包括断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况；

3.2：导出去噪后的断面切片点云坐标信息，从而拟合管片的断面曲线：设管片断面曲线的一般方程为椭圆曲线的一般方程，即式(1)：

ax²+bxy+cy²+dx+ey+f＝0(1)

将式(1)的a、b、c、d、e、f分别初始化为a0、b0、c0、d0、e0、f0，得到初始化参数矩阵p0＝[a0b0c0d0e0f0]，从而将式(1)初始化；然后将各个断面切片的点云坐标分别代入初始化后的式(1)进行拟合，得到各个断面切片的断面曲线；

3.4：基于各个断面切片的断面曲线计算地铁隧道结构的断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况，并输出至可视化平台进行显示。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明利用三维激光扫描技术对地铁隧道进行三维全景监测弥补了基于全自动全站仪及倾角传感器“布点式”的传统监测方法无法全面获取结构整体的变形情况，得到了监测区段的三维点云数据，通过基于最小二乘的断面拟合等方法从海量的点云数据中获取了地铁隧道结构的断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况，很好地解决了传统的人工监测手段效率低、人工费高、工序复杂的问题。

2、本发明通过在地铁隧道布设相应传感器，以网络传输技术、信息采集技术、数据处理技术以及计算机技术等为基础，实现对地铁隧道结构状况进行自动的、实时的、长期的安全监测，以此掌握其结构性能的变化，对提高轨道交通地下结构的运营效率，保障人民生命财产安全具有极其重要的意义。

附图说明

图1为本发明优选实施例的地铁安全远端自动化监测及分析系统的框架流程综合示意图。

图2为本发明优选实施例的全站仪监测数据传输示意图。

图3为本发明优选实施例的倾角监测数据传输示意图。

图4为本发明优选实施例的三维激光扫描仪全景监测流程图。

图5为本发明优选实施例的倾角传感器原始监测数据编码示意图。

图6为本发明优选实施例的bim可视化三维模型的集成实现流程图。

图7为本发明优选实施例的点云数据的解析实现流程图。

图8为本发明优选实施例的java与matlab间调用与数据交互实现流程图；

图9为利用本发明优选实施例的系统监测得到的监测区间内各断面最大变形值；

图10为利用本发明优选实施例的系统监测得到的净空收敛变化曲线；

图11为利用本发明优选实施例的系统监测得到的监测区间内管片间错台值；

图12为利用本发明优选实施例的系统监测得到的与标准轨距差值曲线图；

图13本发明优选实施例的测点位置布设图，其中，1-轨面线，2-棱镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明优选实施例的地铁安全远端自动化监测及分析系统的框架流程综合示意图，本实施例中，该系统主要包括徕卡tm50全自动全站仪、棱镜2、配置有geocom软件的现场服务器、公用4g无线网络、jmqj-7330x型倾角传感器、zigbee自动采集箱、dtu无线模块、rs232通讯电缆、gprs公用无线网络、徕卡sitrack:one型移动式三维激光扫描仪。

所述的徕卡tm50全自动全站仪安置在稳固的铁质监测台上，铁质监测台通过在隧道管片壁上打入膨胀螺栓并充填结构胶的方式与隧道结构进行紧固。监测基准点选择在监测区段两端沉降较为稳定的风井处，其特征在于监测数据量小，间断采集沉降数据。

所述的棱镜是指在整个监测区间设置沉降监测断面，断面间距约为20m，设置多个监测断面，分别在监测断面内拱顶、两拱腰、道床两侧等5个位置布设测点，测点位置如图13，整个监测区间共布设多个棱镜，与全站仪配合使用。

所述的配置有geocom软件的现场服务器与全站仪进行有线连接，全站仪监测得到的数据将首先进入现场服务器的geocom软件中进行相应处理，处理后的结果将存储至现场服务器的数据库中，形成具有表结构与表数据的表文件，然后现场服务器再使用公用4g无线网络将这些表文件传输至远端的中心数据库中，完成整个传输任务。

所述的jmqj-7330x型倾角传感器布置在监测断面处，倾角传感器监测到的数据由现场安装的zigbee自动采集箱和dtu无线模块进行数据的采集与传输。自动化采集箱首先对各个倾角传感器监测到的数据进行采集，之后通过rs232接口将数据与dtu无线模块相连接，数据从rs232通讯电缆传输到dtu无线模块后，将通过gprs公用无线网络传输到远端的中心数据库中，从而完成传输任务。

所述的徕卡sitrack:one型移动式三维激光扫描仪由p40激光扫描设备、平板控制设备、标靶球定位设备、轨道断面扫描设备等几个部分组成。其中徕卡激光扫描仪p40与轨道断面扫描仪分别负责对隧道及轨道进行三维扫描，设备上的标靶球负责进行点云数据的检校与配准。在测量起止点及基准点布设并测量完成后，将扫描仪放置在轨道上，推至起点处两排靶球的中间位置，保证四个靶球在扫描仪初始检校时能够同时被扫描到，扫描仪在检校后便可开始进行扫描。

图2～图4为本发明的三个主要监测仪器的监测数据传输示意图。

本发明的地铁安全远端自动化监测功能模块及三维激光扫描监测数据分析功能模块的软件开发系统，将传统的基于全自动全站仪及倾角传感器的传统监测方法和基于三维激光扫描的三维全景监测方法结合在了一起，三维激光扫描技术对地铁隧道进行三维全景监测弥补了基于全自动全站仪及倾角传感器“布点式”的传统监测方法无法全面获取结构整体的变形情况，得到了监测区段的三维点云数据，通过基于最小二乘的断面拟合等方法从海量的点云数据中获取了地铁隧道结构的断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况。

所述的地铁安全远端自动化监测功能模块主要由全站仪监测数据查看和倾角传感器监测数据查看两个子功能组成。所述的三维激光扫描监测数据分析功能模块开发了能够完成点云数据导入、解析、管理、计算与分析的三维激光扫描监测数据分析功能模块，该功能模块具备轨道变形计算、断面点云数据拟合、断面变形数据查看等三项子功能。

在进行倾角传感器原始监测数据解析前，如图5所示，需要将十六进制的数据转换为字符串形式，由于java语言中具有直接将十六进制acsii码转换为字符串的方法体integer.tohexstring()，所以可以在程序中直接使用这个方法体将监测数据进行字符串的转换，将转换后的数据进行编码，然后依据原始数据中每部分监测信息的字节顺序与字节大小进行索引，将监测时间、监测传感器编号以及监测数据进行提取后转换为java变量存入数据库中，从而实现数据的解析。

图6为本发明bim可视化三维模型的集成实现流程图，主要在于点云数据的解析和java与matlab间数据交互与调用接口的实现。由于本实施例采用的软件平台界面使用的是基于web的javascript编程语言进行开发的，而监测数据则是保存至sql数据库中，所以若要将bim可视化三维模型集成至功能模块中，实现三维可视化监测，则需要建立bim模型在javascript中的导入接口。由于基于webgl的three.js技术能够将javascript与三维渲染程序接口opengl结合在一起，实现网页的三维显示，所以本实施例通过使用three.js技术编写了javascript与bim可视化模型的导入接口。

图7为本发明点云数据的解析实现流程图，首先建立一个能够将点云数据转化为字符流的输入流对象，然后将点云数据的绝对路径放入对象，之后点云数据将会被遍历并被转化为字符流形式存入缓存中，再对缓存中字符流形式的点云数据进行字节索引，最后将索引到的点云坐标字符流进行提取后转换为java变量存入中心数据库中，从而实现点云数据的解析。经过上述处理后，可以通过javascript与bim可视化模型的导入接口，直接从中心数据库提取点云坐标，并显示为三维bim模型。

图8为本发明java与matlab间调用与数据交互实现流程图。

下面介绍本发明的监测方法：

步骤1：在目标地铁线中架设本发明的地铁安全远端自动化监测及分析系统，具体地：

将全站仪紧固于隧道管片壁上并与现场服务器连接，将全站仪的监测基准点选择在监测区段两端沉降较为稳定的风井处；

在整个监测区间设置多个沉降监测断面，分别在各个沉降监测断面的内拱顶、两拱腰、道床两侧布设测点，并在整个沉降监测区间布设多个棱镜(如图13)，以将各测点反射至全站仪；

将倾角传感器布置在监测断面处，并与自动采集箱连接；

在地铁远端设置中心数据库，并与全站仪和自动采集箱建立无线连接。

步骤2：通过本地数据库从倾角传感器的原始监测数据中提取监测时间、监测传感器编号以及倾角监测数据，并存储于本地数据库中，以备调用；

通过三维激光扫描仪扫描获取隧道及轨道的三维点云数据，并传输至远端的中心数据库；

优选地，现场服务器依据原始监测数据中每部分监测信息的字节顺序与字节大小进行索引，将监测时间、监测传感器编号以及倾角监测数据进行提取，然后传输至远端的中心数据库中，从而实现数据的解析。

步骤3：远端的处理器从中心数据库调取三维点云数据，建立地铁隧道与轨道的三维模型，基于最小二乘的断面拟合法从三维点云数据中获取地铁隧道结构的断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况，并输出至可视化平台进行显示。

优选地，步骤3包括如下子步骤：

3.1：远端的处理器从中心数据库调取三维点云数据，根据待分析数据保留有效点、删除无效点，从而进行点云去噪，建立地铁隧道与轨道的三维模型，然后截取出断面切片点云；所述待分析数据包括断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况；

3.2：导出去噪后的断面切片点云坐标信息，从而拟合管片的断面曲线：设管片断面曲线的一般方程为椭圆曲线的一般方程，即式(1)：

ax²+bxy+cy²+dx+ey+f＝0(1)

将式(1)的a、b、c、d、e、f分别初始化为a0、b0、c0、d0、e0、f0，得到初始化参数矩阵p0＝[a0b0c0d0e0f0]，从而将式(1)初始化；然后将各个断面切片的点云坐标分别代入初始化后的式(1)进行拟合，得到各个断面切片的断面曲线；

3.4：基于各个断面切片的断面曲线计算地铁隧道结构的断面变形情况、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况，并输出至可视化平台进行显示,监测区间断面变形最大值、收敛变形情况、管片错台情况以及轨距变形情况如图9～图12。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。