一种城市轨道交通土建设施智能实时监控系统的制作方法

本发明涉及监控领域，特别是指一种城市轨道交通土建设施智能实时监控系统。

背景技术：

近年来，随着城市轨道交通的快速发展，桥梁、隧道等土建设施数量越来越多，由于大城市高强度的行车量，大量土建设施已经达到的维修的临界点。与此对应，地铁运营公司对大量桥梁和隧道的监测还是以日常人工巡检为主，巡检成本高、智能化程度低。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种城市轨道交通土建设施智能实时监控系统，以解决现有技术所存在的人工巡检的巡检成本高、智能化程度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种城市轨道交通土建设施智能实时监控系统，包括：前端设备部件、传输部件和监控平台；其中，所述监控平台包括：监测数据采集子系统和监测与预警子系统；

前端设备部件，用于监测并采集土建设施结构响应信息及外在环境信息；

传输部件，用于利用无线传输技术，将前端设备部件采集的土建设施结构响应信息及外在环境信息传输至监测数据采集子系统；

监测数据采集子系统，用于自动获取前端设备部件采集的土建设施结构响应信息及外在环境信息，并对其进行处理将其转换为土建设施的物理量；

监测与预警子系统，用于进行预警，若转换得到的物理量大于等于预设的阈值控制值，则进行阈值控制值预警；若转换得到的物理量大于等于预设的一级阈值预警值并小于预设的阈值控制值，则进行一级阈值预警值预警，若转换得到的物理量大于等于预设的二级阈值预警值并小于预设的一级阈值预警值，则进行二级阈值预警值预警。

进一步地，所述前端设备部件包括：采集土建设施结构响应信息及外在环境信息的传感器、捕捉土建设施预设范围内的防撞架被撞击现场图片的摄像机及数据采集仪。

进一步地，所述监测数据采集子系统包括：传感器适配服务模块；

所述传感器适配服务模块采用插件适配技术，用于对不同厂家、不同型号的传感器采集的数据格式进行适配处理，得到规范的socket数据包。

进一步地，所述监测与预警子系统，还用于若转换得到的物理量大于等于预设的变化率控制值，则进行变化率控制值预警；若转换得到的物理量大于等于预设的一级变化率预警值并小于预设的变化率控制值，则进行一级变化率预警值预警，若转换得到的物理量大于等于预设的二级变化率预警值并小于预设的一级变化率预警值，则进行二级变化率预警值预警。

进一步地，变化率为平均差值，变化率的计算步骤包括：

计算每天每小时的平均值，并将其与第前30天同小时的平均值进行比较，得到变化值；

将每天24个变化值取绝对值；

将24个绝对值取平均值得到每天的变化率。

进一步地，所述监控平台还包括：

土建设施及前端设备信息维护子系统，用于配置、维护土建设施及其附属设施、前端设备部件的参数信息。

进一步地，所述监控平台还包括：

视频监控子系统，用于对土建施工工程、土建设施维修改造工程、桥隧设施隐患风险点进行视频监控，并保存、回放视频图像。

进一步地，所述监控平台还包括：

土建设施隐患风险点管控子系统，用于管控预先设置的重点部位的日常排查工作、异常情况排查工作、隐患排查工作和安全保护区排查工作；

其中，排查的隐患包括：地铁安全保护区内产生的隐患和土建设施的结构隐患。

进一步地，所述监控平台还包括：

安全质量管理子系统，用于与地铁资产管理信息系统联动，形成土建设施的实时监控、预警报警、维修处置、工后核查和统计评估的安全质量闭合管理子系统。

进一步地，所述监控平台还包括：

统计分析预测子系统，用于对获取的土建设施结构响应信息及外在环境信息和安全质量管理子系统中的安全质量管理数据进行分析、汇总，得到监测指标信息；

所述统计分析预测子系统，还用于预测土建设施监测指标的发展趋势、预测监测指标数据与目标因素之间的关系；

所述统计分析预测子系统，还用于分析土建设施监测指标的数据规律，对指标数据中的有效数据进行筛选，确定预警值设定的方法；

所述统计分析预测子系统，还用于分析土建设施监测指标的历史数据，归纳出监测指标数据的特征和规律，根据归纳出的指标数据的特征和规律，定位超出阈值数据的实时监测指标项。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过前端设备部件监测并采集土建设施结构响应信息及外在环境信息；传输部件利用无线传输技术，将前端设备部件采集的土建设施结构响应信息及外在环境信息传输至监测数据采集子系统；监测数据采集子系统自动获取前端设备部件采集的土建设施结构响应信息及外在环境信息，并对其进行处理将其转换为土建设施的物理量；若转换得到的物理量大于等于预设的阈值控制值，则监测与预警子系统进行阈值控制值预警；若转换得到的物理量大于等于预设的一级阈值预警值并小于预设的阈值控制值，则监测与预警子系统进行一级阈值预警值预警，若转换得到的物理量大于等于预设的二级阈值预警值并小于预设的一级阈值预警值，则监测与预警子系统进行二级阈值预警值预警，从而实现对土建设施结构及外在环境信息进行智能监测及预警。

附图说明

图1为本发明实施例提供的城市轨道交通土建设施智能实时监控系统的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的城市轨道交通土建设施智能实时监控系统功能示意图；

图3为本发明实施例提供的城市轨道交通土建设施智能实时监控系统架构示意图；

图4为本发明实施例提供的数据采集仪的工作原理示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的人工巡检的巡检成本高、智能化程度低的问题，提供一种城市轨道交通土建设施智能实时监控系统。

如图1所示，本发明实施例提供的城市轨道交通土建设施智能实时监控系统，包括：前端设备部件1、传输部件2和监控平台3；其中，所述监控平台3包括：监测数据采集子系统31和监测与预警子系统32；

前端设备部件1，用于监测并采集土建设施结构响应信息及外在环境信息；

传输部件2，用于利用无线传输技术，将前端设备部件1采集的土建设施结构响应信息及外在环境信息传输至监测数据采集子系统31；

监测数据采集子系统31，用于自动获取前端设备部件采集的土建设施结构响应信息及外在环境信息，并对其进行处理将其转换为土建设施的物理量；

监测与预警子系统32，用于进行预警，若转换得到的物理量大于等于预设的阈值控制值，则进行阈值控制值预警；若转换得到的物理量大于等于预设的一级阈值预警值并小于预设的阈值控制值，则进行一级阈值预警值预警，若转换得到的物理量大于等于预设的二级阈值预警值并小于预设的一级阈值预警值，则进行二级阈值预警值预警。

本发明实施例所述的城市轨道交通土建设施智能实时监控系统，通过前端设备部件监测并采集土建设施结构响应信息及外在环境信息；传输部件利用无线传输技术，将前端设备部件采集的土建设施结构响应信息及外在环境信息传输至监测数据采集子系统；监测数据采集子系统自动获取前端设备部件采集的土建设施结构响应信息及外在环境信息，并对其进行处理将其转换为土建设施的物理量；若转换得到的物理量大于等于预设的阈值控制值，则监测与预警子系统进行阈值控制值预警；若转换得到的物理量大于等于预设的一级阈值预警值并小于预设的阈值控制值，则监测与预警子系统进行一级阈值预警值预警，若转换得到的物理量大于等于预设的二级阈值预警值并小于预设的一级阈值预警值，则监测与预警子系统进行二级阈值预警值预警，从而实现对土建设施结构及外在环境信息进行智能监测及预警/报警。

本发明实施例所述的城市轨道交通土建设施智能实时监控系统是软硬件结合的系统，如表1所述：

表1城市轨道交通土建设施智能实时监控系统的软硬件组成及功能

本实施例中，前端设备部件，用于采集土建设施结构响应信息及外在环境信息，为监控平台提供数据支撑。监控平台软件子系统是开机自动运行的软件，安装于监控平台的服务器中，在后台运行，通过接收前端设备部件采集到的信息，实现对土建设施的全天候、全自动的不间断连续监控及预警。

如图2所示，所述监控平台软件子系统作为土建设施监控管理信息平台，主要包括以下9个子系统，分别是：

1)土建设施及前端设备信息维护子系统

2)监测数据采集子系统

3)监测与预警子系统

4)视频监控子系统

5)土建设施隐患风险点管控子系统

6)安全质量管理子系统

7)统计分析预测子系统

8)安全管理子系统

9)系统管理子系统

为了更好地理解本发明实施例所述的城市轨道交通土建设施智能实时监控系统，对其包括的前端设备部件、传输部件和监控平台进行详细说明：

本实施例中，前端设备部件自动采集信息，不需要人工干预。所述前端设备部件包括：采集土建设施结构响应信息及外在环境信息的传感器、捕捉土建设施现场图片的摄像机及数据采集仪。

本实施例中，所述数据采集仪，用于将传感器采集的土建设施结构响应信息及外在环境信息通过传输部件传输至监测数据采集子系统。

本实施例中，前端设备部件采集的数据主要表现为两种不同类型的数据：一是传感器采集的数据，另一种是摄像机抓拍的土建设施预设范围内的防撞架被撞击现场图片。

本实施例中，如图3和表2所示，可以利用传感器采集温度、风速、风向、雨量、桥下积水等外在环境信息，从而实现土建设施的外在环境监测；基于光纤光栅技术，可以利用压力、角度等传感器感知梁体挠度、支座倾斜度等几何状态信息，实现几何状态监测；还采用激光技术观测结构形变及表面状态，实现结构响应监测；从而形成对轨道设施纵向、横向、竖向、倾斜、变形、应力等从外观到内在的全方位监测。

表2传感器类型

本实施例中，如图4所示，传感器用于采集土建设施结构响应信息及外在环境信息并将其发送至数据采集仪，数据采集仪可以通过传输部件利用无线传输技术，将传感器采集到多源数据上传至监控平台的监测数据采集子系统，以便该子系统对接收到的数据进行过滤并建立土建设施物理量的计算公式，从而建立土建设施性能分析模型，进而对土建设施进行有效的诊断、评估及预测，并及时对异常产生预警。

本实施例中，采用多种传感器，满足多源数据需求，全自动化监测，预警及时可靠，监测方位全面，对设施状态评估准确有效，对减少维护成本及运营安全提供了可靠保障。

在前述城市轨道交通土建设施智能实时监控系统的具体实施方式中，进一步地，所述监测数据采集子系统包括：传感器适配服务模块；

所述传感器适配服务模块采用插件适配技术，用于对不同厂家、不同型号的传感器采集的数据格式进行适配处理，得到规范的socket数据包。

本实施例中，土建设施安全监控的数据采集包含多源数据，有梁体裂缝、梁体位移、墩顶位移、支座位移、声屏障变形等等。采用的传感器类型也有多种，有激光位移计、振弦式应变力、倾角计、裂缝计等等，因此传感器适配服务模块采用插件适配技术，以驱动方式，解决不同厂家、不同型号的各种传感器的数据采集格式问题。针对每种不同的类型传感器，不同型号的传感器，开发驱动，像插件一样到系统中，按照系统驱动开发规则，即可，实现扩展。考虑到对未来需要增加不同厂家外场传感器的情况，只是扩展一个设备驱动即可。

本实施例中，前端设备部件中各种传感器(例如，温度计、表面裂缝计、激光位移传感器、倾角计、应变计、风向仪等)产生的电子信号都汇集到数据采集仪处，由数据采集仪通过无线传输技术将其上传到监控平台的监测数据采集子系统。监控平台的监测数据采集子系统对接收到的信息进行解析、分拆、处理、计算等过程，输出土建设施的物理量，进行入库和曲线展现，同时由监测与预警子系统的预警数学模型进行比对，对超出阈值的进行预警处置。

本实施例中，用户通过监测与预警子系统可以查看土建设施(例如，桥梁、隧道、涵洞等)的预警信息。

本实施例中，监测与预警子系统通过建立预警数学模型对实时监测到的数据进行分析，得出预警等级等土建设施预警信息，并把土建设施预警信息存储到数据库中，以便用于日后的统计分析，并将土建设施预警信息进行展示；其中，预警数学模型采用阈值预警和变化率预警这两种方式进行预警。

本实施例中，监测与预警子系统，用于利用预警数学模型可以实现阈值预警。阈值预警控制指标分为阈值控制值、阈值预警值。若转换得到的物理量大于等于预设的阈值控制值，则进行阈值控制值预警；若转换得到的物理量大于等于预设的一级阈值预警值并小于预设的阈值控制值，则进行一级阈值预警值预警，若转换得到的物理量大于等于预设的二级阈值预警值并小于预设的一级阈值预警值，则进行二级阈值预警值预警。

所述监测与预警子系统，利用预警数学模型还可以实现土建设施的物理量变化率预警。变化率预警控制指标分为变化率控制值和变化率预警值。若转换得到的物理量大于等于预设的变化率控制值，则进行变化率控制值预警；若转换得到的物理量大于等于预设的一级变化率预警值并小于预设的变化率控制值，则进行一级变化率预警值预警，若转换得到的物理量大于等于预设的二级变化率预警值并小于预设的一级变化率预警值，则进行二级变化率预警值预警。

本实施例中，阈值控制值是设计单位给出的一个数值，用于预警，土建设施的监测值若超过阈值控制值就会存在安全风险；其中，

阈值预警及变化率预警，用于土建设施状态监控。

本实施例中，为了提高采集数据的精确度，应每年对前端采集设备的精度至少进行一次标定，使用专用检测设备对前端采集设备的误差进行校验和修订。对于激光类传感器应最少3个月对激光头的表面做清洁。

本实施例中，阈值预警技术要求如下：

1)被监测土建设施的阈值预警值和阈值控制值的设置应依据设计文件、相关规范要求，结合监控对象随温度的受力变形特点、材料属性和历史数据规律，并根据实际使用情况，在充分论证的基础上可进行合理修订；

2)阈值预警值预警功能分为两级管理，分别是二级阈值预警值预警(黄色)和一级阈值预警值预警(红色)，二级阈值预警值可以按照阈值控制值的60％设定，一级阈值预警值可以按照阈值控制值的80％设定；

3)阈值预警值的设定应符合监控对象控制指标规定。

本实施例中，就阈值预警而言，如果预警等级为二级阈值预警值预警，则按照预警周期、预警对象、预警媒介通知项目部系统技术负责人进行预警核实；如果预警等级为一级阈值预警值预警，则按照预警周期、预警对象、预警媒介通知调度，调度室电话通知项目部系统技术负责人进行预警核实，组织工区检查人员进行现场核实，判断预警信息是否真实，并在24小时内将核实情况回复调度室。

本实施例中，变化率预警技术要求如下：

1)被监测土建设施的变化率控制值可以设置为阈值控制值的50％；

2)变化率的计算应采用合理的排异算法，并合理考虑同一天的平均变化率；

3)变化率预警值预警功能分为两级管理，分别是二级变化率预警值预警和一级变化率预警值预警。二级变化率预警值按照变化率控制值的60％设定，一级变化率预警值按照变化率控制值的80％设定；

4)风力、雨量及雪量不设置变化率预警值和变化率控制值；

5)变化率预警的设定应符合监控对象控制指标规定。

本实施例中，变化率是平均差值，计算方法为：首先计算每天每小时的平均值，并将其与第前30天同小时的平均值进行比较，得到变化值，然后将每天24个变化值取绝对值，最后将24个绝对值取平均值得到每天的变化率。

在前述城市轨道交通土建设施智能实时监控系统的具体实施方式中，进一步地，所述监控平台还包括：

土建设施及前端设备信息维护子系统，用于配置、维护土建设施及其附属设施、前端设备部件的参数信息。

本实施例中，土建设施及前端设备信息维护子系统负责土建设施及其附属设施、前端设备部件的参数信息和相关监测项目参数的配置、维护。例如，系统中所有监控的桥梁、隧道、涵洞等土建设施及防撞架、避雷设施、声屏障等附属设施、前端设备部件的参数信息都通过此子系统进行录入和管理。

在前述城市轨道交通土建设施智能实时监控系统的具体实施方式中，进一步地，所述监控平台还包括：

视频监控子系统，用于对土建施工工程、土建设施维修改造工程、桥隧设施隐患风险点进行视频监控，并保存、回放视频图像。

本实施例中，例如，在城市轨道交通桥梁可能受碰撞的地方安装防撞架，当车辆碰到防撞架后，加速度传感器检测到的监测数值发生瞬间变化，瞬间变化的该监测数值通过数据采集仪上传至监控平台，监控平台进行预警，加速度传感器并联动摄像机，给出一个抓拍信号，摄像机将抓拍照片存储到本地，并将抓拍的照片通过监测数据采集子系统存于数据库中，所述视频监控子系统还能回放视频图像。

在前述城市轨道交通土建设施智能实时监控系统的具体实施方式中，进一步地，所述监控平台还包括：

土建设施隐患风险点管控子系统，用于管控预先设置的重点部位的日常排查工作、异常情况排查工作、隐患排查工作和安全保护区排查工作；

其中，排查的隐患包括：地铁安全保护区内产生的隐患和土建设施的结构隐患。

本实施例中，土建设施隐患风险点管控子系统通过管控预先设置的重点部位日常排查工作、异常情况排查工作、隐患排查工作和安全保护区排查工作等，可从整体上、系统化监控土建设施隐患风险点状态变化及处理过程。

本实施例中，当系统监测和复核确认土建设施发生异常后，判断此异常是否影响运营安全，如果不影响，在土建设施隐患风险点管控平台中的异常情况排查模块中增加异常点信息，对异常情况进行跟踪处理，并逐级填报《异常数据处理跟踪表》；如果影响，在土建设施隐患风险点管控平台中的隐患排查与监控模块中增加隐患点信息，对隐患点进行跟踪处理，并逐级填报《异常数据处理跟踪表》。

在前述城市轨道交通土建设施智能实时监控系统的具体实施方式中，进一步地，所述监控平台还包括：

安全质量管理子系统，用于与地铁资产管理信息系统联动，形成土建设施的实时监控、预警报警、维修处置、工后核查和统计评估的安全质量闭合管理子系统。

本实施例中，安全质量管理子系统为pdca安全质量管理子系统，其中，pdca中的p表示plan(计划)、pdca中的d表示do(执行)、pdca中的c表示check(检查)、pdca中的a表示adjust(调整)。

本实施例中，安全质量管理子系统通过与城市轨道交通资产管理信息系统(eam)联动，形成土建设施的实时监控(状态感知)、预警报警(状态评定)、维修处置、工后核查和统计评估的pdca安全质量闭合管理子系统；其中，

实时监控：从实时监测与预警子系统和土建设施隐患风险点管控子系统抽取pdca安全质量管理对象实时监测情况进行显示；

预警报警：对土建设施状态进行监控，发现问题之后，对状态进行评估，根据评估的结果制定相应的维修工单，根据实时监控的状态制定计划；

维修处置：根据计划，产生相应的工单，进行预警核实、维修处置，规范pda现场检查流程，对工单整体过程进行自动化的管控，与城市轨道交通资产管理信息系统衔接，记录核实、维修处置整体过程；

工后检察：维修处置之后，对维修后的状态进行再次评估，维修后评估，评估维修后的对象现在处于什么状态，是否达到维修的目的；

统计评估：统计分析pdca安全质量管理对象维修过程的各个阶段反应速度是否快，维修质量怎么样，在规定的时间内是否完成工作。统计每个对象每个步骤与完成率，完成的质量，完成的延迟等，统计某类对象或整体完成率、完成质量、完成的延迟等。例如，针对同一个位置，统计每次维修的时间间隔，通过维修时间的间隔，说明维修质量好坏，评判设施使用寿命及设施状态。

在前述城市轨道交通土建设施智能实时监控系统的具体实施方式中，进一步地，所述监控平台还包括：

统计分析预测子系统，用于对获取的土建设施结构及外在环境信息和安全质量管理子系统中的安全质量管理数据进行分析、汇总，得到监测指标信息；

所述统计分析预测子系统，还用于预测土建设施监测指标的发展趋势、预测监测指标数据与目标因素之间的关系；

所述统计分析预测子系统，还用于分析土建设施监测指标的数据规律，对指标数据中的有效数据进行筛选，确定预警值设定的方法；

所述统计分析预测子系统，还用于分析土建设施监测指标的历史数据，归纳出监测指标数据的特征和规律，根据归纳出的指标数据的特征和规律，定位超出阈值数据的实时监测指标项。

本实施例中，统计分析预测子系统，用于对全天24小时采集的大量土建设施监测数据和安全质量管理子系统中的安全质量管理数据进行分析、汇总，为用户提供所关心的监测指标，例如，桥梁设施监测情况、月工作量统计、预警处置工作效率、土建设施及采集设备可靠性等，为用户掌握桥梁安全趋势，进行辅助决策提供参考。在实际应用中，监测指标根据实际情况确定。

本实施例中，所述统计分析预测子系统除实现统计分析功能外，还实现了智能预测和数据挖掘功能：

1)预测土建设施监测指标的发展趋势；

2)预测监测指标数据与目标因素之间的关系，其中，所述目标因素可以包括：温度、区间客流量和/或行车间隔，在实际应用中，目标因素根据实际情况确定；

3)监测指标预警阈值设置分析：所述统计分析预测子系统，还用于分析土建设施监测指标的数据规律，对指标数据的有效数据进行筛选，确定不同级别预警值设定的方法，通过大量数据对不同级别预警值设定方法进行检验，之后对不同级别预警值设定方法存在的问题进行分析与解决，得到一套能够对城市轨道交通土建设施监测指标数据筛选的流程，并进行实例验证。

4)自适应智能化土建设施监测指标预警实时诊断：

所述统计分析预测子系统，还用于分析土建设施监测指标的历史数据，归纳出指标数据的特征和规律，根据归纳出的指标数据的特征和规律，快速确定监测指标预警可信度。主要步骤包括：

获取实时监测值，例如：报警值、温度值、行车数据值等建模样本数据；

对样本数据进行预处理；

构建专家样本库；

建立自适应城市轨道交通智能化设施关键监测指标预警实时诊断模型：主要基于模糊神经网络原理建模；

进行预警信息诊断；

优化模型参数。

通过以分析，得到各指标预警嫌疑系数，嫌疑系数大于阈值则说明该监测指标预警可信。然后形成预警嫌疑指标列表，项目部、工区等使用系统人员可根据此预警嫌疑指标列表按照紧急程度先后进行现场核对，实现预警嫌疑的确认和后续跟进，优化了排班计划。使工作人员能够有序分配工作任务，节约人力、物力、财力。并且可根据预警信息编制维修计划。

本实施例中，所述监控平台还包括：安全管理子系统。安全管理子系统的工作人员对维修养护相关规程文件进行电子化入库，日常工作时即可查询浏览相关文件；也可针对预警监测项目(不同病害)进行关联文件的调阅，快速导引到相关规程中，进行辅助指导和安全指引。

本实施例中，所述监控平台还包括：系统管理子系统，系统管理子系统是管理员为保障系统健康运行进行相关参数调节的工具，包括用户管理、预警策略管理、系统运行监控、字典表管理、日志管理等功能。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。