隧道施工信息化预警平台研究
“隧道施工信息化预警平台研究”项目从隧道工程施工高风险的特点出发，以数字化为基础，信息化为核心，智能化为目的，结合隧道施工的具体情况研发隧道施工信息化预警平台。该项目于2006年6月立项，2011年6月结题，主要完成单位为北京市市政工程研究院。
项目研究技术原理
“隧道施工信息化预警平台系统”（简称：TMIGS）将大量、多元、综合技术有效有机融合到隧道工程施工中将极大提高和保障施工的安全。TMIGS利用多行业、多元信息、数字化、网络化的前沿技术，集成预报预警机理、信息系统、专家系统、安全管理与一体为地下工程施工保驾护航。
关键技术及创新点
1）隧道施工信息化预警平台可快速构建“隧道信息化高速公路”，通过网关基站、控制基站、传输基站、节点基站、信号基站、采集基站一系列不同功能基站的有机组合，形成隧道施工的综合性管理系统平台。它有广泛的扩展和容纳其它设备的能力，非常适合应对隧道施工非常规突发事件，在隧道及地下工程施工中有广泛的应用前景。
2）多元信息平台涵盖了隧道施工中绝大部分可获得的数据资料，系统将“多元信息采集、综合分析、实时预警、联动反应及安全管理”有机融合在一起。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、洞内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。最终为确定合理的施工参数提供依据，为施工安全保驾护航。
3）平台充分研究了通用监测点的基本属性，以测点作为平台的最小单元，提出了“四色预警的风险管理方法与技术”，该预警方法分为自动与手动（专家决策）结合，能够处理复杂情况下的各种风险预警和安全管理决策，最大程度保障施工安全。
4）首次构建了“网络动态虚拟隧道施工”，将高风险的隧道及地下工程施工过程真实的模拟到网络平台上，模拟隧道与真实的隧道施工信息化同步。通过网络动态虚拟隧道施工可对隧道施工现场进行信息化交互式操控，它极大地扩展了隧道施工的信息化功能，有力地降低施工过程风险。
5）首次将隧道施工“监控量测自动化”，通过研制三维激光扫描系统实现必测项目的自动化，通过研制多元信息采集器实现选测项目的自动化，实现了隧道施工监控量测的全自动化、数字化、信息化及全天候和自动预警。节省了人工成本，可在一些危险场合使用，大大提高了隧道施工监测的及时性和可靠性。
6）隧道施工信息化预警平台集成了基站、人员卡、信息牌、语音、视频、手机及网路等软硬件系列设备，研究了隧道各种地质灾害的预处治方案及施工项目安全管理决策理论，首次建立并实现了隧道施工各职能部门的“紧急应对灾害联动响应机制”。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、有源定位卡、警灯鸣笛、洞口信息板等安全提示信息，启动四级预警及相应应急预案，疏导人员撤离，形成了隧道施工多元信息全方位安全保障系统。
与国内外同类技术的比较优势
隧道工程施工自动监测内容主要分为变形（位移）监测、压力（应力）监测、影像信息收集、温度监测、气体监测等项目。变形（位移）监测目前应用较多的主要有自动全站仪，如瑞士徕卡TCA1800和TCA2003等。GPS技术在大坝变形自动监测方面得到了广泛的应用。压力（应力）监测主要采用振弦式、差阻式、应变片等类型的仪器，如基康仪器公司的BGK-MICRO分布式网络测量系统。BGK-MICRO系统基于WINDOWS98/2000/NT/XP工作平台，具有用户管理、测量管理、数据管理、通讯管理等多项功能。BGK-Micro-40测量单元内置BGK-Micro-VR智能测量模块，可测量振弦式、差阻式、应变片等类型的仪器，也可根据客户选装仅用于振弦式仪器的BGK-Micro-VW测量模块，这些模块本身已具有8个测量通道，不用任何扩展即可组成最基本的8通道的测量系统。每个通道均可接入一支标准的传感器，通过BGK-Micro-CH通道扩展模块，最多可实现40个通道的测量。测量系统由计算机、BGK-MICRO安全监测系统软件、BGK-MICRO-MCU分布式网络测量单元（内置BGK-MICRO系列测量模块）、智能式仪器（可独立作为网络节点的仪器）等组成，可完成各类工程安全监测仪器的自动测量、数据处理、图表制作、异常测值报警等工作。瑞士Amberg公司开发的Tunnelscan隧道扫描技术，其核心数据采集硬件是Profiler5003超高速相位式3D激光扫描仪，在隧道进行数据采集时激光器发射的激光以螺旋线的形式对隧道表面进行全断面扫描，通过分析发射和接收到激光信号，可以获得隧道的内表面影像图像以及隧道表面各点隧道中线的距离。在测量过程中，扫描仪器可以和高端的全站仪配合，获得每一个测点的绝对坐标。隧道内表面影像图像可以为后继的应用提供真实、客观的数据基础，如地质素描、衬砌表面的病害检测、全断面的隧道表面档案等。Tunnelscan隧道扫描完全按照真实比例进行，系统提供成比例缩放功能，可任意选择输出比例，而且具有可扩展性，可扩充如裂纹分析、喷混凝土厚度、建立隧道结构3D数字模型等功能。
TMIGS集成了隧道施工过程中多元信息的自动采集、无线传输、预警及安全管理等关键技术，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、通讯视频及安全管理集成在一起，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、洞内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、有源定位卡、警灯鸣笛、洞口信息板等安全提示信息，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。
相对于国内外其他技术产品，隧道施工信息化预警平台具有以下技术优势：可基于软硬件快速构建“隧道信息化高速公路”，通过一系列不同功能基站有机结合，形成隧道施工的综合管理平台；系统将多元信息采集、综合分析、实时预警和现场施工的安全管理有机融合，实现多元信息预警；构建了“网络动态虚拟隧道施工”，实现与实际隧道施工的同步；实现隧道施工的监控量测全面自动化；建立并实现了隧道施工各职能部门的紧急应对灾害联动响应机制。该平台的多功能、多信息源的联动集成适用范围广，可应用于隧道、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动态安全监测。
项目应用成果与效益
“隧道施工信息化预警平台研究”项目研究成果已在北京108国道南村隧道、陕西包家山隧道、北京地铁大兴线等多个工程项目中得到应用。同时，通过产品化等手段已取得了良好的经济效益。目前我国处于地下工程的快速发展时期，地下工程施工的安全管理问题日益引起业内的关注。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。
“隧道施工信息化预警平台研究”项目于2011年7月通过了北京市住房和城乡建设委员会组织的技术成果鉴定。专家鉴定意见认为：该研究成果总体上达到了国际先进水平，其中三维动态数据监测系统达到国际领先水平。
该项目2011年荣获“第五届北京发明创新大赛”金奖及“北京市职工技术创新成果”优秀奖；2012年荣获“北京市政路桥建设控股（集团）有限公司科学技术奖”一等奖及“全国市政行业市政工程科学技术奖”一等奖，并有多项技术获得发明专利。
（北京市市政工程研究院）
注：本文刊载于《市政技术》2013年第2期，第4、5页。