本期采訪對象：
張繼文，機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司副總工程師。巖土工程專業(yè)，教授級高級工程師，參加國家、行業(yè)、協會和地方標準編寫6項，多個項目獲得全國、行業(yè)和省部級一、二等獎，2項成果獲省科技進步二等獎，取得發(fā)明專利5項，實用新型專利7項，累計發(fā)表論文28篇。承擔國家科技支撐計劃1項，陜西省科技統(tǒng)籌計劃項目2項目。目前擔任中國土木工程學會土力學及巖土工程分會理事、陜西省巖土力學與工程學會理事等。
RT軌道交通：請您介紹一下全國地鐵自動化監(jiān)測技術的應用現狀和整體水平。目前貴院在全國地鐵主要承接了哪些城市地鐵的監(jiān)測項目？應用了哪些自動化監(jiān)測技術和手段？
張繼文：目前，我認為全國地鐵自動化監(jiān)測技術的應用現狀和整體水平尚處于起步階段，全國地鐵隨著建設的逐步發(fā)展日益需要自動化監(jiān)測來實現地鐵及周邊環(huán)境的形變測量。
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、五號線、西安地鐵二號線運營線路（北客站至會展中心段）變形監(jiān)測項目、西安地鐵二號線南延段運營線路變形監(jiān)測項目、西安市半坡國際廣場項目北廣場地下停車庫及回填施工對鄰近地鐵區(qū)間隧道影響自動化監(jiān)測、重慶軌道交通5號線、南昌市軌道交通2號線、合肥市軌道交通3號線工程第三方監(jiān)測、合肥市軌道交通3號線第三方測量等。
測繪科學技術和儀器硬件、軟件的不斷進步促進了變形監(jiān)測技術的發(fā)展。在1980年前變形監(jiān)測使用的方法和儀器大都是經典的地面測量方法和水準儀、經緯儀等傳統(tǒng)儀器。隨著穿越既有地鐵線等施工案例的增多，相應的監(jiān)測技術也飛速發(fā)展。這些監(jiān)測技術原則上是朝著自動化的方向發(fā)展。但是，監(jiān)測技術總體上來說也是基于相應的監(jiān)測硬件設備的不斷創(chuàng)新發(fā)展來發(fā)展的。以下是目前較為流行的幾種監(jiān)測技術。
1)基于測量機器人的非接觸式監(jiān)測技術
全站儀最早脫胎于經緯儀，利用激光測距功能實現了距離測量的電子化，并且保留了經緯儀的角度測量功能。由于馬達驅動它可以自動連續(xù)跟蹤目標測量，而不需要手動操作，并且其具有編程功能，可以針對預定目標進行編程預設，實現自動化操作。
目前，基于測量機器人的非接觸式自動變形監(jiān)測系統(tǒng)，已得到了廣泛的應用。在國外，瑞士徠卡、美國天寶、日本拓普康等公司都已經研制了各自的基于測量機器人的變形監(jiān)測系統(tǒng)。其中，瑞士徠卡公司是最早生產該系統(tǒng)的公司，在上世紀80年代該公司生產的變形監(jiān)測系統(tǒng)就已經在歐洲和新加坡地鐵獲得應用。
測量機器人是一種能夠自動尋找、識別、精確照準目標、自動測量、計算并且自動存儲測量信息的完全代替人工測量的智能化儀器。測量機器人使用自照準原理和圖像處理功能和發(fā)射紅外光束，能夠對測量目標自動分辨、尋找和測量，能夠24小時全天候監(jiān)測。測量機器人己經成功的應用在我國很多城市的地鐵隧道自動化監(jiān)測中并且積累了很多的寶貴經驗。
2)基于靜力水準儀的多傳感器位移監(jiān)測技術
由于地鐵交叉節(jié)點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，因此基于靜力水準儀的多傳感器位移監(jiān)測技術，也適用于相應工程的監(jiān)測。
3)基于巴賽特收斂系統(tǒng)的位移監(jiān)測技術
巴賽特收斂系統(tǒng)是一種由多個桿件單元組成的隧道剖面收斂自動測量系統(tǒng)。其工作原理是:數個首尾互相鉸接的監(jiān)測單元安裝在需要監(jiān)測的隧道剖面，形成一個測量環(huán)；每個連桿由一長一短兩個桿件的組合成為一對桿件單元。當監(jiān)測對象出現變形時，固定點的移動會帶動相應的長短臂活動，從而使長短臂之間角度發(fā)生變化。這時系統(tǒng)上安裝的角度傳感器就可測出角度變化數值。系統(tǒng)則根據傾角變化和各相應長短臂的長度計算出各固定點的位移，再對比各固定點原始位置的坐標，就可得到各固定點在變化后的實際位置。
4)基于固定式自動測斜儀的位移監(jiān)測技術
固定測斜儀的工作原理是首先在需要監(jiān)測的位置處鉆孔并埋入測斜管，然后將測斜探頭置入測斜管內，并將測斜探頭依照需要監(jiān)測的方向卡入測斜管內壁相應槽口上，可以將一個探頭固定在測斜管內需要監(jiān)測的深度上，也可以串聯式在一個測斜管內固定多個測斜探頭。當外部監(jiān)測對象出現位移變形時，會導致測斜管出現變形，從而使得探頭傾斜，這時探頭受到的重力的分力引起磁場中的線圈旋轉，線圈旋轉后電磁感應的電流會產生與重力的方向相反但是數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)通過對所有探頭電流測定讀數的計算就可以得到相應部位的相對位移。
5)光纖光柵技術
光纖傳感技術是20世紀70年代伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發(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 (被測量) 的新型監(jiān)測技術，具有(準)分布式、長距離、實時性、耐腐蝕、抗電磁、輕便靈巧等優(yōu)點。特別是光纖光柵傳感技術和分布式光纖傳感技術自20世紀90年代被發(fā)展和應用以后，美國、加拿大、日本、德國及英國等發(fā)達國家紛紛將光纖監(jiān)測技術應用于大壩、橋梁、電站、隧道及高層建筑物等大型民用基礎設施的安全監(jiān)測中,取得了令人鼓舞的進展,展示了光明的前景。
光纖傳感器(Fiber Optical Sensor)是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術迅速發(fā)展的產物，它與以電為基礎的傳感器有本質區(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。因此，它同時具有光纖及光學測量的特點。當光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光通過傳輸光纖射入時，在光柵處有選擇的反射回一個窄帶光，其余寬帶光繼續(xù)透射過去，在下一個具有不同中心波長的光柵處進行反射，多個光柵陣列形成光纖布拉格光柵(FBG)傳感網絡?；贔BG傳感網絡的分析儀，可以在反射光中尋址到每一個光柵傳感器。根據變化量并利用參考光信息可以解調出被測量的溫度和應變值。
由于地鐵變形監(jiān)測精度高(1mm甚至更小)，并且只能在隧道的細小窄長的空間里布置基準點和監(jiān)測點。三維激光掃描和地面攝影測量技術仍難以滿足監(jiān)測的要求。
我院在西安地鐵一、二、三號線運用了光纖光柵技術及基于測量機器人的非接觸式監(jiān)測技術，效果較好，獲得業(yè)主好評。
RT軌道交通：自動化監(jiān)測技術在軌道交通工程施工及運維過程的應用還存在諸多亟待解決的問題，您認為具體有哪些亟待解決的問題？
張繼文：地鐵隧道是狹長形的空間環(huán)境，同時，地下列車一般以平均5 min左右的時間間隔車次在地鐵隧道中高速運行。地鐵環(huán)境的這些特點及保證地鐵正常運營等因素的制約，使得自動變形監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵變形監(jiān)測中的應用遇到比其他工程中更多的技術問題。
A、項目監(jiān)測區(qū)間長，工作基點位于變形區(qū)內，極易受地鐵運行列車振動和氣流變化；
B、現場部分區(qū)間沒有網絡信號，因此如何確保監(jiān)測數據的精度和傳輸成為面臨的關鍵問題；
C、遠程通信控制系統(tǒng)的可靠性在長期自動化監(jiān)測任務中對整個監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性至關重要；
D、新技術的實施缺乏規(guī)范、操作規(guī)程、鑒定方法及機構等技術支撐。
RT軌道交通：您如何理解“軌道交通智慧基礎設施”這一概念？主要包含哪些基本要素和關鍵技術？
張繼文：智慧軌道交通是人類社會對軌道交通發(fā)展趨勢和運作模式的抽象，是軌道交通發(fā)展遠景的宏觀理念和建設目標，它“以人類智慧與經驗為指導，以信號和信息的數宇化處理為基礎，以‘物’的智能化信息采集為基礎，以‘能實現人、機、物的全而互聯’的‘全聯網’為信息交換和資源共享平臺，實現軌道交通系統(tǒng)的控制與管理過程智慧化，使之具有更透徹的感知、更廣泛的互聯互通和更深入的智能化處理能力”，從而構建人和人類智慧、軌道交通物理網絡、“全聯網”、智能信息處理技術及各類數宇化信息為一體，構建“高效、便捷、安全、可視、可預測、環(huán)保和智慧”的現代軌道交通系統(tǒng)。
其中，“軌道交通智慧基礎設施”是“智慧軌道交通”的組成部分，是對嵌入智能功能的軌道交通基礎設施的抽象，是更透徹的感知“物”的和對“物”進行控制的關鍵，是實現“更深入的智能化”的關鍵部件。
將軌道交通智慧基礎設施，這一表述用于界定代表未來軌道交通建設行業(yè)的發(fā)展趨勢或目標的宏觀系統(tǒng)，不用于描述具體的單個(或局部的)軌道交通建設項目。盡管該行業(yè)的發(fā)展離不開數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，強調“更透徹的感知、更廣泛的互聯互通和更深入的智能化處理能力”，更能夠全而反映對行業(yè)發(fā)展的期望。
“更透徹的感知、更廣泛的互聯互通和更深入的智能化處理能力”是軌道交通智慧基礎設施的基本特征，它以智能信息處理技術、全聯網技術和傳感技術為支撐，構建和展示了一個“高效、便捷、安全、可視、可預測、環(huán)保和智慧”的、高科技的、現代化的、龐大的軌道交通智慧基礎設施系統(tǒng)。
基本要素：物聯網、系統(tǒng)平臺、智能處理芯片、嵌入式技術和先進、敏銳、精確、快捷的傳感技術。
關鍵技術：物聯網是一把雙刃劍，它在給控制系統(tǒng)帶來便利的同時，也帶來了一些函待解決的安全問題。長期以來，制造與生產企業(yè)的控制系統(tǒng)大部分是采用專用的、封閉的體系結構。然而，當控制系統(tǒng)與物聯網相結合時，控制系統(tǒng)的體系結構就逐漸由封閉轉向開放，工業(yè)以太網和實時以太網在控制回路中就會與遠程互聯，這就容易被黑客利用進行攻擊。
RT軌道交通：請您整體評價一下中國軌道交通信息化建設的發(fā)展現狀？與國外相比是否存在差距？目前，智能化和信息化技術在軌道交通推進的速度相對緩慢，您認為其中的主要原因是什么？
張繼文：中國軌道交通信息化建設的發(fā)展方便了出行者，具有速達、準時、舒適、客運量大、環(huán)保等優(yōu)點。但是通過實際運營可以看出，中國軌道交通信息化建設還不完善，其中存在的不足主要有幾點原因：
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、救援等機構之間在信息建設管理上還存在各自為政的問題。由于不同的行業(yè)、部門自身信息服務主體所依據的標準不統(tǒng)一、管理體制不同等原因，因而分別采用了不同的裝置設備和數據交換平臺，相互之間的信息很難進行有效的傳遞和共享。這些都使得交通信息資源較為分散，分割情況嚴重，信息孤島現象明顯。致使各個行業(yè)、部門之間缺少協同作業(yè)，無法實現優(yōu)勢互補，對出現的特殊情況也無法得到及時有效的處理。同時，交通信息資源也存在著與社會公眾之間缺少信息交換的問題。
2）建設缺乏前瞻性
近年來，各地掀起了城市軌道交通的建設熱潮，有些城市對城市軌道交通的規(guī)劃建設研究不夠深入，缺乏前瞻性的認識，從而出現了盲目建設的現象。
3）交通運輸綜合發(fā)展的程度低
地鐵目前已成為我國城市中主要的軌道交通運輸工具。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絡化建設已初具規(guī)模，但仍可以發(fā)現地鐵上依然存在很多的擁擠排隊的現象，尤其是在重要站點及換乘樞紐站，而乘客多因為距離、時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不能滿足大量的客運需求。我國多數城市對軌道交通與其他公共交通方式協同建設重視不夠，缺乏融合，還不能完全做到相互銜接。交通運輸綜合發(fā)展的理念還有待進一步提高。
RT軌道交通：您如何判斷“軌道交通基礎設施建造與運維智慧化”的未來發(fā)展前景？
張繼文：總體來說,中國軌道交通基礎設施建造與運維智慧化方面發(fā)展前景非常廣闊。
在國外，像紐約、巴黎、東京、倫敦等發(fā)達城市早在20世紀前就已經開始了城市軌道交通的建設，至今基本形成較為完善的軌道線網。國內軌道交通建設規(guī)模大，繼一線城市之后，二、三線城市進入建設高峰期，同期開工里程多。至2016年11月，全國已有47個城市在建或準備建設地鐵，有24個城市95條軌道交通線路運營，通車里程3137公里；“十三五”時期將進入城市軌道交通建設大發(fā)展階段，2020年規(guī)劃線路里程將超過10000公里。
因此構筑一個安全、四通八達、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綜合交通系統(tǒng)中發(fā)揮骨干和主導作用，軌道交通基礎設施建造與運維智慧化已刻不容緩。
未來信息技術將進一步融入到軌道交通建造與運維之中。借助新一代的信息技術來建立一個服務于軌道交通的網絡體系，提升交通運輸效率，應是大勢所趨。
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100位從事軌道交通基礎設施研究、規(guī)劃、設計、監(jiān)測、施工建設及運營管理領域的專業(yè)人士講述其對智慧化的涵義、現狀以及未來發(fā)展路徑的理解，并進行深度報道和宣傳。該欄目旨在提升業(yè)界對軌道交通智慧基礎的認識，推動中國軌道交通基礎設施規(guī)劃建設、運營管理的智慧化進程和發(fā)展，提高建設和運營的安全性，以此促進中國軌道交通基礎設施建設和運營水平的整體提升。
