地铁沿线保护区施工项目信息化管理
时间：2023-02-22 09:35:05 来源：千叶帆 本文已影响人
李 凯，韩 鹏，吴 屾，罗 杰，李绿洲，郭 泰
(1.武汉地铁运营有限公司，武汉 430000；
2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070)
当前CORS(Continuously Operating Reference Stations，CORS)可为城市诸多领域如气象、车船导航定位、物体跟踪、公安消防、测绘、GIS(Geographic Information System，GIS)应用等提供高精度的动态实时北斗定位服务，极大地加快该城市基础地理信息的建设。按照新型基础测绘的要求，持续推进基础测绘生产模式、服务产品、服务方式等方面的创新是CORS发展的主要方向。因此，以需求为导向，实现CORS服务由标准化向定制化转型，需要充分利用CORS系统，在现有基础上发展新的衍生应用。为此在现有CORS基础上，通过高精度的位置服务和高精度地图成果来为智能化城市管理赋能，研发一种地铁沿线保护区施工项目信息化管理系统。目前已有学者对地铁沿线保护区施工项目信息化管理系统进行了相关研究，曾贤敏等[1]利用Visual Basic开发了一套地铁保护区变形监测信息管理系统，实现了对保护区作业的变形监测信息的有效管理和预报警；
许碧华[2]针对地铁运营保护区内施工作业的各种复杂管理问题，基于百度地图和GIS技术研发了一套地铁保护区信息管理系统，阐明了技术路线、系统总体框架和数据以实现监测数据的结构，系统主要功能是对保护区施工项目的全过程网络审批管理和数据库管理;王紫蔚等[3]利用数据库技术、计算机技术、无线通信技术，结合全站仪的ATR功能和液体静力水准仪的安全监测，研发了一套地铁隧道结构变形自动化监测系统，大幅提高监测效率，并有网络传输、结果分析、预报警等功能。陆航[4]针对目前地铁运营保护区管理缺乏判断保护区范围的技术手段，无法直接得出施工作业与地铁结构边线的准确距离，从而影响地铁公司执法管理的现状，提出基于GIS、GPS定位技术、移动互联网技术等研发一套智能巡查执法管理系统，以满足地铁保护区监管需要。聂鑫路等[5]提出了采用目前流行的无人机技术，采用摄影测量的手段取代目前地铁人工安全巡查，并在重庆地铁6号线进行了试验，为地铁保护区管理提供了一种新的巡查思路。陈俊海等[6]采用GIS、计算机技术、移动互联网技术等研发了一套基于北京地铁运营的保护区巡查安全管理系统，针对地铁沿线安全巡查采用信息化的手段进行管理，取得了一定的效果。
论文充分分析武汉地铁部方案需求，结合WHCORS平台建立武汉高精度测绘服务系统，为武汉地铁沿线的巡检员提供一体化厘米级导航定位终端；
终端可实时向服务端上传实时位置信息，服务端显示巡检员实时轨迹，并配合动态“电子围栏”，同时可利用二维数字地图动态大屏展示巡检员和项目的实况；
研发融入高精度地图的手机APP，为用户提供更好的服务体验。
信息化巡检监控系统主要分为三个部分，整体框架如图1所示。由巡检监控与管理子系统组成，在用户端则提供单独的APP实现与导航定位终端和巡检员监控平台的交互。
1.1 RTK-INS导航终端设计
采用集成GNSS天线、双频GNSS接收芯片、MEMS惯性芯片、通讯模块一体的整机设计方案，充分考虑防水、防尘、抗低温和续航等需求，同时采用合理的结构设计保障终端可快速便捷安装在巡检员手机上。
1.2 巡检监控管理子系统
平台提供用户实时轨迹、历史轨迹与违规记录查询；
提供项目信息录入；
提供文档文件的上传；
提供数据的报表统计；
实时对接APP中的用户个人信息、汇报上传等功能。设计方案如图2所示。
1.3 移动端APP
APP嵌入地区影像图，加载铁路轨迹，巡检员登录，实时显示客户端当前位置、授权道路信息；
提供历史巡检路线的查看；
提供巡检任务的结果提交上传；
预留不同终端间的交互、交流接口。
2.1 硬件设计
当前导航定位需求朝着低成本、实时高精度、硬件小型化和低功耗的方向发展，因此，在研制RTK/INS模组和终端时需对成本和硬件数据质量等进行权衡，因此可以通过相应的算法来弥补观测数据质量和解算效率的不足。在设计硬件时，需要根据具体需求进行具体分析，在充分了解各项需求的前提下给出具体的技术路线,如图3所示。
2.2 系统组成
系统内部主要由CPU核心板、GNSS芯片、IMU芯片、气压计芯片组成，系统外部由GNSS天线接口、两个串口组成，一个串口用于供电、调试和打印，另一个串口用户发送NMEA数据并获取RTCM格式的差分改正数。
2.3 工作原理
系统内部CPU和GNSS芯片通过USB和串口进行连接并获取IMU数据，通常IMU提供SPI和I2C接口，其中SPI数据传输速率相比I2C要高出数倍。为了保障高采样IMU数据传输的实时性，将CPU和IMU通过SPI连接实时读取IMU数据，而气压计只需要1 Hz的采样即可，可以通过I2C将CPU和气压计连接并获取气压计数据。
此外，RTK在工作时必须接收差分改正信息才能获得高精度的定位信息，而该终端设计只保留串口，因此需要借助外部4G通讯模块连接设备串口来获取差分改正信息。
1)GNSS芯片通过GNSS接收机接收到卫星信号后，将原始GNSS观测值传输到CPU。
2)CPU得到GNSS数据，解算SPP并将SPP结果以NMEA的格式通过串口传输到4G通信模块后发送到CORS服务中心。
3)在进行2)的同时，CPU实时读取IMU和气压计数据，与SPP结果进行组合解算。
4)CPU接收CORS中心通过4G模块发送到串口的差分改正数据，进行RTK解算，同时读取IMU和气压计数据，与RTK结果进行组合解算得到组合导航结果。
2.4 监控平台功能
1)大屏数据可视化 通过大屏可视化技术，可实现全局监控巡检员位置信息、项目位置和二维底图的可视化。
2)历史回看 巡检员每天的巡检路线都会通过终端回传到服务器进行永久保存。该功能可以实现对历史巡检线路的检测及通过地图展示检索结果的详细线路和位置。
3)用户管理 通过标记用户的角色，实现对巡检员和领导身份信息的管理，方便其他模块通过身份来控制不同的权限。例如：对于巡检员，能登录APP，并且只能看到自己的实时位置和检索自己的历史轨迹。对于领导，可以看到所有巡检员的实时更新位置等，后台管理只能领导登录。每一项通过独立编码确认该项的表达场景。也需要通过编码进行检索值列表。同时提供工号检索和巡检员的添加、修改、删除。
4)数据字典管理 在项目信息当中，有些信息如果通过文字输入，结果会变得不可控制，而这些值本身是有不同结果区分的，是固定的表现形式。通过数据字典可以对这些常量信息进行管理和控制，进而整个系统用到的常量信息都可以检索到，然后选择对应的值。该功能可展示系统所有数据字典信息并提供新增功能和每一项的修改和删除。
5)项目管理 通过在线网页形式将项目所有关联信息进行存档,便于以后的编辑和检索。项目管理可实现：项目和片区的添加、片区基本信息的编辑、片区可选信息的编辑、相关文档的上传和存储，在线阅览、excel统计数据的导入、动态统计报表的生成、施工进展列表检索。项目分为多个片区，每个片区可以进行编辑和删除等操作。片区分为基本信息和可选信息。
基本信息包括位置、类型(空地、建房、道路等)、概括(权属单位、参建单位、位置关系等)。
可选信息通过勾选可以添加到基本信息中，包括告知单、技术管理中心回函、安全影响中心评估报告、检测方案资料(方案，专家意见，会议签到表及其他)、初始化状态调查报告、安全协议、第三方检测报告(每期报告)、专项施工方案(方案，专家意见，签到表及其他)、交涉协调资料(照片，语音，录像等)、监护巡查记录(执法记录仪，航拍，视屏，照片等)、施工进展等。
6)文档管理 提供文档的存储能力，方便快速地检索，以及在线阅读。可以将本地文件(图片，视屏，word，excel等各种格式文件)上传到服务器。数量不限制，大小控制在30 M以内，保存上传时间、标题等信息。
7)统计报表 对系统全局数据的汇总，将结果以数据或者统计图的形式表现出来。统计范围包括：巡检员范围完成的统计、告知单数统计、评估报告统计、安全协议统计、施工方案统计。
2.5 数据库
服务系统基本库存储服务系统运行过程中的基本信息包括：服务系统基本库表说明、用户信息表、用户权限表、位置实时信息表、数据字典表、文档信息表、项目信息表、项目详细表、系统日志表。
2.6 移动端APP
通过账号和密码登录，确认身份。通过BLE低功耗蓝牙技术实现APP和终端导航设备的互联，然后进行数据的传输、解算、加载。基于百度地图实现最终的位置实时展示。
APP上实时轨迹技术实现路线如下：导航定位终端实时传输当前的位置信息到服务平台，服务平台接收到位置信息并在Web端显示，然后通过HTTP协议将实时位置信息发送到华为平板上的APP，APP接收到位置坐标后，采用打点的形式实时显示当前位置。具体流程如图4所示。
城市轨道交通控制保护区管理系统可为管理工作提供一系列便捷高效、智能的移动式可视化功能,具备处理巨型数据的能力。该系统有助于提高轨道控制保护区管理工作效率、准确率,减少轨道控制保护区范围内建设项目对轨道交通建设及运营的安全影响。轨道控制保护区管理系统还引入了卫星遥感技术,对保护区内建筑物进行实时动态监拍,提高了控制保护区内违法建设项目的查找效率。随着计算技术的不断发展,城市轨道交通建设及运营管理定将突破传统方式的束缚,日趋智能化、网络化﹑高效化。
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