城市轨道交通地下安全检测系统集成技术研究

田玉冬 王广勋 高建洪



城市轨道交通地下安全检测系统集成技术研究

田玉冬 王广勋 高建洪

摘 要：城市轨道交通地下安全检测是轨道交通安全工程领域的一个重要研究方向，是一个研究难点。针对这一问题，文章分析了我国城市轨道交通地下安全检测的现有状况，提出了城市轨道交通地下安全检测的总体设计及其系统集成，并就系统集成的功能和技术特点进行了阐述。

关键词：城市轨道交通；地下工程；安全检测系统；集成技术

田玉冬：苏州科技学院，教授，江苏苏州215009

进入21世纪，随着基础建设步伐的不断加快，我国城市轨道交通得到了大力发展。在不断增长的城市大客流量面前，城市轨道交通在推动城市发展的同时，也对环境和建筑产生了一定的影响，这给城市生态环境和人们的安全带来了新的问题和挑战。目前，不少地区城市轨道交通地下建筑安全问题和地面沉降、地质裂缝、地洞等地质灾害及其次生问题不断发生，因此，城市轨道交通地下安全检测已成为轨道交通安全工程领域的一个重要研究方向，对城市轨道交通地下工程建筑安全检测等新问题和新技术进行深入研究具有重要的现实意义。

1　地下安全检测状况

从结构上，城市轨道交通地下工程建筑主要由地铁车站和地铁隧道组成，属于典型的坑道节点式构造。根据城市轨道交通、地下铁道工程和铁路隧道工程方面的国家标准，城市轨道交通地下工程建筑结构的设计使用年限应为100年。其安全要求包括结构强度、结构功能和结构可修复等3个方面。

城市轨道交通地下安全检测是通过测量和巡查，对地下工程建筑的主要参数进行监控，经过评价指标分析进行安全等级评判。其目标是通过测量评价城市轨道交通地下工程建筑结构安全满足上述既定的要求。目前，城市轨道交通地下安全检测，除了传统的定期关键点巡查和测量外，大部分都安装有消防管理、防水管理、防盗报警、远程通话和视频监控装置，但是这些装置自成一体，相互独立，不能相互关联。如果能够将这些分立的装置进行整合，信息综合，实现系统集成，将大大提高其有效性，为城市轨道交通地下安全检测提供保障。

2　地下安全检测系统设计

本城市轨道交通地下安全检测系统设计将以软件分层结构完成分立装置系统集成的总体设计。

2.1系统设计要求

本城市轨道交通地下安全检测系统设计主要实现集控站、信息中心和应急指挥对轨道交通地下安全检测范围内的消防管理、防水管理、防盗报警、远程通话和视频监控装置的系统集成，以完成集控站、信息中心和应急指挥能在一个平台上集中管理，能用 WEB 方式对各类报警、语音、视频等信息进行调阅、查询和调度，能用通用中间件方式与上级管理系统实现安保与应急等信息的双向通信。

2.2系统设计结构和原理

本城市轨道交通地下安全检测系统设计在结构上是以监控网络和计算机网络为基础，采用IT软件作为管理平台，分层次划分，底层连接各个检测装置，自下而上通过通信服务，支撑中间层，最终到上层，便于上级管理。具体3层结构模型如图1所示。

图1　系统设计结构模型

其原理是，通过底层，即硬件抽象层，为不同的硬件设备或检测装置提供统一的接口和标准，以便系统管理、配置和检索所有的硬件设备或检测装置；通过中间层，即基础服务层，借助地理信息系统 GPS 可视化图形界面，以视频监控为核心，连接各个分立装置建立消防管理、防水管理、防盗报警、远程通话和视频监控等子系统，完成统一的信息匹配；通过上层，即应用业务层，面向事件的集控站、信息中心和应急指挥，实现信息和数据共享和操作，完成决策建议和分析。

3　地下安全检测系统集成

随着计算机技术、通信技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，采用开放式接口协议，将城市轨道交通地下安全检测的消防管理、防水管理、防盗报警、远程通话和视频监控等子系统，按照我国城市轨道交通技术规定，组网后经软硬件数据交换，连接到集控站、信息中心和应急指挥等终端。其系统集成软硬件结构如图2所示。

图2　系统集成软硬件结构

3.1消防管理子系统集成

现有城市轨道交通中的消防管理是一个独立的安防报警信号与通信系统，采用串行和区域网覆盖。按照城市轨道交通消防管理国家标准，为不破坏其专用消防管理通道，其子系统集成主要通过标准的232/485和控制器局域网 CAN（Controller Area Network）总线转换因特网 IP（Internet Protocol）方式完成第三方通信，因此，通过联网消防管理主机和 IP 联网模块完成消防设备的全覆盖。集成后的安全检测系统不仅实现声光电传感、报警的联动，而且实现报警定位和可视化的电子地图关联，完成图像跟踪、报警处理和记录存储等。

3.2防水管理子系统集成

在城市轨道交通中，现有的防水管理主要是通过布控关键点的水压头等传感信号、监控主机和人工定期巡查方式完成报表。为保证通信技术的标准化，此处建立防水管理子系统网络通信 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），将各个分散的水压头、水压传感器、人工警示开关等防水设备和主机通过标准的串行422/485和 CAN 总线联网，再通过 IP 联网集成安全检测系统联动的防水管理子系统。这样将离散的人工定期巡查方式改造为在线的人工警示开关和人工安全等级按钮，实现实时监控和人工定期巡查方式联动，主机、服务器通过系统网络完成检测、监控、定位和管理。

3.3防盗报警子系统集成

目前，城市轨道交通中的重要外围设备主要包括电导线、周界电网和控制器及声光报警器等，通过开关量信号连接报警主机，完成防盗报警任务。此处增设 IP 联网模块连接各个防盗报警设备，主机则采用 IP2000或其他通信模块与以太网相连，同时与上级安全检测系统采用用户数据报文协议 UDP（User Datagram Protocol）通信，以增强系统的通信速度。联网集成后的防盗报警子系统能实现区域划分、网络防控、电子地图定位和报警记录等。

3.4远程通话子系统集成

城市轨道交通中的远程通话来源于铁路和地铁的喊话系统，现在则采用公共交换电话网络 PSTN（Public Switched Telephone Network）和干线网络 TN（TrunkNetwork）完成双向语音通话。根据城市轨道交通技术标准和设计规范的要求，安全检测系统仅需要将远程通话设备通过双向语音交换站和数据交换的信息网连接，并与上级安全检测系统统一，即可完成远程通话子系统的联网集成，实现远程通话子系统的统一指挥、调度、控制和管理，逐步向双向语音图像通信升级。

3.5视频监控子系统集成

当前城市轨道交通数字化视频监控是安全检测的主要发展方向，主要采用摄像头、电荷耦合元件 CCD （Charge Coupled Device）、云台、录像机、控制器和主机及流媒体服务器，将视频信号连接到计算机局域网络，通过 IP 分配地址，由代理服务模块和软件开发工具 SDK（Software Development Kit），完成视频监控联网。根据城市轨道交通技术标准的要求，安全检测系统在软硬件技术方面不仅需要具备完善的功能，更主要的是需要完成图像处理功能，因此其子系统集成通过ActiveX 软件系统控件连接上级安全检测系统，实现实时管理。

4　地下安全检测系统功能及特点

4.1系统功能

根据城市轨道交通技术标准和设计规范的要求，城市轨道交通地下安全检测系统集成后需要具备以下完善的功能。

（1）用户管理。具备集中统一的用户管理功能，包括注册管理和权限管理。应根据注册用户的权限，开放不同的功能。使用权限级别至少具有系统管理级、运营操作级和浏览级。控制级别手动应高于自动。

（2）文件报表。具备文件和报表管理、生成和打印功能。系统报表应有报警报表、时间报表、数据统计报表、各种日志报表等。被授权的用户方可定制报表及其格式。

（3）操作记录。具备对各类操作记录、事件、报警、日志、历史数据和文件进行记录、保存和归档功能。

（4）数据管理。具备历史数据管理功能，并能对历史数据记录进行处理、分析、统计和存档。

（5）配置组态。具备应用配置组态功能。配置组态工具能实现用户所需功能，且组态可在在线、离线进行。

（6）网络管理。具备网络和通信管理功能，实现网络管理、配置管理、网络监控、故障报告、性能管理、安全管理、事件记录、参数调整、创建、编辑和删除数据库等操作。

（7）维护管理。具备检测系统设备维护管理功能，实现检测设备运行监控和维修、维护工作的管理。

（8）培训管理。具备培训管理系统功能，实现系统运行管理、操作、日常维护、故障排除等业务的培训。培训管理系统可以在线和离线运行，且具有相同的人机界面及其功能。

（9）备份恢复。具备系统备份和恢复功能。

4.2技术特点

城市轨道交通地下安全检测系统的设计思想是以计算机网络和电子信息为核心，构成实时检测和监控，具有如下技术特点。

（1）网络化。在一个城市，一般都存在多条轨道交通线路，这就要求把不同的线路资源进行网络化处理。从单线路的安全检测系统向路网级安全检测系统发展，是网络化发展的必然趋势。对于城市轨道交通地下安全检测，可以采用线路、车站、车辆为层次单元，组成相对完善的网络结构，同时具备强大的数据处理能力，能够更好地满足和适应轨道交通网络在不同层面上的需求。

（2）模块化。由于嵌入式器件的整体功能和计算机软硬件技术越来越强大，城市轨道交通地下安全检测系统各个装置、设备的模块化设计、组装、调试和维护技术已经非常完善，技术人员通过专业学习可以快速掌握和应用。在城市轨道交通地下安全检测现场应用中，各级子系统大量采用嵌入式系统、数字交换和计算机网络通信完成模块化功能的实现。

（3）标准化。城市轨道交通地下安全检测进一步的发展，必然是高度标准化。对于日益复杂的城市轨道交通，从横向上考虑，随着城市轨道交通建设规模的扩大和发展，各个子系统数量不断增加，遍布所有城市轨道交通；从纵向上考虑，各子系统都有向下层深入的趋势。各种设备种类复杂繁多，因此通过标准化，多子系统构成的安全检测系统不仅能够实现车站级集成，还能够实现现场级集成，甚至直接到各检测传感器上。

5　结束语

建设准确实时高效的城市轨道交通地下安全检测系统有助于节约资源，促进生态文明发展。城市轨道交通地下安全检测系统集成技术反映了城市轨道交通信号、系统和集成的特性。本文在分析城市轨道交通地下安全检测现状的基础上，建立了网络化、模块化和标准化的城市轨道交通地下安全检测系统集成模型，详细研究了其安全检测系统集成的设计思想、基本原理、功能实现和技术特点，对进一步技术开发和系统优化提供了基础。

参考文献

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［6］ 住房和城乡建设部工程质量安全监管司. 城市轨道交通工程质量安全检查指南［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

责任编辑 朱开明

Study on Integration Technology of Underground Safety Inspection System for Transit

Tian Yudong, Wang Guangxun, Gao Jianhong

Abstract:The urban rail transit underground safety inspection is an important study trend in the urban transit safety engineering fi eld, and it is a tough problem. To solve the problem, the paper makes an analysis on the present situation of the urban rail transit underground safety inspection in China, puts forward the overall design of urban rail transit safety inspection and system integration, and analyzes the system integration and technical characteristics.

Keywords:urban rail transit, underground engineering, safety inspection system, integration technology

中图分类号：U239.5

基金项目：建设部2013年科学技术项目计划（2013K534）

收稿日期2015-07-24