隧道安全智能监测预警关键技术及管控平台开

科技研发项目立项申请书申报单位：

隧道安全智能监测预警关键技术及管控平台开发--PAGE3-精选范本精选范本一、立项背景项目意义由于隧道工程相比其他工程受外界环境影响更大,对于技术要求及管理水平要求更高的客观原因,加上我国对隧道工程施工风险管理研究时间短,管理人员没有意识到隧道风险管理的重要性,对隧道风险管理不重视的主观原因,造成了在隧道工程建设中事故频发,给国家和人民带来了巨大的损失，表1为近年来隧道施工发生的较大的安全事故。2012-102O12-072011-ll2011-042010-072010-052010-032010-012009-112009-032009-022008-032007-11

1隧道名称及事故类型百靖高速公路多贤陵隧道塌方新溆高速公路在建隧道塌方小平羌隧道口塌方2南广高铁广东云安隧道塌方连云港东疏港高速后云台山隧道包西铁路复线塌方高阳寨隧道塌方

人员伤亡情况5,14,22,212104人死亡,2人受伤10人左右被困人死亡,4人死亡,6人死亡,42人死亡人死亡,139人死亡..隧道安全事故调查结果表明：隧道施工安全预警体系不完备和施工过程监控反馈不及时是事故发生的重要原因。降低隧道施工监测误差、及时有效上报监测结果、实施开展隧道安全评估、建立隧道安全预警体系是避免事故发生的最有效的途径，因而开发一套基于隧道安全智能监测预警技术的安全管控平台对隧道施工安全意义重大。项目必要性隧道事故的发生已经给人们带来了惨痛的教训,同时,隧道施工的安2014[2014]53团股份有限公司成立路桥轨道交通事业部是集团全面进军轨道市场的重确保监控测量实时准确有效目前常规的隧道监控手段主要存在如下问题：①现场监测与施工相互干扰：隧道施工监测时，需要使用现场机械设备配合，影响现场施工，因而往往留给监测的时间很短，造成监测工作中断或不及时。②精度难以保证：隧道施工时，往往存在通风不畅、照明不足、粉尘及机械尾气不能及时排出，从而造成隧道内粉尘浓度高、光线昏暗、能见度低，量测环境恶劣，量测精度难以保证。③测点容易破坏：采用收敛计或钢尺进行围岩收敛测量时，需要在隧道的初期支护中埋设监控点（挂钩）。隧道爆破、车辆通行、喷射混凝土及其他人为因素都可能造成挂钩的变形、移动、甚至破坏，不能真正反应围岩变形，给施工带来了较大的安全隐患。④监测点不一定具有代表性：利用收敛计量距断面布设有限，且在施工过程中由于布设的不便往往导致监测结果不具代表性。其次拱顶竖向位移布设点虽能基本反映出拱顶的变形，但由于测点布设困难，往往难以达到设计要求的天顶点。三维激光扫描技术克服了传统数据采集方法中速度慢、人力要求高等缺点，在高层建筑、桥梁等方面已成功应用，精度可达0.6mm。然而对于隧道施工而言，由于施工环境恶劣、粉尘较多、照明不足，对三维激光扫描精度有一定的影响，因而有必要开展隧道工程中三维激光扫描监测及数据后处理关键技术研究，使其最终量测精度优于常规监测手段，满足隧道施工安全控制要求。建立针对隧道封闭空间的施工安全预警体系隧道监控数据是进行隧道施工安全评估的基础，是施工安全的重要保障，因而监控数据的实时传输和及时分析反馈，是安全控制的重要环节。据统计隧道施工中大多事故皆涉及到掌子面的稳定性，同时由于隧道封闭空间内通讯信号难以覆盖，监控相关信息无法实时传输至控制中心，控制中心也无法及时将监测数据分析结果及预警信息传达至洞内掌子面前方，导致对隧道安全控制极为不利，因而很有必要开发一套针对隧道封闭空间的施工安全预警系统。实现隧道集成规范化管理目前，铁路系统已经逐步建立在建隧道集成管控平台，并已在西成铁..精选范本精选范本--5-路客运专线等隧道项目实施，通过隧道施工过程信息集成，实现了隧道的规范化管理，大大降低隧道安全风险。中交集团在建隧道项目较多，隧道设计、施工及监测等信息较为分散，甚至隧道监控预警标准及测点布置标准都不统一，是中交集团迈向隧道施工前沿领域的一大障碍，因而很有必要建立一套隧道集成管理平台，实现在建隧道项目的标准化、统一管控。人员定位与双向预警人员安全是隧道施工安全控制的重点，对于自然条件和施工条件较恶劣的工程，施工人员及量测人员自身的安全性也存在一定的问题。在隧道封闭空间内，较难实现人员与外界的实时沟通，导致现场人员发生危险时较难及时通知外界，同时，当控制中心通过监测数据分析发现有隧道危险预兆时，也较难及时通知现场施工人员。因而建立一套针对隧道封闭空间的人员定位与双向预警体系，对减小隧道施工安全事故时的人员伤亡具有重大意义。综上，为落实集团高层领导对隧道安全施工的要求，科技部会同路桥轨道交通事业部等，从解决隧道施工过程中围岩变形安全监控着手，针对隧道监控安全、快速、有效及实时等方面的难点，提出本项目课题研发。二、国内外研究概况及可行性分析国内外相关技术现状我国隧道建设工作进入了迅猛发展时期，隧道安全事故也经常发生，从国家、行业、集团、局等各个层面都对隧道施工安全给予了极高关注。对于城市地铁隧道、铁路隧道、公路隧道等工程而言，及时有效地掌握隧道工程体中的岩体变形及稳定性，及时反馈给现场施工人员，是减少隧道施工安全事故的有效途径。基于三维激光扫描的信息化监控技术实现隧道信息化施工，是未来隧道项目管理的重要方向，隧道工程信息化就是集工程当前已知所有信息，收集、传输、分类、归纳进入互联网平台，供隧道工程建设方、设计、监理、施工、监督等资源共享以及进一步分析、利用、决策的隧道工程信息共同体。20-30m3-4mm现在三维激光扫描技术已逐步成熟，在高层建筑、桥梁等方面已成功应用，精度达到了0.6mm，而且克服了传统数据釆集方法中速度慢、人力要求高等缺点，同时可以对测量人员不能直接到达的地方进行扫描作业,..精选范本精选范本--7-相对于传统的数据釆集方法具有作业周期快,容易操作,测量覆盖范围广等优点,是快速获取监测数据更为有效的途径。目前尚无在隧道中全面采用三维激光扫描技术的报道。从技术角度上讲，在三维激光扫描仪及时、有效的监控数据反馈下，开发监控数据集成与分析平台，及时掌握隧道施工安全状况，是隧道信息化施工较为有效的途径。北斗卫星导航定位系统导航系统，是继美国的GPSGLONASS2012授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。2013江市CORS（12）、总装北斗地基增强系统长三角示范网）、上海海事局长江口北斗连续运行参考站系统）、重庆北斗三星网络CORSCORSB1B2的L1L2L5GLONASSG1、G2隧道封闭空间实时数据传输ZigBee网络等自组织网、移动通信的CDMAGSMCDMA网或3G/4G数据通信，在信号放大技术、中继技术等领域也有较大的发展。隧道内人员实时定位与预警发布ZigBeeRFID2004ZigBeeZigBee(RFID)技术的短距离定位能ZigBeeZigBee可行性分析通过研究隧道安全智能监测预警关键技术，建立隧道集成管控平台，可以大大提升中交集团隧道施工安全控制水平，项目研发实施主要对如下几项技术进行可行性分析：三维激光扫描数据处理、基于北斗系统的定位与数据传输、隧道封闭空间内数据传输、封闭空间人员定位与双向通信。三维激光扫描在隧道施工监测中的适用性隧道测量首先要了解隧道的当前状况，最直接有效的办法就是获取它的现状图，但由于隧道现场施工环境杂乱等原因，传统测量方法无法满足..精选范本精选范本--9-作业迅速且不影响现场施工作业的要求。三维激光扫描技术具有扫描速度快，非接触性等特点，较适宜于隧道现状数据的获取，具有一次性获取隧道数据信息量大、测量精确、每站作业时间短的优点。201511构成，模型中每个点不仅包含与实地一致的三维坐标信息外，还包含RGB精度监测的精度要求。图1竖井联络通道及左右线扫描点云图2某断面空间变形数据后处理过程中，发现徕卡公司针对隧道监测开发的数据分析软件功能不全，兼容性稍弱，部分模型须进一步优化并进行整合，需要开发针对三维激光扫描数据分析的隧道专业模块，提高后处理效率，该项工作完成前期调研工作，通过本课题研发，预期可以达到预想效果。北斗系统在隧道工程中的适用性北斗首次集纳多种轨道设计于一身，能提供更多可见卫星，可支持更长的连续观测时间和更高精度。已发射的北斗16颗卫星集中分布在亚太地区，其中5颗集中在赤道面。分布在一个区域的卫星越多，意味着信号强度、导航精度和稳定性越高。“北斗一号卫星导航系统”具有定位导航与双向通信两大功能，采用BDS/GPS制基准建立，建立洞内洞外的联系测量。隧道封闭空间内数据无线实时传输技术数据无线实时传输技术,结合北斗系统数据远程传输和ZigBeeWIFI..精选范本精选范本--11-数据传输能力，可以建立基于北斗隧道监控数据实时传输系统。其核心是监控数据通过无线局域网进行数据的传输,所有信息汇总后中继到隧道口广域数据链路，经通信卫星网络或公众移动数据通信网络进行实时传输,从而实现隧道封闭空间数据无线传输。目前该项技术在环境质量检测领域已有实践应用，经实验证明该系统具有传输稳定、使用领域广阔和覆盖面积大等优点,符合未来隧道施工智能报警领域的发展趋势,具有很大的实用价值和可推广性。隧道封闭空间内人员实时定位与预警发布技术目前无线定位技术种类较多，主流的包括，RFID10ZigBee500mRFIDZigBee、RFIDUWB不足。同时，北斗系统和上述无线定位通信技术均可具有双向通信功能，控制中心与现场施工人员可以进行实时通信。控制中心人员发现监控数据异常情况下，可以及时对现场施工人员发出预警通知及逃生路线，现场施工人员发现危险时，可以及时发出报警信息或求救信息。三、项目研发的主要内容及技术经济指标主要研究内容隧道三维激光扫描施工监测与控制关键技术间就越短；扫描分辨率越高，测点越密集，但所需扫描时间也越长。拼接，数据拼接是测量精度控制的重要环节。测站间距及分辨率优化控制技术通过隧道内部烟雾环境评价，结合隧道断面形状及几何尺寸，研究三维激光扫描测站间距和分辨率设置及优化组合方案。标靶布设及识别技术基于测站间距，研究实体标靶布置原则，建立基于标靶条件下点云识别技术，提高后期拼接精度。..精选范本精选范本--13-基于定位技术的激光扫描仪数据转换分析激光扫描控制软件内部坐标转换方法，研究基于北斗系统的数据转换技术,获得满足隧道监控需求的点云三维坐标信息。三维激光扫描数据处理与传输技术研究“点云”是三维激光扫描的成果数据,可真实全方位地描述三维空间实际形状。隧道三维激光扫描时需设置多个测站，在监测数据分析前,需对“点云”数据进行拼接，把不同参考坐标系的点云归集到一个坐标系中并剔除重叠数据。通过“点云”数据分析隧道变形时，由于“点云”数据众多，常用方法是将截取的隧道纵断面作为分析对象，其关键是确定截取位置处隧道的空间姿态信息，因而精确地从“点云”中提取隧道任意断面是三维激光扫描监控技术的重点，其基本思路是先确定隧道的设计中轴线，然后以此为基准提取隧道断面。由于隧道封闭空间内没有信号覆盖，从洞内数据采集到洞外数据传输往往经历较长时间，在灾害发生前不能及时发出预警提示，是隧道施工安全控制亟需解决的问题。隧道“点云”数据拼接技术研究将“点云”数据归算到统一的坐标系统。隧道轴线提取技术研究验证方法的可靠性。隧道断面切割精确化控制技术研究以隧道轴线为基准，采用点云♘度与斜率优化技术，控制断面拟合误差，实现隧道断面切割提取的精确化控制。封闭空间内数据无线实时远程传输技术研究开发北斗与无线数据通信系统接口，结合无线局域网络、宽带卫星传输链路、公众无线数据通信系统构建数据远程传输链路，实现隧道封闭空间监控数据无线实时传输，并最终与项目部、局公司实现双向实时通信。语音通信通过VoIP技术实现。隧道施工智能监控平台研制三维激光扫描技术应用于隧道监控的最大障碍在于数据处理软件匮计一套隧道施工智能监控平台十分重要。隧道监控量测规范限值集成及预警系统开发建立隧道监控量测规范限值集成及预警系统，根据隧道类别、围岩等级及隧道几何信息，自动分析监控断面间距要求、拱顶沉降、水平收敛、..精选范本精选范本--15-底部隆起、掌子面变形等规范限值；按照规范要求和业主需求，集成隧道监控预警数据，形成隧道监控自动预警平台。隧道断面自动提取及超欠挖分析系统开发根据隧道类别、围岩等级及业主需求，按照规定间距自动提取隧道断面，并对断面“点云”数据进行优化处理；通过与设计断面对比，自动分析超欠挖状态，并实时反馈施工。隧道变形自动分析系统开发根据提取的隧道断面“点云”信息，自动分析隧道拱顶、拱腰、拱底等关键点的坐标信息，通过数据对比分析，自动获取隧道实时变形及累计变形信息，形成隧道变形自动分析系统。隧道掌子面稳定性分析系统开发通过掌子面地质编录与分析系统，结合掌子面三维激光变形测量数子面稳定性分析系统。隧道施工过程信息集成与反馈系统BIMBIM通过专家辅助决策及应急响应系统，及时对施工风险做出评估和响应，有要建立现场施工人员与控制中心的信息实时沟通体系。隧道施工信息集成与三维可视化系统BIM息与BIM隧道施工专家辅助决策及应急响应系统建立隧道施工专家经验数据库，借助人工智能和专家系统技术，实现重大问题的专家辅助决策和事故后的应急预案的快速启动。封闭空间人员定位与双向通信系统ZigBeeUWB与RFID双向预报警系统。技术经济指标本课题针对隧道传统监控手段反馈不及时、耗费人力物力等缺点，本着及时发现施工风险、减少生产事故的目标，重点攻克隧道三维激光扫描施工监测与控制关键技术、三维激光扫描数据处理与传输技术、隧道施工智能监控平台研发和隧道施工过程信息集成与反馈系统等核心技术，满足集团总部、子公司和经理部三级管理机构对在建隧道项目的远程安全监..精选范本精选范本--17-控、资源管理与指挥调度的要求，研究成果适应中国交通建设集团在隧道施工安全管控领域的定位要求，将成为中交集团占领隧道智能安全管控高端领域的关键技术，大大提升中交集团隧道施工安全管控水平。同时，通过技术集成与转让，将为集团创造较大的直接经济效益，重点技术成果如下：3-4mm0.6mm依托北斗数据传输技术，攻克无GSM和CDMA隧道封闭空间内数据远程传输及人员定位技术难题；研制隧道施工智能监控平台，实现监控数据智能分析及反馈；攻克隧道施工安全智能监测预警关键技术，开发隧道施工过程控。四、项目研发的技术路线GPS3完成安全管控平台的需求分析；选好各类软、硬件，并确定性价比高的解决方案适用性；统集成技术；化控制技术和隧道封闭空间内监测数据远程传输技术；变形自动分析系统和隧道掌子面稳定性分析系统；风险评估与辅助决策系统开发、隧道封闭空间内人员定位与双向通信系统；典型项目现场测试验证，验证隧道监测与安全管控的有效、合理..精选范本精选范本--19-性和精确性；成果报告编制，系统平台正式投入运行。文献调研理论分析软件开发系统集成

隧道封闭空间的施工安全预警体系隧道集成规范化管理隧道封闭空间内人员定位与双向预警隧道封闭空间内数据无线实时传输测站间距及分辨率控制技术标靶布设优化技术激光扫描仪与定位系统集成技术三维激光扫描数据处理技术隧道断面自动提取及超欠挖分析系统隧道变形自动分析系统隧道掌子面稳定性分析系统隧道施工信息集成与三维可视化系统封闭空间人员定位与双向通信系统工程试验 隧道施工安全智能监测预警关键技术及管控平台在依托隧道工程中应用试验成果 课题报告及平台运行图3技术路线五、推广应用前景及经济、社会效益预测377km159338.771km,隧道施工安全事故频发对施工生产和人员安全形成巨大威胁。目前中国交通建设集团正加大向铁路轨道进军的脚部，为落实集团高层对隧道安全施工的要求，科技部会同路桥轨道交通事业部，从解决隧道施工过程中围岩变形收敛安全监测着手，将解决隧道监测安全、快速、有效及实时作为一项重要工作来抓。由于集团在建隧道项目较多，且地域分散，因而通过隧道施工安全智能监测预警关键技术研究，建立一套系统的隧道集成管控平台，对中交集团意义重大。通过隧道信息化监控系统研发能够同时为多个项目提供监控服务，可大大减少隧道施工安全事故。该项目研究意义重大，具有明显社会经济效益，可以大大降低企业施工管理成本。从宏观方面讲，随着中国建造企业实力的不断提升，海外建设项目越来越多，隧道项目安全