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¿Investigación sobre un sistema automático de detección de deformaciones para túneles de metro?

1. Antecedentes de la investigación y fuente del proyecto

El metro es un dispositivo de transporte que puede transportar rápidamente a personas muy densas en un espacio pequeño. El pequeño espacio determina la dificultad y complejidad de sus medidas de gestión. La operación de alta velocidad resalta la importancia de la coordinación del sistema en muchos aspectos. Cada detalle de cada sistema puede ser un factor que afecta la seguridad; la alta densidad de población determina que una vez que ocurre un accidente en el tránsito ferroviario, será un gran peligro y desastre; La seguridad del tránsito ferroviario está estrechamente relacionada con todas las etapas de planificación, construcción y operación, lo que determina la sistematicidad e integridad de la gestión de la seguridad del tránsito ferroviario. Estos factores han planteado nuevos desafíos para la gestión de la seguridad del metro y también indican que una vez que ocurre un accidente de seguridad en el transporte ferroviario urbano, las consecuencias serán extremadamente graves.

El monitoreo de la seguridad estructural incluye el monitoreo de la erosión de la estructura del túnel, el monitoreo de la deformación estructural, el monitoreo de la fuerza interna estructural y el monitoreo de la deformación estructural es muy importante. Su contenido de monitoreo incluye principalmente el asentamiento transversal y el desplazamiento lateral a lo largo del longitudinal. distribución del túnel y deformación de convergencia de la sección transversal.

La deformación excesiva de la estructura del túnel del metro provocará desastres. Las principales medidas preventivas son el monitoreo de la deformación, que se puede dividir en etapa de construcción y etapa de operación. Para mejorar simultáneamente la seguridad en la construcción y operación de túneles, se requieren métodos confiables de detección y procesamiento de datos. Sin embargo, debido a la interferencia de la construcción y las limitaciones de los métodos y equipos de detección, la tecnología de medición tradicional solo puede registrar de forma intermitente y no es adecuada para monitorear la operación del túnel una vez que se completa. Durante el proceso de construcción del túnel, se pueden utilizar instrumentos para observar y monitorear la deformación de todo el túnel y la sección en tiempo real mediante mediciones manuales o automáticas, pero esto a menudo solo es efectivo para garantizar la calidad de la construcción del túnel. En cuanto al método de medición automática, debido al alto precio de su instrumento de medición automática (estación total), es difícil distribuir puntos en toda la línea. Además, su medición automática generalmente solo es efectiva para la superficie de avance de la construcción. La medición de referencia requiere una medición manual regular, por lo que no es adecuada para la detección de túneles en funcionamiento. Una vez finalizada la construcción, estos equipos son evacuados del lugar y la deformación del túnel del metro después de su puesta en funcionamiento no se puede detectar ni monitorear.

En la actualidad, la tecnología de monitoreo de la construcción de túneles en el país y en el extranjero está relativamente madura, pero el monitoreo durante la operación del túnel está lejos de ser suficiente. De hecho, debido al largo período de tiempo, los complejos factores que influyen y el gran impacto social posterior al desastre, el monitoreo de la salud de los túneles en operación debería recibir más atención.

De acuerdo con los datos de observación del asentamiento de los túneles de metro existentes, se encontró que el asentamiento longitudinal de los túneles en estratos de suelo blando continuará aumentando durante la operación a largo plazo, y este asentamiento es la parte principal del liquidación total. El asentamiento desigual del túnel hará que el túnel se doble y deforme, afectando la suavidad de la vía y la comodidad de los pasajeros, y provocando que las juntas del túnel se abran, agravando aún más la penetración e incluso las fugas de lodo, amenazando la estructura del túnel, las juntas y las operaciones normales. Por lo tanto, es necesario prestar atención a la deformación general de la estructura del túnel durante la operación a largo plazo y realizar una gestión y control integrales desde los aspectos de diseño, construcción, prevención y control de ingeniería y el impacto ambiental circundante.

La deformación de los túneles de metro en funcionamiento incluye el desplazamiento del eje longitudinal del túnel a lo largo de la sección transversal y el cambio de la forma de la sección transversal del túnel. Cuando el túnel se deforma demasiado, afectará el funcionamiento seguro del metro. El propósito de este proyecto es desarrollar y operar un sistema de detección y análisis de la deformación del túnel basado en la naturaleza gradual y a largo plazo de la deformación del túnel, recopilar datos en tiempo real sobre la deformación del túnel y establecer datos básicos a largo plazo. en el tiempo y el espacio, podemos lograr un análisis de la deformación del túnel. Esté preparado para publicar en línea y establecer un mecanismo de alerta temprana de la deformación del túnel. Este tema es una parte importante de la investigación y aplicación de tecnología integral para la seguridad en la operación de la red de tránsito ferroviario.

2. Contenido principal de la investigación.

En respuesta a este tema, el equipo del proyecto ha realizado una gran cantidad de trabajo de investigación básica preliminar. Basado en el principio de múltiples conjuntos de cámaras estéreo y fotogrametría de corto alcance, se realiza el seguimiento de la deformación del modelo arquitectónico. Basado en el equipo móvil de recolección de datos espaciales con múltiples sensores montado en el vehículo, se realiza la integración y el procesamiento de sensores como GPS, INS, cámaras estéreo CCD y escaneo láser. El vehículo de recolección y monitoreo de seguridad del túnel es un ejemplo exitoso de fotogrametría estéreo de corto alcance, cámara panorámica e integración de escaneo de secciones transversales y fusión de datos, con funciones de gestión de datos y liberación en tiempo real. Con el apoyo de la red espacial de sensores múltiples y otras tecnologías, la precisión de posicionamiento es de hasta 5 mm, lo que brinda un fuerte apoyo para el progreso fluido y el éxito de este plan de investigación científica.

Según las características y el contenido del proyecto, la investigación del proyecto se puede dividir en tres partes:

A. Detección general de la deformación del túnel: investigación sobre sensores de imagen inteligentes en red para monitoreo y Desastre de deformación de túneles de metro en funcionamiento. Este artículo estudia principalmente sensores de imagen inteligentes en red, dispositivos autoestabilizadores de sensores de imagen inteligentes, datos de desplazamiento relativo de puntos de referencia obtenidos mediante análisis y procesamiento de imágenes, utilizando la fusión de datos y la teoría de ajuste conjunto para procesar imágenes secuenciales de redes de sensores para mediciones de alta precisión. y red de sensores Tecnología de redes, modelado de imágenes de deformación de túneles tridimensionales y alerta temprana de deformaciones, etc.

B. Detección de deformación local (sección) del túnel: desarrollar un instrumento de monitoreo para medir la deformación de la sección del túnel. Con base en los resultados de la parte anterior, se estableció un sistema de transmisión para los puntos de referencia de posicionamiento del eje del túnel para proporcionar un punto de referencia de medición preciso para el instrumento de medición de la deformación de la sección del túnel. El instrumento de medición de la deformación de la sección del túnel escanea y monitorea exhaustivamente el túnel para analizar y diagnosticar con precisión. El estado de deformación del túnel proporciona datos de seguimiento más completos y ricos.

c.Establecer una base de datos espacial para almacenar y publicar información sobre la deformación del túnel: almacenar y procesar los datos medidos de la deformación general y de la sección del túnel, formar un mecanismo de alerta temprana y publicarlos a través de la red.

Este proyecto estudia principalmente el uso de sensores de imagen inteligentes en red para detectar la deformación del eje longitudinal de túneles en funcionamiento en un intervalo experimental en tiempo real, establecer la ley de distribución espaciotemporal del desplazamiento lateral general del túnel y establecer inicialmente el túnel mediante el análisis de la deformación Mecanismo de alerta temprana de deformación, establecer el sistema de transmisión de referencia de posicionamiento del eje del túnel, proporcionar una referencia de medición precisa para el instrumento de medición de la deformación de la sección del túnel montado en un vehículo.

Este proyecto propone por primera vez el monitoreo en línea en tiempo real de la deformación de los túneles del metro en funcionamiento basado en tecnología de sensores de red y tecnología de reconocimiento de imágenes, y analiza el estado de deformación del túnel basándose en los datos de deformación del túnel para predecir oportunamente las consecuencias de las malas condiciones de deformación del túnel.

Al mismo tiempo, en base a esto se transfiere el punto de referencia de posicionamiento del eje del túnel, proporcionando datos básicos para un mayor seguimiento de la seguridad de la estructura del túnel mediante el instrumento de medición de la deformación de la sección del túnel.

Este es un nuevo tipo de tecnología de monitoreo de seguridad en tiempo real sin contacto que puede compensar las deficiencias de los métodos tradicionales de monitoreo estructural. Utiliza un método en línea sin contacto y en tiempo real para obtener información estructural de manera integral y realiza una fusión de datos multisensor basada en tecnología de comunicación de red informática. El costo de la prueba es bajo, el proceso es repetible y tiene las características de tiempo real, dinámico y de alta precisión, lo que puede mejorar la precisión del monitoreo local y las capacidades generales de monitoreo y análisis espacial y temporal.

Los sensores de imagen se distribuyen a ciertos intervalos en la parte superior o lateral de la sección del túnel, y se proporcionan uno o más sensores de imagen en cada sección. Todos los sensores forman una red de monitoreo, y las computadoras de monitoreo en cada estación recopilan y analizan datos, y luego realizan monitoreo en tiempo real y alerta temprana de todo el túnel a través de la red informática entre estaciones. En la actualidad, la tecnología y el sistema para el monitoreo de la seguridad de la estructura del túnel a través de redes integradas de imágenes y sensores no se han informado en el país ni en el extranjero.

3. Principales resultados de la investigación

Innovación

(1) Por primera vez, el esquema y la teoría del monitoreo de la deformación del túnel y la transferencia de referencia de posicionamiento se basan en imágenes. Se propusieron análisis. Realizar un seguimiento en línea de la deformación general del túnel.

(2) Se diseña un sistema de sensor de imagen inteligente para el seguimiento online de la deformación del túnel basado en tecnología de medición de imágenes.

(3) Se diseña un vehículo de inspección por escaneo de secciones transversales que integra alcance láser, control de ángulo de precisión e inclinómetro electrónico.

(4) Se propone un método de compensación de actitud para sensores de imagen inteligentes para solucionar el error de medición causado por la actitud del sensor.

(5) Se propone un conjunto de métodos de procesamiento de datos para monitoreo multisensor y multipunto a largo plazo.

(6) Se propone un método factible de calibración, mantenimiento y reemplazo in situ de sensores de imagen inteligentes.

(7) Se desarrolla un protocolo de comunicación de red que es adecuado para el intercambio de información multisensor en la detección en línea de túneles y cumple con los requisitos de sincronización multisensor.

A través de la investigación de este proyecto, se construyó un sistema de red de monitoreo multisensor de una matriz de sensores de imagen y un instrumento de medición de deformación transversal, se diseñó un marco de calibración de sensores dedicado para la autocalibración y se desarrolló un sistema de alta precisión. Se logró una sincronización horaria precisa. Resuelve el algoritmo de procesamiento conjunto de alta precisión de la fusión de datos multisensor y realiza el cálculo de alta precisión de las coordenadas del punto de monitoreo basado en imágenes de secuencia estéreo. Se desarrolló un sistema de monitoreo de seguridad de la estructura del túnel basado en una red de monitoreo de sensores múltiples con derechos de propiedad intelectual independientes y se completó una demostración de monitoreo in situ del túnel de la sección experimental de Shanghai.

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