隧道安全智能监测预警关键技术及管控平台开.docx
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隧道安全智能监测预警关键技术及管控平台开
科技研发项目立项申请书
项目名称：
隧道安全智能监测预警关键技术及
管控平台开发
申报单位：
负责人：
项目经费：
完成时间：
一、立项背景
1.1项目意义
近年来,随着我国经济实力的增长,国家加大了高速公路及铁路的投资力度,使铁路和高速公路的总里程数不断刷新，我国隧道建设工作进入了迅猛发展时期，目前我国已成为世界上隧道最多,建设发展最快的国家。
由于隧道工程相比其他工程受外界环境影响更大,对于技术要求及管理水平要求更高的客观原因,加上我国对隧道工程施工风险管理研究时间短,管理人员没有意识到隧道风险管理的重要性,对隧道风险管理不重视的主观原因,造成了在隧道工程建设中事故频发,给国家和人民带来了巨大的损失，表1为近年来隧道施工发生的较大的安全事故。
表1近年隧道施工安全事故
发生时间
隧道名称及事故类型
人员伤亡情况
2012-10
百靖高速公路多贤陵隧道塌方
5人死亡,1人受伤
2O12-07
厦漳高速公路夏门段雷公山隧道塌方
4人死亡,2人受伤
2011-ll
新溆高速公路在建隧道塌方
2人死亡,2人失踪
2011-04
小平羌隧道口塌方
12人死亡
2010-07
南黎铁路那适2号隧道塌方
10人死亡
2010-05
达陕高速公路大巴山隧道塌方
4人死亡,2人受伤
2010-03
集包线新旗下营铁路隧道塌方
10人左右被困
2010-01
南广高铁广东云安隧道塌方
4人死亡,4人受伤
2009-11
十堰至天水高速公路隧道塌方
5人死亡,6人受伤
2009-03
连云港东疏港高速后云台山隧道
3人死亡,4人受伤
2009-02
包西铁路复线塌方
2人死亡
2008-03
包西铁路活沙兔隧道塌方
4人死亡,1人受伤
2007-11
高阳寨隧道塌方
39人死亡
隧道安全事故调查结果表明：
隧道施工安全预警体系不完备和施工过程监控反馈不及时是事故发生的重要原因。
降低隧道施工监测误差、及时有效上报监测结果、实施开展隧道安全评估、建立隧道安全预警体系是避免事故发生的最有效的途径，因而开发一套基于隧道安全智能监测预警技术的安全管控平台对隧道施工安全意义重大。
1.2项目必要性
隧道事故的发生已经给人们带来了惨痛的教训,同时,隧道施工的安全问题也引起了有关部门的高度关注。
根据2014年中交集团工作会议刘起涛董事长工作报告《中交股厅发[2014]53号》，集团正加大向铁路轨道进军。
目前，中交集团已经在公路隧道领域实现一定程度的技术积累，集团股份有限公司成立路桥轨道交通事业部是集团全面进军轨道市场的重要举措，是中交集团占领隧道施工领域制高点的又一个宏伟蓝图，因而如何保障集团在建项目的施工安全是迫切需要解决的问题，亟需我们解决如下几个问题：
（1）确保监控测量实时准确有效
目前常规的隧道监控手段主要存在如下问题：
①现场监测与施工相互干扰：
隧道施工监测时，需要使用现场机械设备配合，影响现场施工，因而往往留给监测的时间很短，造成监测工作中断或不及时。
②精度难以保证：
隧道施工时，往往存在通风不畅、照明不足、粉尘及机械尾气不能及时排出，从而造成隧道内粉尘浓度高、光线昏暗、能见度低，量测环境恶劣，量测精度难以保证。
③测点容易破坏：
采用收敛计或钢尺进行围岩收敛测量时，需要在隧道的初期支护中埋设监控点（挂钩）。
隧道爆破、车辆通行、喷射混凝土及其他人为因素都可能造成挂钩的变形、移动、甚至破坏，不能真正反应围岩变形，给施工带来了较大的安全隐患。
④监测点不一定具有代表性：
利用收敛计量距断面布设有限，且在施工过程中由于布设的不便往往导致监测结果不具代表性。
其次拱顶竖向位移布设点虽能基本反映出拱顶的变形，但由于测点布设困难，往往难以达到设计要求的天顶点。
三维激光扫描技术克服了传统数据采集方法中速度慢、人力要求高等缺点，在高层建筑、桥梁等方面已成功应用，精度可达0.6mm。
然而对于隧道施工而言，由于施工环境恶劣、粉尘较多、照明不足，对三维激光扫描精度有一定的影响，因而有必要开展隧道工程中三维激光扫描监测及数据后处理关键技术研究，使其最终量测精度优于常规监测手段，满足隧道施工安全控制要求。
（2）建立针对隧道封闭空间的施工安全预警体系
隧道监控数据是进行隧道施工安全评估的基础，是施工安全的重要保障，因而监控数据的实时传输和及时分析反馈，是安全控制的重要环节。
据统计隧道施工中大多事故皆涉及到掌子面的稳定性，同时由于隧道封闭空间内通讯信号难以覆盖，监控相关信息无法实时传输至控制中心，控制中心也无法及时将监测数据分析结果及预警信息传达至洞内掌子面前方，导致对隧道安全控制极为不利，因而很有必要开发一套针对隧道封闭空间的施工安全预警系统。
（3）实现隧道集成规范化管理
目前，铁路系统已经逐步建立在建隧道集成管控平台，并已在西成铁路客运专线等隧道项目实施，通过隧道施工过程信息集成，实现了隧道的规范化管理，大大降低隧道安全风险。
中交集团在建隧道项目较多，隧道设计、施工及监测等信息较为分散，甚至隧道监控预警标准及测点布置标准都不统一，是中交集团迈向隧道施工前沿领域的一大障碍，因而很有必要建立一套隧道集成管理平台，实现在建隧道项目的标准化、统一管控。
（4）人员定位与双向预警
人员安全是隧道施工安全控制的重点，对于自然条件和施工条件较恶劣的工程，施工人员及量测人员自身的安全性也存在一定的问题。
在隧道封闭空间内，较难实现人员与外界的实时沟通，导致现场人员发生危险时较难及时通知外界，同时，当控制中心通过监测数据分析发现有隧道危险预兆时，也较难及时通知现场施工人员。
因而建立一套针对隧道封闭空间的人员定位与双向预警体系，对减小隧道施工安全事故时的人员伤亡具有重大意义。
综上，为落实集团高层领导对隧道安全施工的要求，科技部会同路桥轨道交通事业部等，从解决隧道施工过程中围岩变形安全监控着手，针对隧道监控安全、快速、有效及实时等方面的难点，提出本项目课题研发。
二、国内外研究概况及可行性分析
2.1国内外相关技术现状
近年来，随着高速公路、高速铁路、城市地铁等基础设施的快速发展，我国隧道建设工作进入了迅猛发展时期，隧道安全事故也经常发生，从国家、行业、集团、局等各个层面都对隧道施工安全给予了极高关注。
对于城市地铁隧道、铁路隧道、公路隧道等工程而言，及时有效地掌握隧道工程体中的岩体变形及稳定性，及时反馈给现场施工人员，是减少隧道施工安全事故的有效途径。
（1）基于三维激光扫描的信息化监控技术
实现隧道信息化施工，是未来隧道项目管理的重要方向，隧道工程信息化就是集工程当前已知所有信息，收集、传输、分类、归纳进入互联网平台，供隧道工程建设方、设计、监理、施工、监督等资源共享以及进一步分析、利用、决策的隧道工程信息共同体。
目前，隧道监控已从人工监控向信息化监控发展，比如铁路总公司已开发完成了隧道信息化监控系统，能够同时为多个项目提供监控服务。
隧道信息化监控通常为测量、数据传输、数据分析、提供预警等四个环节。
为便于信息化实施，目前隧道测量已经基本摈弃传统的挂尺测量，采用了全站仪测量，但是根据现场实测数据结果分析表明采用全站仪进行监测，其精度在20-30m范围内只能达到3-4mm精度，测量精度不足；在信息反馈方面环节过多，不能及时到达施工现场，信息反馈过慢。
现在三维激光扫描技术已逐步成熟，在高层建筑、桥梁等方面已成功应用，精度达到了0.6mm，而且克服了传统数据釆集方法中速度慢、人力要求高等缺点，同时可以对测量人员不能直接到达的地方进行扫描作业,相对于传统的数据釆集方法具有作业周期快,容易操作,测量覆盖范围广等优点,是快速获取监测数据更为有效的途径。
目前尚无在隧道中全面采用三维激光扫描技术的报道。
从技术角度上讲，在三维激光扫描仪及时、有效的监控数据反馈下，开发监控数据集成与分析平台，及时掌握隧道施工安全状况，是隧道信息化施工较为有效的途径。
（2）北斗卫星导航定位系统
北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，是继美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的全球卫星导航系统。
2012年完成了二期建设，系统具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，将建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。
北斗卫星导航系统向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。
2013年国内建成的北斗地基增强系统有安徽池州CORS（3个站）、九江市CORS（12个站）、总装北斗地基增强系统长三角示范网（8个站）、上海海事局长江口北斗连续运行参考站系统（4个站）、重庆北斗三星网络CORS系统。
这些CORS系统全频段接收北斗B1、B2、B3，GPS的L1、L2、L5和GLONASS的G1、G2信号。
系统建成后全面提升了地区精密测量的精度和效率，并在城市空间基础设施、三维动态和气象等诸多领域发挥重要作用。
（3）隧道封闭空间实时数据传输
隧道封闭空间内数据实时传输对施工安全控制意义重大，本项目需要实时单向传输三维激光扫描仪的监测数据和人员定位双向传输数据。
从技术层面来讲，通过设立无线基站，ZigBee网络等自组织网、移动通信的CDMA网、GSM网均可实现封闭空间的数据传输。
移动通信的CDMA网或GSM网广泛应用于语音通信领域，目前移动通信主要使用3G/4G通信技术进行数据通信，在信号放大技术、中继技术等领域也有较大的发展。
（4）隧道内人员实时定位与预警发布
ZigBee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快、市场前景最广阔的十大最新技术中的两个，是物联网应用最关键的技术之一。
ZigBee技术是近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，与ZigBee技术类似，无线射频识别（RFID）技术的短距离定位能力比ZigBee精度更高，它主要通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，该项技术在超市、门禁等领域应用非常广泛。
通过研究ZigBee和RFID组合技术，并建立相应的预警平台，将之应用到隧道监控中，可实现隧道内人员实时定位与预警发布。
2.2可行性分析
通过研究隧道安全智能监测预警关键技术，建立隧道集成管控平台，可以大大提升中交集团隧道施工安全控制水平，项目研发实施主要对如下几项技术进行可行性分析：
三维激光扫描数据处理、基于北斗系统的定位与数据传输、隧道封闭空间内数据传输、封闭空间人员定位与双向通信。
（1）三维激光扫描在隧道施工监测中的适用性
隧道测量首先要了解隧道的当前状况，最直接有效的办法就是获取它的现状图，但由于隧道现场施工环境杂乱等原因，传统测量方法无法满足作业迅速且不影响现场施工作业的要求。
三维激光扫描技术具有扫描速度快，非接触性等特点，较适宜于隧道现状数据的获取，具有一次性获取隧道数据信息量大、测量精确、每站作业时间短的优点。
2015年1月，中交集团路桥轨道事业部委托上海达华测绘有限公司，对承担的厦门市轨道交通1号线一期工程进行了三维激光扫描现场测试，测试内容主要包括基于收敛计的三维激光扫描仪收敛测量精度分析、基于水准仪+钢尺组合及三维激光扫描仪拱顶沉降精度分析、地铁隧道中轴线精度分析等。
测试结果表明：
三维激光扫描模型是由所有的实测点云数据构成，模型中每个点不仅包含与实地一致的三维坐标信息外，还包含RGB等颜色信息，由点云数据构成的三维模型中可以提取的数据信息是与现实一致的高精度，可直接用于生产或工程应用，其数据精度完全符合隧道高精度监测的精度要求。
图1竖井联络通道及左右线扫描点云
图2某断面空间变形
数据后处理过程中，发现徕卡公司针对隧道监测开发的数据分析软件功能不全，兼容性稍弱，部分模型须进一步优化并进行整合，需要开发针对三维激光扫描数据分析的隧道专业模块，提高后处理效率，该项工作完成前期调研工作，通过本课题研发，预期可以达到预想效果。
（2）北斗系统在隧道工程中的适用性
北斗首次集纳多种轨道设计于一身，能提供更多可见卫星，可支持更长的连续观测时间和更高精度。
已发射的北斗16颗卫星集中分布在亚太地区，其中5颗集中在赤道面。
分布在一个区域的卫星越多，意味着信号强度、导航精度和稳定性越高。
“北斗一号卫星导航系统”具有定位导航与双向通信两大功能，采用BDS/GPS兼容系统接收定位卫星信号较多，因此可以用于隧道工程的控制基准建立，建立洞内洞外的联系测量。
（3）隧道封闭空间内数据无线实时传输技术
数据无线实时传输技术,结合北斗系统数据远程传输和ZigBee等自组织网络、无线WIFI、信号泄漏电缆、移动直放站等技术在隧道封闭空间内数据传输能力，可以建立基于北斗隧道监控数据实时传输系统。
其核心是监控数据通过无线局域网进行数据的传输,所有信息汇总后中继到隧道口广域数据链路，经通信卫星网络或公众移动数据通信网络进行实时传输,从而实现隧道封闭空间数据无线传输。
目前该项技术在环境质量检测领域已有实践应用，经实验证明该系统具有传输稳定、使用领域广阔和覆盖面积大等优点,符合未来隧道施工智能报警领域的发展趋势,具有很大的实用价值和可推广性。
（4）隧道封闭空间内人员实时定位与预警发布技术
目前无线定位技术种类较多，主流的包括ZigBee，RFID，UWB等。
与ZigBee相比，RFID的定位精度更高，但其没有数据传输能力，且识别范围只有10米左右，而ZigBee的传输和识别范围最大可达500m。
因而基于ZigBee和RFID技术的综合人员定位系统可以解决长大隧道封闭空间内的人员精确实时定位。
北斗系统在无遮掩空间的定位能力非常强大，但其信号无法覆盖隧道封闭空间，通过隧道内设置的ZigBee、RFID或者UWB基站，将人员信息通过协调节点发送至北斗系统，可以弥补北斗定位系统的不足。
同时，北斗系统和上述无线定位通信技术均可具有双向通信功能，控制中心与现场施工人员可以进行实时通信。
控制中心人员发现监控数据异常情况下，可以及时对现场施工人员发出预警通知及逃生路线，现场施工人员发现危险时，可以及时发出报警信息或求救信息。
三、项目研发的主要内容及技术经济指标
3.1主要研究内容
本课题拟结合中国交通集团隧道施工项目，基于三维激光扫描应用于隧道监控的技术理念，重点针对隧道三维激光扫描施工监测与控制关键技术、三维激光扫描数据处理与传输技术、隧道施工智能监控平台研发和隧道施工过程信息集成与反馈系统展开研究，研究内容主要包括以下方面：
3.1.1隧道三维激光扫描施工监测与控制关键技术
隧道是超长线状结构，需要沿隧道轴线布设多个测站才能完成整条隧道的扫描工作，测站间距和扫描分辨率是数据采集的关键参数，对测量精度和测量效率有很大影响：
测站间距越大，所需测站总数就越少，扫描时间就越短；扫描分辨率越高，测点越密集，但所需扫描时间也越长。
在隧道里布设多个激光扫描测站时，各个测站所获得的点云属于不同的参考坐标系，把不同参考坐标系的点云归集到一个坐标系中的过程称为拼接，数据拼接是测量精度控制的重要环节。
1）测站间距及分辨率优化控制技术
通过隧道内部烟雾环境评价，结合隧道断面形状及几何尺寸，研究三维激光扫描测站间距和分辨率设置及优化组合方案。
2）标靶布设及识别技术
基于测站间距，研究实体标靶布置原则，建立基于标靶条件下点云识别技术，提高后期拼接精度。
3）基于定位技术的激光扫描仪数据转换
分析激光扫描控制软件内部坐标转换方法，研究基于北斗系统的数据转换技术,获得满足隧道监控需求的点云三维坐标信息。
“点云”是三维激光扫描的成果数据,可真实全方位地描述三维空间实际形状。
隧道三维激光扫描时需设置多个测站，在监测数据分析前,需对“点云”数据进行拼接，把不同参考坐标系的点云归集到一个坐标系中并剔除重叠数据。
通过“点云”数据分析隧道变形时，由于“点云”数据众多，常用方法是将截取的隧道纵断面作为分析对象，其关键是确定截取位置处隧道的空间姿态信息，因而精确地从“点云”中提取隧道任意断面是三维激光扫描监控技术的重点，其基本思路是先确定隧道的设计中轴线，然后以此为基准提取隧道断面。
由于隧道封闭空间内没有信号覆盖，从洞内数据采集到洞外数据传输往往经历较长时间，在灾害发生前不能及时发出预警提示，是隧道施工安全控制亟需解决的问题。
1）隧道“点云”数据拼接技术研究
基于定位系统，采用坐标归化处理手段，研究分站扫描数据拼接技术，将“点云”数据归算到统一的坐标系统。
2）隧道轴线提取技术研究
采用曲面拟合方法，研究隧道中轴线的提取方法，通过现场试验分析，验证方法的可靠性。
3）隧道断面切割精确化控制技术研究
以隧道轴线为基准，采用点云厚度与斜率优化技术，控制断面拟合误差，实现隧道断面切割提取的精确化控制。
4）封闭空间内数据无线实时远程传输技术研究
开发北斗与无线数据通信系统接口，结合无线局域网络、宽带卫星传输链路、公众无线数据通信系统构建数据远程传输链路，实现隧道封闭空间监控数据无线实时传输，并最终与项目部、局公司实现双向实时通信。
语音通信通过VoIP技术实现。
三维激光扫描技术应用于隧道监控的最大障碍在于数据处理软件匮乏，目前激光扫描仪“点云”数据处理软件基本功能均是对“点云”数据进行拼接、截取、建模等操作,一般仅适用于数据的前期处理,在的隧道精细化变形监测分析方面应用有限。
为实现隧道断面自动截取及超欠挖分析、隧道围岩变形自动分析及预警、掌子面稳定状态评价等诸多功能，设计一套隧道施工智能监控平台十分重要。
1）隧道监控量测规范限值集成及预警系统开发
建立隧道监控量测规范限值集成及预警系统，根据隧道类别、围岩等级及隧道几何信息，自动分析监控断面间距要求、拱顶沉降、水平收敛、底部隆起、掌子面变形等规范限值；按照规范要求和业主需求，集成隧道监控预警数据，形成隧道监控自动预警平台。
2）隧道断面自动提取及超欠挖分析系统开发
根据隧道类别、围岩等级及业主需求，按照规定间距自动提取隧道断面，并对断面“点云”数据进行优化处理；通过与设计断面对比，自动分析超欠挖状态，并实时反馈施工。
3）隧道变形自动分析系统开发
根据提取的隧道断面“点云”信息，自动分析隧道拱顶、拱腰、拱底等关键点的坐标信息，通过数据对比分析，自动获取隧道实时变形及累计变形信息，形成隧道变形自动分析系统。
4）隧道掌子面稳定性分析系统开发
通过掌子面地质编录与分析系统，结合掌子面三维激光变形测量数据，提出掌子面稳定性状态评价意见，并及时预报围岩变化，形成隧道掌子面稳定性分析系统。
隧道施工过程信息集成与反馈是降低施工风险的重要环节，对中交集团而言，在建隧道项目众多，对隧道项目进行集成规范化管理十分重要。
通过北斗定位系统建立隧道分布区位图，关联相关隧道的三维BIM模型，并将隧道监控测点及测量数据附着于BIM模型，直观地掌握隧道施工状况。
通过专家辅助决策及应急响应系统，及时对施工风险做出评估和响应，有效降低施工风险。
隧道施工过程中，人员的安全极为重要，因而非常有必要建立现场施工人员与控制中心的信息实时沟通体系。
1）隧道施工信息集成与三维可视化系统
建立基于北斗系统的隧道分布精确区位图，并通过BIM技术建立隧道三维可视化模型，开发隧道信息编录接口，实现隧道设计、施工、监控信息与BIM模型关联的可视化集成管理系统。
通过权限设置，建立数据信息输出标准模块，实现隧道施工及监控信息日报、周报及月报远程输出功能。
2）隧道施工专家辅助决策及应急响应系统
建立隧道施工专家经验数据库，借助人工智能和专家系统技术，实现重大问题的专家辅助决策和事故后的应急预案的快速启动。
3）封闭空间人员定位与双向通信系统
研究北斗系统、ZigBee、UWB与RFID技术的通信及定位原理，开发信号转换接口，实现隧道封闭空间人员远程精确定位，并建立事故发生前的双向预报警系统。
3.2技术经济指标
本课题针对隧道传统监控手段反馈不及时、耗费人力物力等缺点，本着及时发现施工风险、减少生产事故的目标，重点攻克隧道三维激光扫描施工监测与控制关键技术、三维激光扫描数据处理与传输技术、隧道施工智能监控平台研发和隧道施工过程信息集成与反馈系统等核心技术，满足集团总部、子公司和经理部三级管理机构对在建隧道项目的远程安全监控、资源管理与指挥调度的要求，研究成果适应中国交通建设集团在隧道施工安全管控领域的定位要求，将成为中交集团占领隧道智能安全管控高端领域的关键技术，大大提升中交集团隧道施工安全管控水平。
同时，通过技术集成与转让，将为集团创造较大的直接经济效益，重点技术成果如下：
（1）突破常规隧道监测3-4mm误差范围，通过三维激光监测关键技术研究和扫描数据智能分析系统开发，将隧道监测误差控制在0.6mm内；
（2）依托北斗数据传输技术，攻克无GSM和CDMA等移动信号地区，隧道封闭空间内数据远程传输及人员定位技术难题；
（3）研制隧道施工智能监控平台，实现监控数据智能分析及反馈；
（4）攻克隧道施工安全智能监测预警关键技术，开发隧道施工过程信息集成与反馈系统，实现中交集团控制中心对在建隧道的统一、实时管控。
四、项目研发的技术路线
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