武汉地铁建设环境安全监测及预警系统的研究

王德利， 胡洪军， 褚 为

1新疆煤田地质局161队（830000） 2中国中铁电气化局集团（100036）3中国地质大学（武汉）工程学院（430074）

1 系统建设必要性

随着城市化进程的加快，大量流动人口涌进城市，人员出行和物资交流频繁，使城市交通面临着严峻的局势，我国各大城市普遍存在道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象。如何解决城市交通问题已成为市民普遍关注的焦点。为了缓解与改善此局面,不是仅仅靠拓宽马路就能解决问题的。合理利用城市有限土地资源，拓展空间利用条件，积极引入大中客运量地铁和轻轨交通方式，已是必然趋势。

2004年，线长约10 km轻轨在汉口通车，将武汉带入地铁时代。2006年11月，贯穿汉口到武昌的地铁2号线正式开工建设。不算之前的轻轨，武汉是内地第10个建设地铁的城市。目前，武汉已经进入地铁工程的“高峰期”。由图1所示可知,武汉市地铁线网由3条市域快线、9条市区线路构成，线路全长530 km，设站309座，其建设规模已经超过法国巴黎500 km的地铁规模。但武汉地铁建设地质条件复杂，主要表现在以下几个方面:1）瓦斯高；2）地铁建造中的水压问题；3）汉口武昌地质条件差异问题。并且，地铁建设往往处于城区繁华区域，沿线建（构）筑物密布、历史文物建筑集中，地下管线设施极其复杂等。

这些因素决定在武汉地铁建设过程中及完成后,必须开展施工监测工作。上海、广州、杭州等地铁事故教训已证明这项工作的重要性。综合现代科技，研制对施工信息进行实时监测、识别、评估及预警为一体的自动化技术，是有效解决地铁事故的先进手段，具有重大意义。

2 系统建设目标

依据地铁设计文件和国家及行业有关规范、结合武汉地铁实际情况,该系统的建设应能满足武汉地铁工程任务的要求，并能够满足工程运行及自动化水平的需要。其目标主要有:

1）在武汉地铁施工期和运行期进行安全监测和安全监控。

2）信息实时采集、传输均实现自动化。

3）对自动采集的各类监测资料以及与安全决策有关的设计、施工资料，以及分析方法、专家知识与经验进行处理和管理[1]。

4）通过检测，掌握施工期间及运营后基坑、支护结构与周边环境的动态变化,明确影响程度及可能产生的安全事故的薄弱环节，验证施工方案的合理性。

5）及时评估和分析环境安全风险水平和趋势，对可能出现的地铁事故进行预测和提出处理建议，并实现远程操控。

6）积累资料，为今后类似工程或工法本身的发展提供借鉴，并为地铁运营后的养护与维护提供可靠的原始数据。

3 系统原理与特点

地铁建设安全监测与预警系统全面运用虚拟仪器技术，利用高性能的模块化数据采集硬件完成监测要素的自动采集，结合高效灵活的软件对数据进行分析处理，通过无线传送技术完成实时监测数据的传输过程,并且在网络上发布观测数据，具有实时数据显示、历史数据查看、地铁事故报警等功能，详见图2所示。系统软件部分可采用LabVIEW编写,它是一种基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具，利用它，设计者可以像堆积木一样，轻松组建一个测量系统和构造自己的仪器面板,而无需进行任何繁琐的计算机代码的编写[2]。

4 系统总体结构

地铁建设安全监测及预警工作涉及多个学科，如土力学、流体力学、仪器仪表、计算机技术、自动化技术、数值分析、系统科学与远程通讯等，具有很强的综合性，实际上是一个典型的系统工程。该系统由以下几个子系统构成。

4.1 监测子系统

其功能是通过不同的方式和不同的仪器,从各方面自动采集监测数据和资料。所需监测项目包括位移测量、角度测量、力的测量、强度测量等，详见图3所示。

该系统需要考虑信息的采集频率、采集精度和采集点等问题，遵循成本低、精度高、布设合理的原则。

4.2 数据接收与处理子系统

该子系统具备实施数据接收、处理和对监测子系统监控的功能，对接收到的监测数据进行检查、转换、纠错、插补、分类等工作，建立数据库，提供信息查询、输出、打印、发布、交换等功能[3]。该子系统采用图形化编程语言LabVIEW进行开发，便捷轻松，并且具有强大的Internet功能。

4.3 数据库子系统

数据库子系统是监测与预警系统的“仓库”[4]，负责其它子系统对数据的管理和应用，满足各子系统对数据的采集、存储、检查、查询、统计、分析及评估报警等多方面的功能要求。数据库内容包括工程概况数据库、原始数据库、监测和分析数据库、分析结果和报告数据库。

4.4 模型库子系统

模型库子系统可以描述监测数据在数据库子系统中的结构和数据操作方法，与数据库子系统相结合，将大大提高系统预警决策能力，包括统计学模型、决定论模型、信息理论模型、模糊判别预测模型、灰色预测模型等。

4.5 通信子系统

该子系统设计时需要选择通信方式，可采用超短波、卫星、GPRS、GSM等一项或多项组网，上述通信方式各有优缺点，应结合工程实际情况，在保证通信质量的前提下，设计成本较低，结构较简单，工作性能较稳定的通信方案。

各个子系统间的指令传输方式 （即工作体制）有自报式、应答式及混合式三种，根据系统功能要求、电源等特点，应采用应答式或混合式工作体制。

4.6 远程监控子系统

LabVIEW软件不仅测量功能强大,而且也具有强大的通信功能，利用NI的TCP网络通信方式[5]，可以将现场监测数据实现TCP/IP协议，使数据采集与传输都能在Internet上进行，从而使系统拥有一个一体的网络平台,以实现远程监控。

该子系统能够实现工作人员在远离工程现场的办公室里，便可通过浏览网页来获取或查询实时监测数据，并进行相关操作。

4.7 预警子系统

预警子系统功能为预报可能发生的地铁事故,提出处理方案和应急措施。预警内容包括要素越限（位移、强度等采集要素越过某一规定数值）、供电不足、设备事故报警，当出现上述情况时，该系统选用屏幕显示、声、光等报警方式进行报警，并提示事故方位等信息[6]。

5 结语

目前，国内检测与预警系统研究主要集中在水利水电、大坝、桥梁等领域，地铁方向研究相对较少。本文根据武汉地铁工程现状,对一套适用于地铁建设的环境安全监测与预警系统进行了初步研究。该系统具有以下几个优点:

1）采用LabVIEW完成系统软件设计，开发周期短，界面友好，工作稳定，且成本较低。

2）实现远程监控技术，工作人员可以随时随地查询现场监测数据，以及操作现场仪器，达到资源共享的目的。

3）采用无线通信方式，不存在线路光缆布置问题，符合地下工程（地铁工程）特点，布网不受现场条件限制。

4）该系统能够在第一时间掌握地铁工程运行状况，实时采集监测数据，及时预测安全风险水平和趋势，将安全事故消灭于萌芽状态，对武汉及全国其他城市地铁建设具有重大现实意义。

[1] 王德厚.大坝安全监测与监控[M].中国水利水电出版社,2004

[2] 刘君华,贾惠芹,丁晖等.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M].西安电子科技大学出版社,2001

[3] 水利部水利水电规划设计总院.中水东北勘测设计研究有限责任公司.水利水电工程水文自动测报系统设计手册[M].第一版，2008（45）

[4] 李娜,冷俊,梁柱等.深港西部通道深圳湾大桥结构健康及安全监控预警系统概述[J].公路,2009,(5):186

[5] 李文娟,韩福强.基于LabVIEW的排水泵站远程监控系统[J].工程技术,2009,(9):162

[6] 郎禄平.建筑自动消防工程[M].中国建材工业出版社,2006