自动化监测怎么搞？实例借鉴深圳地铁的经验！

深圳地铁目前已运营线路有8条，总长约304.3公里，日均客流去年突破662万人次，占整个公交出行的比例达到了60%，当然，近期受疫情影响，每天的客流量大约只有250多万人次，还不到平时的一半。目前深圳在建的地铁有17条线段，总里程321.88公里，其中今年将要陆续投入运营的有7条线段，约107公里。

深圳地铁的密度在全国是比较靠前的，深圳只有2200多平方公里，在2035年之前要建成33条线1335公里的地铁，密度之大，可以想见。如此大密度的地铁线路，为了确保地铁安全，在建设期和运营期有三种情况需要进行自动化监测：

1、新建地铁线路上跨、下穿、平行近接既有运营地铁线路时，要对既有线路进行自动化监测。

2、在既有运营地铁安保区范围内进行各种施工的时候，比如基坑开挖、桩基施工、修建道路立交等等，要对既有线路进行自动化监测。

3、运营地铁隧道受外部影响已经严重变形，需要对隧道结构紧急修复时要对既有地铁隧道进行自动化变形监测，这种情况往往对监测点的密度和监测频率还要求更高。

一、深圳地铁自动化监测采用三种比较成熟、应用程度较高的技术

1、测量机器人技术

测量机器人，采用马达驱动和软件控制的TPS（Total station Positioning system）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。俗称“测量机器人”，测角精度达到0.5″，测距精度为0.6mm+1ppm。

测量机器人、基准点、监测点，再加上数据传输系统和后台控制分析系统，一共5个部分构成了整个测量机器人自动化监测系统，系统经过设置以后可以自动开始工作，在无需操作人员干预的条件下，可以实现自动观测、记录、处理、存储、变形量报表编制和变形趋势显示等功能。

采用这种监测技术，有以下一些特点：

（1）精度高，精度更高可达0.5mm。

（2）可单台监测，也可多台组网联测。

（3）可选用相对坐标系也可采用坐标系，可监测隧道的变形量。

（4）自动化程度高，全天均可进行监测。

（5）实时性较差，单台仪器最快要半小时左右才能给出监测结果。

（6）仪器价格高，维护成本高。

2、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的密集点的三维坐标、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（pointcloud：无数的点以测量的规则在计算机里呈现物体的结果），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”。

作为测绘领域高新技术，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。

深圳市政院将三维激光扫描技术应用到深圳地铁监测当中，应用效果非常好，正是在我们的推动下，深圳地铁集团已经把三维激光扫描作为地铁安全保护区监测必做的项目之一。

三维激光扫描在地铁隧道的监测中，可以起到以下五个方面的作用：

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

（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；

（5）三维点云数据可发布为IE浏览器格式，即使没有专业软件，也可以进行信息查询。

三维激光扫描技术具有如下几大特点：

（1）扫描速度快，成果直观，信息丰富，点云数据用途广。

（2）操作方便，可摆站扫描，也可移动扫描。

（3）可选用相对坐标系也可采用坐标系，可监测隧道的变形量。

（4）不能进行自动化扫描，只能在地铁停运后进行人工扫描。

（5）精度稍低，一般在3~5mm。

（6）仪器价格高。

3、隧道收敛实时监测技术

深圳市政院自行研发了一套运营隧道收敛实时监测系统（已经获得2项实用新型专利），这套系统包括四个部分：

一是激光测距仪主机，它用于测量隧道断面的宽度；

二是控制与传输设备，用于接收远程指令控制激光测距仪并自动发送数据至远程数据服务器；

三是数据服务器，用于存储与管理数据；

四应用端控制分析软件，用于发送控制指令及数据分析显示。

其中，激光测距仪和控制与传输设备可形成一体，传输数据采用移动2G/3G/4G信号，应用端控制分析软件可安装在电脑或手机上。可通过手机访问显示实时监测数据，更高5秒钟采集一次数据，特别是在注浆加固期间非常实用，可及时指导注浆参数的调整。

隧道收敛实时监测技术的特点：

（1）实时性非常强，更高5秒钟监测并反馈一次数据。

（2）安装方便，使用方便，可在手机端控制并观察监测数据。

（3）能全天候进行自动化监测。

（4）价格便宜，维护成本低。

（5）精度中等，一般在1~2mm，满足收敛监测要求。

（6）只能选用相对坐标系，监测隧道的相对变形。

二、深圳市政院在地铁隧道监测方面的业绩和成果

1、业绩及案例

深圳市政院自2009年开始，先后承担了120多项地铁自动化监测项目，监测项目合同额累计超过4亿元。举几个典型例子：

（1）2009年，深圳地铁2号线东延线燕大区间盾构下穿1号线大科区间自动化监测，是深圳地铁次采用自动化监测技术指导新建地铁下穿既有地铁的项目，正是这个项目取得的成功开启了深圳地铁大规模采用监测机器人技术进行自动化监测的大门。

（2）深圳地铁7、11号线同时开工，共有18处上跨、下穿以及平行近接既有线的情况需要进行自动化监测，是深圳全线采用自动化监测技术指导地铁施工，确保了施工及地铁运营安全，也为深圳地铁7、11号线的按时开通提供了保障。

（3）深圳地铁1号线前海湾至鲤鱼门区间隧道，位于深圳前海软土地区，受周边施工影响，沉降达到了近80mm，隧道管片破损严重，需要进行紧急维修加固，在这个项目中引进了三维激光扫描和隧道收敛监测技术，并且布点断面间距达到了1.5米的超小间距，每隔25米布置1台监测机器人进行组网联测。

（4）前海双界河路市政工程项目，横跨深圳地铁1、5、11号线三条线路6条主隧道及2条出入段线，是对地铁影响更大的工程项目，一共投入了14台监测机器人。

2、获奖情况

自2012年以来，深圳市政院每年都有地铁自动化监测项目获得深圳市、广东省以及全国的工程勘察奖和测绘工程奖，目前累计已有22项。其中：

（1）《深圳市轨道交通7、11号线工程自动化监测》项目获得2016年全国工程测绘奖金奖，是所有金奖项目中的自动化监测项目。

（2）《听海大道及地下空间单项工程地铁隧道自动化监测和基坑第三方监测》获2019年全国工程勘察设计一等奖。

3、知识产权

（1）取得2项实用新型专利。（2）在监测软件开发方面，市政院积极投入，和武汉大学等单位合作，取得了2项软件著作权。

三、地铁自动化监测技术未来发展展望

（一）在现场监测技术方面，我认为有四个发展方向：

1、以南京大学施斌教授为主导的分布式光纤光栅技术，它可以对隧道结构的应力、应变、温度等进行实时监测，可提前预测结构变形趋势。（需要预埋）

2、以武汉大学张祖勋院士为主导的近景摄影测量技术，可以在隧道内固定点位安装或采用移动方式进行监测，它可以对隧道内任何点位进行监测，实现监测的全覆盖。

3、以深圳大学李清泉校长和国防科技大学于起峰院士（已调至深圳大学）为主导的地铁轨道沉降快速检测与CPIII控制网快速复测技术，这种技术可以实现车载快速监测。

4、5G技术的推广带来数据传输速度加快，对传输速度有极高要求的三维激光扫描技术有望实现实时监测。

（二）监测信息分析技术的发展方向

1、与BIM技术结合，如能采用基坑、隧道、车站等BIM模型作为监测数据的载体，能将监测数据与实际的监测对象、监测位置紧密结合进行展现，可以更直观地对监测数据进行把控。

2、与数值模拟技术结合，将监测到的参数实时输入数值模拟模型，实时反馈数值模拟结果，根据结果进行预警，提高综合预警能力和准确性。

3、利用大数据技术和AI技术进行智能预警，从自动监测预警的层次提升到智能监测预警的层次。

（此文根据深圳市市政设计研究院有限公司勘测院副院长余海忠在RT轨道交通约见轨道界第四期线上直播活动上的发言稿整理。）