在自动监测机器人眼里 安全的隧道这么美

如今，地铁已经成为现代城市的交通命脉，其安全性直接关系到广大乘客的生命安全，时刻受到全社会的高度关注。但因城市建设的需要，不可避免的会在已建地铁隧道附近进行各种各样的施工活动，其中包括建筑基坑的开挖，因此，地铁隧道的结构安全监测至关重要。

随着科学技术的发展，自动化监测、智能监测已经成为有效控制隧道施工安全、运营安全的重要手段和发展方向。尤其是在光线昏暗、能见度低的隧道之内，人们肉眼看到是漫长、黑暗、冰冷，仿佛永无止境；而通过监测机器人、三维激光激光扫描等技术，我们可以通过多种视角，直观地看到隧道的三维情况，了解各监测点的变形数据。与此同时，我们在监控显示器中看到的不仅是带有温暖颜色的隧道，更能感受到一份稳稳的安全。

自动化监测系统构成

自动化监测系统由五部分组成：测量机器人、监测站、控制计算机房、基准点和变形观测点。远程计算机通过因特网控制中继站计算机，可远程监视和控制监测系统的运行。系统在无须操作人员干预条件下，实现自动观测、记录、处理、存储、变形量报表编制和变形趋势显示等功能。下面分别予以介绍监测系统的组成：

1.测量机器人

由徕卡公司推出的TS（TM）系列全站仪，是采用马达驱动和软件控制的TPS系统，它是智能型全站仪结合激光、通讯及CCD技术，集自动目标识别、自动照准、自动测角、自动测距、自动跟踪目标、遥控、自动记录数据于一体的测量系统。TCA、TS系列智能全站仪又称“测量机器人”，它以其独特的智能化、自动化性能应用于地铁变形监测中，使用户轻松自如地获取变形观测数据，及时进行监测预报。

图1 监测设备

2.监测站

根据现场条件，选择自动变形监测系统的监测站。监测站需在隧道壁上架设观测装置，安置测量机器人，并保证有较好的通视条件。监测站应配备监测通讯模块、不间断UPS电源、气象感应器。进行观测时，监测站接受来自控制中心的指令自动开启仪器进行监测，并将监测数据通过互联网实时传输回控制中心，控制中心根据监测质量发出指令进行重测或补测。同时监测站的气象感应器能实时感应气温、气压、湿度，并将感应数据传输到控制中心，以便控制中心，进行数据的改算、修正。

远程通讯模块组成如图2所示。

图2 远程通讯模块组成

3.控制计算机房

控制计算机房一般选设在办公室，有较好的供电，能够和互联网相连等条件。机房内的计算机通过互联网和监测站全站仪相联。在控制机房通过互联网和通讯模块相连，能实时了解监测站全站仪的运行情况。

控制计算机房是本系统的控制中心，通过互联网和全站仪连接，利用安装在计算机中的系统控制软件，实现整个监测过程的全自动化。控制软件采用GeoMoS Monitor5.1智能全站仪自动变形监测软件，根据用户设置的每天各周期测量开始时间、监测顺序、监测方法，自动启动测量过程。

图3 监测控制中心

4.基准点

基准点必须设在变形区以外，并且要满足观测精度的要求。故在变形区域外的地方埋设至少三个稳定的基准点。一般用徕卡圆棱镜作为基准点标志，将棱镜固定在基坑影响范围外的隧道壁上。

5.变形观测点

根据实际需要，在地铁隧道变形区域内，每隔若干距离布设一个观测断面，观测断面上的每个观测点上安置一个对准监测站的L形棱镜。

图4 隧道内变形布设示意图（右图中黄色光点为棱镜）

自动化监测的实现

首先在隧道内布设好基准网、变形观测点、监测站，调试好通讯网络，各模块和子系统工作正常后即可开始工作。首先由远程计算机通过互联网向监测站发出指令，监测站接受指令后依次进行基准点稳定性监测和变形点监测，并将监测数据和气象感应数据传回控制计算机，数据处理系统自动将监测数据进行改正，并判断监测数据质量。如质量合格结束观测，监测数据质量不合格发出指令进行重测和补测。

自动监测系统的实现如图5所示：

图5 自动监测系统工作示意图

三维激光扫描技术

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术。它是利用激光测距的原理，记录被测物体表面大量密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息。结合计算机视觉与图像处理技术，将其扫描结果直接显示为点云，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉。因此，三维扫描技术在测绘领域被誉为“继GPS技术之后的一次技术革命”。

图6 徕卡超高速三维激光扫描仪

作为测绘领域里的高新技术，三维激光扫描技术已经广泛应用于文物保护、城市建筑测量、地形测绘、采矿业、变形监测、管道设计、飞机船舶制造、公路铁路建设、隧道工程、桥梁改建等领域。地铁集团引进这项技术，目的是为了更好地了解隧道的现状信息，判断隧道的健康状况，从而确保地铁隧道的安全运营。

三维激光扫描的应用有以下特点：

1.隧道扫描结果可以记录隧道的真实状态，直观地展现隧道三维情况，通过多种视角的呈现，给人身临其境的感觉。

图7 深圳市地铁1号线某区段扫描结果整体视角

图8 深圳市地铁1号线某区段扫描结果整体视角

2.可以记录隧道的缺陷信息，并可以进行量化，如标注渗水区域或破损区域的面积等。

3.通过扫描隧道结构获得的点云信息，与隧道设计值进行比较，可以得知隧道结构与设计图纸的偏差。通过对比不同时期的两次隧道扫描结果，也可以得知隧道结构在此期间的变形情况。

4.利用三维点云图可以直观展示隧道监测点的变形数据——利用三维点云图作为数据载体，可直观显示各个监测点的变形数据。

图9 各监测点的变形数据

5.三维点云数据可发布为浏览器格式，即使没有专业软件，也可以进行信息查询。

在地铁自动监测系统中融入更加智能的三维激光扫描技术，使得地铁自动监测系统更加精准和高效，进一步确保了地铁的施工安全与运营安全。

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