【52监测网】第94期 轨道交通智能监测关键技术
 52监测网专家报告分享-第94期 轨道交通智能监测关键技术 任晓春 轨道交通工程信息化国家重点实验室（中铁一院） 目录 背景与现状 监测新技术 展望 内容介绍 一、 背景与现状 1.1监测背景与重要性
轨道交通发展迅速 • 近几十年来中国城市的地铁建设进入了快车道，中国国内各城市建设的地铁总里程近4600公里，近10年间翻了4倍，且仍在加速增长。 • 《中长期铁路网规划》：到2020年，铁路网规模达到15万公里，其中高速铁路3万公里，覆盖80%以上的大城市。到2025年，铁路网规模达到17.5万公里左右，其中高速铁路3.8万公里左右。 轨道交通安全监测重要性尤为突出 地铁与隧道累计总里程近9000公里，预期在未来还会快速增长，地下施工需求巨大，施工安全监测工作重要更为突出。
1.2安全监测背景与重要性 工程施工事故频发，造成巨大经济损失和人员伤亡
运营期病害与灾害，造成经济损失，对轨道交通的安全运行构成严重威胁
1.3监测的内容 施工安全监测：桩顶位移、桩体位移、支撑轴力、地表沉降、支护结构变形、结构内应力、土体位移、地下水位。 运营健康监测：轨道健康监测、桥梁健康监测、建筑结构健康监测、隧道健康监测、路基健康监测… 周边环境监测：气象环境监测、自然灾害监测、空气环境监测、河流水文监测、地面震动监测… 1.4安全监测的内容 监测的三种模式： • 绝对变化量监测——监测点自身的形变量 • 相对变化量监测——监测点之间的相对变化量 • 姿态变化量监测——构筑物相对于空间参考系自身的姿态变化量
1.5进行的研究工作 近期承担的科研项目
二、 监测新技术 2.1基于北斗的监测 ◇ 北斗监测-GNSS定位原理
◇ 北斗监测-RTK与网络RTK RTK：采用EKF滤波；工作频率至多20HZ；毫米级精度；作用范围15KM以内 网络RTK：作用范围扩大至50-100KM
◇ 北斗监测-PPP与PPP-RTK PPP：采用EKF滤波；收敛时间较长约30min；厘米级精度；作用范围不限 PPP-RTK：收敛时间大幅缩短
监测站以嵌入式处理器为核心，集成GNSS板卡和4G全网通移动通信模块，采用7频3星GNSS天线，一体化野外观测墩结构设计及太阳能供电系统，可以实现野外持续阴雨天气环境下连续7*24小时不间断的毫米级变形精度的可靠监测和预警。
◇ 北斗监测-高精度解算 主要数据处理技术：实时周跳处理技术；接收机天线相位中心改正技术；多路径误差消弱技术；高精度空间误差建模和改正技术；Kalman滤波参数估计技术；粗差控制方法
1）实时周跳、粗差处理技术： 周跳的产生中断了高精度载波观测值跟踪弧段的连续性，而一周的周跳在载波上将产生约10cm的偏差。采用改进的TECR（Total Electron Content Rate）+MW方法，利用电离层变化率和宽巷组合进行实时周跳探测。
2）接收机天线相位中心改正技术 • 对于同一型号的接收机天线相位中心偏差可以通过天线定向的方式进行差分消除。 • 对于不同型号的接收机天线相位中心，则需要使用模型改正。
3）多路径误差消弱技术 通过算法改善多路径误差主要通过数据后处理利用多路径误差特性建立数学模型进行削弱，主要方法有：信噪比法、反射信号计算法、滑动平均法、多路径误差重复性法。
4）多源数据高时空分辨率全球电离层延迟精化模型 如何确定最优的数学模型和数据处理方法是有效融合多源数据获取高精度电离层模型的关键难题，其中包括各类数据的基准统一、在融合中的权比、精度评估等。
• 建立目前全球精度最优的对流层经验模型，使得用户直接根据自己的所在的位置即可获得高精度的对流层延迟改正。 • 建立全球精度最优的基于气象参数的对流层延迟模型，在获取用户所在地区的气象参数以后即可计算出高精度的对流层延迟改正。 • 建立相关的增强服务系统，当用户位于GNSS 跟踪站网覆盖区域范围内，能够全自动化、稳定地为用户提供最高精度的对流层延迟增强服务。
观测精度随着观测时间的增加而提高，在形变监测应用中，其实是响应时间和测量精度的权衡，应根据具体地质环境、工程状态、天气因素等综合考虑，选取合适的方案。
◇ 北斗监测-工程应用范围
◇ 北斗监测-桥梁监测应用
2.2三维激光扫描监测技术 • 三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，它通过激光扫描测量方法快速获取被测对象表面的三维坐标数据及其他关键信息。 • 三维激光扫描技术以其突破了常规测量的单点采集模式，具有非接触、效率高等优势，为轨道交通监控测量提供了一种新的思路和技术手段。
轨道交通移动三维激光扫描系统通过在轨道移动平台上搭载激光扫描仪及多类传感器获取被测目标的高精度、高密度激光点云数据和实景影像数据。
◇ 三维激光扫描监测技术-应用范围 既有线复测、轨道电气化改造、地铁隧道检测、有轨电车轨道测量、三维建模、高铁无咋轨道测量 ◇ 三维激光扫描监测技术-关键技术
多传感器时空同步控制、多传感器标定、组合定位定姿、多源数据融合、海量数据处理技术 关键技术1 ：多传感器时空同步控制技术 主动、被动和授时三种传感器同步控制方法，将传感器采样时刻数据与采样数据精确关联。
关键技术2：多传感器标定技术 高精度移动测量系统需要获取精确的标定参数，通过研究多传感器之间的坐标参数转换关系，建立严密的数学模型，以室内外标定场为依据，设计科学的标定方法，实现设备标定参数的自动化解算。
关键技术3：组合定位定姿技术
关键技术4：多源数据融合技术 • 多源数据融合是指将多个传感器采集的数据按照时间整合后，再进行空间坐标变换，实现统一坐标系下的一致性描述。 • 该技术可快速获取高密集、高精度的激光点云数据，并同步获取与点云高精度匹配的数码照片。 关键技术5：海量数据处理技术
海量数据存储管理——移动测量系统的各传感器，特别是激光传感器和图像传感器，获取的点云数据是海量的。
特征数据自动提取——基于现有海量点云数据，实现大数据特征对象自动化提取分析，得到符合应用要求的标准化成果数据。 ◇ 三维激光扫描监测—线路复测 控制网复测、线形测量、线路周边地形测量、路基、隧道断面测量、接触网、信号机等台账更新 线路复测1：基于靶标控制网的高精度点云获取
线路复测2：基于高精度点云的轨道线形提取
◇ 三维激光扫描监测—轨道检测 • 扣件基本功能→保证列车运营安全 保持轨距；防止钢轨爬行；增大轨道框架刚度；提供弹性；提供轨道绝缘 • 扣件失效→增大列车动态脱轨系数 改变钢轨的弹性和刚性；改变轨道轨距、平顺度 • 扣件失效主要表现： 扣件缺失；弹条断裂；紧固螺栓松动等 ◇ 三维激光扫描监测—隧道监测 隧道收敛直径图、隧道断面分析、管片错台分析、隧道限界检测、隧道深度图、隧道病害检测 • 隧道灰度影像图：利用采集的高精度激光点云数据，按照地铁隧道标准进行点云投影，得到隧道壁正射灰度影像。 利用得到的灰度影像进行环片自动识别，之后以环片为单元进行水平直径收敛分析，断面分析，错台分析、病害检测等等。
• 利用高精度断面点云数据进行隧道横断面分析，得到横断面超限状况，并输出横断面分析报告
• 利用高精度断面点云数据进行隧道环片错台分析，得到管片错台状况。
• 铁路限界是以铁路车辆的轮廓尺寸和车辆有关技术参数，运行动力性能，再考虑线路特性、施工方法、设备安装误差，按照相关标准计算确定出来的。 主要分为车辆限界、设备限界、建筑限界、接触网限界。其中接触网限界属于辅助限界。
• 隧道深度图：利用采集的高精度激光点云数据生成隧道壁形变深度影像，用以进行隧道形变掉块等病害检测等。
• 基于灰度影像进行渗水等病害检测工作，检测出相关病害成果如下。
2.3基于高精度传感器的结构监测 工程施工监测，采用多类型的感知器件，如：土体位移传感器、结构沉降传感器、3D结构变形传感器等。近年来，传感器技术不断发展，类型越来越多、精度越来越高。基于多源数据融合的高精度监测算法成为当前研究的热点问题。 多源海量测数据的数据预处理技术研究
◇ 数据预处理技术（异常检测） 基于3σ的异常检测
通过3σ异常值检测方法对原始监测数据进行处理后，原始数据中的异常突变值被准确地识别出来，同时去除异常值后的数据序列较原始数据序列的变化曲线没有较明显的突变现象，整体变化趋势比较平滑。 该方法准确检测出了异常点位置并将异常值剔除，表明了该异常值检测方法的准确性。实验结果表明对于采样频率高、采样时间较长的变形监测数据采用3σ 准则进行数据处理准确性较高。 ◇ 数据预处理技术（降噪） 基于EMD分解的降噪模型
因此通过对比不同子分量与原始信号的相关性，最终选取后7层的信号分量进行叠加重构作为滤波后的信号EMD降噪基于信号的本身时间尺度对其进行分解 ◇ 数据预处理（缺失数据补全） 基于矩阵低秩分解的数据补全
三、展望 基于项目的安全监测系统：每个项目需建立一个单独的服务器，各类监测系统彼此独立，存在数据孤岛问题，没有大数据分析能力。 基于传统云架构的安全监测系统：网络传输负载重；大多采用集中式模型，延迟较高；边缘设备处理能力弱；未充分利用大数据进行分析。 必需采用云-边-端一体化架构，引入边缘计算、“智能”终端和云平台数据分析的手段。
监测大数据分析 大数据采集——新一代传感器技术，获取更多高精度监测数据: 钢轨，扣件，枕木，道床，隧道，桥梁的全生命周期信息采集。 大数据分析——面向多源、异构、海量的数据，基于大数据技术合理、快速、精确地进行数据分析。 智慧决策——整合检测数据、维修数据、业务数据，综合分析，从时空维度深入挖掘，预测状态变化趋势，辅助决策。
《轨道交通智能监测关键技术》 任晓春 轨道交通工程信息化国家重点实验室（中铁一院） |
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