中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
本期采訪對(duì)象：
張繼文，機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司副總工程師。巖土工程專業(yè)，教授級(jí)高級(jí)工程師，參加國(guó)家、行業(yè)、協(xié)會(huì)和地方標(biāo)準(zhǔn)編寫6項(xiàng)，多個(gè)項(xiàng)目獲得全國(guó)、行業(yè)和省部級(jí)一、二等獎(jiǎng)，2項(xiàng)成果獲省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，取得發(fā)明專利5項(xiàng)，實(shí)用新型專利7項(xiàng)，累計(jì)發(fā)表論文28篇。承擔(dān)國(guó)家科技支撐計(jì)劃1項(xiàng)，陜西省科技統(tǒng)籌計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)目。目前擔(dān)任中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)土力學(xué)及巖土工程分會(huì)理事、陜西省巖土力學(xué)與工程學(xué)會(huì)理事等。
RT軌道交通：請(qǐng)您介紹一下全國(guó)地鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和整體水平。目前貴院在全國(guó)地鐵主要承接了哪些城市地鐵的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目？應(yīng)用了哪些自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段？
張繼文：目前，我認(rèn)為全國(guó)地鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和整體水平尚處于起步階段，全國(guó)地鐵隨著建設(shè)的逐步發(fā)展日益需要自動(dòng)化監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)地鐵及周邊環(huán)境的形變測(cè)量。
我院先后承接了西安地鐵、重慶地鐵、南昌地鐵、合肥地鐵、呼和浩特地鐵、深圳地鐵等。如：西安地鐵一、二、三、四、五號(hào)線、西安地鐵二號(hào)線運(yùn)營(yíng)線路（北客站至?xí)怪行亩危┳冃伪O(jiān)測(cè)項(xiàng)目、西安地鐵二號(hào)線南延段運(yùn)營(yíng)線路變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、西安市半坡國(guó)際廣場(chǎng)項(xiàng)目北廣場(chǎng)地下停車庫及回填施工對(duì)鄰近地鐵區(qū)間隧道影響自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、重慶軌道交通5號(hào)線、南昌市軌道交通2號(hào)線、合肥市軌道交通3號(hào)線工程第三方監(jiān)測(cè)、合肥市軌道交通3號(hào)線第三方測(cè)量等。
測(cè)繪科學(xué)技術(shù)和儀器硬件、軟件的不斷進(jìn)步促進(jìn)了變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。在1980年前變形監(jiān)測(cè)使用的方法和儀器大都是經(jīng)典的地面測(cè)量方法和水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀等傳統(tǒng)儀器。隨著穿越既有地鐵線等施工案例的增多，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)也飛速發(fā)展。這些監(jiān)測(cè)技術(shù)原則上是朝著自動(dòng)化的方向發(fā)展。但是，監(jiān)測(cè)技術(shù)總體上來說也是基于相應(yīng)的監(jiān)測(cè)硬件設(shè)備的不斷創(chuàng)新發(fā)展來發(fā)展的。以下是目前較為流行的幾種監(jiān)測(cè)技術(shù)。
1)基于測(cè)量機(jī)器人的非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)
全站儀最早脫胎于經(jīng)緯儀，利用激光測(cè)距功能實(shí)現(xiàn)了距離測(cè)量的電子化，并且保留了經(jīng)緯儀的角度測(cè)量功能。由于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)它可以自動(dòng)連續(xù)跟蹤目標(biāo)測(cè)量，而不需要手動(dòng)操作，并且其具有編程功能，可以針對(duì)預(yù)定目標(biāo)進(jìn)行編程預(yù)設(shè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。
目前，基于測(cè)量機(jī)器人的非接觸式自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已得到了廣泛的應(yīng)用。在國(guó)外，瑞士徠卡、美國(guó)天寶、日本拓普康等公司都已經(jīng)研制了各自的基于測(cè)量機(jī)器人的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中，瑞士徠卡公司是最早生產(chǎn)該系統(tǒng)的公司，在上世紀(jì)80年代該公司生產(chǎn)的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就已經(jīng)在歐洲和新加坡地鐵獲得應(yīng)用。
測(cè)量機(jī)器人是一種能夠自動(dòng)尋找、識(shí)別、精確照準(zhǔn)目標(biāo)、自動(dòng)測(cè)量、計(jì)算并且自動(dòng)存儲(chǔ)測(cè)量信息的完全代替人工測(cè)量的智能化儀器。測(cè)量機(jī)器人使用自照準(zhǔn)原理和圖像處理功能和發(fā)射紅外光束，能夠?qū)y(cè)量目標(biāo)自動(dòng)分辨、尋找和測(cè)量，能夠24小時(shí)全天候監(jiān)測(cè)。測(cè)量機(jī)器人己經(jīng)成功的應(yīng)用在我國(guó)很多城市的地鐵隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中并且積累了很多的寶貴經(jīng)驗(yàn)。
2)基于靜力水準(zhǔn)儀的多傳感器位移監(jiān)測(cè)技術(shù)
由于地鐵交叉節(jié)點(diǎn)大部分都是立體交叉，因此較多情況下存在的是高程沉降方面的變化，因此基于靜力水準(zhǔn)儀的多傳感器位移監(jiān)測(cè)技術(shù)，也適用于相應(yīng)工程的監(jiān)測(cè)。
3)基于巴賽特收斂系統(tǒng)的位移監(jiān)測(cè)技術(shù)
巴賽特收斂系統(tǒng)是一種由多個(gè)桿件單元組成的隧道剖面收斂自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。其工作原理是:數(shù)個(gè)首尾互相鉸接的監(jiān)測(cè)單元安裝在需要監(jiān)測(cè)的隧道剖面，形成一個(gè)測(cè)量環(huán)；每個(gè)連桿由一長(zhǎng)一短兩個(gè)桿件的組合成為一對(duì)桿件單元。當(dāng)監(jiān)測(cè)對(duì)象出現(xiàn)變形時(shí)，固定點(diǎn)的移動(dòng)會(huì)帶動(dòng)相應(yīng)的長(zhǎng)短臂活動(dòng)，從而使長(zhǎng)短臂之間角度發(fā)生變化。這時(shí)系統(tǒng)上安裝的角度傳感器就可測(cè)出角度變化數(shù)值。系統(tǒng)則根據(jù)傾角變化和各相應(yīng)長(zhǎng)短臂的長(zhǎng)度計(jì)算出各固定點(diǎn)的位移，再對(duì)比各固定點(diǎn)原始位置的坐標(biāo)，就可得到各固定點(diǎn)在變化后的實(shí)際位置。
4)基于固定式自動(dòng)測(cè)斜儀的位移監(jiān)測(cè)技術(shù)
固定測(cè)斜儀的工作原理是首先在需要監(jiān)測(cè)的位置處鉆孔并埋入測(cè)斜管，然后將測(cè)斜探頭置入測(cè)斜管內(nèi)，并將測(cè)斜探頭依照需要監(jiān)測(cè)的方向卡入測(cè)斜管內(nèi)壁相應(yīng)槽口上，可以將一個(gè)探頭固定在測(cè)斜管內(nèi)需要監(jiān)測(cè)的深度上，也可以串聯(lián)式在一個(gè)測(cè)斜管內(nèi)固定多個(gè)測(cè)斜探頭。當(dāng)外部監(jiān)測(cè)對(duì)象出現(xiàn)位移變形時(shí)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)斜管出現(xiàn)變形，從而使得探頭傾斜，這時(shí)探頭受到的重力的分力引起磁場(chǎng)中的線圈旋轉(zhuǎn)，線圈旋轉(zhuǎn)后電磁感應(yīng)的電流會(huì)產(chǎn)生與重力的方向相反但是數(shù)值相等力去不斷平衡重力的分力，這股電流與傾斜的角度成正比。系統(tǒng)通過對(duì)所有探頭電流測(cè)定讀數(shù)的計(jì)算就可以得到相應(yīng)部位的相對(duì)位移。
5)光纖光柵技術(shù)
光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體、光纖為媒介、感知和傳輸外界信號(hào) (被測(cè)量) 的新型監(jiān)測(cè)技術(shù)，具有(準(zhǔn))分布式、長(zhǎng)距離、實(shí)時(shí)性、耐腐蝕、抗電磁、輕便靈巧等優(yōu)點(diǎn)。特別是光纖光柵傳感技術(shù)和分布式光纖傳感技術(shù)自20世紀(jì)90年代被發(fā)展和應(yīng)用以后，美國(guó)、加拿大、日本、德國(guó)及英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛將光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于大壩、橋梁、電站、隧道及高層建筑物等大型民用基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測(cè)中,取得了令人鼓舞的進(jìn)展,展示了光明的前景。
光纖傳感器(Fiber Optical Sensor)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時(shí)具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)。當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光通過傳輸光纖射入時(shí)，在光柵處有選擇的反射回一個(gè)窄帶光，其余寬帶光繼續(xù)透射過去，在下一個(gè)具有不同中心波長(zhǎng)的光柵處進(jìn)行反射，多個(gè)光柵陣列形成光纖布拉格光柵(FBG)傳感網(wǎng)絡(luò)?；贔BG傳感網(wǎng)絡(luò)的分析儀，可以在反射光中尋址到每一個(gè)光柵傳感器。根據(jù)變化量并利用參考光信息可以解調(diào)出被測(cè)量的溫度和應(yīng)變值。
由于地鐵變形監(jiān)測(cè)精度高(1mm甚至更小)，并且只能在隧道的細(xì)小窄長(zhǎng)的空間里布置基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)。三維激光掃描和地面攝影測(cè)量技術(shù)仍難以滿足監(jiān)測(cè)的要求。
我院在西安地鐵一、二、三號(hào)線運(yùn)用了光纖光柵技術(shù)及基于測(cè)量機(jī)器人的非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)，效果較好，獲得業(yè)主好評(píng)。
RT軌道交通：自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在軌道交通工程施工及運(yùn)維過程的應(yīng)用還存在諸多亟待解決的問題，您認(rèn)為具體有哪些亟待解決的問題？
張繼文：地鐵隧道是狹長(zhǎng)形的空間環(huán)境，同時(shí)，地下列車一般以平均5 min左右的時(shí)間間隔車次在地鐵隧道中高速運(yùn)行。地鐵環(huán)境的這些特點(diǎn)及保證地鐵正常運(yùn)營(yíng)等因素的制約，使得自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用遇到比其他工程中更多的技術(shù)問題。
A、項(xiàng)目監(jiān)測(cè)區(qū)間長(zhǎng)，工作基點(diǎn)位于變形區(qū)內(nèi)，極易受地鐵運(yùn)行列車振動(dòng)和氣流變化；
B、現(xiàn)場(chǎng)部分區(qū)間沒有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，因此如何確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度和傳輸成為面臨的關(guān)鍵問題；
C、遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)的可靠性在長(zhǎng)期自動(dòng)化監(jiān)測(cè)任務(wù)中對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要；
D、新技術(shù)的實(shí)施缺乏規(guī)范、操作規(guī)程、鑒定方法及機(jī)構(gòu)等技術(shù)支撐。
RT軌道交通：您如何理解“軌道交通智慧基礎(chǔ)設(shè)施”這一概念？主要包含哪些基本要素和關(guān)鍵技術(shù)？
張繼文：智慧軌道交通是人類社會(huì)對(duì)軌道交通發(fā)展趨勢(shì)和運(yùn)作模式的抽象，是軌道交通發(fā)展遠(yuǎn)景的宏觀理念和建設(shè)目標(biāo)，它“以人類智慧與經(jīng)驗(yàn)為指導(dǎo)，以信號(hào)和信息的數(shù)宇化處理為基礎(chǔ)，以‘物’的智能化信息采集為基礎(chǔ)，以‘能實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物的全而互聯(lián)’的‘全聯(lián)網(wǎng)’為信息交換和資源共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)的控制與管理過程智慧化，使之具有更透徹的感知、更廣泛的互聯(lián)互通和更深入的智能化處理能力”，從而構(gòu)建人和人類智慧、軌道交通物理網(wǎng)絡(luò)、“全聯(lián)網(wǎng)”、智能信息處理技術(shù)及各類數(shù)宇化信息為一體，構(gòu)建“高效、便捷、安全、可視、可預(yù)測(cè)、環(huán)保和智慧”的現(xiàn)代軌道交通系統(tǒng)。
其中，“軌道交通智慧基礎(chǔ)設(shè)施”是“智慧軌道交通”的組成部分，是對(duì)嵌入智能功能的軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的抽象，是更透徹的感知“物”的和對(duì)“物”進(jìn)行控制的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)“更深入的智能化”的關(guān)鍵部件。
將軌道交通智慧基礎(chǔ)設(shè)施，這一表述用于界定代表未來軌道交通建設(shè)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)或目標(biāo)的宏觀系統(tǒng)，不用于描述具體的單個(gè)(或局部的)軌道交通建設(shè)項(xiàng)目。盡管該行業(yè)的發(fā)展離不開數(shù)宇化和控制管理的智能化，但著眼于行業(yè)總體發(fā)展，用“智慧”作為修飾語，強(qiáng)調(diào)“更透徹的感知、更廣泛的互聯(lián)互通和更深入的智能化處理能力”，更能夠全而反映對(duì)行業(yè)發(fā)展的期望。
“更透徹的感知、更廣泛的互聯(lián)互通和更深入的智能化處理能力”是軌道交通智慧基礎(chǔ)設(shè)施的基本特征，它以智能信息處理技術(shù)、全聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感技術(shù)為支撐，構(gòu)建和展示了一個(gè)“高效、便捷、安全、可視、可預(yù)測(cè)、環(huán)保和智慧”的、高科技的、現(xiàn)代化的、龐大的軌道交通智慧基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。
基本要素：物聯(lián)網(wǎng)、系統(tǒng)平臺(tái)、智能處理芯片、嵌入式技術(shù)和先進(jìn)、敏銳、精確、快捷的傳感技術(shù)。
關(guān)鍵技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)是一把雙刃劍，它在給控制系統(tǒng)帶來便利的同時(shí)，也帶來了一些函待解決的安全問題。長(zhǎng)期以來，制造與生產(chǎn)企業(yè)的控制系統(tǒng)大部分是采用專用的、封閉的體系結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)控制系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合時(shí)，控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)就逐漸由封閉轉(zhuǎn)向開放，工業(yè)以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)以太網(wǎng)在控制回路中就會(huì)與遠(yuǎn)程互聯(lián)，這就容易被黑客利用進(jìn)行攻擊。
RT軌道交通：請(qǐng)您整體評(píng)價(jià)一下中國(guó)軌道交通信息化建設(shè)的發(fā)展現(xiàn)狀？與國(guó)外相比是否存在差距？目前，智能化和信息化技術(shù)在軌道交通推進(jìn)的速度相對(duì)緩慢，您認(rèn)為其中的主要原因是什么？
張繼文：中國(guó)軌道交通信息化建設(shè)的發(fā)展方便了出行者，具有速達(dá)、準(zhǔn)時(shí)、舒適、客運(yùn)量大、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。但是通過實(shí)際運(yùn)營(yíng)可以看出，中國(guó)軌道交通信息化建設(shè)還不完善，其中存在的不足主要有幾點(diǎn)原因：
1）缺乏信息資源的整合共享
交通行業(yè)之間及與公安、醫(yī)療、救援等機(jī)構(gòu)之間在信息建設(shè)管理上還存在各自為政的問題。由于不同的行業(yè)、部門自身信息服務(wù)主體所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、管理體制不同等原因，因而分別采用了不同的裝置設(shè)備和數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，相互之間的信息很難進(jìn)行有效的傳遞和共享。這些都使得交通信息資源較為分散，分割情況嚴(yán)重，信息孤島現(xiàn)象明顯。致使各個(gè)行業(yè)、部門之間缺少協(xié)同作業(yè)，無法實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)出現(xiàn)的特殊情況也無法得到及時(shí)有效的處理。同時(shí)，交通信息資源也存在著與社會(huì)公眾之間缺少信息交換的問題。
2）建設(shè)缺乏前瞻性
近年來，各地掀起了城市軌道交通的建設(shè)熱潮，有些城市對(duì)城市軌道交通的規(guī)劃建設(shè)研究不夠深入，缺乏前瞻性的認(rèn)識(shí)，從而出現(xiàn)了盲目建設(shè)的現(xiàn)象。
3）交通運(yùn)輸綜合發(fā)展的程度低
地鐵目前已成為我國(guó)城市中主要的軌道交通運(yùn)輸工具。通過北京市等客流量較大的城市可以看出，雖然部分城市的軌道交通網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)已初具規(guī)模，但仍可以發(fā)現(xiàn)地鐵上依然存在很多的擁擠排隊(duì)的現(xiàn)象，尤其是在重要站點(diǎn)及換乘樞紐站，而乘客多因?yàn)榫嚯x、時(shí)間等原因不愿選擇換乘其他交通方式，因此僅靠單一的軌道交通方式已經(jīng)不能滿足大量的客運(yùn)需求。我國(guó)多數(shù)城市對(duì)軌道交通與其他公共交通方式協(xié)同建設(shè)重視不夠，缺乏融合，還不能完全做到相互銜接。交通運(yùn)輸綜合發(fā)展的理念還有待進(jìn)一步提高。
RT軌道交通：您如何判斷“軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施建造與運(yùn)維智慧化”的未來發(fā)展前景？
張繼文：總體來說,中國(guó)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施建造與運(yùn)維智慧化方面發(fā)展前景非常廣闊。
在國(guó)外，像紐約、巴黎、東京、倫敦等發(fā)達(dá)城市早在20世紀(jì)前就已經(jīng)開始了城市軌道交通的建設(shè)，至今基本形成較為完善的軌道線網(wǎng)。國(guó)內(nèi)軌道交通建設(shè)規(guī)模大，繼一線城市之后，二、三線城市進(jìn)入建設(shè)高峰期，同期開工里程多。至2016年11月，全國(guó)已有47個(gè)城市在建或準(zhǔn)備建設(shè)地鐵，有24個(gè)城市95條軌道交通線路運(yùn)營(yíng)，通車?yán)锍?137公里；“十三五”時(shí)期將進(jìn)入城市軌道交通建設(shè)大發(fā)展階段，2020年規(guī)劃線路里程將超過10000公里。
因此構(gòu)筑一個(gè)安全、四通八達(dá)、密度足夠、高速、高容量、可持續(xù)發(fā)展的城市軌道交通體系將在整個(gè)綜合交通系統(tǒng)中發(fā)揮骨干和主導(dǎo)作用，軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施建造與運(yùn)維智慧化已刻不容緩。
未來信息技術(shù)將進(jìn)一步融入到軌道交通建造與運(yùn)維之中。借助新一代的信息技術(shù)來建立一個(gè)服務(wù)于軌道交通的網(wǎng)絡(luò)體系，提升交通運(yùn)輸效率，應(yīng)是大勢(shì)所趨。
百人談
“百人談”是由RT軌道交通推出的大型全媒體系列訪談，近期擬邀請(qǐng)100位從事軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施研究、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)、施工建設(shè)及運(yùn)營(yíng)管理領(lǐng)域的專業(yè)人士講述其對(duì)智慧化的涵義、現(xiàn)狀以及未來發(fā)展路徑的理解，并進(jìn)行深度報(bào)道和宣傳。該欄目旨在提升業(yè)界對(duì)軌道交通智慧基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)中國(guó)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)營(yíng)管理的智慧化進(jìn)程和發(fā)展，提高建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的安全性，以此促進(jìn)中國(guó)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)水平的整體提升。
