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TMIGS隧道施工信息化预警平台与应用
发表时间 2017-10-23 15:47 来源 本站原创

  ——记北京市市政工程研究院叶英博士团队研究成果

  导读:当前,我国处于各种基础设施建设大发展时期,地铁、公路、城市、铁路等等建设都经常遇到需要开挖隧道的情况,隧道施工的安全问题如塌方、涌水、甚至瓦斯爆炸都常有发生,不能不引起重视。为此,就需要利用先进的技术手段解决这些难题,以降低事故发生,减少生命和财产损失。北京市市政工程研究院叶英博士团队所创新研发的TMIGS隧道施工信息化预警平台对此交出了完满的答卷。

  随着地下工程快速发展,交通隧道的发展速度、数量都在逐年增加。隧道施工所面对的周围环境是一个灰色系统,不可预见的因素多、极其复杂,需穿越复杂地层、各种障碍物,施工风险巨大。目前隧道施工监测布置的测点少、频率低、反应慢,使得隧道施工面临各种严重挑战,如大变形、塌方、涌水、突水等灾害不断发生。如能提前快速掌握施工过程的各种信息、优化设计、合理安排就可避免险情。因此,信息化技术非常适合隧道施工的安全保障工作。

  一、TMIGS隧道施工信息化预警平台

  隧道的施工过程也是与岩土围岩的斗智斗勇过程。生物在自然界生存,也是时时刻刻与自然环境抗争、适应中进化发展。TMIGS利用多行业、多元信息、物联网、云计算等前沿技术,集成预报预警机理、信息系统、专家系统、 安全管理与一体,以数字化为基础,信息化为核心, 智能化为目的,利用先进的“系统、人员、环境、预案”的有效结合为风险巨大的地下工程保驾护航。

  叶英博士在隧道施工信息化预警平台研究方面,提出了隧道施工广义的信息化概念。从隧道施工信息化系统与装备出发,分别研究施工人员信息化、围岩与支护结构信息化、施工质量、进度、投资管理信息化以及多元信息的风险动态分析管理和灾后应急响应与救援。隧道施工信息化预警平台采用无线技术把三维激光扫描、人机定位、各种传感器数据采集、通讯视频、风险管理、施工预案及应急响应等集成在一起,实现隧道施工掌子面图像实时采集、显示与编录分析、掌子面稳定性监测、掌子面人员与车辆定位管理;实现隧道必测项目与断面扫描技术的结合预测围岩变形和超欠挖;实现选测断面各种传感器的无线数据采集与综合分析。在危险临近时,利用多元信息预警、计算分析、专家经验,结合系统的通讯卡、有源定位卡、警灯鸣笛等安全提示信息,启动四级预警及相应应急预案,疏导人员撤离,从而形成隧道施工多元信息全方位安全保障系统。



图1 TMIGS工作原理

  图2 TMIGS工作流程

  二、互联网“+”链结构

  TMIGS系统以“链”为基本单元,每个项目按照用户需求可定制多个链路,链的长度和组成可任意选择,链单元可以无限复制。

  “链”由系列产品组成,包括直连网关和GPRS网关、传输基站、采集A基站、采集B基站、激光基站、人机卡,末端可以连接各种传感器、摄像头等。

  用户通过定制所需信息,链路就会按照设定的频率不断上传数据,数据按预先设定的阈值对数据进行判译与分析,形成“红、橙、黄、蓝”四色预警等级。同时,按照用户事先设定的条件或人机交互模式干预或下发相应指令,指导现场应急响应。

  图3 TMIGS的链结构

  (1)网关

  网关作为系统的链头,连接计算机与设备,做为中转站。它包括直连网关和GPRS网关。 直连网关通过RS232串口连接到服务器。GPRS网关通过内置SIM卡与服务器通讯。

  (2)基站

  基站是信息通道的基本节点单元,它布置在地下空间内部,每隔一定的距离安放一个基站,这些基站就自动组成了一个无线网络。

  (3)采集A基站

  采集A基站具有强大的信号采集功能,可以连接数字信号、16路电流电压信号、16路频率信号、8路开关量信号等各类传感器。内置短信模块,可以将监测信息实时发送至手机,方便人员管理。

  (4)采集B基站

  主要实现瞬时获取物体动作或事件,如爆破振动、桥梁动载试验等。用户根据任务选择采集器的某些通道为主动通道,另设一些通道为被动接收通道。一旦触发条件满足,采集器将自动采集,完成采集后再自动传输至数据中心。后台软件将提供分析、评价等计算功能,便于用户在远程判断现场某个事件的状态或影响程度。该采集器的设计用于无人值守桥梁远程重载动位移、频谱采集与评价;用于隧道爆破振动对周围环境的影响分析;也可用于其他事件的现场监控、瞬间记录等功能。

  (5)激光基站

  激光基站由三维激光测距主机和无线通讯模块组成, 可在系统基站覆盖的范围内工作。 能实现远程无合作目标可见光激光测量。如可进行危险监测、地表沉降、拱顶下沉、净空收敛、断面扫描、测量放点等工作。

  (6)人机卡

  人机卡用于人员或机械定位、考勤和安全报警,可以与上层控制台之间进行一些简单数据的收发。

  卡定位功能利用已知基站位置和接收到卡的信号强度计算持卡人的具体位置。 通常,在隧道的进出口、交叉道口、工作面、地面主要出入口等位置安装基站。当持卡人进入基站覆盖范围时,基站可以将相关人员的身份等信息读出并传送回管理中心,经过管理软件处理后生成人员分布图和表。

  卡报警功能用于洞内与洞外人员及时沟通,将现场的情况与后台联系,洞内人员可以发送短消息到洞外管理中心。洞外管理中心也可以发送短消息呼叫洞内人员,以便听从管理中心指挥,确保安全。

  卡考勤是根据进出洞的停留时间对人员或设备进行考勤,并自动统计生成每日考勤、每月考勤报表。卡提醒是对超过允许停留时间的人员,系统会发出提示信息不断提醒该持卡人出洞。

  三、TMIGS应用与展望

  TMIGS形成的成果已在北京108国道南村隧道、陕西省包家山隧道、北京地铁大兴线、北京密云头道穴隧道、新疆东天山隧道等项目中得到成功的应用。

  图4 新疆东天山信息化预警平台应用

  TMIGS隧道施工信息化预警平台经北京市住房和城乡建设委员会主持鉴定,总体达到“国际先进水平”,其中三维动态数据监测系统达到“国际领先水平”。该平台已获得《隧道施工与运营多元信息预警与安全保障系统》、《基于网络平台的隧道施工灾害预案及防控响应系统》、《无线串口数据传输终端》、《一种用树年轮表示的隧道监控量测预警方法》、《基于可变模糊集理论的公路隧道健康状态动态评价方法》、《隧道施工人员定位管理系统》、《隧道爆破振动监测装置》、《一种隧道施工变形自动监测系统》等专利授权。

  TMIGS隧道施工信息化预警平台获2010年“中国移动G3杯”暨第五届北京发明创新大赛金奖、第二十一届全国发明展览会银奖、中国市政工程学会2011年度科学技术一等奖、2012年“中国城市规划设计研究院CAUPD杯”华夏建设科学技术二等奖、2012年度中国公路学会科技进步二等奖。

  图5 TMIGS隧道施工信息化预警平台获奖

  TMIGS系统适合于隧道、桥梁、道路、地质灾害、滑坡 、大坝、地表构筑物等各种目标体及各种复杂环境的全天候实时监测预警。它的多功能、多信息源的联动集成必然有广泛的应用前景。它将大量、多元、综合技术有效、有机融合将极大提高地下工程建设的安全水平。

  目前我国处于地下工程的快速发展时期,地下工程风险较多,在施工过程中,必须重视地下工程施工的安全管理,采取必要手段保证地下工程的安全。地下工程施工多元信息采集、监测技术、动态设计方法、安全风险管理、安全预警及应急救援的相互促进、协调发展将会有力地推动我国地下工程技术的进步,极大地降低施工引发地质灾害的危害程度。

  图6 叶英教授(右一)研发团队合影

  专家简介

  叶英,博士,研究员/教授级高工,北京市市政工程研究院硕士生导师,山东大学、中南大学兼职博士生导师,北京市市政工程研究院副院长兼地下工程建设预报预警北京市重点实验室主任。2010年获“北京市劳动模范”,2011年北京市总工会授予市级《叶英创新工作室》, 2011年获“科学中国人年度人物”,2012年当选北京市十一次党代会代表,2016年获第十届中国产学研合作创新奖。负责的省重点工程建设项目获国家鲁班奖1项;负责的科研项目获省部级科技进步一等奖3项、二等奖2项、三等奖6项、国家级工法1项;拥有专利30项;著作有《隧道施工超前地质预报》、《隧道施工信息化预警》、《运营隧道管养指南》、《粉细砂地层浅埋暗挖法注浆加固技术指南》、《隧道地质预报手册》、《浅层瞬变电磁雷达》等;以第一作者发表主要论文50余篇。