[01289647]地铁运营期自动化监测与快速检测关键技术及工程应用

近年来我国城市地铁飞速发展,截止到2019年底中国内地地铁运营里程达5187.02公里,高居世界首位。地铁隧道运营病害问题日益突出,地铁运营维护管理急需现代化的技术手段和装备提供支撑。项目研究地铁隧道自动化监测与快速检测关键技术,研发了具有自主知识产权的软、硬件系统,实现了运营隧道局部关键位置的高精度无人守值自动化持续监测和全线的快速智能化病害检测,开展了大规模工程应用实践,具有重要的研究意义和实用价值。项目的主要技术内容、技术经济指标、授权专利情况、应用推广及效益情况简述如下。 2.1主要技术内容 ① 研发了地铁自动化变形监测系统。集成测量机器人、无线网络、温度气压传感器、远程电源开关、工业计算机等形成地铁单站自动化变形监测系统,实现了地铁结构的无人值守的全天候连续、实时、高精度、自动化监测;提出了基于多台测量机器人、多连接点的基准网组建技术方法,针对地铁隧道长大变形区域监测的需求,通过布设专用连接点,可将单站系统灵活自由地扩展为多站系统,实现了地铁隧道内长大变形区域的高精度自动化监测。 ② 自主研制移动扫描检测轨道小车,显著提高地铁运营检测的效率和能力。提出了一种适用于地下环境的脉冲时标多传感器时间同步方法,融合集成了高精度扫描仪、里程计、2D激光传感器、高精度惯导等多种传感器,自主研制了移动扫描检测轨道小车;设计了专用控制标靶,提出一种动态点云中标靶中心位置的精确自动提取方法,为地下环境下的小车惯导系统提供了实时校正信息,实现了小车的不停车状态下的高效快速扫描。 ③ 开发了地铁检测小车数据处理软件,为地铁运营病害的快速检测提供了新的技术手段。提出了一种R树与格网结合的海量地铁隧道点云管理方法,开发了地铁点云管理平台软件,实现了海量地铁点云的动态快速调度与可视化;采用了GPU并行计算架构,开发了扫描数据快速检测软件,实现隧道结构横断面椭圆度与水平直径、盾构管片错台、地铁限界、轨道磨耗等地铁运营安全控制量的自动化快速检测,为地铁运营安全检测与监测提供新的解决方案。 ④ 研制了地铁运营自动化监测及病害检测信息管理与发布系统,基于B/S架构设计,兼顾PC端和移动端开发,实现了地铁自动化监测和病害检测成果数据的网络化管理与可视化发布。 ⑤ 提出了一种基于隧道点云展深度图像和深度卷积神经网络的智能化环缝识别方法,实现了盾构隧道环缝的可靠与精确提取,解决了环缝点云数据准确定位与提取的难题。提出了一种融合深度与强度信息的隧道点云展开方法,生成了一种全新的含深度信息的隧道点云展开图像;构建了区域候选与精确提取组合的深度神经网络架构,使用多个卷积层进行高维特征提取确定环缝的候选区域,用双向RNN+LSTM进行环缝位置预测和精确提取,实现了多干扰因素点云展开深度图像中环缝的智能识别与精确提取。 ⑥ 提出了局部相对变形波动值的概念,实现了线状结构局部相对变形提取及定位,为线状隧道结构的横向与垂向局部相对变形检测与分析提供了一种全新的方法。利用移动小车的高精度惯导相对精度高的特点,提出了局部相对变形波动值的概念,局部波动值可以描述线状结构的局部波动性变化;采用小波和维格纳-威尔分布分析方法,实现了从地铁线状结构波动值中提取及定位局部相对变形,为线状隧道结构的横向与垂向局部相对变形监测与检测提供了一种全新的方法。 2.2技术经济指标 ①研发的测量机器人自动化软、硬件系统稳定可靠,故障率低。硬件集成控制盒体积小巧,便于安装运输,软件系统操作简单,设置灵活,全自动化运行,数据可实时传输,系统可远程控制,可实现亚毫米级的监测精度,是地铁自动化监测的优选系统。 ②研制移动扫描检测轨道小车集成了高精度扫描仪、里程计、2D激光传感器、高精度惯导多种传感器,实现了地铁隧道表面多源数据的快速动态采集,断面收敛检测精度优于±2mm,错台检测精度优于±1mm,轨迹动态解算精度优于±5mm,轨距及磨耗检测精度优于±0.2mm。 ③研发的隧道扫描数据地铁病害检测软件智能化程度高,可批量自动化提取隧道结构横断面椭圆度与水平直径、盾构管片错台、地铁限界、轨距、轨道磨耗等地铁病害检测成果,可输出统计表格及图形成果。 ④项目成果在国内大型城市的地铁运营监测中等得到广泛推广应用,武汉大学测绘学院和中铁第六勘察设计院集团有限公司承接的地铁运营自动化监测及检测项目总经费达24174.09567万元。 2.3授权专利情况 申请发明专利4项,获得软件著作权7项。 2.4应用推广及效益情况 项目承担单位利用项目研究成果在广州、深圳、北京、重庆、天津、武汉、西安、郑州、沈阳、长春、大连、杭州、南宁等诸多大型城市承接约90项地铁运营期自动化监测及检测工程项目,项目总经费超2.4亿元,取得了巨大的经济效益和社会效益。