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【52監(jiān)測網(wǎng)】第94期 軌道交通智能監(jiān)測關鍵技術
 52監(jiān)測網(wǎng)專家報告分享-第94期 軌道交通智能監(jiān)測關鍵技術 任曉春 軌道交通工程信息化國家重點實驗室（中鐵一院） 目錄 背景與現(xiàn)狀 監(jiān)測新技術 展望 內(nèi)容介紹 一、 背景與現(xiàn)狀 1.1監(jiān)測背景與重要性
軌道交通發(fā)展迅速 ? 近幾十年來中國城市的地鐵建設進入了快車道，中國國內(nèi)各城市建設的地鐵總里程近4600公里，近10年間翻了4倍，且仍在加速增長。 ? 《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》：到2020年，鐵路網(wǎng)規(guī)模達到15萬公里，其中高速鐵路3萬公里，覆蓋80%以上的大城市。到2025年，鐵路網(wǎng)規(guī)模達到17.5萬公里左右，其中高速鐵路3.8萬公里左右。 軌道交通安全監(jiān)測重要性尤為突出 地鐵與隧道累計總里程近9000公里，預期在未來還會快速增長，地下施工需求巨大，施工安全監(jiān)測工作重要更為突出。
1.2安全監(jiān)測背景與重要性 工程施工事故頻發(fā)，造成巨大經(jīng)濟損失和人員傷亡
運營期病害與災害，造成經(jīng)濟損失，對軌道交通的安全運行構成嚴重威脅
1.3監(jiān)測的內(nèi)容 施工安全監(jiān)測：樁頂位移、樁體位移、支撐軸力、地表沉降、支護結構變形、結構內(nèi)應力、土體位移、地下水位。 運營健康監(jiān)測：軌道健康監(jiān)測、橋梁健康監(jiān)測、建筑結構健康監(jiān)測、隧道健康監(jiān)測、路基健康監(jiān)測… 周邊環(huán)境監(jiān)測：氣象環(huán)境監(jiān)測、自然災害監(jiān)測、空氣環(huán)境監(jiān)測、河流水文監(jiān)測、地面震動監(jiān)測… 1.4安全監(jiān)測的內(nèi)容 監(jiān)測的三種模式： ? 絕對變化量監(jiān)測——監(jiān)測點自身的形變量 ? 相對變化量監(jiān)測——監(jiān)測點之間的相對變化量 ? 姿態(tài)變化量監(jiān)測——構筑物相對于空間參考系自身的姿態(tài)變化量
1.5進行的研究工作 近期承擔的科研項目
二、 監(jiān)測新技術 2.1基于北斗的監(jiān)測 ◇ 北斗監(jiān)測-GNSS定位原理
◇ 北斗監(jiān)測-RTK與網(wǎng)絡RTK RTK：采用EKF濾波；工作頻率至多20HZ；毫米級精度；作用范圍15KM以內(nèi) 網(wǎng)絡RTK：作用范圍擴大至50-100KM
◇ 北斗監(jiān)測-PPP與PPP-RTK PPP：采用EKF濾波；收斂時間較長約30min；厘米級精度；作用范圍不限 PPP-RTK：收斂時間大幅縮短
監(jiān)測站以嵌入式處理器為核心，集成GNSS板卡和4G全網(wǎng)通移動通信模塊，采用7頻3星GNSS天線，一體化野外觀測墩結構設計及太陽能供電系統(tǒng)，可以實現(xiàn)野外持續(xù)陰雨天氣環(huán)境下連續(xù)7*24小時不間斷的毫米級變形精度的可靠監(jiān)測和預警。
◇ 北斗監(jiān)測-高精度解算 主要數(shù)據(jù)處理技術：實時周跳處理技術；接收機天線相位中心改正技術；多路徑誤差消弱技術；高精度空間誤差建模和改正技術；Kalman濾波參數(shù)估計技術；粗差控制方法
1）實時周跳、粗差處理技術： 周跳的產(chǎn)生中斷了高精度載波觀測值跟蹤弧段的連續(xù)性，而一周的周跳在載波上將產(chǎn)生約10cm的偏差。采用改進的TECR（Total Electron Content Rate）+MW方法，利用電離層變化率和寬巷組合進行實時周跳探測。
2）接收機天線相位中心改正技術 ? 對于同一型號的接收機天線相位中心偏差可以通過天線定向的方式進行差分消除。 ? 對于不同型號的接收機天線相位中心，則需要使用模型改正。
3）多路徑誤差消弱技術 通過算法改善多路徑誤差主要通過數(shù)據(jù)后處理利用多路徑誤差特性建立數(shù)學模型進行削弱，主要方法有：信噪比法、反射信號計算法、滑動平均法、多路徑誤差重復性法。
4）多源數(shù)據(jù)高時空分辨率全球電離層延遲精化模型 如何確定最優(yōu)的數(shù)學模型和數(shù)據(jù)處理方法是有效融合多源數(shù)據(jù)獲取高精度電離層模型的關鍵難題，其中包括各類數(shù)據(jù)的基準統(tǒng)一、在融合中的權比、精度評估等。
? 建立目前全球精度最優(yōu)的對流層經(jīng)驗模型，使得用戶直接根據(jù)自己的所在的位置即可獲得高精度的對流層延遲改正。 ? 建立全球精度最優(yōu)的基于氣象參數(shù)的對流層延遲模型，在獲取用戶所在地區(qū)的氣象參數(shù)以后即可計算出高精度的對流層延遲改正。 ? 建立相關的增強服務系統(tǒng)，當用戶位于GNSS 跟蹤站網(wǎng)覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)，能夠全自動化、穩(wěn)定地為用戶提供最高精度的對流層延遲增強服務。
觀測精度隨著觀測時間的增加而提高，在形變監(jiān)測應用中，其實是響應時間和測量精度的權衡，應根據(jù)具體地質(zhì)環(huán)境、工程狀態(tài)、天氣因素等綜合考慮，選取合適的方案。
◇ 北斗監(jiān)測-工程應用范圍
◇ 北斗監(jiān)測-橋梁監(jiān)測應用
2.2三維激光掃描監(jiān)測技術 ? 三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，它通過激光掃描測量方法快速獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù)及其他關鍵信息。 ? 三維激光掃描技術以其突破了常規(guī)測量的單點采集模式，具有非接觸、效率高等優(yōu)勢，為軌道交通監(jiān)控測量提供了一種新的思路和技術手段。
軌道交通移動三維激光掃描系統(tǒng)通過在軌道移動平臺上搭載激光掃描儀及多類傳感器獲取被測目標的高精度、高密度激光點云數(shù)據(jù)和實景影像數(shù)據(jù)。
◇ 三維激光掃描監(jiān)測技術-應用范圍 既有線復測、軌道電氣化改造、地鐵隧道檢測、有軌電車軌道測量、三維建模、高鐵無咋軌道測量 ◇ 三維激光掃描監(jiān)測技術-關鍵技術
多傳感器時空同步控制、多傳感器標定、組合定位定姿、多源數(shù)據(jù)融合、海量數(shù)據(jù)處理技術 關鍵技術1 ：多傳感器時空同步控制技術 主動、被動和授時三種傳感器同步控制方法，將傳感器采樣時刻數(shù)據(jù)與采樣數(shù)據(jù)精確關聯(lián)。
關鍵技術2：多傳感器標定技術 高精度移動測量系統(tǒng)需要獲取精確的標定參數(shù)，通過研究多傳感器之間的坐標參數(shù)轉(zhuǎn)換關系，建立嚴密的數(shù)學模型，以室內(nèi)外標定場為依據(jù)，設計科學的標定方法，實現(xiàn)設備標定參數(shù)的自動化解算。
關鍵技術3：組合定位定姿技術
關鍵技術4：多源數(shù)據(jù)融合技術 ? 多源數(shù)據(jù)融合是指將多個傳感器采集的數(shù)據(jù)按照時間整合后，再進行空間坐標變換，實現(xiàn)統(tǒng)一坐標系下的一致性描述。 ? 該技術可快速獲取高密集、高精度的激光點云數(shù)據(jù)，并同步獲取與點云高精度匹配的數(shù)碼照片。 關鍵技術5：海量數(shù)據(jù)處理技術
海量數(shù)據(jù)存儲管理——移動測量系統(tǒng)的各傳感器，特別是激光傳感器和圖像傳感器，獲取的點云數(shù)據(jù)是海量的。
特征數(shù)據(jù)自動提取——基于現(xiàn)有海量點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)特征對象自動化提取分析，得到符合應用要求的標準化成果數(shù)據(jù)。 ◇ 三維激光掃描監(jiān)測—線路復測 控制網(wǎng)復測、線形測量、線路周邊地形測量、路基、隧道斷面測量、接觸網(wǎng)、信號機等臺賬更新 線路復測1：基于靶標控制網(wǎng)的高精度點云獲取
線路復測2：基于高精度點云的軌道線形提取
◇ 三維激光掃描監(jiān)測—軌道檢測 ? 扣件基本功能→保證列車運營安全 保持軌距；防止鋼軌爬行；增大軌道框架剛度；提供彈性；提供軌道絕緣 ? 扣件失效→增大列車動態(tài)脫軌系數(shù) 改變鋼軌的彈性和剛性；改變軌道軌距、平順度 ? 扣件失效主要表現(xiàn)： 扣件缺失；彈條斷裂；緊固螺栓松動等 ◇ 三維激光掃描監(jiān)測—隧道監(jiān)測 隧道收斂直徑圖、隧道斷面分析、管片錯臺分析、隧道限界檢測、隧道深度圖、隧道病害檢測 ? 隧道灰度影像圖：利用采集的高精度激光點云數(shù)據(jù)，按照地鐵隧道標準進行點云投影，得到隧道壁正射灰度影像。 利用得到的灰度影像進行環(huán)片自動識別，之后以環(huán)片為單元進行水平直徑收斂分析，斷面分析，錯臺分析、病害檢測等等。
? 利用高精度斷面點云數(shù)據(jù)進行隧道橫斷面分析，得到橫斷面超限狀況，并輸出橫斷面分析報告
? 利用高精度斷面點云數(shù)據(jù)進行隧道環(huán)片錯臺分析，得到管片錯臺狀況。
? 鐵路限界是以鐵路車輛的輪廓尺寸和車輛有關技術參數(shù)，運行動力性能，再考慮線路特性、施工方法、設備安裝誤差，按照相關標準計算確定出來的。 主要分為車輛限界、設備限界、建筑限界、接觸網(wǎng)限界。其中接觸網(wǎng)限界屬于輔助限界。
? 隧道深度圖：利用采集的高精度激光點云數(shù)據(jù)生成隧道壁形變深度影像，用以進行隧道形變掉塊等病害檢測等。
? 基于灰度影像進行滲水等病害檢測工作，檢測出相關病害成果如下。
2.3基于高精度傳感器的結構監(jiān)測 工程施工監(jiān)測，采用多類型的感知器件，如：土體位移傳感器、結構沉降傳感器、3D結構變形傳感器等。近年來，傳感器技術不斷發(fā)展，類型越來越多、精度越來越高。基于多源數(shù)據(jù)融合的高精度監(jiān)測算法成為當前研究的熱點問題。 多源海量測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)預處理技術研究
◇ 數(shù)據(jù)預處理技術（異常檢測） 基于3σ的異常檢測
通過3σ異常值檢測方法對原始監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理后，原始數(shù)據(jù)中的異常突變值被準確地識別出來，同時去除異常值后的數(shù)據(jù)序列較原始數(shù)據(jù)序列的變化曲線沒有較明顯的突變現(xiàn)象，整體變化趨勢比較平滑。 該方法準確檢測出了異常點位置并將異常值剔除，表明了該異常值檢測方法的準確性。實驗結果表明對于采樣頻率高、采樣時間較長的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)采用3σ 準則進行數(shù)據(jù)處理準確性較高。 ◇ 數(shù)據(jù)預處理技術（降噪） 基于EMD分解的降噪模型
因此通過對比不同子分量與原始信號的相關性，最終選取后7層的信號分量進行疊加重構作為濾波后的信號EMD降噪基于信號的本身時間尺度對其進行分解 ◇ 數(shù)據(jù)預處理（缺失數(shù)據(jù)補全） 基于矩陣低秩分解的數(shù)據(jù)補全
三、展望 基于項目的安全監(jiān)測系統(tǒng)：每個項目需建立一個單獨的服務器，各類監(jiān)測系統(tǒng)彼此獨立，存在數(shù)據(jù)孤島問題，沒有大數(shù)據(jù)分析能力。 基于傳統(tǒng)云架構的安全監(jiān)測系統(tǒng)：網(wǎng)絡傳輸負載重；大多采用集中式模型，延遲較高；邊緣設備處理能力弱；未充分利用大數(shù)據(jù)進行分析。 必需采用云-邊-端一體化架構，引入邊緣計算、“智能”終端和云平臺數(shù)據(jù)分析的手段。
監(jiān)測大數(shù)據(jù)分析 大數(shù)據(jù)采集——新一代傳感器技術，獲取更多高精度監(jiān)測數(shù)據(jù): 鋼軌，扣件，枕木，道床，隧道，橋梁的全生命周期信息采集。 大數(shù)據(jù)分析——面向多源、異構、海量的數(shù)據(jù)，基于大數(shù)據(jù)技術合理、快速、精確地進行數(shù)據(jù)分析。 智慧決策——整合檢測數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)，綜合分析，從時空維度深入挖掘，預測狀態(tài)變化趨勢，輔助決策。
《軌道交通智能監(jiān)測關鍵技術》 任曉春 軌道交通工程信息化國家重點實驗室（中鐵一院） |
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