地铁运营自动化监测调研报告书.docx

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地铁运营自动化监测调研报告书

地铁运营自动化监测技术

国内外研究现状调研报告

上海地矿工程勘察有限公司

二O一O年十一月

第一章前言

近年来，随着我国国民经济的飞速发展，人们对城市交通快速和便捷的需求日益高涨，运量大、准时、快速的城市地铁交通因此也成为国家基础设施建设的重点和热点之一。

“十五”计划期间，国家用于城市地铁建设中的投资就至少达到两千亿。

鉴于地铁在国民生产和生活中的重要性，以及地铁事故所可能导致的重大后果，如何确保地铁在建设及运营期间的安全则成为地铁工程和运营部门需要共同面对的一个重要课题。

由于地铁隧道在一天中的三分之二以上的时间是处于全封闭的运营状态，绝对不允许监测人员进入隧道内工作，所以要求必须在隧道内设置自动化监测系统代替人工操作，实现对隧道水平、垂直位移的连续、精确监测。

考虑到地铁运行的时间很短，所采用的监测系统应能在3~5min内完成隧道内的变形监测，以掌握地铁运行过程中隧道变形特征和规律，以便及时控制。

第二章国内外监测技术研究现状

从20世纪70年代末，国外运行安全监测技术迅速发展并广泛应用，其主要监测的对象为大坝、桥梁、高层建筑物、防护堤、边坡、隧道地铁等。

发展到近阶段，除常规监测方法以外，采用先进技术方法主要是：

自动化监测、GPS技术、INSAR技术等。

在几何学、物理学、计算机仿真学等多学科、多领域的融合、渗透下，变形监测技术向一体化、自动化、数字化、智能化等方向发展。

在集成多种监测方法、多学科专业技术的基础上，自动化监测技术近十年来迅速发展。

其基本原理是：

根据自动控制原理，把被观测的几何变形量（长度、角度）转换成电量，再与一些必要的测量电路、附件装置相配合，组成自动测量装置，将测量数据自动采集、传输到指定系统，完成自动化监测过程。

相比较与传统人工监测，它具有连续、动态、实时、精确等显著优势。

现代的自动化监测技术已实现了运行变量的实时数据采集与传输、数据管理、在线分析、综合成图、成果预警的计算机控制网络化。

目前国内外远程自动化监测系统主要有对近景摄像测量系统、多通道无线遥测系统、光纤监测系统、全站仪自动量测系统、静力水准仪系统、巴赛特结构收敛系统。

2.1全站仪自动量测系统

2.1.1系统的构成

一个完整的自动化动态监测系统是指在无需操作人员干预的条件下，实现自动观测、记录、处理、存储、报表编制、预警预报等功能，它由一系列的软件和硬件构成，整个系统配置包括：

TCA自动化全站仪、棱镜、通讯电缆及供电电缆、计算机与专用软件。

图2.1-1莱卡全站仪进行瞬时自动化监测

2.1.2TCA自动化全站仪

TCA自动化全站仪能够自动整平、自动调焦、自动正倒镜观测、自动进行误差改正、自动记录观测数据，其独有的ATR（AutomaticTargetRecognition，自动目标识别）模式，使全站仪能进行自动目标识别，操作人员一旦粗略瞄准棱镜后，全站仪就可搜寻到目标，并自动瞄准，不再需要精确瞄准和调焦，大大提高工作效率。

图2.1-2TCA2003莱卡自动化全站仪

　　TCA2003是LeicaTCA自动化全站仪中的一种（见图1），该仪器测角精度为0.5〞，测距精度为1mm±1ppm。

可通过专用的控制软件来控制观测目标、设定观测周期。

2.1.3Leica标准精密测距棱镜

棱镜作为观测标志，利用膨胀螺丝固定在隧道内侧（见图2），其数目可按实际需要设定，该标志能被TCA2003全站仪自动跟踪锁定，以实施精密测角和测距。

图2.1-3莱卡标准精密棱镜

2.1.4计算机

计算机利用电缆和全站仪连接，并装有专用软件以实现整个监测过程的全自动化，既能控制全站仪按特定测量程序采集监测点数据，并将测量成果实时进行处理，以便及时发现错误，杜绝返工，也可以对各个观测周期的监测数据进行存储并生成监测报告。

2.1.5其他设备

其它设备包括温度计﹑气压计﹑湿度计、连接电缆、外接电源等；温度计﹑气压计﹑湿度计用于测定空气的温度、压力和湿度，将测定结果输入到计算机中，对观测结果进行修正，以提高观测精度。

2.1.6实时监控软件

GeoMosMonitor是专门用于监测的、与TCA2003全站仪配套的变形测量软件，其在Windows环境下运行，并将数据存储在SQLServer数据库中，它既可按操作者设定的测量过程和选定的基准点、观测点进行相应的测量处理，也可快速建立三维坐标、位移量以及其它相关数据库，实现数据的快速存储、检索、编辑，可实时显示量测数据，并进行实时处理或后处理，能实时显示图形或事后显示。

2.1.7后方处理软件

　　采用自己编制的软件，利用和GeoMos的软件接口，对测量数据进行后处理，按施工方要求的格式将监测点的位移变化转化为标准图表的形式直观地表达出来，绘制出监测报表和位移曲线，自动实现数据分析、报警以及报表生成的功能，可以根据用户的要求提供报表的形式。

2.1.8观测方法

通过控制软件，在每个观测周期开始前，利用布设好的基准点，测4测回推算出测站点的坐标，然后，四测回对所有的点进行自动观测，得到观测点的坐标。

地铁运营期间24h实时观测。

2.1.9误差来源

测量的误差来源于仪器的系统误差、测站和目标的对中误差、外界环境的影响、测量仪器的影响。

　　⑴仪器的系统误差主要是由仪器本身构造引起的，为保证精度，需在测量前对仪器进行检校，仪器即使在检校后还有残余的系统误差。

但由于监测需要得到的是2次测量之间的位移值，因此系统误差可以基本消除。

　　⑵由于测站点、观测点均采用强制对中措施，而且标志埋设后在整个观测过程中不再重新安置，因此，测站、目标的对中误差可忽略不计。

　　⑶由于监测需要实时监测，而地铁隧道的湿度较大，对测距的精度会有影响，但地铁隧道内的温度﹑气压﹑湿度均比较稳定，因此，可不考虑这些外界环境因素对观测结果的影响，可在观测过程中利用数学模型进行修正。

而列车运行带来的震动却对观测结果的影响较大，故应尽量避免在这一时段进行观测。

　　⑷TCA2003全站仪测角精度0.5″，测距精度1mm±1ppm，因此，其是影响测量的主要误差源。

2.1.10误差来源

此次监测主要的误差来源是仪器的测角误差和测距误差，仪器的测角精度为0.5″，100m的监测范围内由测角所引起的最大误差为±0.12mm；仪器的测距精度为1mm±1ppm，其中1mm为固定误差，±1ppm为比例误差（1mm/km），即100m的距离由测距所引起的误差为±0.1mm，距离测量采用四测回观测仪器引起的误差为±0.5mm；根据各点给定的初始坐标估算，点位的平面精度约±0.5mm，Z方向的精度与竖直角的大小有关，精度略低，但仍可以保证±1mm的精度，能够满足施工及甲方对地铁保护的要求。

2.2静力水准仪系统

2.2.1系统组成

该仪器依据连通管原理的方法，用电容传感器，测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉陷量。

见下图2.1-1，各静力水准仪安装后，将各静力水准仪导线联接至数据箱，能过无线传输或网线直接联接至电脑（可多台电脑同时查看），随时输出测量指令或设定定时测量指令，静力水准仪自动测量容器内的水位变化情况，通过一定的公式，解算为水位的升降量，从而形成报表。

图2.2-1静力水准自动化监测整体结构图

2.2.2静力水准仪的结构

由右图2.2-2所示，电容式静力水准仪由主体容器、连通管、电容传感器等部分组成。

当仪器主体安装墩发生高程变化时，主体容器相对于位置产生液面变化，引起装有中间极的浮子与固定在容器顶的一组电容极板间的相对位置发生变化，通过测量装置测出电容比的变化即可计算得测点的相对沉陷。

图2.2-2RJ型静力水准仪结构及原理结构示意图

2.2.3静力水准仪的测量原理

该仪器依据连通管原理的方法，用电容传感器，测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉陷量。

其模型如下：

初始状态（0）

任意次状态（j）

图2.2-3连通管测量原理示意图

如上图2.2-3所示，设共布设有n个测点，1号点为相对基准点，初始状态时各测量安装高程相对与（基准）参考高程面间的距离则为：

、………（i为测点代号i=0,1……n）；各测点安装高程与液面间的距离为:

、、…则有：

（1）

当发生不均匀沉陷后，设各测点安装高程相对于基准参考高程面的变化量为：

、………。

由图1-3可得：

（2）

则j次测量i点相对于基准点1的相对沉陷量为：

（3）

由

（2）式可得：

（4）

由

（1）式可得：

（5）

将（4）式化入（3）式得：

（6）

即只要用电容传感器测得任意时刻各测点容器内液面相对于该点安装高程的距离（含及首次的），则可求得该时刻各点相对于基准点1的相对高程差。

如把任意点做为相对基准点，将f测次做为参考测次，则按（5）式同样可求出任意测点相对g测点（以f测次为基准值）的相对高程差：

　　　　　　　　　　　　　（7）

2.2.2RJ型电容式静力水准仪主要技术指标

电容式静力水准仪主要技术指标如下：

测量范围

0～10、20、40、50mm

最小读数

0.01mm

测点误差

±0.1～±0.2mm或<0.7%F·S

环境温度

-20～60℃

相对湿度

≤95%

温度系数

<0.05%F·S/℃

配用电缆

三芯屏蔽电缆（专用）

2.2.3静力水准仪的安装及调试

仪器的安装尺寸如图2.2-4所示，按要求在测点预埋Φ180三个均布的M80×40（伸出长度）螺杆。

⑴、检查各测墩顶面水平及高程是否符合设计要求。

⑵、检查测墩预埋钢板及三根安装仪器螺杆是否符合设计要求。

⑶、预先用水和蒸馏水冲洗仪器主体容器及塑料连通管。

⑷、将仪器主体安装在测墩钢板上，用水准器在主体顶盖表面垂直交替放置，调节螺杆丝使仪器表面水平及高程满足要求。

⑸、将仪器及连通管系统联接好，从未端仪器徐徐注入防冻液，排除管中所有气泡。

连通管需有槽架保护。

⑹、将浮子放于主体容器内。

⑺、将装有电容传感器的顶盖板装在主体容器上。

仪器及静力水准管安装完毕后，用专用的3芯屏蔽电缆与电容传感器焊接，并进行绝缘处理（方法同垂线，引张线）。

3芯屏蔽电缆的红芯接测量模块的信号接线端口，白、黄芯接激励（桥压）接线端口。

当容器液位上升时，电容比测值应变小，否则将白、黄芯接线位置互换。

仪器主要性能已在出厂前由厂家标定给出。

现场仅在2～5mm内标定检查系统性能。

2.2.4静力水准仪的观测和运行维护

⑴、静力水准的观测

由

（2）式可得出i测点第j测次相对与首次基准点的相对高程变化：

（8）

式中：

、为第i测点仪器的第j次和首次读数；为第i测点仪器的灵敏度系数；、为基准点仪器第j次和首次读数；为基准点仪器的录敏度系数。

计算结果为正，则测点相对基准点沉陷了。

⑵、运行维护

①静力水准管路一般应进行保护，尤其在外露部位应采用隔热材料进行保温，避免温度变化对观测值的影响。

②同样测点仪器也应进行隔热保护，同时防止泥水进入以及免遭破坏。

③应定期检查接头处等是否存在漏情况。

2.2.5静力水准仪漏液及蒸发后所得数据的处理

静力水准仪用于沉降的精密监测，灵敏度高，精度高。

其缺点是易受外界影响，如列车振动、温度变化幅度大引起数据漂移等；安装调试复杂（整个系统内液体不能有气泡现象；整个系统各传感器需要大致处于一个水平面，系统距离愈长调试愈复杂）。

由于采用连通管原理，系统的距离与数据的滞后性有一定关系。

另由于长期使用仪器内液体的蒸发、漏液现象，使得系统数据产生偏差，需要及时补液。

在实际工作中，如何来处理漏液或蒸发后所得的数据呢？

静力水准仪中的液体被蒸发后，液