1、科技研發項目立項申請書項目名稱：隧道安全智能監測預警關鍵技術及管控平臺開發申報單位：負責人：項目經費：完成時間：一、立項背景1.1項目意義近年來，隨著我國經濟實力的增長，國家加大了高速公路及鐵路的投資 力度，使鐵路和高速公路的總里程數不斷刷新 我國隧道建設工作進入了迅 猛發展時期，目前我國已成為世界上隧道最多，建設發展最快的國家。由于隧道工程相比其他工程受外界環境影響更大，對于技術要求及管 理水平要求更高的客觀原因，加上我國對隧道工程施工風險管理研究時間 短，管理人員沒有意識到隧道風險管理的重要性，對隧道風險管理不重視的 主觀原因，造成了在隧道工程建設中事故頻發，給國家和人民帶來了巨大的 損失

2、，表1為近年來隧道施工發生的較大的安全事故。表1近年隧道施工安全事故發生時間隧道名稱及事故類型人員傷亡情況2012-10百靖高速公路多賢陵隧道塌方5人死亡,1人受傷2O12-07廈漳高速公路夏門段雷公山隧道塌方4人死亡,2人受傷2011-11新溆高速公路在建隧道塌方2人死亡,2人失蹤2011-04小平羌隧道口塌方12人死亡2010-07南黎鐵路那適2號隧道塌方10人死亡2010-05達陜高速公路大巴山隧道塌方4人死亡,2人受傷2010-03集包線新旗下營鐵路隧道塌方10人左右被困2010-01南廣高鐵廣東云安隧道塌方4人死亡,4人受傷2009-11十堰至天水高速公路隧道塌方5人死亡,6人受傷2

3、009-03連云港東疏港高速后云臺山隧道3人死亡,4人受傷2009-02包西鐵路復線塌方2人死亡2008-03包西鐵路活沙兔隧道塌方4人死亡,1人受傷2007-11高陽寨隧道塌方39人死亡隧道安全事故調查結果表明：隧道施工安全預警體系不完備和施工過 程監控反饋不及時是事故發生的重要原因。降低隧道施工監測誤差、及時 有效上報監測結果、實施開展隧道安全評估、建立隧道安全預警體系是避 免事故發生的最有效的途徑，因而開發一套基于隧道安全智能監測預警技 術的安全管控平臺對隧道施工安全意義重大。1.2項目必要性隧道事故的發生已經給人們帶來了慘痛的教訓，同時，隧道施工的安全 問題也引起了有關部門的高度關注。

4、根據2014年中交集團工作會議劉起 濤董事長工作報告中交股廳發201453號，集團正加大向鐵路軌道進 軍。目前，中交集團已經在公路隧道領域實現一定程度的技術積累，集團 股份有限公司成立路橋軌道交通事業部是集團全面進軍軌道市場的重要 舉措，是中交集團占領隧道施工領域制高點的又一個宏偉藍圖，因而如何 保障集團在建項目的施工安全是迫切需要解決的問題，亟需我們解決如下幾個問題：(1)確保監控測量實時準確有效目前常規的隧道監控手段主要存在如下問題：現場監測與施工相互干擾：隧道施工監測時，需要使用現場機械設 備配合，影響現場施工，因而往往留給監測的時間很短，造成監測工作中 斷或不及時。精度難以保證：隧道施

5、工時，往往存在通風不暢、照明不足、粉塵 及機械尾氣不能及時排出，從而造成隧道內粉塵濃度高、光線昏暗、能見 度低，量測環境惡劣，量測精度難以保證。測點容易破壞：采用收斂計或鋼尺進行圍巖收斂測量時，需要在隧 道的初期支護中埋設監控點(掛鉤)。隧道爆破、車輛通行、噴射混凝土 及其他人為因素都可能造成掛鉤的變形、移動、甚至破壞，不能真正反應 圍巖變形，給施工帶來了較大的安全隱患。監測點不一定具有代表性：利用收斂計量距斷面布設有限，且在施 工過程中由于布設的不便往往導致監測結果不具代表性。其次拱頂豎向位 移布設點雖能基本反映出拱頂的變形，但由于測點布設困難，往往難以達 到設計要求的天頂點。三維激光掃描技

6、術克服了傳統數據采集方法中速度慢、人力要求高等 缺點，在高層建筑、橋梁等方面已成功應用，精度可達0.6mm。然而對 于隧道施工而言，由于施工環境惡劣、粉塵較多、照明不足，對三維激光 掃描精度有一定的影響，因而有必要開展隧道工程中三維激光掃描監測及 數據后處理關鍵技術研究，使其最終量測精度優于常規監測手段，滿足隧 道施工安全控制要求。（2）建立針對隧道封閉空間的施工安全預警體系隧道監控數據是進行隧道施工安全評估的基礎，是施工安全的重要保 障，因而監控數據的實時傳輸和及時分析反饋，是安全控制的重要環節。 據統計隧道施工中大多事故皆涉及到掌子面的穩定性，同時由于隧道封閉 空間內通訊信號難以覆蓋，監控

7、相關信息無法實時傳輸至控制中心，控制 中心也無法及時將監測數據分析結果及預警信息傳達至洞內掌子面前方， 導致對隧道安全控制極為不利，因而很有必要開發一套針對隧道封閉空間 的施工安全預警系統。（3）實現隧道集成規范化管理目前，鐵路系統已經逐步建立在建隧道集成管控平臺，并已在西成鐵 路客運專線等隧道項目實施，通過隧道施工過程信息集成，實現了隧道的 規范化管理，大大降低隧道安全風險。中交集團在建隧道項目較多，隧道 設計、施工及監測等信息較為分散，甚至隧道監控預警標準及測點布置標 準都不統一，是中交集團邁向隧道施工前沿領域的一大障礙，因而很有必 要建立一套隧道集成管理平臺，實現在建隧道項目的標準化、統

8、一管控。（4）人員定位與雙向預警人員安全是隧道施工安全控制的重點，對于自然條件和施工條件較惡 劣的工程，施工人員及量測人員自身的安全性也存在一定的問題。在隧道 封閉空間內，較難實現人員與外界的實時溝通，導致現場人員發生危險時 較難及時通知外界，同時，當控制中心通過監測數據分析發現有隧道危險 預兆時，也較難及時通知現場施工人員。因而建立一套針對隧道封閉空間 的人員定位與雙向預警體系，對減小隧道施工安全事故時的人員傷亡具有 重大意義。綜上，為落實集團高層領導對隧道安全施工的要求，科技部會同路橋 軌道交通事業部等，從解決隧道施工過程中圍巖變形安全監控著手，針對 隧道監控安全、快速、有效及實時等方面的

9、難點，提出本項目課題研發。二、國內外研究概況及可行性分析國內外相關技術現狀近年來，隨著高速公路、高速鐵路、城市地鐵等基礎設施的快速發展， 我國隧道建設工作進入了迅猛發展時期，隧道安全事故也經常發生，從國 家、行業、集團、局等各個層面都對隧道施工安全給予了極高關注。對于 城市地鐵隧道、鐵路隧道、公路隧道等工程而言，及時有效地掌握隧道工 程體中的巖體變形及穩定性，及時反饋給現場施工人員，是減少隧道施工 安全事故的有效途徑。（1）基于三維激光掃描的信息化監控技術實現隧道信息化施工，是未來隧道項目管理的重要方向，隧道工程信 息化就是集工程當前已知所有信息，收集、傳輸、分類、歸納進入互聯網 平臺，供隧道

10、工程建設方、設計、監理、施工、監督等資源共享以及進一 步分析、利用、決策的隧道工程信息共同體。目前，隧道監控已從人工監控向信息化監控發展，比如鐵路總公司已 開發完成了隧道信息化監控系統，能夠同時為多個項目提供監控服務。隧 道信息化監控通常為測量、數據傳輸、數據分析、提供預警等四個環節。 為便于信息化實施，目前隧道測量已經基本擯棄傳統的掛尺測量，采用了 全站儀測量，但是根據現場實測數據結果分析表明采用全站儀進行監測， 其精度在20-30m范圍內只能達到3-4mm精度，測量精度不足；在信息反 饋方面環節過多，不能及時到達施工現場，信息反饋過慢。現在三維激光掃描技術已逐步成熟，在高層建筑、橋梁等方面

11、已成功 應用，精度達到了 0.6mm,而且克服了傳統數據采集方法中速度慢、人力 要求高等缺點，同時可以對測量人員不能直接到達的地方進行掃描作業，相對于傳統的數據采集方法具有作業周期快，容易操作，測量覆蓋范圍廣 等優點，是快速獲取監測數據更為有效的途徑。目前尚無在隧道中全面采 用三維激光掃描技術的報道。從技術角度上講，在三維激光掃描儀及時、 有效的監控數據反饋下，開發監控數據集成與分析平臺，及時掌握隧道施 工安全狀況，是隧道信息化施工較為有效的途徑。（2）北斗衛星導航定位系統北斗衛星導航系統是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星 導航系統，是繼美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之后第三個

12、成熟的全 球衛星導航系統。2012年完成了二期建設，系統具備覆蓋亞太地區的定 位、導航和授時以及短報文通信服務能力；2020年左右，將建成覆蓋全 球的北斗衛星導航系統。北斗衛星導航系統向全球用戶提供高質量的定 位、導航和授時服務，包括開放服務和授權服務兩種方式。2013年國內建成的北斗地基增強系統有安徽池州CORS（ 3個站）、 九江市CORS（ 12個站）、總裝北斗地基增強系統長三角示范網（8個 站）、上海海事局長江口北斗連續運行參考站系統（4個站）、重慶北斗 三星網絡CORS系統。這些CORS系統全頻段接收北斗B1、B2、B3， GPS的L1、L2、L5和GLONASS的G1、G2信號。系

13、統建成后全面提 升了地區精密測量的精度和效率，并在城市空間基礎設施、三維動態和氣 象等諸多領域發揮重要作用。（3）隧道封閉空間實時數據傳輸隧道封閉空間內數據實時傳輸對施工安全控制意義重大，本項目需要 實時單向傳輸三維激光掃描儀的監測數據和人員定位雙向傳輸數據。從技 術層面來講，通過設立無線基站，ZigBee網絡等自組織網、移動通信的 CDMA網、GSM網均可實現封閉空間的數據傳輸。移動通信的CDMA網 或GSM網廣泛應用于語音通信領域目前移動通信主要使用3G/4G通信 技術進行數據通信，在信號放大技術、中繼技術等領域也有較大的發展。（4）隧道內人員實時定位與預警發布ZigBee技術和RFID技

14、術在2004年就被列為當今世界發展最快、市 場前景最廣闊的十大最新技術中的兩個，是物聯網應用最關鍵的技術之 一。ZigBee技術是近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向 無線通訊技術，與ZigBee技術類似，無線射頻識別（RFID）技術的短距離 定位能力比ZigBee精度更高，它主要通過無線電訊號識別特定目標并讀 寫相關數據，該項技術在超市、門禁等領域應用非常廣泛。通過研究 ZigBee和RFID組合技術，并建立相應的預警平臺，將之應用到隧道監控 中，可實現隧道內人員實時定位與預警發布。2.2可行性分析通過研究隧道安全智能監測預警關鍵技術，建立隧道集成管控平臺， 可以大大提升中交集團隧

15、道施工安全控制水平，項目研發實施主要對如下 幾項技術進行可行性分析：三維激光掃描數據處理、基于北斗系統的定位 與數據傳輸、隧道封閉空間內數據傳輸、封閉空間人員定位與雙向通信。（1）三維激光掃描在隧道施工監測中的適用性隧道測量首先要了解隧道的當前狀況，最直接有效的辦法就是獲取它 的現狀圖，但由于隧道現場施工環境雜亂等原因，傳統測量方法無法滿足 作業迅速且不影響現場施工作業的要求。三維激光掃描技術具有掃描速度 快，非接觸性等特點，較適宜于隧道現狀數據的獲取，具有一次性獲取隧 道數據信息量大、測量精確、每站作業時間短的優點。2015年1月，中交集團路橋軌道事業部委托上海達華測繪有限公司， 對承擔的廈

16、門市軌道交通1號線一期工程進行了三維激光掃描現場測試， 測試內容主要包括基于收斂計的三維激光掃描儀收斂測量精度分析、基于 水準儀+鋼尺組合及三維激光掃描儀拱頂沉降精度分析、地鐵隧道中軸線 精度分析等。測試結果表明：三維激光掃描模型是由所有的實測點云數據 構成，模型中每個點不僅包含與實地一致的三維坐標信息外還包含RGB 等顏色信息，由點云數據構成的三維模型中可以提取的數據信息是與現實 一致的高精度，可直接用于生產或工程應用，其數據精度完全符合隧道高 精度監測的精度要求。圖1豎井聯絡通道及左右線掃描點云空間變形量示意圖數據后處理過程中，發現徠卡公司針對隧道監測開發的數據分析軟件 功能不全，兼容性稍

17、弱，部分模型須進一步優化并進行整合，需要開發針 對三維激光掃描數據分析的隧道專業模塊，提高后處理效率，該項工作完 成前期調研工作，通過本課題研發，預期可以達到預想效果。（2）北斗系統在隧道工程中的適用性北斗首次集納多種軌道設計于一身，能提供更多可見衛星，可支持更 長的連續觀測時間和更高精度。已發射的北斗16顆衛星集中分布在亞太 地區，其中5顆集中在赤道面。分布在一個區域的衛星越多，意味著信號 強度、導航精度和穩定性越高。“北斗一號衛星導航系統”具有定位導航與雙向通信兩大功能，采用 BDS/GPS兼容系統接收定位衛星信號較多，因此可以用于隧道工程的控 制基準建立，建立洞內洞外的聯系測量。（3）隧

18、道封閉空間內數據無線實時傳輸技術數據無線實時傳輸技術，結合北斗系統數據遠程傳輸和ZigBee等自組 織網絡、無線WIFI、信號泄漏電纜、移動直放站等技術在隧道封閉空間 內數據傳輸能力，可以建立基于北斗隧道監控數據實時傳輸系統。其核心 是監控數據通過無線局域網進行數據的傳輸，所有信息匯總后中繼到隧道 口廣域數據鏈路經通信衛星網絡或公眾移動數據通信網絡進行實時傳輸, 從而實現隧道封閉空間數據無線傳輸。目前該項技術在環境質量檢測領域 已有實踐應用，經實驗證明該系統具有傳輸穩定、使用領域廣闊和覆蓋面 積大等優點,符合未來隧道施工智能報警領域的發展趨勢，具有很大的實用 價值和可推廣性。（4）隧道封閉空間

19、內人員實時定位與預警發布技術目前無線定位技術種類較多，主流的包括ZigBee，RFID，UWB等。 與ZigBee相比，RFID的定位精度更高，但其沒有數據傳輸能力，且識別 范圍只有10米左右，而ZigBee的傳輸和識別范圍最大可達500m。因而 基于ZigBee和RFID技術的綜合人員定位系統可以解決長大隧道封閉空 間內的人員精確實時定位。北斗系統在無遮掩空間的定位能力非常強大， 但其信號無法覆蓋隧道封閉空間，通過隧道內設置的ZigBee、RFID或者 UWB基站，將人員信息通過協調節點發送至北斗系統，可以彌補北斗定 位系統的不足。同時，北斗系統和上述無線定位通信技術均可具有雙向通信功能，控

20、 制中心與現場施工人員可以進行實時通信。控制中心人員發現監控數據異 常情況下，可以及時對現場施工人員發出預警通知及逃生路線，現場施工 人員發現危險時，可以及時發出報警信息或求救信息。三、項目研發的主要內容及技術經濟指標12 -主要研究內容本課題擬結合中國交通集團隧道施工項目，基于三維激光掃描應用于 隧道監控的技術理念，重點針對隧道三維激光掃描施工監測與控制關鍵技 術、三維激光掃描數據處理與傳輸技術、隧道施工智能監控平臺研發和隧 道施工過程信息集成與反饋系統展開研究，研究內容主要包括以下方面：隧道三維激光掃描施工監測與控制關鍵技術隧道是超長線狀結構，需要沿隧道軸線布設多個測站才能完成整條隧 道的

21、掃描工作，測站間距和掃描分辨率是數據采集的關鍵參數，對測量精 度和測量效率有很大影響：測站間距越大，所需測站總數就越少，掃描時 間就越短；掃描分辨率越高，測點越密集，但所需掃描時間也越長。在隧道里布設多個激光掃描測站時，各個測站所獲得的點云屬于不同 的參考坐標系，把不同參考坐標系的點云歸集到一個坐標系中的過程稱為 拼接，數據拼接是測量精度控制的重要環節。距及分辨率優化控制技術通過隧道內部煙霧環境評價，結合隧道斷面形狀及幾何尺寸，研究三 維激光掃描測站間距和分辨率設置及優化組合方案。設及識別技術基于測站間距，研究實體標靶布置原則，建立基于標靶條件下點云識 別技術，提高后期拼接精度。位技術的激光掃

22、描儀數據轉換分析激光掃描控制軟件內部坐標轉換方法，研究基于北斗系統的數據 轉換技術，獲得滿足隧道監控需求的點云三維坐標信息。三維激光掃描數據處理與傳輸技術研究“點云”是三維激光掃描的成果數據，可真實全方位地描述三維空間實 際形狀。隧道三維激光掃描時需設置多個測站在監測數據分析前，需對“點 云”數據進行拼接，把不同參考坐標系的點云歸集到一個坐標系中并剔除 重疊數據。通過“點云”數據分析隧道變形時，由于“點云”數據眾多，常用方法是 將截取的隧道縱斷面作為分析對象，其關鍵是確定截取位置處隧道的空間 姿態信息，因而精確地從“點云”中提取隧道任意斷面是三維激光掃描監控 技術的重點，其基本思路是先確定隧道

23、的設計中軸線，然后以此為基準提 取隧道斷面。由于隧道封閉空間內沒有信號覆蓋，從洞內數據采集到洞外數據傳輸 往往經歷較長時間，在災害發生前不能及時發出預警提示，是隧道施工安 全控制亟需解決的問題。1）隧道“點云”數據拼接技術研究基于定位系統，采用坐標歸化處理手段，研究分站掃描數據拼接技術， 將“點云”數據歸算到統一的坐標系統。2）隧道軸線提取技術研究采用曲面擬合方法，研究隧道中軸線的提取方法，通過現場試驗分析， 驗證方法的可靠性。3）隧道斷面切割精確化控制技術研究以隧道軸線為基準，采用點云厚度與斜率優化技術，控制斷面擬合誤 差，實現隧道斷面切割提取的精確化控制。4）封閉空間內數據無線實時遠程傳輸

24、技術研究開發北斗與無線數據通信系統接口，結合無線局域網絡、寬帶衛星傳 輸鏈路、公眾無線數據通信系統構建數據遠程傳輸鏈路，實現隧道封閉空 間監控數據無線實時傳輸，并最終與項目部、局公司實現雙向實時通信。 語音通信通過VoIP技術實現。隧道施工智能監控平臺研制三維激光掃描技術應用于隧道監控的最大障礙在于數據處理軟件匱 乏，目前激光掃描儀“點云”數據處理軟件基本功能均是對“點云”數據進行 拼接、截取、建模等操作，一般僅適用于數據的前期處理，在的隧道精細化 變形監測分析方面應用有限。為實現隧道斷面自動截取及超欠挖分析、隧 道圍巖變形自動分析及預警、掌子面穩定狀態評價等諸多功能，設計一套 隧道施工智能監

25、控平臺十分重要。1）隧道監控量測規范限值集成及預警系統開發建立隧道監控量測規范限值集成及預警系統，根據隧道類別、圍巖等 級及隧道幾何信息，自動分析監控斷面間距要求、拱頂沉降、水平收斂、 底部隆起、掌子面變形等規范限值；按照規范要求和業主需求，集成隧道 監控預警數據，形成隧道監控自動預警平臺。2）隧道斷面自動提取及超欠挖分析系統開發根據隧道類別、圍巖等級及業主需求，按照規定間距自動提取隧道斷 面，并對斷面“點云”數據進行優化處理；通過與設計斷面對比，自動分析 超欠挖狀態，并實時反饋施工。3）隧道變形自動分析系統開發根據提取的隧道斷面“點云”信息，自動分析隧道拱頂、拱腰、拱底等 關鍵點的坐標信息，

26、通過數據對比分析，自動獲取隧道實時變形及累計變 形信息，形成隧道變形自動分析系統。4）隧道掌子面穩定性分析系統開發通過掌子面地質編錄與分析系統，結合掌子面三維激光變形測量數 據，提出掌子面穩定性狀態評價意見，并及時預報圍巖變化，形成隧道掌 子面穩定性分析系統。隧道施工過程信息集成與反饋系統隧道施工過程信息集成與反饋是降低施工風險的重要環節，對中交集 團而言，在建隧道項目眾多，對隧道項目進行集成規范化管理十分重要。 通過北斗定位系統建立隧道分布區位圖，關聯相關隧道的三維BIM模型， 并將隧道監控測點及測量數據附著于BIM模型，直觀地掌握隧道施工狀 況。通過專家輔助決策及應急響應系統，及時對施工風

27、險做出評估和響應， 有效降低施工風險。隧道施工過程中，人員的安全極為重要，因而非常有 必要建立現場施工人員與控制中心的信息實時溝通體系。1）隧道施工信息集成與三維可視化系統建立基于北斗系統的隧道分布精確區位圖并通過BIM技術建立隧道 三維可視化模型，開發隧道信息編錄接口，實現隧道設計、施工、監控信 息與BIM模型關聯的可視化集成管理系統。通過權限設置，建立數據信息 輸出標準模塊，實現隧道施工及監控信息日報、周報及月報遠程輸出功能。2）隧道施工專家輔助決策及應急響應系統建立隧道施工專家經驗數據庫，借助人工智能和專家系統技術，實現 重大問題的專家輔助決策和事故后的應急預案的快速啟動。3）封閉空間人

28、員定位與雙向通信系統研究北斗系統、ZigBee、UWB與RFID技術的通信及定位原理，開 發信號轉換接口，實現隧道封閉空間人員遠程精確定位，并建立事故發生 前的雙向預報警系統。技術經濟指標本課題針對隧道傳統監控手段反饋不及時、耗費人力物力等缺點，本 著及時發現施工風險、減少生產事故的目標，重點攻克隧道三維激光掃描 施工監測與控制關鍵技術、三維激光掃描數據處理與傳輸技術、隧道施工 智能監控平臺研發和隧道施工過程信息集成與反饋系統等核心技術，滿足 集團總部、子公司和經理部三級管理機構對在建隧道項目的遠程安全監 控、資源管理與指揮調度的要求，研究成果適應中國交通建設集團在隧道 施工安全管控領域的定位

29、要求，將成為中交集團占領隧道智能安全管控高 端領域的關鍵技術，大大提升中交集團隧道施工安全管控水平。同時，通 過技術集成與轉讓，將為集團創造較大的直接經濟效益，重點技術成果如 下：（1）突破常規隧道監測3-4mm誤差范圍，通過三維激光監測關鍵技術研究和掃描數據智能分析系統開發，將隧道監測誤差控制在0.6mm內；（2）依托北斗數據傳輸技術，攻克無GSM和CDMA等移動信號地 區，隧道封閉空間內數據遠程傳輸及人員定位技術難題；（3）研制隧道施工智能監控平臺，實現監控數據智能分析及反饋；（4）攻克隧道施工安全智能監測預警關鍵技術，開發隧道施工過程 信息集成與反饋系統，實現中交集團控制中心對在建隧道的統一、實時管 控。19 -四、項目研發的技術路線本課題研究擬通過文獻調研、室內實驗、工程試驗和理論分析等多種 手段，采用產、學、研方式進行深入的開發與拓展，研究具有自主知識產 權的科技成果，形成基于北斗GPS兼容系統的隧道圍巖變形實時監控關 鍵技術成果，具體研究技