GNSS在地铁沿线保护区安全监测中的应用_李凯.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 1.0 3 2G N S S在地铁沿线保护区安全监测中的应用李 凯1,韩 鹏1,吴 屾1,罗 杰1,李绿洲1,甘沁霖2(1.武汉地铁运营有限公司,武汉4 3 0 0 0 0;2.武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉4 3 0 0 7 0)摘 要:在地铁施工和运营过程中,地铁保护区的安全问题一直备受关注,如何智能、高效地实现地铁保护区自动化安全监测成为亟需解决的问题。GN S S(G l o b a lN a v i g a t i o nS a t e l l i t eS y s t e m,简称GN S S)全球导航卫星系统长期以来以其全天候、高精度、大范围、易于实现自动化等优点,成为变形监测领域一项重要的技术手段,获得了迅速地发展和广泛的应用,然而G N S S在地铁保护区监测的应用案例尚不多见。论文系统阐述了地铁保护区GN S S监测的模式选择、系统设计、监测点布设与施工、数据处理等关键技术流程,测试结果表明地铁保护区GN S S监测精度平面和高程均可达到毫米量级。关键词:地铁保护区;监测点布设;G N S S解算;D C算法A p p l i c a t i o no fG N S S i nS a f e t yM o n i t o r i n go fP r o t e c t i o nA r e a sA l o n g t h eS u b w a yL IK a i1,HAN P e n g1,WUS h e n1,L U OJ i e1,L IL v-z h o u1,G ANQ i n-l i n2(1.W u h a nM e t r oO p e r a t i o nC o,L t d,W u h a n4 3 0 0 0 0,C h i n a;2.S c h o o l o fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n4 3 0 0 7 0,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h ep r o c e s so f s u b w a yc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n,t h e s a f e t yo f s u b w a yr e s e r v eh a sb e e np a i dm u c ha t-t e n t i o n.H o wt o i n t e l l i g e n t l ya n de f f i c i e n t l yr e a l i z e t h e a u t o m a t i c s a f e t ym o n i t o r i n go f s u b w a y r e s e r v eh a sb e c o m e a nu r-g e n tp r o b l e mt ob e s o l v e d.F o r a l o n g t i m e,GN S S(G l o b a lN a v i g a t i o nS a t e l l i t eS y s t e m)h a sb e c o m e a n i m p o r t a n t t e c h n i-c a lm e a n s i nt h e f i e l do f d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gw i t h i t sa d v a n t a g e so f a l l-w e a t h e r,h i g hp r e c i s i o n,l a r g e r a n g e a n de a s ya u t o m a t i o n.I th a so b t a i n e d r a p i dd e v e l o p m e n t a n dw i d e a p p l i c a t i o n.H o w e v e r,t h e r e a r e f e wa p p l i c a t i o nc a s e so fGN S S i nM e t r or e s e r v em o n i t o r i n g.T h i sp a p e r s y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d s t h ek e y t e c h n i c a l p r o c e s s e so fGN S Sm o n i t o r i n g i nM e t r or e s e r v e,s u c ha sm o d e s e l e c t i o n,s y s t e md e s i g n,m o n i t o r i n gp o i n t l a y o u t a n dc o n s t r u c t i o n,d a t ap r o c e s s i n ga n ds oo n.T h et e s t r e s u l t ss h o wt h a t t h ep l a n e a n de l e v a t i o no fG N S Sm o n i t o r i n ga c c u r a c y i nM e t r o r e s e r v e c a nr e a c hm i l l i m e t e r l e v e l.K e yw o r d s:m e t r or e s e r v e;l a y o u to fm o n i t o r i n gp o i n t s;G N S Ss o l u t i o n;D Ca l g o r i t h m收稿日期:2 0 2 2-0 9-0 5.基金项目:武汉地铁集团有限公司科技经费资助项目(G S-J Z-1 1 7 9).作者简介:李 凯(1 9 7 1-),本科.E-m a i l:l i kw u h a n r t.c o m近年来,随着中国城市化水平的提高,城市交通面临严重的堵车问题,这不仅阻碍城市居民生活水平的提高,而且也引发了严重的生态环境问题,还限制了城市的持续快速发展。为了有力地解决城市土地不足这个困局,目前,我国各大城市地铁项目的建设日益增多,且因其具有便利性、高效性、安全性和地上空间的使用量较少,已经成为解决大城市交通拥堵的不二选择1。地铁结构的安全一直备受关注,地铁施工、既有地铁沿线建筑施工以及地下穿越工程施工均影响原有地铁隧道的结构安全2。因此,为确保在建或既有地铁隧道结构的安全,需对其地铁保护区进行变形监测。传统地铁结构变形监测方式以人工监测为主。但人工监测受限条件较多,且会消耗大量人力、物力3。且效率十分低下,难以做到实时在线,因此在应用中存在不少弊端。GN S S自动化监测系统代替传统的监测手段,其高精度、自动化、全天候实时监测并评价、预测等特点,集合新一代信息技术,不断完善GN S S自动化监测预警系统,对地质灾害监测预警具有重要意义,因此在地铁保护区变形监测工作中具有良好的应用前511建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期景。1 地铁保护区G N S S监测网系统设计地铁保护区GN S S自动化监测网系统由传感器子系统、数据传输子系统、辅助支持系统和数据处理与控制子系统四大部分组成,如图1所示。1)传感器子系统:即由各GN S S监测单元组成,负责地铁保护区监测点监测数据的采集。2)数据传输子系统:负责传感器系统所采集数据实时的传输到控制中心。具体的传输方式一般采用光纤、无线网桥等媒介,为了达到可靠、有效、稳定将采用几种方式并存,甚至为了解决距离远、布线麻烦等问题,也可以采用架设无线基站的方式。3)辅助支持系统:由监测外场及监控中心辅助整个GN S S自动化监测系统正常运行的设备组成,包括配电及U P S、防雷、综合布线及外场机柜等子系统组成。4)数据处理与控制子系统:由布置在监控中心的小型机系统、服务器系统及软件系统组成。2 地铁保护区G N S S监测点建设地铁保护区GN S S监测站是实时掌握边坡表面变化量的依据,各监测点长期连续跟踪观测卫星信号,通过数据通讯网络实时传输GN S S观测数据到控制中心,并结合各参考站的观测数据与起算坐标通过控制中心软件准实时解算处理,最终得到各监测点的三维坐标。监测点位的布设主要考虑以下几个方面的需求:1)监测部位的科学性。监测点应选在地铁保护区沿线的变形敏感位置,并且能够反映地铁保护区的变形特点和变形规律,可考虑排列成“一”字型或者“十”字型等。2)建设成本的经济性。考虑成本的因素,应选择尽可能少的监测点位,避免重复建设。3)充分顾及GN S S测量的选点要求,保证监测点的信号质量,通过数据采集试验,获取该点GN S S数据的D O P值、信噪比、多路径效应等信息,为最终的监测点位确定提供依据。根据以上考虑,该研究采取专家咨询 现场测试的技术路线,首先由经验丰富的结构工程专家选定地铁保护区监测备选点,然后在这些点位进行实际观测数据采集,利用GN S S数据质量分析软件T E Q C进行611建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期数据质量分析4,5,最后综合点位分布形状、信号质量等因素对备选点进行筛选,得到最终的监测布点方案。对于监测点的具体施工,根据地铁保护区监测区域的实际情况及监测点所监测的内容,该GN S S自动化监测系统监测站选为混凝土观测墩。具体施工图如图2所示。3 G N S S监测数据处理监测数据处理系统分为数据处理模块、数据传输模块、数据储存模块三部分。此三个部分是整个GN S S自动化监测数据解算系统中的核心组成部分,它们之间相互独立又紧密关联与配合,而且所有操作完全是人工提前设定后由软件自动完成。在数据进入处理服务器后,数据处理软件完成自动解算、平差等工作,数据分析和显示功能实现监测变形统计,并对数据进行评估和预警。数据处理完成的同时将原始数据和解算结果存储到数据库,数据分析得到的预警信息、时间信息、健康状态等存储到数据库,数据库也为分析模块提供历史监测数据等信息供调用。因该监测系统采用固定连续监测模式,故可选用“D C”(D i r e c tC a l c u l a t i o n,简称D C)算法进行GN S S基线解算6。利用该算法对该研究的变形监测数据进行解算测试。1)在一个静止点上,连续解算2 4h,具体解算结果如图3所示。经统计,平面精度在1 0mm以内,高程精度在1 5mm左右。711建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期2)采用同样的G P S接收机,在一个静止的点上,分1 0m i n一个时段对其连续观测5h的数据,同时加入K a l m a n滤波算法对其进行处理,得到结果如图4所示。从图4中可以看到,平面精度在5mm以内,高程精度在8mm左右。4 结 语随着GN S S卫星定位技术的发展和精度的提高,使GN S S技术在变形监测方面应用越来越广泛,也具有越来越多的成功案例。特别是在板块运动、地表沉降、大坝自动化监测、陆海垂直运动监测、滑坡监测等方面,获得了令人满意的结果和精度,为管理和决策提供了重要的依据6。但是在地铁保护区安全监测方面,目前的应用还不多。基于GN S S的技术特点,目前能做的工作也仅限于地铁保护区地表的沉降和水平位移监测,精度最高可达毫米量级。而对于地铁隧道内部的变形、裂缝等监测,则需要借助于测量机器人、三维激光扫描等其它测量手段进行。对于多模态、多传感器的联合监测和多源数据融合处理分