TMIGS隧道施工信息化预警平台介绍Word

　　隧道施工信息化预警系统

　　主 要 内 容1. 绪论：隧道工程信息化技术现状、存在问题、发展趋势； 2. 信息化技术：信息化技术基本概念、现代信息技术的技术 特征、信息化概念的技术内涵； 3. TMIGS系统概述：系统组成、功能设计； 4. 系统功能：用户管理、系统设置、系统操控、工程管理、 安全保障模块； 5. 系统应用：陕西包家山隧道、108国道南村隧道、北京大兴 线地铁高高区间。

　　1绪论隧道工程所直接面对的周围环境系统是一个内部信息部分已知、部分未 知的灰色系统，它在建设过程中不可预见的因素较多，是一极其复杂的系统 工程。时至今日，传统的隧道设计方法仍然过多地沿袭了地面结构设计的理 念。 地面工程结构设计一般归结为给定荷载作用下结构物的强度、刚度和稳 定性的验算、调查、设计、施工之间的关系采用较为单纯的“调查-设计-施 工”流程来表达。 隧道及地下工程修建技术的实践证明，由于隧道及地下工程支护系统工 作环境的复杂多变和设计理论上的不完善，目前还很难找到一种设计模型， 能够全面、合理地表达各种情况下支护系统和围岩之间的相互关系及其工作 条件。 一方面，合理的力学模型不易选定；另一方面，围岩力学参数不易测准。 同时，在设计中还要考虑施工方法、开挖和支护时机等诸多因素的影响。所 以，目前的理论计算和数值分析法一般只能作为设计参考，隧道工程仍然是 经验类比方法的产物。另外，仅仅依据经验类比方法在施工前期设计隧道支 护系统往往带有一定的盲目性，不一定能适应复杂工程地质条件，这就使得 原设计与实际情况不符。这样的后果是，要么出现工程质量问题或工程事故， 要么不经济，使得经验类比方法具有很大的局限性。

　　1绪论对于隧道工程应该寻找与其工程特点相适应的一套设计方法，即调查、 设计、施工、反馈等各个环节贯穿整个工程始终，即设计-施工两条线平行。 隧道工程的实践证明，单独孤立的力学方法或经验方法都不能取得理想的 效果。因此必须选择一条隧道工程设计的正确途径，一方面使经验方法科 学化，另一方面使设计中的力学计算具有实际背景。监控量测是以现场监 测为手段，以量测信息为设计依据，来确定支护参数、支护时机和施工方 法。在施工过程中加强调查和监测，通过对大量实测数据进行计算分析来 评价隧道稳定性，据此完善设计和调整施工参数。这样使得设计和施工更 符合或接近工程实际，也能够适应复杂多变的地质条件和各种不同的施工 条件。信息化设计成为联系理论和经验方法的桥梁，成为目前隧道设计理 论

　　发展的重要方向。 尽管我国早在上世纪七十年代，就开始在隧道工程中应用信息化设计 的技术，国内各大专院校及科研单位也在这方面做过很多研究和探索；近 年来，铁路主管部门提出了隧道工程进行“动态设计”的要求，并组织重 大课题进行“新建铁路隧道动态设计方法的研究”,同时在一些重大隧道 工程项目中开始实施现场动态设计方法，并取得了一定的成绩。从总体上 来说，动态设计依然处于起步阶段，其理论方法和实用技术研究总体发展 仍不理想。

　　1绪论随着地下施工安全要求的不断提高和信息化技术的发展，人作为隧道施 工的主体，施工设备也是施工不可分割的部分，使得隧道施工信息化技术的 概念拓展。随着网络化技术的发展，由于隧道施工未知、未定因素较多，风 险管理、施工质量、进度、投资管理、人员管理、安全生产、施工组织、灾 害预案、应急救援等相应都纳入施工信息化的范畴，隧道施工信息化涵盖了 施工的各个方面，也有了更为广泛的含义。 隧道工程项目具有一次性投资大、工期较长、牵涉面广、存在的潜在安 全隐患多等特点，因此必须对施工区域及周围环境综合监测，根据前阶段施 工监测到的各种数据，预测下阶段施工过程中可能出现的新动态，对后期施 工方案提出建议，对施工过程中出的险情及时预报。此项工作的好坏是一个 施工项目成败的关键，一直以来是建设者、安监部门、施工、设计、监理等 各单位的管理重点。 随着信息化技术的发展，以数字化信息为核心的信息系统对土木工程领 域原有的设计模式、检测和监测技术产生了深远的影响。信息系统的自动化、 网络化、以及分布式数据库技术为解决现存隧道监测工作的不足提供了重要 途径。随着多种信息源的采集、传输、发布、共享等技术的发展和新技术的 引入，将大大增加隧道施工的安全和支护结构与围岩的和谐与长期稳定。

　　1绪论1.1主要技术现状现代的信息技术基本上是用电的手段。19世纪中期，人类发明了电报， 这是比较早期的现代信息手段；19世纪下半期发明了电话，主要传输声音； 到19世纪末，20世纪初期发明了无线电，早期的电话、电报都是有线的，到 后来是无线的；到20世纪前期发明了电视，后来变成了彩色电视；到20世纪 中期的时候发明了电子计算机；到20世纪末期的时候，有两个非常重要的手 段。一个是因特网，另一个是移动电话。由此可知，信息化技术对人类的进 步具有重大的作用，从最早语言的产生到文字、造纸术和印刷术的发明和应 用，到电报、电话、电视及其他通讯技术的发明和应用，信息传递

　　手段发生 了历史性的改变。而电子计算机、现代通讯、网络技术的应用使得信息化技 术与人为伴，已经深刻地影响人的方方面面。现今信息化技术正沿着多元化 、 网络化、多媒体化、智能化、虚拟化的发展趋势继续前行。 而隧道工程基本特点是地质环境复杂，取得准确的数据极其困难。而且， 隧道工程的设计必须综合考虑大量的、关系错综复杂的、无法精确定量的地 质因素、工程因素、施工因素以及使用要求、经费、技术条件、时间等多种 因素，从中找出最可靠、经济的解决方案。而人及设备处于复杂地质环境中， 不确定、未知因素太多，这将直接影响现场施工人员的安全，而隧道工程信 息化技术仍处在信息化技术发展的早期(姑且称为烽火台时期),这给隧道 施工及人员安全带来诸多不便。

　　1绪论1.1.1隧道施工人员安全管理信息化施工人员信息化经过了从： 早期的施工人员进洞记录； 洞口挂摘牌指示； 随着近几年无线技术的发展，进一步利用洞口刷卡考勤、考核施工人员 与安全管理； 利用在隧道内安装基站进行进洞人员带卡通讯的实时定位与安全管理。 以上大大的方便了隧道施工现场的人员管理。国内外的发展情况类似， 由于施工特点不同，国外应用的更早些，国内的起步较晚，但发展较快。

　　1绪论1.1.2隧道施工信息化方法 隧道施工信息化狭义上讲就是在施工中布臵监控测试系统，从现场围岩 的开挖及支护过程中获得围岩稳定性及支护设施的工作状态信息，通过分析 研究这些信息，间接地描述围岩的稳定性和支护的作用，并反馈于施工决策 和支持系统，修正和确定新开挖方案的支护参数，实质上是通过施工前和施 工过程中的大量信息来指导施工，以期获得最优地下结构物的一种方法，这 方面研究较多。 “信息化方法”起源于二十世纪四十年代晚期，随着当时“现代”土力 学理论的进展，发展了一种集预测、监控、评价和修正为一体的设计方法。 自上世纪六十年代起，以尽可能不要恶化围岩中的应力分布为前提、在 施工过程中密切监测围岩变形和应力等，通过调整支护措施来控制变形，达 到最大限度地发挥围岩本身自承能力的新奥法(NATM),隧道施工技术得以 快速发展。 而且，从二十世纪七十年代起，随着计算机技术的大力发展，涌现了很 多学者对岩土计算理论尤其是岩土工程反演理论的研究并取得了较多成果。

　　1绪论近年来，由于量测技术、计算机技术的发展和渗透，地下工程结构体系 的信息设计和施工方法有了很大的发展。二十世纪九十年代，“信息化方法” 获得了广泛地应用，其原

　　理也大大地被扩展。“信息化方法”作为一种设计、 施工方法己经被许多规范认同，诸多学者也更加重视甚至大力倡导信息化方 法。他们呼吁将信息化方法提到项目各方(业主、承包商及咨询工程师)的 议事日程表。“信息化方法是解决目前理论与实际日益脱节”的有效办法。 “信息化方法特别适于隧道工程”。 过去我们在隧道施工中，基本上也是按照“信息化设计施工”的思想进 行设计和施工的。但因获取信息手段发展的迟缓、信息传输系统的不完善以 及隧道施工环境和管理体制的限制等等原因并未实现真正意义上的“信息 化”。但最近一段时间，由于信息技术、通信技术以及各种获取信息手段和 方法的迅速发展，特别是设计施工体制的改革以及适应未来“设计施工总承 包(Design Build Contract)”体制的实施要求，给真正实现隧道工程“信息化 设计施工”创造了良好的条件和基础。

　　1绪论1.1.3隧道施工风险管理 隧道及地下工程与其他工程相比具有隐蔽性、施工复杂性、地层条件和 周围环境的不确定性等突出特点，从而加大了施工技术难度和建设风险性。 在国外，地下结构工程的风险分析是从20世纪50年代末开始的。早期主 要集中在对岩土参数的研究。 近期的主要研究侧重于“隧道工程建设全面风险管理和风险分担”,将 地下结构工程中的主要风险分为4类：造成人员伤亡、财产和经济损失的风 险；造成项目造价增加的风险；造成工期延误的风险和造成不能满足设计、 使用要求的风险等。 隧道穿越既有构筑物的安全风险分析包括以下三个方面的内容： (l)隧道施工期间本身的安全风险分析； (2)既有构筑物的现状评估； (3)隧道施工对既有构筑物安全风险影响分析及评估。 地层变形的主要风险因素就包括：(1)工程地质及水文地质；(2)主 要施工方法；(3)施工工艺；(4)结构断面形式与大小；(5)支护结构 形式；(6)地层损失；(7)辅助施工措施；(8)不良地质和特殊地质地 段；(9)突发的风险事件；(10)隧道上部荷载；(11)覆土厚度；(12) 施工管理；(13)监控量测….

　　1绪论1.1.4传感器网络等信息化技术 传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。国际上，1999年和2003年 著名的美国商业周刊和MIT技术评论Technology Review在预测未来技术发展 的报告中，分别将其列为21世纪最具影响的21项技术和改变世界的10大新技 术之一。国际上许多著名的大学和公司纷纷从不同的层次、不同的角度对传 感器网络进行了研究和开发。1995年美国提出了“国家智能交通系统项目规 划”;2002年美国英特尔公司发布“基于微型

　　传感器网络的新型计算发展规

　　划”。2004年3月英特尔公司演示了家庭护理的无线传感器网络系统，该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助 老龄人和残障人的家庭生活，利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要

　　的信息从而方便接受护理。

　　1绪论传感器的英文名是“sensor”,它来源于拉丁语“sense”,意思是“感 觉”、“知觉”等。根据国家标准(GB/T 7665-1987),《传感器通用术语》 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量、并按照一定的规律转换成可 用输出信号的器件或者装臵。通常由敏感元件和转换元件组成”。敏感元件 指传感器中能直接感受(或称响应)被测量的部分；转换元件指传感器中能将 敏感元件感受(或响应)的被测量转换成适于传输和测量的电信号部分。由于 电信号是易于传输、检测和处理的物理量，所以过去也常把将非电量转换成 电量的器件或装臵称为传感器。 在工程测试中，传感器是测试系统的第一个环节，它把诸如温度、压力、 流量、应变、位移、速度、加速度等信号转换成电的能量信号(如电流、电压) 或电的参数信号(如电阻、电容、电感等),然后通过转换、传输进行记录或 显示。因此传感器的性能如动态特性、灵敏度、线性度等都会直接影响到整 个测试过程的质量。国内外都将传感器列为尖端技术。

　　1绪论1.1.4.1传感器的分类

　　按被测物理量分类：如测温度、流量、位移等所用的温度传感器、流量 传感器、位移传感器、速度传感器等(见表2.1)。表2.1传感器按被测量分类被测量类 被测量 温度、热量、比热容；压力、压差、真空度；流量、流速、风速 位移(线位移、角位移)、尺寸、形状；力、重量、力矩、应力；质 量；转速、线速度；振动幅值、频率、加速度、噪声 气体化学成分、液体化学成分；酸碱度 (pH 值)、盐度、浓度、黏 度、密度、相对密度 颜色、透明度、磨损量、材料内部裂纹或缺陷、气体漏泄、表面 质量

　　别热工量 机械量 物性和成 分量 状态量

　　根据不同的作用机理，可将传感器分为电阻传感器、电容传感器、电 感传感器、压电传感器、光电传感器、磁电传感器、磁敏传感器等。 传感器是一种能量转换和传递的器件。按能量传递方式可将传感器分 为能量控制型、能量转换型及能量传递型。

　　1绪论1.1.4.2传感器的发展趋势(1)采用新原理、开发新型传感器； (2)大力开发物性型传感器(因为靠结构型有些满足不了要求);

　　(3)传感器的集成化；(4)传感器的多功能化； (5)传感器的智能化(Smart Sensor);

　　(6)研究生物感官，开发仿生传

　　感器。1.1.4.3隧道工程常用的传感器 在地下及隧道工程中常用的传感器有钢弦式传感器、差动电阻式传感器、

　　电感式传感器、电阻式传感器、电容式传感器、压电式传感器、压磁式传感器、伺服加速度计传感器(Force balanced type accelerator)、液压测力计 等类型。

　　1绪论1.1.5常见的隧道健康管理系统 隧道健康数据渠道包括：针对性检测、实时监控(应力、应变和位移)。 隧道健康档案组成包括：设计、施工和维护数据；地理地质数据；检测 和监测数据。 隧道健康状态评估包括：隧道模型、健康评估模型。围岩与衬砌之间接 触应力(钢弦式压力盒、油腔压力盒)、围岩应力-应变量测(钢弦式应变/ 应力计、差动电阻应变计、电测锚杆)。 地球物理探测方法有：弹性波(声波、超声波、地震波)、电阻率法 (岩土介质拉伸和压缩导致电阻率变化)。 位移量测：拉伸仪(电阻感应式和应力波式)、隧道净空变化测定仪。 成隧后的监测和检测内容：围岩应变监测、支护与围岩间的压力监测、 隧道空气质量监测、采用声发射技术监测岩石应力、数字化的闭路电视系统 监视隧道内情况。

　　图2.60施工监测的流程图

　　图2.59隧道健康管理系统

　　1绪论1.2存在问题 隧道施工信息化的发展是随着计算机与通讯技术的发展而不断发展的。 有一部分是地面信息化技术的拿来使用，但更多的是针对地下工程结构开发 相应的系统。目前的问题如下： (1)地下工程施工的理论有待提高，众多的通用理论、定律受围岩复 杂性局限，大多为理想条件下推论，在地下工程施工时很难使用。使得地下 工程施工实践性更强，依赖经验更多。大多围岩分级看似严谨，实际上很难 操作，同样的标准，不同的技术人员仍会得出不同的结果。 (2)隧道施工信息化并非狭义上的监控量测，监控量测目前作为施工 的必要工序，在施工中容易执行，但施工全方位真正意义的信息化由于重视 程度不够和资金原因很难大范围实现，造成隧道施工风险增大。 (3)动态设计的具体实施涉及到建设，设计，施工，监理等各个方面， 需要严格、科学的施工管理和高素质、技术密集型、应变能力强的队伍，关 系到工程项目的投资、质量、进度等各个因素，可谓是“牵一发而动全身”。 传统的工程建设基本程序通常难以适应动态设计的要求。目前动态设计主要 用于处理施工中较为简单的设计参数的优化和修正，很难处理诸如工程项目 的全系统、全功能、全系列的设计优化问题。

　　1绪论(4)施工信息化系统的体系不完整，可操作性和实用性不强。信息化 系统一般应包括三个方面，信息采

　　集和管理、设计建模和设计算法、设计结 果的分析和评价。在信息采集和管理方面，目前手段相对落后，需要引入和 研究现代先进的科技手段，包括软件(信息采集和管理系统)和硬件(采集 技术及通信设备)的研究等；作为动态设计体系核心部分的设计建模和设计 算法方面，有一些成果，但仍不系统不完整；而设计结果的分析和评价方面， 还相当落后。目前动态设计系统中的三大组成部分还无法协调和匹配，使得 动态设计工作难以全面推广应用。 (5)施工信息化的核心仍是大量多元信息的综合分析，如能将信息化 应用于工程建设与运营的全过程，对工程项目的全寿命负责，将能发挥巨大 的作用，具有实际的意义。 (6)目前多数的施工信息化仍表现在局部某些工序中，单项的信息化 工作应用较多，如人员管理的信息化、掌子面视频监控、施工过程的自动监 测等。相对独立的平台仅仅是一个基本工具而已，很难发挥融合、联动的巨 大效能。

　　1绪论1.3发展趋势 随着科学技术飞速发展，特别是计算机技术、通讯技术、网络技术的迅 猛发展和广泛应用，使得传统隧道工程信息化技术水平迅速得到提升。其主 要发展趋势表现为它的数字化、自动化、快速化、网络化和智能化水平的提 高。 (1)隧道施工信息化理论的发展 隧道施工信息化将不局限在施工监控，隧道施工信息化的理论将进入综 合系统研究，单一的指标很难满足施工要求，随着大量多元信息的利用和共 同的作用效能，使得更加系统的综合的理论将不断出现。 (2)隧道施工信息多元化 随着通信技术的发展，隧道多种信息源均可接入高速化的信息通道，设 计与施工人员在地下将能享受到地上的信息化待遇。这将大大促使设计对施 工众多参数的需求，以大大提高设计的精细化和技术水平，更加切合围岩实 际的支护体系将能保证结构与围岩的长期和谐共处。 (3)隧道特殊环境的大容量信息高速传输 在隧道施工过程中以无线技术为主干网的地下工程施工信息化高速公路 建立，这将彻底改变目前的隧道施工信息传递的限制。把目前隧道烽火台的 传递方式直接进入电子传递时代，无线技术在地下施工有很大的灵活性，且 移动方便和组网灵活在地下工程施工中有广泛的应用前景。

　　1绪论

　　(4)信息的自动采集与智能传感技术的发展 随着各种智能传感器的应运而生，隧道施工的监测技术更加简洁、便利、快 速。感知感觉、条件反射将是智能传感器发展的方向。它对隧道施工信息化的发 展具有重大的影响。 (5)多种技术的融合与联动 随着各种新的信息技术频频出现，行业

　　用户对解决方案的关注度将日益提高， 信息化水平向更高层次提升。物联网、智能电网、数字医疗、云计算、新一代数 据中心、虚拟化存储应用、移动商务、传感网、SOA、统一通信应用将为隧道施 工信息化提供支持，且多种技术的融合与联动将发挥更大的效能。如：GIS、 GPRS、GPS、Web等技术融入隧道施工信息化，将大大提高地下工程施工抵抗风 险的能力。 (6)可视化仿真、虚拟现实技术的发展 可视化仿真、虚拟现实技术是采用计算机技术生成一个逼真的视觉、听觉、 触觉和味觉等的感观世界，用户可以直接用人的技能和智慧对这个生成的虚拟实 体进行观察和操作；同时它也是一种用户界面工具，用它既可以观察数据，又可 以与数据交互。隧道施工信息化与三维空间实际隧道工程结合，提高了对信息判 别和理解判断的能力。随着自动化、智能化技术的发展，地下工程的无人掘进机 也将实现。但信息化技术必不可少，也是最为关键的技术之一。

　　1绪论(7)信息化为施工管理服务 隧道施工信息化必将工程的质量、安全、进度、投资管理于一体，更加综 合有序的为管理者提供有理有据的决策方案。基于施工信息化的科学合理的 工程管理将为大多数管理者接受采用。 (8)信息化保障施工安全 信息越多代表对地下情况掌握越多，信息化的实时性、多元性、空间性使 得人们对灾害的临近有更多的预知、预感，这将大大保障了施工的安全。 (9)信息化的应急救援 隧道施工一旦发生灾害性事故，由于信息化的作用，可随时掌握灾害的现 状与进一步的发展；同时也能第一时间掌握人员和设备的受损情况以及进一 步的发展。这将极大地便利现场的快速有效科学救援。 (10)隧道工程信息化的全寿命管理 从隧道工程建设的前期、中期和后期信息化技术的使用，隧道施工信息化 会对后期运营隧道的病害产生、养护和加固措施起到指导作用。进一步利用 隧道工程信息化技术建立隧道工程各个阶段的全寿命管理，这将大大降低隧 道工程各个环节的费用，极大地保证隧道工程的长久安全与长寿。

　　2信息化技术1.1基本概念 信息化(Informationalization):新的信息与通信技术普及应用导致的 信息传递时空阻碍性的消失，在信息基础设施到达的地方信息可获得性趋同。 也被理解为与此相伴随的社会组织之形式及其属性。 信息化的概念起源于60年代的日本，首先是由一位日本学者提出来的， 而后被译成英文传播到西方，西方社会普遍使用“信息社会”和“信息化” 的概念是70年代后期才开始的。 关于信息化的表述，在中国学术界和政府内部作过较长时

　　间的研讨。如 有的认为，信息化就是计算机、通信和网络技术的现代化；有的认为，信息 化就是从物质生产占主导地位的社会向信息产业占主导地位社会转变的发展 过程；有的认为，信息化就是从工业社会向信息社会演进的过程，如此等等。 1997年召开的首届全国信息化工作会议，对信息化和国家信息化定义为： “信息化是指培育、发展以智能化工具为代表的新的生产力并使之造福于社 会的历史过程。国家信息化就是在国家统一规划和组织下，在农业、工业、 科学技术、国防及社会生活各个方面应用现代信息技术，深入开发广泛利用 信息资源，加速实现国家现代化进程” 。实现信息化就要构筑和完善6个要 素(开发利用信息资源，建设国家信息网络，推进信息技术应用，发展信息 技术和产业，培育信息化人才，制定和完善信息化政策)的国家信息化体系。

　　2信息化技术随着各种新的信息技术频频出现，技术引领着应用的发展趋势，行业用 户对解决方案的关注度将日益提高，信息化水平向更高层次提升。物联网、 智能电网、数字医疗、云计算、新一代数据中心、虚拟化存储应用、移动商 务、传感网、SOA、统一通信应用将成为2009年信息化十大热点技术。十大 热点技术概念解释： 物联网(The Internet of things):是通过射频识别(RFID)、红外感 应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何 物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、 跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的概念是在1999年提出的。物联网就 是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是 互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩 展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。 智能电网：是电网的智能化，也被称为“电网2.0”,它是建立在集成的、 高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、 先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安 全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励 和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不 同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。

　　2信息化技术数字医疗：是在数字化医学研究的基础上，实现医疗机构业务管理信息数 字化、网络化；医疗技术与医疗行为信息数字化、网络化；医疗检查设备与 治疗设备数字化和信息数字化、网络化；医疗质量管理信息数字化、网

　　络化； 医疗技术服务信息数字化、网络化；医疗护理社区服务数字化与信息数字化、 网络化；医疗信息资源、档案材料数字化、信息化、网络化；医疗机构各项 管理项目扶持信息化、数字化、网络化；医疗技术数字化教学；数字化医疗 科学研究等诸方面。是医疗卫生行业的前进目标，发展方向。 “云计算”(cloud-based):广义的云计算是指服务的交付和使用模式， 指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是IT和软 件、互联网相关的，也可以是任意其他的服务。狭义云计算是指IT基础设施 的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源(硬 件、平台、软件)。 提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使用者看 来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付 费。这种特性经常被称为像水电一样使用IT基础设施。 数据中心(data center):是全球协作的特定设备网络，用来在Internet 网络基础设施上加速信息的传递。当前企业数据中心正面临着成本、速度、 整合、管理、安全、资源共享及动态调配等一系列挑战，构建新一代数据中 心势在必行。

　　2信息化技术虚拟存储：就是把多个存储介质模块(如硬盘、RAID)通过一定的手段 集中管理起来，所有的存储模块在一个存储池(Storage Pool)中得到统一 管理，从主机和工作站的角度，看到就不是多个硬盘，而是一个分区或者卷， 就好象是一个超大容量(如1T以上)的硬盘。这种可以将多种、多个存储设 备统一管理起来，为使用者提供大容量、高数据传输性能的存储系统，就称 之为虚拟存储。 移动商务：也称移动办公，是一种利用手机，实现企业办公信息化的全 新方式，它是移动通信、PC电脑与互联网三者融合的最新信息化成果。是对 通过移动通讯网络进行数据传输并且利用移动终端开展各种商业经营活动的 一种新电子商务模式。移动商务是与商务活动参与主体最贴近的一类电子商 务模式，其商务活动中以应用移动通讯技术使用移动终端为特性。 传感网：随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节 点，通过自组织的方式构成的无线网络。其功能是借助于节点中内臵的传感 器测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温 度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向 等物质现象。

　　2信息化技术SOA(Service-Oriented Architecture):面向服务的体系结构，是一个 组件模型，它将应用程序的不同功能单元(称为服务)通过这些服务之间 定义良

　　好的接口和契约联系起来。接口是采用中立的方式进行定义的，它 应该独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言。这使得构建在各 种这样的系统中的服务可以一种统一和通用的方式进行交互。 统一通信(Unified Communications,简称UC):是指把计算机技术与 传统通信技术融为一体的新通信模式，作为一种解决方案和应用，其核心 内容是：让人们无论任何时间、任何地点，都可以通过任何设备、任何网 络，获得数据、图像和声音的自由通信。也就是说，统一通信系统将语音、 传真、电子邮件、移动短消息、多媒体和数据等所有信息类型合为一体， 从而为人们带来选择的自由和效率的提升。(例如，传统的电话将被取代 以支持基于软电话屏幕的客户端软件。)它区别于网络层面的互联互通， 而是以人为本的应用层面的融合与协同，是更高一个层次的理念，新一代 通信与IT产业。

　　2信息化技术2. 2现代信息技术的技术特征 信息化概念的复杂内涵是由其独特的技术特性决定的，这些技术特性可 以概括为如下几方面： (1)数字化。 (2)网络化。 (3)大容量。 (4)高带宽。把一切信息都转换成数字固然方便，但比特数是极高的。 2.3 信息化概念的技术内涵 在相当一部分技术专家看来，信息化就是计算机技术与通信技术的综合 及其运用过程。阿古尔等人认为，信息化-这是在计算机化(广泛的数据库 存取和现代通信手段)基础上建立适应政治、经济、社会及生态任务的社会 信息基础设施。格莉米扎写道，“在全世界组建全球性的信息网络，并将它 们联成统一的信息空间，简要地说，建设将世界上所有贮存的信息变成每一 个人财富的人类共同体-这就是信息化”。从技术的角度看，信息化实质上 是计算机化加通信化，为此，美国学者还创造了一个新词Compunication (计算机通信)。

　　2信息化技术2.1.4 隧道施工信息化 隧道工程信息化就是集工程当前已知所有信息，收集、传输、分类、归 纳进入互联网平台，供隧道工程建设方、设计、监理、施工、监督等资源共 享以及进一步分析、利用、决策的隧道工程信息共同体。从技术角度上讲， 就是收集施工过程所有信息，利用信息化高速公路快速上网，便于建设各方 相互沟通、指导和管理施工。

　　3TMIGS系统概述TMIGS是北京市市政工程研究院、北京交通大学等单位联合研制的地下工 程安全保障系统，它将大量、多元、综合技术有效有机融合到地下工程施工中 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，这也是地下工程安全保障技术发展的必然趋势。 由于隧道及地下工程的特殊性，在施工过程中存在着诸多风险，这里针对 隧道及地下工程的施工过程中如何应对各种风险，结合TMIGS隧道施工多元信 息预警与安全管理系统(以下简称TMIGS系统)介绍隧道施工信息化预警平台 的构建及在地下工程施工中的应用，供从事地下工程施工管理人员参考。

　　3TMIGS系统概述TMIGS系统包括：三维激光扫描、各种类型传感器、安全定位考勤卡、 摄像头(洞口和掌子面)、现场指挥系统(PDA和掌上电脑)、传输基站、 网关基站、采集基站、洞口信息牌和广播、太阳能电源等组合而成。主要构 成如图所示。

　　3.1系统组成

　　3TMIGS系统概述TMIGS系统包含了用户管理、系统设臵、系统操控、工程管理、安全保 障及各种设臵与添加。其中用户管理可对用户规定权限，方便不同管理层次 对工程资料的掌握和控制。工程管理包括：(1)对已有工程资料、勘察设 计、地质预报、地质编录等资料的录入；(2)人员、机械设备的定位管理， 可掌握工作面及整个隧道人员机械的分布情况；(3)对自动、人工测点监 测数据资料的综合查询与分析；(4)根据预设标准的数据预警报及综合分 析后的分级警报控制(红、橙、黄、蓝四级)。(5)提供满足隧道安全管 理的通用日、周、月报表。综合分析包括：(1)常规的数据处理(圆滑处 理、回归分析、趋势分析等);(2)图形显示包括四种类型的图形，方便 监测数据的实时变化。专业分析包括：回归分析、灰色理论模型、极限应变 模型、有限元分析等方法，最后生成管理、分析和监控模型。 该系统能大大地减轻监测人员劳动强度、提高工作效率、提高成果质量， 实现监测信息快速反馈和安全预警，力争达到任何一位相关领导或主管 (Anybody)、在任何时间(Anytime)、任意地点(Anywhere)、只要能够接入互 联网即可访问本系统，就能完成系统中涵盖的所有管理工作(Anything),从 而实现基于WebGIS可视化的施工环境监测的4A服务，达到安全信息化施工 的目的等优点。

　　3TMIGS系统概述3.2系统功能设计TMIGS隧道多元信息预警与安全管理系统用于各种地下工程的施工监测 与管理，它集多元信息(钢弦式频率类传感器、电流电压类、开关量、数字 信号类、声音、视频、人机定位等)预警及安全管理功能于一体，是全方位 地下工程施工与运营的安全保障管理系统。 TMIGS在隧道施工过程中可实现如下功能： (1)可进行掌子面视频监控及拍照(数字地质编录); (2)对掌子面进行稳定性监测预警；

　　(3)放炮眼位臵、辅助设备安装就位； (4)拱顶下沉量测； (5)周边位移量测； (6)断面扫描； (7)通过两次扫描测量二衬厚度； (8)人员、设备定位并与后台通讯；

　　3TMIGS系统概述(9)各种选测断面传感器(频率类、电压电流类、开关量类、数字类等) 的无线监测预警； (10)可在隧道内利用已有基站进行通讯； (11)通过警灯、鸣笛进行四级预警报； (12)建设各方参与的信息查询、处理的网络化平台； (13)风险管理、专家决策、安全预警； (14)施工预案、应急响应； (15)BBS群测群防论坛。

　　图10.14 TMIGS现场布臵示意

　　图10.15 TMIGS功能流程

　　4TMIGS系统功能4.1用户管理用户由序号、登陆名称、姓名、单位、部门、工区号、工作岗位、联系 方式、身份证号、管理的隧道等组成，以上列表内容能基本描述用户基本属 性。

　　图10.17 用户管理列表

　　图10.18建立用户

　　4TMIGS系统功能4. 2权限管理 TMIGS系统规定了用户五个级别，各级别功能由一级用户根据现场情况 和管理人员情况自行设定。

　　4TMIGS系统功能4.3系统设臵系统设臵是整个系统的主干骨架，它由各种基站组成，在此平台上可对 各种基站进行设臵，包括基站之间关系和基站本身功能的设臵。 4.3.1分布式无线网络控制

　　4.3.1.1网络组建模式

　　图10.20网络平台构架图示

　　4TMIGS系统功能基站分为以下几种类型： (1)主控基站：主要控制信息源的进出、便于统计管理等； (2)节点基站：系统低层信息连接单元； (3)网关基站：一系列传输基站的链头，通过无线方式与服务器或 INTNET连接；包括通过节点基站直接联入服务器(简称：直联网关)和 GPRS/3G联入网络端口(简称：GPRS/3G网关); (4)传输基站：信息通道的基本节点单元； (5)采集基站：可进行多元数据信息采集，同时兼顾数据传输和系统 网络节点功能； (6)信号基站：连接各种信息源，负责信息交互； 基站布臵在地下空间内部，每隔一定的距离安放一个基站，这些基站就 自动组成了一个无线网络。基站形成的无线网络传输距离有限，如果地下空 间较大，安放的基站较多，可通过主控来延长无线传输的距离，两个主控之 间也可由Can总线用线缆来连接。

　　4TMIGS系统功能4.3.1.2传输节点属性 系统设臵简略列表见图10.21,由基站编号(唯一)、安放隧道、所属 网关、基站类型、所在位臵、采集设臵(基站有采集功能)、警灯、鸣笛、 工作状态等组成。

　　图10.21 系统设臵

　　图10.22修改基站信息窗

　　4TMIGS系统功能4.3.1.3轮询周期 轮询周期式系统的反应时间，太快系统处于紧张繁忙状态；太慢系统 反应迟钝；它是系统循环访

　　问各节点基站的频率，系统每隔一个周期需与 各基站联系，下发上层命令，取回终端的各种信息数据等。

　　4TMIGS系统功能4.3.2硬件平台 4.3.2.1网关基站 网关基站：分为直连网关和GPRS/3G网关。网关连接计算机与设备，做为 中转站。内臵Zigbee模块直连方式，通过RS232串口与计算机连接。GPRS/3G 连接方式，内臵SIM卡，通过网络虚拟串口与服务器通讯。 直连方式：通过RS232串口线连接在服务器的串口上(服务器串口可通过 虚拟串口软件和USB转串口线实现)。 GPRS连接方式：内臵SIM卡，通过网络虚拟串口与服务器通讯。

　　图10.28建立网关

　　图10.27添加端口

　　4TMIGS系统功能4.3.2.2主控基站 控制基站：设臵在隧道洞口，记录进出洞人员考勤，是控制基站的一种。 4个电流/电压输出型传感器采集通道。通过网关基站，与计算机通讯。 4.3.2.3传输基站 综合传输控制台是一个功能全面、扩展性强的网络设备。综合传输控制台 提供了Zigbee、CAN总线、TCP/IP三种协议的接口，用它作为网络节点，能灵 活的构建各种有线无线网络。除了三种网络接口外，综合传输控制台预留了一 个串口，并将通用I/O口、IIC、SPI等接口扩展出来，可以与信号激励采集模 块连接，组成功能强大的多功能采集器，这些接口的预留极大的增强了传输控 制台的扩展性。控制台的主控制器采用ATMEL的AT91SAM7x256,其主频达到 55MHz,内部自带256K高速FLASH和64K的SRAM,提供了以太网接口、CAN、 SPI、UART、USB、IIC、通用I/O等丰富的接口控制器，为控制台的良好扩展 性奠定了基础。

　　4TMIGS系统功能基站采集通道设臵 分别对每个通道找到预关联的测点。特别注意：基站采集设臵前需先在 系统操控模块中建立相应的测点，这里的设臵仅起到对应与连接的作用。

　　图10.31传输基站采集通道设臵

　　图10.32与测点信息关联

　　4TMIGS系统功能4.3.2.4采集基站 (1)多功能采集信号激励 多功能采集器是在综合传输基站的基础上添加了一个多通道多功能信号激励 采集模块。信号激励采集模块具有强大的信号采集功能，提供了16路振弦式传感 器测量通道和16路电压(电流)传感器测量通道。

　　(2)多功能数据采集器 包括基站和多源数据采集。多源数据采集部分应满足各种传感器(包括频率、 电流、电压等信号传感器)的测试精度要求，能满足同时采集32个通道的传感器 数据。 多功能数据采集器可连接各类传感器，包括：①数字信号：摄像头等；②电 流电压信号：温度、湿度、粉尘浓度等；③频率信号：各种压力盒、钢筋计等； ④开关量信号等传感器。实时监测是及时发现险情的重要途径，多元信息数据采 集主要通过采集基

　　站完成。这样多功能数据采集器可以与多种信息源的传感器相 连，对地下空间的各种数据实时/定频率采集，并及时传送回主控制台。

　　4TMIGS系统功能(3)多功能数据采集设臵

　　4TMIGS系统功能4.3.2.5节点基站 是系统底层信息连接单元，作为无线终端节点，是系统扩展功能的重要 接口。它具有ZigBee模块，同时有RS232串口，为终端产品接入系统服务。 4.3.3无线传输物理终端节点 系统的硬件平台有各种基站组成，它为各种信号源铺设了信息化的高速 公路。有了信息化的通道，当然就要有各种信息进入通道传递。 4.3.3.1三维激光扫描系统 T-BJSD终端：由隧道扫描仪、连接模块和掌上电脑组成。测量内容及应 用包括：危险监测、地表沉降、拱顶下沉及收敛、净空收敛、断面扫描、测 量放点等内容。通过网关基站，与计算机通讯。

　　4TMIGS系统功能T-BJSD自动数据采集系统由检测头主机、BJSD终端节点模块、传输基站、 网关及后台软件组成，是一台远程控制测量机器人的变形监测系统，可实现 自动化监测、数据采集、数据储存。主要技术指标： 1)检测半径：1~45m; 2)检测时间：自动检测约为2~3分钟一个断面(50个点) ; 3)测距精度：优于 4)测角精度：优于0.01 5)方位角范围： 30~330 仪器测头垂直向下为零度； 6)手动测头转动方位角范围：0~350 7)定位测量方式：具有垂直向下激光定心标志、测距功能； 8)可连续纪录断面数：大于2500个断面.(每个断面选50个点)。

　　4TMIGS系统功能4.3.3.2人员定位卡终端节点 人员定位卡分为普通定位考勤安全识别卡(简称普通卡)和带班卡。普 通卡是一个功能结构相对较为简单的网络终端节点设备，它主要用于人员定 位、考勤和安全报警，可以与上层控制台之间进行一些简单数据的收发。 4.3.3.3其它终端节点 掌上电脑、爆破震动监测、声发射仪、光栅系列传感器的调理器等都可 连接无线串口数据传输终端(北京市市政工程研究院研制)在隧道内TMIGS 基站的覆盖区远程的工作。这样，将有大量的相关设备的数据可自由进入 TMIGS构建的隧道信息化高速公路。这对隧道工程信息化预警具有重要的意 义。

　　4TMIGS系统功能4.4系统操控 TMIGS的系统操控是整个系统对硬件平台下端各种设备及数据采集各种 属性的设定与控制部分，包括监控量测、断面扫描、测量放点、人机设臵和 声像管理等主要模块。 4.4.1监控量测 TMIGS监控量测包括了必测项目与选测项目的主要内容，可以说，基本 实现了隧道监控量测的自动化、数字化和信息化。为了确保隧道设计合理、 施工安全，系统支持的必测项目有：地质支护与观

　　察(前端摄像与数码拍 照)、拱顶下沉、净空收敛、地表沉降、锚杆轴力等自动测量。 预(报)警信息的发布由人工发布和计算机自动发布相结合组成，计算 机自动预警是根据不同测点预设标准值或阈值结合风险级别来实现监测项目 自动预警功能的。4.4.1.1掌子面稳定性监测 根据施工方法、开挖情况在掌子面上设计一些特征点，利用T-BJSD三维 扫描技术进行高频率变形监测跟踪。本系统包括利用圆曲线、直线和任意点 的方式快速设点，以达到对掌子面快速设点实时监测的目的。

　　4TMIGS系统功能

　　图10.44圆曲线测点设臵

　　图10.46直线测点设臵

　　图10.48设臵任意测点

　　图10.50设臵洞口地表测点

　　4TMIGS系统功能4.4.1.3拱顶下沉及净空收敛 隧道的必测项目包括：掌子面及支护结构观察、拱顶下沉、净空收敛、锚 杆轴力等，铁路规范与公路规范略有差别。系统利用自动化技术，在略微降低 精度(精度1mm/50m)的情况下，采用及时监测和增加测点密度弥补拱顶下 沉、净空收敛精度略低的问题。

　　图10.51利用断面扫描代替拱顶下沉和周边位移量测

　　4TMIGS系统功能4.4.1.4选测项目(传感器测点) 信息采集和管理是动态设计中的基础环节。信息采集技术研究包括：接触 式和非接触式的采集手段。TMIGS系统的综合采集器由基站和采集卡组成，它 可同时连接16路频率信号和16路电流电压或开关量信号可选，同时还可连接数 字信号(有R232串口和485口)。可连接摄像头，三维激光扫描仪等设备。基 本涵盖隧道各种信号的数据采集、频率设臵，实现了计算机的透明传输功能， 是一个广普的计算机外延加多信息源的采集系统。

　　图10.54隧道各种选测断面示意图

　　图10.54隧道各种选测断面示意图

　　4TMIGS系统功能

　　4TMIGS系统功能4.4.1.5人工测点 在隧道监控量测中难免有一些特殊测点由于现场情况或费用原因不能进 行自动采集，TMIGS系统专门预留人工测点处理此类问题。人工测点只是系 统的数据入口，一旦录入，不论是人工测点还是其它测点，处理的方法都是 一样的。

　　4TMIGS系统功能4.4.1.6声像测点 声像测点是对声音和视频图像的管理，声音是后台与现场人员的语音录 音段，视频时各个摄像头的视频存档。 视频通常接在采集器的串口接口上，它的设臵也在采集器的采集设臵窗 口进行。

　　4TMIGS系统功能4.4.2断面扫描 隧道断面扫描包括施工过程中对开挖面的扫描、对初期支护的扫描、对二 次衬砌的扫描。依据扫描结果判断开挖超欠挖情况，调整爆破参数；判断初期 支护有否侵限(二衬施做前);判断二衬有否侵限。

　　4TMIGS系统功能4.4.3测量放点 T-BJSD在隧道内自动工作，只

　　要仪器本身的位臵确定，它就可以随时听 从现场技术人员的调配，随时可以对隧道内仪器覆盖范围内的所有空间点进 行现场指示、放点、放炮点、防预埋件点、设备就位点等，也可测量任意两 点的距离，只需在现场通过掌上电脑操作或通过后台服务器操作均可。系统 内设计是任务优先，通常是在空闲时，某个任务需要就可占用。

　　图10.66测量放点操作界面

　　图10.67测量放点现场示意图

　　4TMIGS系统功能4.4.4人机设臵 人机设臵是指对人员卡、设备卡的设臵功能，人机设臵列表见图10.68, 对人机卡的后台操控见图10.69,人机卡的建立见图10.70。人机卡分为两种类 型，一种普通卡，主要有定位、考勤、报警功能；另一种带班卡，除了定位、 考勤、报警功能外，还可与后台进行通讯，后台也可给带班卡发送信息指令。

　　4TMIGS系统功能人机卡只有建立后才能在系统中发挥作用，建立时需和人员或设备的各 种信息进行绑定，需输入的信息如图10.70所示，人员卡图片见图10.72。

　　图10.70新建人机信息界面

　　图10.71人员卡与管理人员手机关联

　　图10.72人员卡(定位、短信、报警)图片

　　4TMIGS系统功能4.4.5掌子面地质编录 在隧道内需要的区域安放无线摄像头(WLAN IP Camera),视频信息将 通过多功能采集器发送到无线基站，再由无线基站与现场办公室连接以掌握 施工现场的主要情况。 掌子面视频监控除了对开挖现场的施工过程监控外，对于隧道掌子面采集 的高质量图片可以进行地质信息数字编录。由于岩体裂隙、节理、层理的复 杂性，采用常规方法观察通常比较繁琐。这里在隧道内利用掌子面视频和图 形图像处理技术研究围岩体的微细结构分布情况，达到进一步认识、分辨、 描述岩体的目的，诣在对隧道围岩分类提供依据，对围岩变化做出预报。

　　图10.75照片上传到后台进行相关处理

　　4TMIGS系统功能4.5工程管理工程管理功能的设计是以工程建设与管理的各方为对象，它包括隧道的勘 察设计资料、施工进度、现场监控量测、人员定位考勤等与施工过程管理有 关的内容。基本涵盖了隧道施工过程的各个环节，把施工过程的各种问题、 各种信息、各种指令与命令都存放在这个平台上，供参建各方资料共享。 4.5.1隧道概况 隧道概况包括隧道名称、结构类型、进出口里程、隧道概况、大事记等， 进一步的资料包括勘察设计与施工信息。

　　4TMIGS系统功能4.5.1.1设计信息 勘察设计包括：几何线形、断面信息、围岩分极、初支厚度、二衬厚度、 预留变形等；系统输入勘察设计资料一方面把设计资料通过仿真技术展现给 用户，另一方面让施工者随时查看设计资料，以

　　免施工主要结构出错。(1)几何线形

　　图10.79利用设计信息构建的隧道几何线形

　　4TMIGS系统功能TMIGS系统在勾绘隧道时是按照五心圆描述的，这符合常规的公路隧道设 计。图10.80是由五心圆组成的隧道断面，系统需要输入五心圆的坐标圆心、 起止角度和各自半径，其坐标参考原点是在隧道进口里程第一个圆的圆心为 参考原点(也即零点)。

　　4TMIGS系统功能(2)围岩分级 围岩分级是隧道设计时对围岩的分级，其信息列表见图10.84。围岩分级 有相应的地质特征描述，该描述会在模拟隧道时显示其信息。

　　图10.85围岩分级信息建立窗

　　图10.86不同级别围岩示意图片

　　图10.87不同围岩分级设计信息显示

　　4TMIGS系统功能(3)初支厚度 初支厚度是描述隧道设计不同区段根据围岩级别设计的初支类型，其列表见 图10.88。 在设计阶段每段初支设计好对应的图片如图10.89所示，图中的典型图片可根 据隧道具体围岩更换，这里的图片是为了系统仿真时贴图使用。不同支护类型模 拟见图10.90。

　　4TMIGS系统功能(4)二衬厚度 指隧道设计根据不同围岩级别、不同区段设计的衬砌厚度。设计列表见 图10.91所示，二次衬砌设计模拟见图10.92。

　　图10.92二次衬砌设计模拟

　　4TMIGS系统功能4.5.1.2施工信息 施工信息包括：地质预报、开挖进度、初支进度、二衬进度等。 (1)地质预报 隧道施工超前地质预报已纳入隧道施工工序，也逐渐被施工技术和管 理人员重视。这样地质预报信息就可在隧道施工过程中随时看到，并可与 前期勘察设计资料、开挖地质编录资料对比，提高对围岩的综合判别能力。

　　4TMIGS系统功能(2)开挖进度 隧道开挖进度指隧道掌子面每天开挖的进尺、掌子面围岩地质图片、地 质描述、围岩分级等。开挖进度建立见图10.96。图10.96列表中的地质素描 中，要建立地质及支护观察图片。建立后系统随时可查看某个里程某个时间 建立的地质图片。如图10.97所示。

　　图10.98开挖掌子面地质描述

　　图10.99隧道内实际开挖地质围岩贴图

　　4TMIGS系统功能

　　图10.100隧道外实际开挖地质围岩

　　图10.101隧道外实际地质编录围岩地质

　　4TMIGS系统功能(3)初支进度 系统需每天或根据具体进度建立初期支护的实际进度，建立窗口如图 10.102。

　　(4)二衬进度 系统需每天或根据施工现场一定循环进度建立二衬施工的实际进度， 建立窗口如图10.103。

　　4TMIGS系统功能4.5.2监控查询 人们认识到变形监测只是手段，而为施工决策提供的科学依据才是目的，由 于施工的复杂性，影响因素的多样性和不确定性，不易得到一种准确考虑各种因 素的预测和预报方法。但随着科学技术的发展和计算机

　　应用水平的提高，各种理 论和方法为变形分析和变形预报提供了广泛的研究途径。由于监测对象变形机理 的复杂性和多样性，监测对象的变形分析需结合岩土工程、土建结构、水文等相 关学科的信息和方法，采用数学模型来逼近、模拟和揭示监测对象的变形规律和 动态特征，为工程施工、设计和保证施工的安全性提供科学的依据。

　　4TMIGS系统功能(1)单控指标状态 查看监控数据查询图：点击对应行的操作[图]按钮，查看此监测点的数 据图，如图10.105。

　　图10.105单控指标数据变化曲线与警戒值的关系

　　图10.106双控指标数据变化与综合预警状态

　　(2)双控指标状态 查看监控数据查询表：点击对应行的操作[表]按钮，查看此监测点的数 据，如图10.106,断面的曲线显示如图10.107。

　　4TMIGS系统功能

　　4TMIGS系统功能(3)四色预警 TMIGS的风险管理是将所有的监测点根据所处的位臵、与工程的空间关 系、环境因素、施工方法要求等因素确定风险源的双控指标(累计值与变化 率)标准与警戒值、极限值，同时结合现场巡视观察、专家经验、相关联点 异常等确定该测点的预警级别。 TMIGS对隧道的风险管理通过自动监测数据、人工测点数据、巡视观察 情况进行自动+手动判定，最终说明隧道目前开挖的风险状态，以此提醒、 警告、预警施工人员对所施工的现场进行安全控制，使施工现场处于可控状 态，保证施工现场安全。 TMIGS系统设计了四色预警(红、橙、黄、蓝),它根据风险管理的预 警级别、预警内容、处臵措施、配套设施(基站的指示灯、鸣笛、洞口的信 息牌、人员卡提示[振动、指示、声音、短信息])、人员职责等与四色预警 系统联系起来进行洞内洞外的联动反应预警。

　　4TMIGS系统功能TMIGS的安全预警是针对风险管理设计的，它分为手动预警和自动预警。 根据预警状态的处臵措施见表10.22。 测点四级预警状态说明见图10.109所示，累计值与变化率的颜色决定预 警状态颜色，累计值与变化率颜色判定见表10.24,四级预警状态(双控指标) 判定见表10.25。

　　图10.109累计值与变化率颜色判断图 表10.24累计值与变化率颜色判定表 颜色 红色 橙色 黄色 蓝色 累计值范围 累计值大于100% 累计值大于X值并小于100% 累计值大于上限百分数并小于X值 累计值大于下限百分数并小于上限百分数 变化率范围 变化率大于100% 变化率大于X值并小于100% 变化率大于上限百分数并小于X值 变化率大于下限百分数并小于上限百分数

　　4TMIGS系统功能表10.25四级预警状态(双控指标)判定表 预警级别 红色预警 橙色预警 黄色预警 蓝色预警 预警状态描述 当累计值与变化率双控

　　指标均为红色时。 当累计值与变化率双控指标均为橙色时；或双控指标之一为红色而另一指标低于红色时。 当累计值与变化率双控指标均为黄色时，或双控指标之一为橙色而另一指标低于橙色时。 当累计值与变化率双控指标均为蓝色时，或双控指标之一为黄色而另一指标低于黄色时。

　　图10.110监控查询实际测点综合预警状态模拟

　　图10.111监控查询在实际开挖隧道测点综合预警状态模拟

　　4TMIGS系统功能4.5.3人员设备管理 实时了解隧道施工现场人员、机械设备的位臵分布，并进行人员考勤管 理。它可实时掌握工作面及整个隧道人员、机械的分布情况，非常方便施工 管理人员对施工进度、劳动力的合理安排及时掌握和调度；同时，在隧道进 入红色警报或出现事故后，提供现场人员分布情况信息。它对出现事故后的 救援工作有极大的帮助。 TMIGS系统采用国际标准ZigBee无线通讯技术，集人员定位、考勤管理 和安全管理于一体。系统能够及时、准确地将隧道内各个区域人员情况动态 反映到洞外计算机系统，使管理人员能够随时掌握隧道内人员的总数及分布 情况，以便进行更加合理的调度管理。系统还能对每个人员的进洞时间、出 洞时间进行记录，并统计生成各种考勤报表，以实现隧道施工人员自动考勤。 本系统特有的收发短消息功能极大地方便洞内与洞外人员及时沟通。一旦洞 内发生事故，救援人员可以根据本系统所提供的数据、图表，迅速了解洞内 人员的位臵情况，从而及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。 人员设备管理包括：人员分布图、人员分布表、路径跟踪、短信处理、 考勤统计、异常提示和查询历史。

　　4TMIGS系统功能4.5.3.1人机分布 (1)定位原理 无线定位子系统是本系统的基本单元，它由基站和识别卡组成，基站和 识别卡内均带有基于ZigBee的无线通信模块。基站根据隧道的现场情况合理 布臵，构成无线定位网络。在洞口处、区域入口处、工作面等重要地点可以 多布臵一些基站，而在隧道中可以少布臵一些基站。识别卡由洞内人员携带， 每个识别卡都有不同的编号。识别卡中的无线通信模块每隔几秒向外发送一 次数据，这些数据被周围的基站接收到，基站经过数据处理后就可以知道它 周围有哪些识别卡。由于识别卡和人员一一对应，从而可以知道在基站附近 有哪些人员。根据基站接收到的信号强度RSSI和信号质量LQI,还可以知道 人员离基站大概有多远(见图10.112)。识别卡在发送数据的间歇内会自动 进入休眠状态，从而达到省电的目的。

　　4TMIGS系统功能

　　图10.114 108国道南村隧道某时刻远程施工人员定

　　位图

　　图10.115南村隧道某时刻人员设备定位模拟

　　图10.116南村隧道某时刻人员设备定位模拟图

　　4TMIGS系统功能4.5.3.2路径跟踪 查看路径跟踪信息见图10.117,随时可以看到某个人员的位臵变化和进 离洞的具体时间。

　　4TMIGS系统功能4.5.3.3短信处理 短信处理是对现场人员卡报警的信息管理列表，从列表中可看出，报警人 和处警人以及报警内容和处警内容，处警可以通过后台也可以通过手机，详 见处理列表图10.118。

　　图10.118短信处理列表。

　　图10.119后台报警处理窗口

　　图10.120手机报警处理窗口

　　4TMIGS系统功能4.5.3.4考勤统计 考勤统计记录了人员和设备进洞的累计时间，考勤统计列表页如图10.121 所示。只需要选择隧道、工区、要查询的时间范围，所有进洞的人员累计时间 就显示出来。

　　4.5.3.5异常提示 异常提示是系统人性化管理的重要体现，它根据人员的身体状况，可选 择允许某人在洞内的累计时间不能超过多少小时。具体确定由现场管理人员 制定后输入系统，系统内默认健康状态良好的人员在洞内停留时间不超过10 小时，健康状态一般在洞内停留时间不超过8小时，健康状态较差在洞内停留 时间不超过6小时。一旦超过以上规定，系统就在后台提示。另外，可发送指 令到人员卡，通过振动传送信息提醒尽快出洞。

　　图10.122人员卡异常提示页面

　　4TMIGS系统功能4.5.3.6查询历史 查询历史是对人员进出洞整个数据库进行浏览查询，查询历史页面如图 10.123所示。

　　图10.123查询历史页面

　　图10.124历史数据查询列表

　　4TMIGS系统功能4.5.4生成报告 生成报告是对监测数据的统计、归纳、汇总，可根据用户具体选择查看 日报、周报、月报，并打印报出或存档。如图10.125所示。

　　图10.125生成报告页面

　　4TMIGS系统功能4.6安全保障安全保障模块包括施工预案、专家决策、应急响应和群测群防。这个模 块式针对隧道施工风险预警、重大问题的专家决策、事故后的施工预案快速 启动。系统通过软硬件多途径、多渠道的联动反应来提高高风险隧道施工的 应急能力。 4.6.1施工预案 即使是最安全的施工方案，仍需考虑施工中的各种风险及客观主观原因 的影响，有时，尽管是一些次要因素，在复杂的施工环境下，次要因素不断 地积累、变化也会转化为主要因素。地下工程施工尤其如此，因此灾害预案 的研究，在地下工程的施工中是非常必要的。TMIGS系统按以下原则编写施 工预案录入： (1)明确可能的事故及后果； (2)应急各方的职责； (3)应急资源(人员、设备、设施、物资、经费保障); (4)应急措施； (5)应急行动的指挥与协调； (6)现场恢复(在应急救援

　　的同时、后续或完成后，做好现场恢复的各项 准备工作); (7)其他，如预案的管理、法律法规的要求等。

　　4TMIGS系统功能TMIGS的施工预案界面如图10.126所示，在隧道施工前可先建立各种预案， 并在预案库中排序，在施工过程中再根据具体情况不断调整，系统针对某个隧 道的一个工区，总有一个当前预案，当前预案在系统的自动反应中执行，手动 执行时可选择。

　　4TMIGS系统功能4.6.2专家决策 岩土工程设计模型主要有可用数学方法描述的和不能用数学方法而只能凭 借工程类比经验和专家知识来描述的，以及基于两者之间的三大类。动态设计 系统应具有建立这三大类设计模型的能力，特别是具有在动态设计过程中自动 生成设计模型的能力。在动态设计建模技术中需重点研究： (1)岩土体失稳准则。 (2)工程经验数学规划方法和相关数据库的建立。 (3)人工智能和专家系统技术，借助专家经验，知识或者逻辑思维，实 现工程寻优策略的自动选择和决策过程的自动控制。 (4)求解技术，包括采用各种数学方法和人工智能方法求解方案设计问 题，参数设计问题，随机变量设计问题，以及模糊优化设计问题等。 TMIGS的专家系统是借专家经验数据库并结合系统的人机对话方式处理的。

　　4TMIGS系统功能系统在启动专家决策后，将把现场的问题规范地描述给参与项目的专 家，所有参与专家可通过手机短信息方式回复意见即可。系统将针对某个 问题显示所有参与专家的意见，并快速整理出同意与否的决策性意见。该 意见作为系统重大决策的参考。专家决策页面见图10.128。

　　4TMIGS系统功能4.6.3应急响应 TMIGS的应急响应是针对隧道施工灾害预案进行设计的，它是在预计的 可能灾害未得到控制下发生的施工预案内的灾害内容。在灾害发生后快速启 动应急预案，及时把灾害的名称、内容、分类、位臵等信息以及灾害描述、 事故与后果、应急的职责、措施、资源(人、物、钱)、指挥协调、相关参 与的机构等在极短的时间内(10秒)快速启动，同时通知洞内有危险的人 员紧急疏导、撤离，也将遇难的洞内人员在最后一时刻的人员位臵记录下来 便于快速救援、搜救。它是在灾害发生后一键启动的快速反应，该系统特别 在复杂地质环境下施工具有重要的现实意义。

　　4TMIGS系统功能

　　表10.26 现场巡视报警参考表 巡视异 常 简述 巡视异常描述

　　出现下列情况之一，即为 警 特大灾害发生。 1、爆破后溶突水、突泥； 2、遇到断层破碎带与地表 江河、海水联系； 3、遇到瓦斯突出、爆炸； 4、遇到强烈岩爆； 重大灾害发生： 橙色预 警 掌子面极易发生大

　　的塌方

　　红色预

　　极易发生大的塌方，塌方体汇同地下水一起作 用，地下水补给充足。不仅对掌子面人员设备造成 伤害，而且对整个隧道施工的人员设备都有威胁。 如塌方区与岩溶系统相连或有地下暗河威胁或受江 河、海水侵袭的危险。

　　发生大的塌方，与人员、设备伤亡，事故会影 响下一步的施工。隧道掌子面会被塌落物体封闭， 地下水补给有限。主要对掌子面附近的施工人员的 威胁和伤害，对远离掌子面的施工人员威胁不大。 较大的灾害发生： 黄色预 隧道施工塌方会经常发生，对施工人员的安全 警 发生塌方，无人员、设备 又威胁，拱顶塌落时间较短，开挖后需及时支护， 伤害 但仍未造成人员、设备伤害。如通过断层破碎带 (无水)、风化层等。 一般性警告： 蓝色预 隧道施工过程会发生一些小的塌方，拱顶超挖 警 偶有塌方的报告 非常普通。但不会引起大的塌方，稍注意不会伤及 人员，塌落会有时间的变形。

　　4TMIGS系统功能4.6.4群测群防 本系统提供给所有参与工程的人员或关心工程建设的人员进行信息交 流的BBS平台，开辟一个供业主、施工、监理、设计、管理部门等各方自 由讨论的互动板块，交流有关经验、发布相关公告和其它资料。

　　5TMIGS系统应用随着交通需求量的日益扩大和隧道修建技术的发展，隧道的建设规模也越 来越大，相继出现了很多大跨度、大断面的铁路、公路隧道及地铁车站等大 型洞室。大跨度隧道的优化设计及安全施工问题已引起了人们的密切关注。 进入二十一世纪，随着贵州凯里大阁山隧道的贯通，掀开了国内四车道公 路隧道建设的序幕；韩家岭隧道开挖跨度23m;雅宝隧道开挖跨度21.lm;龙头 山隧道最大跨度21.6m,最大开挖断面达229.4m2,深圳横龙山隧道最大跨度 29.17m,最大开挖断面达304m2。 随着隧道跨度的增大，地质条件的不确定性和施工高风险性指数在递增。 这就需要隧道工程的理论和方法不断进步，科学地指导设计及施工。人们逐 渐认识到：工程地质勘察、设计和施工形成系统化、信息化一体的思想非常 重要。

　　5TMIGS系统应用TMIGS系统的多功能、多信息源的联动集成必然有广泛的应用，它适合于隧 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 各种复杂环境的方案，如图10.130、10.131。

　　5TMIGS系统应用5.1南村隧道信息化施工 108国道南村隧道为双洞双向行驶一级公路隧道，总长为3069延米，分 为A线(上行线)和B线(下行线)。工程特点：浅埋段长、大跨度、软岩、 穿越煤系地层、水文地质条件极为复杂。 TMIGS主要实现： (1)洞内人员的远程实时定位与考勤

　　、安全管理； (2)选测断面的变形监测； (3)瓦斯的自动监测； (4)施工过程中的风险预警； (5)事故发生后的施工预案快速响应。 在108国道南村隧道进、出口、A、B线分别进行了人员定位管理， TMIGS系统可同时管理10个以上隧道，非常方便管理人员对隧道施工人员进 行劳务及安全管理。

　　5TMIGS系统应用

　　5TMIGS系统应用5. 2陕西省包家山隧道信息化施工 包家山特长隧道全长11.2公里，为国内第三长公路隧道。隧道岩性以千 枚岩为主，影响全隧道的有37条较大规模断层、17处岩溶异常区和多处富水 区，其中勘探发现了最大直径为5~100m的岩溶异常区等，易发生涌水、坍 方等地质灾害。 TMIGS主要实现：人员定位与安全管理和选测断面的自动化 监测。 本项目试验共布设了包括压力盒、钢筋计、混凝土应变计、表面应变计 等多种传感器，在现场配臵了人员定位卡、按设了摄像头并配合了隧道必测 项目的监测、超前地质预报的信息管理工作。在洞口安装了系统自带的 GPRS网关基站，它可以将隧道内的各种信息直接传输到广域网。整个的现 场信息控制与交流可在远程网络平台上进行，这大大方便了隧道多元信息的 预警、管理与利用。 目前我国处于地下工程的快速发展时期，地下工程风险较多，在施工过 程中，必须重视地下工程施工的安全管理，采取必要手段保证地下工程的安 全。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。

　　5TMIGS系统应用

　　5TMIGS系统应用5.3北京大兴线地铁隧道信息化施工 TMIGS在地铁施工中的应用规划见图10.147,系统从开挖面的监测、支 护结构的预警、人员管理、地表构筑物的自动观测、后台的专家系统、应急 响应等过程的现场具体实施。下面结合北京地铁大兴线的部分应用以示说明。 在北京大兴线高~高区间3标主要实现：(1)人员定位、安全管理；(2) 隧道环境监测(温度、湿度、照度、粉尘)。

　　5TMIGS系统应用

　　6创新性成果(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。

　　6创新性成果(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，从 而形成隧道施工多元信息全方位安全保障系统。

　　7系统取得的知识产权

　　7.1 获得专利情况实用新型4项序号1 2 3

　　专利名称隧道施工与运营多元信息预警与安全保障系统 多通道高精度高速同步信号采集器实用新型 无线串口数据传输终端

　　类型实用新型 实用新型 实用新型

　　编号ZL 2008 2 0302398.4 ZL 2008 2 0301981.3 200920316316.6

　　45 6

　　基于网络平台的隧道施工灾害预案及防控响应系统

　　实用新型

　　200920316348.6

　　7.2 出版专著及发表文章(1)出版专著：叶英编著，《隧道施工信息化预警》,人民交通出版社 (2)发表相关文章11篇、1篇EI、核心期刊5篇。1.叶英、王梦恕，《Overview of Geotechnical Monitoring for Tunnel Excavation S

　　afety》刊登在《国际安全 会议论文集》,该论文被EI、ISTP收录, P773~778; 2.郜玉兰、叶英《雁门关隧道超前地质预报与监控量测技术》刊登在《2003年公路隧道年会论文集》,并作 为年会主旨交流论文；山西交通科技，2003-10-30,2003年 05期 3.叶英，、王梦恕，《隧道掌子面地质信息数字编录识别技术研究》待刊《北京交通大学学报》,第三十一 卷第一期P59~62。 4.叶英、孙文龙、王义海、谷文元、胡建华、杨新锐，隧道施工人员远程实时定位与安全管理研究，现代隧 道技术，第46卷第2期，2009年4月，P63~67 5.叶英、穆千祥、张成平，隧道施工多元信息预警与安全管理系统研究，岩石力学与工程学报，2009.5 6.叶英，隧道施工不良地质应急预案研究，中国地质灾害与防治学报，2009.6,20(2):60-64 7.叶英，隧道施工实时预警与应急相应系统研究，市政技术，2009.11:27(6):599-602。 8.叶英，毋云龙，TMIGS隧道多元信息预警与安全管理系统，公路隧道，2009年第四期，(总第68期):6062. 9.叶英，隧道衬砌厚度检测技术研究，隧道与地下工程技术及其发展，2004,P331~337; 10.杨新锐、叶英，浅埋隧道围岩压力自动化监测及分析，市政技术(增刊2),2009.11,27(增刊2)): 109-111。 11.王昌华; 王建明; 叶英; ZigBee技术的多通道振弦式传感器测频仪, 仪表技术与传感器, 2009, (11) :2022,39。

　　7.3 获奖情况

　　北京市发明协会 北京市总工会 北京市科学技术委员会

　　26个省市及地区、1037项发明项目排名第8

　　8经济社会效益情况

　　汇报结束 谢谢！