地鐵是壹種能夠在狹小空間內快速運送高度密集人群的交通設備，狹小的空間決定了其管理措施的難度和復雜性。高速運行在很多方面凸顯了系統協調的重要性，每個系統的每壹個細節都可能是影響安全的因素；人口密度高，決定了軌道交通壹旦發生事故，將是巨大的危險和災難；軌道交通的安全與規劃、建設和運營的各個階段密切相關，決定了軌道交通安全管理的系統性和完整性。這些因素都對地鐵的安全管理提出了新的挑戰，同時也說明城市軌道交通壹旦發生安全事故，後果極其嚴重。
結構安全監測包括隧道結構侵蝕監測、結構變形監測、結構內力監測和環境監測，其中結構變形監測非常重要，其監測內容主要包括隧道沿縱向分布的斷面沈降、側向位移和斷面收斂變形。
地鐵隧道結構過度變形會造成災害，預防措施主要是變形監測，可分為施工階段和運營階段。為了同時提高隧道施工和運營的安全性，需要可靠的檢測和數據處理方法。然而，由於建築施工的幹擾和檢測方法及設備的限制，傳統的測量技術只能進行間歇性的記錄，不適合在隧道建成後對隧道運行情況進行監測。在隧道施工過程中，可以通過人工測量或自動測量，利用儀器對整個隧道和斷面的變形進行實時觀測和監控，但這往往僅對保證隧道施工質量有效。至於自動測量法，由於其自動測量儀器(全站儀)價格很高，難以全線布點，而且其自動測量壹般只對施工的推進面有效，其基準測量需要人工定期測量，因此不適用於運營隧道的檢測。施工結束後，這些設備撤離現場，地鐵隧道投入運營後的變形無法檢測和監測。
目前，國內外隧道施工監控技術相對成熟，但隧道運營過程中的監控還遠遠不夠。實際上，由於時間跨度長、影響因素復雜、災後社會影響大，運營隧道的健康監測更應受到重視。
根據已建地鐵隧道的沈降觀測數據，發現軟土地層中的隧道在長期運營過程中，其縱向沈降會不斷增加，並且這種沈降是總沈降的主要部分。隧道的不均勻沈降會導致隧道彎曲變形，影響軌道的平順和乘客的舒適，並導致隧道接縫張開，進壹步加劇滲透甚至漏泥，威脅隧道的結構、接縫和正常運營。因此，有必要關註隧道結構在長期運營中的整體變形，從設計、施工、工程防治、周邊環境影響等方面進行綜合治理和控制。
運營地鐵隧道的變形包括隧道縱軸沿橫截面的位移和隧道橫截面形狀的變化。當隧道變形過大時，會影響地鐵的安全運營。本項目的目的是開發和運行隧道變形檢測分析系統，根據隧道變形的漸變性和長期性，采集隧道變形的實時數據，建立長期基礎數據，通過時間和空間上的數據整合，為實現隧道變形的網絡化發布和建立隧道變形預警機制做好準備。本課題屬於軌道交通網絡運營安全綜合技術研究與應用的重要組成部分。
2.主要研究內容。
針對這壹課題，項目組做了大量前期基礎研究工作。基於多組立體相機和近景攝影測量原理，實現了建築模型的變形監測。基於車載多傳感器移動空間數據采集設備，實現了GPS、INS、CCD立體相機、激光掃描等傳感器的集成與處理。隧道安全監控采集車是近景立體攝影測量、全景相機和斷面掃描集成和數據融合的成功範例，具有數據管理和實時發布功能。在空間多傳感器網絡等技術的支持下，定位精度高達5mm，為這壹科研計劃的順利進行和圓滿成功提供了有力支撐。
根據項目的特點和內容，項目研究可分為三個部分:
A.隧道整體變形檢測:研究網絡化智能圖像傳感器，用於監測運營地鐵隧道的變形災害。本文主要研究網絡化智能圖像傳感器、智能圖像傳感器的自穩定裝置、圖像分析處理獲得的參考點相對位移數據、利用數據融合和聯合平差理論處理傳感器網絡的序列圖像進行高精度測量、傳感器網絡的組網技術、三維隧道變形圖像建模和變形預警等。
B.隧道局部(斷面)變形檢測:研制測量隧道斷面變形的監測儀器。根據前壹部分的成果，建立了隧道軸線定位基準的傳輸系統，為隧道斷面變形測量儀提供了精確的測量基準，隧道斷面變形測量儀對隧道進行全面掃描和監測，為準確分析和診斷隧道變形狀態提供了更加全面和豐富的監測數據。
c、建立空間數據庫存儲和發布隧道變形信息:存儲和處理隧道整體變形和斷面變形的實測數據，形成預警機制，並通過網絡發布。
本項目主要研究利用網絡化智能圖像傳感器對運營隧道在壹個實驗區間內的縱向軸線變形進行實時檢測，建立隧道整體側向位移的時空分布規律，通過變形分析初步建立隧道變形預警機制，建立隧道軸線定位基準傳輸系統，為車載隧道斷面變形測量儀提供準確的測量基準。
本項目首次提出基於網絡傳感器技術和圖像識別技術對運營地鐵隧道的變形進行在線實時監測，並根據隧道變形數據分析隧道變形狀況，以便及時預測隧道變形狀況不良帶來的災害。
同時以此為基礎進行隧道軸線定位基準的傳遞，為進壹步利用隧道斷面變形測量儀監測隧道結構的安全性提供基礎數據。
這是壹種新型的非接觸式實時安全監測技術，可以彌補傳統結構監測方法的不足。它采用非接觸、實時在線的方式全面獲取結構信息，基於計算機網絡通信技術實現多傳感器數據融合。測試成本低，過程可重復，具有實時、動態、高精度的特點，可提高局部監測的精度和時空整體監測分析能力。
圖像傳感器按壹定間隔分布在隧道斷面的頂部或側面，每個斷面上設置壹個或多個圖像傳感器。所有傳感器組成監控網絡，各站監控計算機采集分析數據，再通過站間計算機網絡實現對全線隧道的實時監控和預警。目前，通過集成圖像和傳感器網絡實現隧道結構安全監測的技術和系統在國內外尚未見報道。
3.主要研究成果
創新
(1)首次提出了基於圖像分析的隧道變形監測與定位基準傳遞的方案和理論。實現隧道整體變形的在線監測。
(2)設計了基於圖像測量技術的隧道變形在線監測智能圖像傳感器系統。
(3)設計了集激光測距、精密角度控制和電子測斜於壹體的斷面掃描檢測車。
(4)提出了智能圖像傳感器的姿態補償方法，解決了傳感器姿態引起的測量誤差。
(5)提出了壹套多傳感器多點長期監測的數據處理方法。
(6)提出了壹種可行的智能圖像傳感器的現場標定、維護和更換方法。
(7)開發了適用於隧道在線檢測中多傳感器信息交換並滿足多傳感器同步要求的網絡通信協議。
通過本項目的研究，構建了圖像傳感器陣列和截面變形測量儀的多傳感器監測網絡系統，設計了用於自校準的專用傳感器校準框架，實現了高精度的時間同步。解決了多傳感器數據融合的高精度聯合處理算法，實現了基於立體序列圖像的監測點坐標的高精度計算。開發了具有自主知識產權的基於多傳感器監測網絡的隧道結構安全監測系統，完成了上海實驗段隧道現場監測示範。
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