王德利， 胡洪軍， 褚 為

1新疆煤田地質(zhì)局161隊(duì)（830000） 2中國(guó)中鐵電氣化局集團(tuán)（100036）3中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院（430074）

1 系統(tǒng)建設(shè)必要性

隨著城市化進(jìn)程的加快，大量流動(dòng)人口涌進(jìn)城市，人員出行和物資交流頻繁，使城市交通面臨著嚴(yán)峻的局勢(shì)，我國(guó)各大城市普遍存在道路擁擠、車輛堵塞、交通秩序混亂的現(xiàn)象。如何解決城市交通問題已成為市民普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。為了緩解與改善此局面,不是僅僅靠拓寬馬路就能解決問題的。合理利用城市有限土地資源，拓展空間利用條件，積極引入大中客運(yùn)量地鐵和輕軌交通方式，已是必然趨勢(shì)。

2004年，線長(zhǎng)約10 km輕軌在漢口通車，將武漢帶入地鐵時(shí)代。2006年11月，貫穿漢口到武昌的地鐵2號(hào)線正式開工建設(shè)。不算之前的輕軌，武漢是內(nèi)地第10個(gè)建設(shè)地鐵的城市。目前，武漢已經(jīng)進(jìn)入地鐵工程的“高峰期”。由圖1所示可知,武漢市地鐵線網(wǎng)由3條市域快線、9條市區(qū)線路構(gòu)成，線路全長(zhǎng)530 km，設(shè)站309座，其建設(shè)規(guī)模已經(jīng)超過法國(guó)巴黎500 km的地鐵規(guī)模。但武漢地鐵建設(shè)地質(zhì)條件復(fù)雜，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1）瓦斯高；2）地鐵建造中的水壓?jiǎn)栴}；3）漢口武昌地質(zhì)條件差異問題。并且，地鐵建設(shè)往往處于城區(qū)繁華區(qū)域，沿線建（構(gòu)）筑物密布、歷史文物建筑集中，地下管線設(shè)施極其復(fù)雜等。

這些因素決定在武漢地鐵建設(shè)過程中及完成后,必須開展施工監(jiān)測(cè)工作。上海、廣州、杭州等地鐵事故教訓(xùn)已證明這項(xiàng)工作的重要性。綜合現(xiàn)代科技，研制對(duì)施工信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、識(shí)別、評(píng)估及預(yù)警為一體的自動(dòng)化技術(shù)，是有效解決地鐵事故的先進(jìn)手段，具有重大意義。

2 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

依據(jù)地鐵設(shè)計(jì)文件和國(guó)家及行業(yè)有關(guān)規(guī)范、結(jié)合武漢地鐵實(shí)際情況,該系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)能滿足武漢地鐵工程任務(wù)的要求，并能夠滿足工程運(yùn)行及自動(dòng)化水平的需要。其目標(biāo)主要有:

1）在武漢地鐵施工期和運(yùn)行期進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)和安全監(jiān)控。

2）信息實(shí)時(shí)采集、傳輸均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3）對(duì)自動(dòng)采集的各類監(jiān)測(cè)資料以及與安全決策有關(guān)的設(shè)計(jì)、施工資料，以及分析方法、專家知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理和管理[1]。

4）通過檢測(cè)，掌握施工期間及運(yùn)營(yíng)后基坑、支護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化,明確影響程度及可能產(chǎn)生的安全事故的薄弱環(huán)節(jié)，驗(yàn)證施工方案的合理性。

5）及時(shí)評(píng)估和分析環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)水平和趨勢(shì)，對(duì)可能出現(xiàn)的地鐵事故進(jìn)行預(yù)測(cè)和提出處理建議，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

6）積累資料，為今后類似工程或工法本身的發(fā)展提供借鑒，并為地鐵運(yùn)營(yíng)后的養(yǎng)護(hù)與維護(hù)提供可靠的原始數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)原理與特點(diǎn)

地鐵建設(shè)安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)全面運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，利用高性能的模塊化數(shù)據(jù)采集硬件完成監(jiān)測(cè)要素的自動(dòng)采集，結(jié)合高效靈活的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過無線傳送技術(shù)完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸過程,并且在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布觀測(cè)數(shù)據(jù)，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查看、地鐵事故報(bào)警等功能，詳見圖2所示。系統(tǒng)軟件部分可采用LabVIEW編寫,它是一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，利用它，設(shè)計(jì)者可以像堆積木一樣，輕松組建一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)和構(gòu)造自己的儀器面板,而無需進(jìn)行任何繁瑣的計(jì)算機(jī)代碼的編寫[2]。

4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地鐵建設(shè)安全監(jiān)測(cè)及預(yù)警工作涉及多個(gè)學(xué)科，如土力學(xué)、流體力學(xué)、儀器儀表、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、數(shù)值分析、系統(tǒng)科學(xué)與遠(yuǎn)程通訊等，具有很強(qiáng)的綜合性，實(shí)際上是一個(gè)典型的系統(tǒng)工程。該系統(tǒng)由以下幾個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。

4.1 監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

其功能是通過不同的方式和不同的儀器,從各方面自動(dòng)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和資料。所需監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括位移測(cè)量、角度測(cè)量、力的測(cè)量、強(qiáng)度測(cè)量等，詳見圖3所示。

該系統(tǒng)需要考慮信息的采集頻率、采集精度和采集點(diǎn)等問題，遵循成本低、精度高、布設(shè)合理的原則。

4.2 數(shù)據(jù)接收與處理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)具備實(shí)施數(shù)據(jù)接收、處理和對(duì)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)監(jiān)控的功能，對(duì)接收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、轉(zhuǎn)換、糾錯(cuò)、插補(bǔ)、分類等工作，建立數(shù)據(jù)庫，提供信息查詢、輸出、打印、發(fā)布、交換等功能[3]。該子系統(tǒng)采用圖形化編程語言LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，便捷輕松，并且具有強(qiáng)大的Internet功能。

4.3 數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的“倉庫”[4]，負(fù)責(zé)其它子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用，滿足各子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、檢查、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析及評(píng)估報(bào)警等多方面的功能要求。數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括工程概況數(shù)據(jù)庫、原始數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測(cè)和分析數(shù)據(jù)庫、分析結(jié)果和報(bào)告數(shù)據(jù)庫。

4.4 模型庫子系統(tǒng)

模型庫子系統(tǒng)可以描述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)操作方法，與數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)相結(jié)合，將大大提高系統(tǒng)預(yù)警決策能力，包括統(tǒng)計(jì)學(xué)模型、決定論模型、信息理論模型、模糊判別預(yù)測(cè)模型、灰色預(yù)測(cè)模型等。

4.5 通信子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇通信方式，可采用超短波、衛(wèi)星、GPRS、GSM等一項(xiàng)或多項(xiàng)組網(wǎng)，上述通信方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況，在保證通信質(zhì)量的前提下，設(shè)計(jì)成本較低，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，工作性能較穩(wěn)定的通信方案。

各個(gè)子系統(tǒng)間的指令傳輸方式 （即工作體制）有自報(bào)式、應(yīng)答式及混合式三種，根據(jù)系統(tǒng)功能要求、電源等特點(diǎn)，應(yīng)采用應(yīng)答式或混合式工作體制。

4.6 遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)

LabVIEW軟件不僅測(cè)量功能強(qiáng)大,而且也具有強(qiáng)大的通信功能，利用NI的TCP網(wǎng)絡(luò)通信方式[5]，可以將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，使數(shù)據(jù)采集與傳輸都能在Internet上進(jìn)行，從而使系統(tǒng)擁有一個(gè)一體的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

該子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)工作人員在遠(yuǎn)離工程現(xiàn)場(chǎng)的辦公室里，便可通過瀏覽網(wǎng)頁來獲取或查詢實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)操作。

4.7 預(yù)警子系統(tǒng)

預(yù)警子系統(tǒng)功能為預(yù)報(bào)可能發(fā)生的地鐵事故,提出處理方案和應(yīng)急措施。預(yù)警內(nèi)容包括要素越限（位移、強(qiáng)度等采集要素越過某一規(guī)定數(shù)值）、供電不足、設(shè)備事故報(bào)警，當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí)，該系統(tǒng)選用屏幕顯示、聲、光等報(bào)警方式進(jìn)行報(bào)警，并提示事故方位等信息[6]。

5 結(jié)語

目前，國(guó)內(nèi)檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)研究主要集中在水利水電、大壩、橋梁等領(lǐng)域，地鐵方向研究相對(duì)較少。本文根據(jù)武漢地鐵工程現(xiàn)狀,對(duì)一套適用于地鐵建設(shè)的環(huán)境安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究。該系統(tǒng)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):

1）采用LabVIEW完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，開發(fā)周期短，界面友好，工作穩(wěn)定，且成本較低。

2）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，工作人員可以隨時(shí)隨地查詢現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及操作現(xiàn)場(chǎng)儀器，達(dá)到資源共享的目的。

3）采用無線通信方式，不存在線路光纜布置問題，符合地下工程（地鐵工程）特點(diǎn)，布網(wǎng)不受現(xiàn)場(chǎng)條件限制。

4）該系統(tǒng)能夠在第一時(shí)間掌握地鐵工程運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)預(yù)測(cè)安全風(fēng)險(xiǎn)水平和趨勢(shì)，將安全事故消滅于萌芽狀態(tài)，對(duì)武漢及全國(guó)其他城市地鐵建設(shè)具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 王德厚.大壩安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控[M].中國(guó)水利水電出版社,2004

[2] 劉君華,賈惠芹,丁暉等.虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2001

[3] 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.水利水電工程水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第一版，2008（45）

[4] 李娜,冷俊,梁柱等.深港西部通道深圳灣大橋結(jié)構(gòu)健康及安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)概述[J].公路,2009,(5):186

[5] 李文娟,韓福強(qiáng).基于LabVIEW的排水泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].工程技術(shù),2009,(9):162

[6] 郎祿平.建筑自動(dòng)消防工程[M].中國(guó)建材工業(yè)出版社,2006