PRIS信息系统.doc

PRIS信息系统
一、 项目背景
当今在地铁地下施工和机车运行时，特别在软土层地质条件不稳定情况下，土压力极不稳定，轨道交通管线常会发生水平位移和垂直沉降情况，直接影响了地铁机车的运行安全，施工安全和工程质量、我国地铁正处高速发展期、地下空间安全是必须要考虑同时解决的、特别是上海、正在致力研究建立具有安全预警功能的数字化地铁现代信息管理平台、因此实时监控及提供地铁隧道水平位移和垂直沉降形变信息是非常重要和必要的、对应付城市安全突发事故和保障人民生命财产安全意义是重大的。另外、该项高技术还可广泛到石油管线、高铁、大桥、大型水电站等形变安全监测中。
地铁隧道中隧道形变智能实时自动监测信息系统应用研究实施、由上海地铁运营公司监护分司委托上海地质勘查研究院负责该项目的具体实施、并有中国海洋大学负责利用由上海信光电子科技有限公司提供的PRIS系统研制成地铁隧道形变智能实时自动监测系统、要求三方共同在地铁隧道中进行对该系统实施应用的技术指标进行测试研究、并提出在地铁隧道中应用该系统的可行性研究报告。
二、 国内外发展状况
一、全站仪
目前国内外常用的精密仪器是全站仪其利用几何测量方法，这种方法测量精度高、对分布在管线上各点以不同时间逐点进行测量，根据测量得到的数据进行计算分析，最后提出监控报告。
全站仪广泛运用于地铁隧道监测系统。2006年美国纽约地铁站采用GeoMoS自动变形监控系统和TCRP1201全站仪对地铁实施监控。加拿大多伦多地铁站也采用了GeoMoS自动变形监控系统和徕卡TS30全站仪对对地铁实施监控。监控方法如下：1、根据精度需要选取监测视线长度（当监测成果精度优于±1mm 时，TM30 仪器监测视线长度不宜超过100m。）2、监测点的分布。监测点布设在隧道断面上，每5-10m 选择1 个断面，每个断面上均匀布设5-8 个观测棱镜作为监测点。3、监测网布设完成后，通过GeoMoS软件对TM30 进行远程管理，根据监测需要设置观测时间、观测模式。夜间地铁停运时为最佳观测时间，一般观测1-2 次，每次观测两测回，白天地铁行驶时，一般观测2-4 次，每次观测两测回。从而准确反映隧道的真实变形。
近年来很多新型的全站仪相继问世。2011年徕卡公司发布了最新的TS11i/15i图像全站仪。其采用了Smart Worx Viva系列软件，增加了图形注记等更多高效功能，改进的功能特点为：1、内置500万像素4倍变焦数码相机。2具有图片注记及草图功能；图片与对象链接功能。3、Win CE 6.0版操作系统 。4、高性能CPU，达532Mhz。 5、3.5英寸VGA分辨率彩色LED触摸屏 6、 丰富的设备接口 。7、可与徕卡G NSS组合成超站仪镜站仪系统 。其主要参数：1、距离测量（无棱镜时）在30~1000米；30米测距精度在2mm+2ppm；2、导向光工作范围在5-150米；定位精度在100米范围内为5cm。但是价格相对昂贵单台售价在10万元以上。同类产品还有尼康的NIVO系列产品。
全站仪虽然应用广泛，测量精度较高但也有其局限性。其缺点是分布空间各点的测量时间是不同时的，不能连续同时测量，提供的数据不是当时的情况，且受到机车运行作业的限制，因此提供的数据安全性不高，工作量大。
二、力学测量法
力学测量法［含光纤方法］，也能够有效的测量形变。其代表是电水平尺沉降自动遥感系统。电水平尺沉降自动遥感系统的硬件部分主要由安装在道床上的电水平尺和就近安装CR10数据自动采集器，以及设在最近车站上的主控计算机组成。从而实现数据自动采集、储存、处理、传输等功能。电水平尺的尺身一般长1m到2m,电水平尺可以将多支水平尺首尾相连，从而进行长距离的检测。使用时将多只电水平尺用锚栓首尾相连安装在道床上，与铁轨平行，形成水平尺链,尺链的长度可以根据穿越施工过程中需要监测的管线长度来调整，一般在100m到200米左右，尺链太长会影响测量的精度。
电水平尺能够连续同时的测量铁轨的形变；而无需停车作业。但是其的缺点是利用微形变对管线的位移，沉降的检测、方法上受到很大的限制，且精度不高。
三、 三维扫描系统
莱卡公司在美国的子公司推出的CYRA激光三维扫描系统能对空间目标进行三维座标实时测量、但须通过建模图像处理才能测量位移、精度为6mm左右，显示位移沉降数据时间更长、不能适应地铁管线实时自动观测的要求，且价格昂贵。由于高速高精度角度测量技术成为上述高精度大地测量仪器实现高速实时自动监测的技术瓶颈。
2011年徕卡公司推出了HDS7000新一代超高速相位式三维激光扫描仪。它可应用于工厂改造、隧道扫描、桥梁检测等方面。其主要特点有：1、 扫描速度快，最大扫描速率可达 1016000 点/秒。2、扫描范围远，最远扫描范围可达 187米、最短扫描范围为0.3米。3、 视场角为360°（水平）X320°（垂直）。4、彩色触摸屏图形化显示界面。其最大缺点是价格昂贵，单价在1500000元以上。
三、 PRIS系统的工作原理
为了解决地铁隧道水平位移和垂直沉降形变实时监测问题。中国海洋大学利用上海信光电子科技有限公司提出一种创新的具有自主知识产权的空间数字化大地测量原理和快速光机混合图像处理高技术研制成的高精度位移沉降传感遥测信息技术系统［pris］，利用[pris]技术研制成可实现在地铁施工和运行监护时进行多点同步、地铁线隧道形变智能实时监测系统，该技术不需要通过复杂的距离、角度测量及位移的计算过程，就能直接实时高精度测量地铁隧道上多点的水平位移和垂直沉降数值、为实现数字地铁信息化安全管理及施工提供了重要的创新的技术保障。
本系统是一种建立在空间数字化大地测量原理基础上的大地或建筑物的位移形变监测信息系统。
1、空间数字化大地测量原理
空间数字化大地测量原理是一种基于建立物象空间数字化坐标系中的目标空间位置的坐标数字值相等的关系，把空间数字化测量标准——即空间频率，设置在被测空间目标处的象方空间数字坐标系上，在数字空间坐标系中进行空间A / D、D/A数字变换计算，直接在象方空间数字坐标系上对空间目标位置的空间坐标进行数字化测量。。
其方法如图1、所示，首先利用一个与计算机相连的数字CCD/CMOS靶面上的象元阵网格建立一个以象元为数字单位，且能在计算机中进行运算、处理，显示的物方空间数字坐标系xoy，根据几何光学共轭成像原理，把上述物方空间数字坐标系xoy安置在遥感图像探测处理装置中的遥感物镜组的一侧物距L处；则相应在遥感物镜组的另一侧象距L’的被测空间目标处建立一象方数字空间坐标系x’o’y，然后把有固定间隔的标准长度AB的标尺安装在象方空间数字坐标系x’o’y’内，凭借象方空间数字坐标系x’o’y’中的目标座标数字值和物方空间目标坐标系xoy中的目标座标数字值相等的关系，便将在物方空间数字坐标系xoy测量到的标尺AB的标准长度的投影象A’B’数字值M，作为象方空间数字坐标系x’o’y’ 标尺AB的数字值，且AB在物方空间数字坐标系xoy上的投影像A’B’，与X轴或Y轴是重合的，进行A / D数字变换计算，就可确定在被测空间目标点处空间数字坐标系x’o’y’的空间频率
最后移去标尺AB，且在被测空间目标点更换安装一被测点光源合作目标C，用同样方法在物方空间数字坐标系xoy中，测出点光源合作目标在象方空间坐标系x’o’y’中被测点光源合作目标C的座标数字值N’X和N’y ，据此，在空间目标所在的象方空间数字坐标系x’o’y’中利用空间频率F(L’)直接在计算机中进行D/A变换计算，其中点光源合作目标位置座标计算公式如下：

由此确定空间单个点光源合作目标点的空间位置的坐标值即得。
如图1-3所示，在上述单目标点测量方法基础上，下面就多空间目标点的空间数字化大地测量方法说明如下，首先把相互不遮挡的m个点光源合作目标和标尺AB的测量点（安装点）布置在建筑物（如隧道壁）上，测量时，同样将标尺AB由远到近逐一测量在空间各测量点对应的各象方空间数字坐标系上的空间频率，再在各测量点上以点光源合作目标置换标尺AB后，把上述的遥感图像探测装置的遥感物镜组对焦到各被测空间合作目标中最远的空间合作目标，然后在遥感物镜组前固定一可更换孔径的旁轴光栏，并且调整旁轴光栏的孔径值，使各被测空间合作目标中最近空间合作目标的图像在计算机显示屏上形成对称的小弥散圆，用计算机分别确定各弥散圆中心点在CCD靶面构成的空间数字坐标系xoy上的座标数字值，最后仍然以下列计算公式就可以确定空间任意一点光源合作目标的位置坐标，其计算公式为：

利用上述公式在计算机中就可以同时确定分布在空间各点光源合作目标的全部空间坐标值。

O O’
Y,y’
A
计算机显示屏
N’x
C
C’
A’
A’
22
9
8
物方空间数字坐标系XOY
象方空间数字坐标系x’o’y’
B’
0
x
L
L’
y
B
0’
M
N’y
y'
X＇
C’为点光源合作目标在XOY上的象

O O’
Y,y’
A
计算机显示屏
N’x
C
C’
A’
A’
22
9
8
物方空间数字坐标系XOY
象方空间数字坐标系x’o’y’
B’
0
x
L
L’
y
B
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M
N’y
y'
X＇
C’为点光源合作目标在XOY上的象
O O’
Y,y’
A
计算机显示屏
N’x
C
C’
A’
A’
22
9
8
物方空间数字坐标系XOY
象方空间数字坐标系x’o’y’
B’
0
x
L
L’
y
B
0’
M
N’y
y'
X＇
C’为点光源合作目标在XOY上的象

图（1）空数字化大地测量原理图

2、 位移沉降实时监测系统组成

系统组成：系统由激光和LED构成合作目标；图像采集装置，前置图像处理器构成的数字化遥感位移沉降传感信息系统(PRIS)；专用电缆、计算机数字图像处理器、计算机监控信息处理系统，人机交互界面显示装置构成的位移沉降信息处理系统三部份组成
四、 PRIS系统的技术指标
1、系统技术指标及性能
1. 观察范围1200mm×800mm
2. 工作距离：50-200m，。
3. 位移测量精度：200m±0.5mm
4. 报警范围：±10mm［任意设定］
5. 水平垂直位移［沉降］测量具有多点同时、高精度实时智能连续测量功能 、
6. 位移信息测量具有快速感应［1／50秒－1／100秒］及统计输出功能；测量时间、重复频率可调。
2、pris系统设备装置
设备装置由（1）主机（光学接收及光学图像信息处理平台）（2）计算机图像信息处理系统（3）合作目标（4）系统现场精度标定测微平台四部分组成。

3、pris系统的实验室精度测试
本系统在中国海洋大学的实验室、走廊、操场、马路等各种环境中进行测试研究证明、在大气稳定和无振动环境中、系统在44.5m处能测准0.2mm、测量精度达到0.1mm、当大气不稳定和在有振动环境中进行测量时、利用系统的高速统计处理功能测量模式、能有效的消除振动和大气不稳定对测量的影响。
五、 PRIS系统上海地铁的应用情况
Pris系统解决了高速高精度测量空间目标的二维位移[沉降y、水平位移x]技术后、在地铁中应用还必须解决以下几个问题：
为了适应地铁隧道中仅有在晚上机车停运时极短时间的工作方式、pris系统首先要解决的是多合作目标点[10—20点]在隧道壁上的快速布点按装方法问题；pris系统主要解决地铁隧道中不同季节不同时段[白天机车运行时、晚上停运时]的复杂气流变化和激烈的振动环境中隧道形变[沉降、水平位移]在任何时刻高精度实时监测模式问题；pris系统在地铁中应用要解决的另一重要问题是固定按装在隧道壁上pris系统主机平台的稳定性[平台的空间转动]及长期自动监测问题。
1、地铁隧道中应用PRIS系统任何时刻实时高精度监测隧道形变模式研究

（7）地铁隧道中500米光缆和光端机 （8）地铁隧道屏蔽门外Pris显示系统

（9）pris系统实时监测界面
A、地铁隧道中不同时段的气流与振动状态的监测环境分析
进行地铁隧道中的监测环境分析研究、首先是把上述按装在隧道壁上的十个合作目标点的图像通过500米光缆传输到隧道屏蔽外的pris系统监测界面上[图7、8、9]、以进行对在机车停运与运行时各时段分布在200米上10个合作目标点象运动规律的直观观测、经过一个月左右观测分析及位移测量、利用pris系统建立一种能分析隧道形变的位移时间相关曲线图、从时间相关曲线图上可以把一天区分成四个不同时段的气流与振动监测环境、即1.清晨机车停运时段[大气振动稳定、测量最佳时段]、2.机车开动和进站停车时段[机车开动时机车会对隧道内空气作用、产生一不均匀大气纵波向机车运行方向传播、这种现象有时会对隧道形变测量产生较大影响]、3.空气稀薄时段[当机车快速通过隧道内的测量区域时、区域内大气未及时填充、形成空气稀薄时段、持续时间约24秒、此时段与清晨机车停运时段一样为测量隧道形变最佳时段、且测量精度最高]。4.位移振幅最大值时段[机车运行至最靠近测量区域、机车车箱排出大量测量区域内的大气、而振动最大、是测量最大隧道形变的最好时段、持续时间约8秒]。

2010年1月25 日各种情况下位移时间相关曲线图如下所示
（注：红色方框为空气稀薄情况各机位位移图，蓝色方框为停车时刻各机位位移图，绿色方框为振幅位移最大值时刻各机位位移图，粉红色方框为清晨0：19—4：49各机位位移图，灰色方框中的2个波峰是无效数据。图中最后的9个黑色点为相机自动拍照时刻的数据，空气稀薄和停车时刻中间间隔的四点为无效数据。）

图1-1 空气稀薄，停车，振幅位移最大，清晨情况下各个机位X方向位移图

图1-2 空气稀薄，停车，振幅位移最大，清晨情况下各个机位Y方向位移图
B、隧道中四个不同气流振动环境时段pris系统的外符合精度测试
根据地铁隧道中复杂的气流振动环境、利用pris系统的高速光机混合图像处理统计功能、选用位移信息采样时间为20秒[20秒内系统可自动采集到1000次以上合作目标不同的二维x、y位置信息]和以183米处的2号合作目标为基准点、对隧道壁上三个装有测微平台分别处于200米、133米、100米不同距离处的合作目标进行二维[x、y]位移形变的外符合精度测量、其它七个合作目标机位作为内符合精度测量、并最终确定pris系统在地铁隧道中的最佳实时自动监测模式。
经过空气稀薄、振幅最大值、停车、清晨，4种情况下的测量结果分析：
1、清晨无列车和空气稀薄情况的数据中100%的数据误差在0.5mm以下，这两个时段为地铁隧道中最佳位移形变测试时段。振幅位移最大值情况时，PRIS测量到得200米和133米处误差基本都在0.5mm以内，个别达到1.5mm。100米处[隧道中部受机车冲击变形最大影响]有16.7%的数据在0.5—1mm之间，个别的达到1mm。机车停车时由于机车把大气推向测量隧道，大气严重不均匀，测量到的数据视大气稳定情况而定极不稳定、所以造成有较大的测量误差。50%的数据位移误差超过0.5mm，其中20%数据位移误差在0.5—1mm，30%数据位移误差在1—2mm。
2、根据数据分析结果，除停车时段以外的其他时段用PRIS系统在200米范围内测量位移精度均可达到0.5mm。
C、pris系统在地铁隧道中任何时间隧道形变的实时监测模式
根据在地铁隧道中不同时段监测环境的位移精度测试结果、若要在白天机车运行时得到清晨隧道的静态形变结果、则必须消除机车运行时引起的气流与振动对测量系统位移测量影响、因此利用pris系统的高速信息采集及快速光机混合实时图像处理功能、把pris系统位移信息采集时间设置为20秒连续测量10分钟、作为pris系统在地铁隧道中任何时间隧道形变的实时监测模式。经过2010年03月29日对隧道连续监测十分钟管壁位移平均测量； 2010年03月30日对隧道连续监测十分钟管壁位移平均测量；2010年03月29日白天气流平稳时刻管壁位移平均测量；2010年03月31日清晨无列车时刻管壁位移平均测量。
测量结果分析：
2010年3月28日凌晨取完标准后，3月29日和30日两天连续监测十分钟与气流平稳时刻和28日凌晨测到的数据、经分析200米内的位移精度均达到0.5mm。证明pris系统采用连续测量10分钟、采样时间20秒的方法作为在地铁隧道中任何时间隧道形变的实时监测模式是可行的。

D、PRIS系统在地铁隧道中监测的稳定性与长期自动监测模式
根据以上在地铁隧道内不同时段监测环境中的测量结果、每天清晨机车停运时段测量的位移数据是最精确的静态隧道形变数据、在自动监测模式中把此时段的数据作为隧道形变的相对标准数据。测量系统在地铁中长期自动稳定工作主要解决按装在隧道壁上测量系统主机及平台的稳定性问题[测量主机平台的空间转动就是测量坐标系的转动问题]、由此会引发空间合作目标点象移动、超越测量系统的观测范围、致使测量系统无法正常稳定工作、为了使pris系统能长期稳定工作、把布置在地铁中合作目标在测量系统的观视范围[最远目标处]40cm*40cm置于测量系统的最大观测区域120cm*80cm中央、并使合作目标象点报警区[图9中的红框]设置成具智能跟踪性能、使目标象点始终置红框中央、它们的跟踪活动范围是120cm*80cm。在地铁隧道中已足够了。因此pris系统所具的报警区智能跟踪性能、保证了pris系统在地铁隧道中的长期稳定监测工作。
采用采样时间20秒、30分钟时间间隔为一次的连续自动测量模式、三周实测上海地铁8号线曲阳路到四平路隧道的实际形变来考核pris系统连续自动测量模式的稳定性。1、4月1日—4月21日凌晨2：00—5：00 6个数据平均值显示1号机位的X移动了3mm，5号机位的Y移动了3mm，7号机位的X移动了-3mm。可以证明系统的稳定性
六、 工程形变测量的几种方法比较
穿越施工过程关系到地铁隧道的安全，地铁隧道运营监护公司规定穿越施工过程中隧道管线形变监控设备的精度要达到200米范围内误差不能大于0.5mm。每一支电水平尺的测量精度在0.02mm/m,如果将50支电水平尺首尾相连的话，这50支电水平尺组成的系统的精度不是简单的相乘关系，而且无法标定这50支电水平尺系统的精度。由于电水平尺平铺在轨道正下方，当地铁经过的时候，电水平尺会受到剧烈的冲击，因此白天测得的结果误差极大，不能全天候监控。最后电水平尺监测系统需要传感器将电压信号传送给采集器，再经计算机处理合成，要得到观测数据要1分钟左右的时间，不能做到真正的同时同步测量。目前德国生产的全站仪的精度可以达到200米范围内0.5mm的误差，但是由于轴系误差对测量角度影响极大，不能够保持测量的高速度，采集数据速度很慢。同时隧道里的气压、温度、适度、灰尘对测量的影响很大，由于采集速度慢分布在空间各点的测量时间是不同时的，不能连续同时测量，提供的数据不是当时的情况，且受到机车运行作业的限制，因此提供的数据安全性不高，工作量大。德国著名的莱卡公司在美国的子公司最新推出的Cyra激光三维扫描系统能对空间目标进行三维座标实时测量、但须通过建模图像处理才能测量位移、精度为6mm左右，显示位移沉降数据时间更长、不能适应地铁管线实时自动观测的要求，且价格昂贵。传统的几何测量法和力学测量法均不能达到高精度、高速度监测的要求。
为了解决地铁隧道水平位移和垂直沉降形变实时监测问题。中国海洋大学利用上海信光电子科技有限公司提出一种创新的具有自主知识产权的空间数字化大地测量原理和快速光机混合图像处理高技术研制成的高精度位移沉降传感遥测信息技术系统［pris］，利用[pris]技术研制成可实现在地铁施工和运行监护时进行多点同步、地铁线隧道形变智能实时监测系统，该技术不需要通过复杂的距离、角度测量及位移的计算过程，就能直接实时高精度测量地铁隧道上多点的水平位移和垂直沉降数值、为实现数字地铁信息化安全管理及施工提供了重要的创新的技术保障。
七、 项目的市场预期和发展设想