信息技術(shù)在隧道健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究綜述

李 帥， 楊 柳， 劉 恒， 蒲玲玲

(1. 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 611756；2. 西南交通大學(xué)唐山研究生院，河北唐山 063020； 3.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，陜西西安 710043；4.西南交通大學(xué)綜合交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，四川成都 611756)

由于我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)以來，國內(nèi)的隧道數(shù)量不斷增加。所以，我國已是世界上隧道規(guī)模最大、數(shù)量最多、修建技術(shù)發(fā)展最快的國家[1]。我國的地勢(shì)復(fù)雜，這為我國的交通發(fā)展也帶來了許多困難。由于隧道能夠幫助解決我國在地勢(shì)復(fù)雜地區(qū)的各種交通問題。因此，現(xiàn)代高速公路、鐵路，遇到復(fù)雜地形和地質(zhì)條件時(shí)，可以采用隧道來解決，故我國的隧道需求越來越大。隧道能夠克服山嶺地區(qū)地形或高程的障礙，縮短公路里程，同時(shí)也對(duì)疏導(dǎo)交通起到積極的效應(yīng)[2]。

雖然目前我國隧道眾多，但是隧道在運(yùn)營過程中，由于受到材料退化、極端天氣降雨導(dǎo)致的積水、地震導(dǎo)致的隧道洞口塌方，以及人為因素等影響，會(huì)發(fā)生隧道主體結(jié)構(gòu)的損壞和劣化[3]。

目前，對(duì)于隧道的健康監(jiān)測(cè)還有很大部分是采用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式，即采用人工的檢測(cè)方式，對(duì)隧道中的傳感器進(jìn)行定期的數(shù)據(jù)記錄。采用人工的方式對(duì)隧道進(jìn)行檢測(cè)存在著許多的缺陷，同時(shí)效率低下。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式已經(jīng)難以滿足早發(fā)現(xiàn)早預(yù)警的監(jiān)測(cè)要求[4]。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能等前沿信息技術(shù)的快速發(fā)展，針對(duì)隧道的健康監(jiān)測(cè)與這些前沿技術(shù)應(yīng)用結(jié)合的相關(guān)研究正如火如荼的進(jìn)行著。在未來，隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)會(huì)向著更智能化、信息化、科技化的方向發(fā)展[5]。

本文主要講述了在科技飛速發(fā)展的今天，結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能等信息技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法在隧道的健康監(jiān)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)分析傳統(tǒng)隧道健康監(jiān)測(cè)的缺陷。

1 隧道健康監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)最早由喬治·豪斯納在20世紀(jì)中期提出來的概念，距今已經(jīng)過去了幾十年。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)能夠在大型工程的修建期以及運(yùn)營期提供極大的幫助，所以在各國政府以及科研機(jī)構(gòu)的大力推動(dòng)下，在各種大型工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

“隧道健康監(jiān)測(cè)”這個(gè)概念自 1997 年提出到現(xiàn)在，已經(jīng)取得了階段性成功[6]。隧道是屬于隱蔽工程，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及監(jiān)測(cè)上的各種困難等原因，在隧道領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)發(fā)展緩慢，且落后于其他領(lǐng)域的發(fā)展。

雖然結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)在隧道的發(fā)展落后于其他工程領(lǐng)域，但仍是眾多國家政府以及科研機(jī)構(gòu)的熱點(diǎn)研究問題。所以，對(duì)于隧道健康監(jiān)測(cè)的的應(yīng)用理論和技術(shù)也是多種多樣。

隧道健康監(jiān)測(cè)的主要任務(wù)就是對(duì)隧道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得到可靠的結(jié)論，能夠隨時(shí)掌握隧道的結(jié)構(gòu)信息，為后續(xù)采取的各種防護(hù)措施提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)為可能出現(xiàn)的各種危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而避免出現(xiàn)重大損失。

隨著科技的不斷發(fā)展，以及世界各國政府對(duì)隧道監(jiān)測(cè)的不斷重視，對(duì)于隧道健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展也越來越快。從當(dāng)初對(duì)于隧道監(jiān)測(cè)采用人工的方式進(jìn)入隧道內(nèi)部檢測(cè)，到采用自動(dòng)化傳感器設(shè)備對(duì)隧道進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隧道的監(jiān)測(cè)方式越來越先進(jìn)，對(duì)于監(jiān)測(cè)的結(jié)果也越來越準(zhǔn)確，這讓隧道監(jiān)測(cè)做出了更進(jìn)一步的發(fā)展。

2 隧道監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國目前的隧道健康監(jiān)測(cè)方法，多為本地化部署。當(dāng)需要對(duì)目標(biāo)隧道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要人工至隧道內(nèi)部，對(duì)隧道內(nèi)的每一個(gè)傳感器進(jìn)行遍歷記錄數(shù)據(jù)，等檢測(cè)完畢后，再對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，再將分析和計(jì)算后的結(jié)果錄入至計(jì)算機(jī)，做成報(bào)表，以供專家判斷和審核來確定結(jié)構(gòu)物的狀態(tài)。傳統(tǒng)的隧道監(jiān)測(cè)方法當(dāng)面臨數(shù)據(jù)量大時(shí)，在分析和錄入數(shù)據(jù)時(shí)就容易出現(xiàn)失誤的情況，嚴(yán)重影響工作效率。

在數(shù)據(jù)分析方面，我國大多數(shù)的隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)把采集得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再把分析得到的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，從而判斷出此時(shí)隧道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息。這種方法存在著極大的弊端，因?yàn)槭侨斯ぐ逊治龅玫降臄?shù)據(jù)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，存在著極大的主觀性，且沒有考慮隧道中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的儀器可能出現(xiàn)的問題，理論與實(shí)際相脫離。

我國在隧道監(jiān)測(cè)方面起步較晚，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目通常為掌子面、圍巖、襯砌以及錨桿等[7]。這些傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)存在著極大的缺陷，例如成本高、監(jiān)測(cè)緩慢、監(jiān)測(cè)不實(shí)時(shí)等。

隨著近些年來，光纖技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)等一些尖端監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展成熟，這些技術(shù)也與隧道監(jiān)測(cè)慢慢結(jié)合了起來，使隧道健康監(jiān)測(cè)有了新的發(fā)展機(jī)遇。通過這些先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以讓監(jiān)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確，達(dá)到隧道監(jiān)測(cè)的需要，為隧道工程的全天候、自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)創(chuàng)造了條件。

由于大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能等前沿信息技術(shù)的快速發(fā)展，隧道健康監(jiān)測(cè)與信息技術(shù)的結(jié)合也是一種新的發(fā)展趨勢(shì)，為隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)變得更加方便，監(jiān)測(cè)成本變低，以及對(duì)隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的預(yù)測(cè)提供了可能。

3 信息技術(shù)在隧道健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

3.1 三維掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)在20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)，它利用了激光測(cè)距的原理發(fā)展而來，可以達(dá)到對(duì)物體面測(cè)量的目的。三維激光掃描技術(shù)通過記錄被測(cè)物體表面大量而密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，快速復(fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型[8]。三維激光掃描技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)應(yīng)用于許多行業(yè)之中，例如大型工程的變形監(jiān)測(cè)、測(cè)量及安全評(píng)估，還可以應(yīng)用于文物的保護(hù)和三維可視化建模，以及數(shù)字化信息的提取，三維激光掃描技術(shù)在這些領(lǐng)域應(yīng)用中已經(jīng)取得了一些較好的成績(jī)。

三維激光掃描技術(shù)具有眾多的優(yōu)勢(shì)所在，不僅僅可以應(yīng)用在其他的工程建設(shè)上,該項(xiàng)技術(shù)還應(yīng)用在隧道工程建設(shè)及運(yùn)營的過程中。它能夠精確對(duì)隧道的外表結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，為結(jié)構(gòu)素描提供及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

所以，隧道健康監(jiān)測(cè)與三維激光掃描技術(shù)結(jié)合，對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，這也是目前隧道健康監(jiān)測(cè)發(fā)展方向之一。三維激光掃描技術(shù)還可以加快隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集速度，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，降低操作強(qiáng)度，使隧道監(jiān)測(cè)變得更加科學(xué)與智能化。

馮發(fā)杰等[9]將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于隧道的變形分析, 提出基于KNNS-ICP拉近算法的變形分析方法。先對(duì)隧道的相同區(qū)域切片，再把拉近的切片數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后得出分析結(jié)果。

張麗等[10]針對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種基于新型移動(dòng)式三維激光測(cè)量技術(shù)的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方案。這種方案與傳統(tǒng)的三維激光掃描監(jiān)測(cè)隧道有很大的不同，該方案的硬件主要分為2個(gè)部分，分別是移動(dòng)小車以及三維激光掃描儀，見圖1。

圖1 移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)集成

通過在地鐵隧道移動(dòng)來掃描隧道的二維斷面結(jié)構(gòu)信息，同時(shí)在前進(jìn)的方向上采用螺旋的方式采集空間的三維數(shù)據(jù)。再通過自動(dòng)化三維點(diǎn)云的系統(tǒng)軟件，對(duì)獲得的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，最后把監(jiān)測(cè)結(jié)果快速的輸出。這種監(jiān)測(cè)方式克服了以往傳統(tǒng)站式三維激光掃描儀許多弊端，例如點(diǎn)云拼接繁雜、監(jiān)測(cè)效率不高等等，具有更大的優(yōu)勢(shì)，且更加符合地鐵隧道的監(jiān)測(cè)需要。

目前，在我國的隧道健康監(jiān)測(cè)中，三維掃描技術(shù)已經(jīng)開始了推廣和應(yīng)用。它將會(huì)是未來隧道監(jiān)測(cè)的重要手段之一，隨著信息技術(shù)進(jìn)程的加快, 三維掃描技術(shù)在隧道監(jiān)測(cè)中將會(huì)扮演著更加重要的角色, 為我國帶來更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

3.2 傳感器技術(shù)

3.2.1 多傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)

所謂的多傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)，就是將多個(gè)傳感器結(jié)合使用來到達(dá)監(jiān)測(cè)的目的。首先，在需要監(jiān)測(cè)的工程項(xiàng)目中，把多個(gè)傳感器放置在不同的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)傳感器都擁有著自己的監(jiān)測(cè)范圍。當(dāng)多個(gè)傳感器開始工作時(shí)，會(huì)把不同位置的傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，然后再把匯總的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到監(jiān)測(cè)的結(jié)果。

目前，多傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于隧道監(jiān)測(cè)也是一種發(fā)展方向。多傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠避免單一傳感器的弊端，大大提高了隧道監(jiān)測(cè)的精度和效率。

柏文鋒等[11]采用多傳感器聯(lián)合的監(jiān)測(cè)方案可以對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)準(zhǔn)確地獲取隧道結(jié)構(gòu)的位移變化規(guī)律，方案示意圖如圖2。

圖2 地鐵隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方案示意

北京地鐵5號(hào)線的施工就通過運(yùn)用遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[12]。多傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)的成功應(yīng)用，證明了該技術(shù)用于隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的可行性，保證了其對(duì)于地鐵隧道監(jiān)測(cè)的有效及可靠。

3.2.2 光纖傳感技術(shù)

光纖傳感技術(shù)出現(xiàn)于1977年，隨著它的出現(xiàn)，已廣泛用于許多領(lǐng)域，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

光纖傳感器也具有眾多的優(yōu)勢(shì)，故光纖傳感技術(shù)在工程建筑的監(jiān)測(cè)方面得到了非常廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)對(duì)于光纖傳感器應(yīng)用在了各個(gè)方面。例如，可以通過光纖傳感器探測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷；三峽大壩壩前水溫監(jiān)測(cè)；在軍事上的應(yīng)用等等。所以，把光纖傳感技術(shù)與隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)相結(jié)合是一個(gè)很好的選擇。

光纖傳感技術(shù)的興起，給工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域提供了一類新的技術(shù)和手段，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[13]。這類監(jiān)測(cè)技術(shù)，是以光波為載體，通過光纖作為媒介，所以能夠達(dá)到遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)的目的。這種監(jiān)測(cè)技術(shù)具有許多其他監(jiān)測(cè)技術(shù)所沒有的優(yōu)勢(shì)，不僅抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，還具有傳感合一的功能特點(diǎn)。

光纖傳感技術(shù)在盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)中非常有效、便捷，具有廣泛的應(yīng)用前景[14]。把光纖傳感器安裝到隧道縱斷面時(shí)，光纖傳感器先加工完成，再安裝在新拼裝的管片頂部和管片底部，光纖傳感器中間部位錨固在管片之間的縱向拼裝接縫處，光纖傳感器在縱斷面上的布設(shè)位置示意見圖3。

圖3 傳感器在縱斷面上的布設(shè)位置示意

光纖傳感技術(shù)能夠滿足隧道中安全監(jiān)控測(cè)量的要求，還可以克服傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式的缺陷，其發(fā)展能夠?yàn)樗淼澜】当O(jiān)測(cè)系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.3 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算是一種分散式運(yùn)算的架構(gòu)，和以往處理數(shù)據(jù)的技術(shù)不同。邊緣計(jì)算是將采集而來的數(shù)據(jù)，先在網(wǎng)絡(luò)邏輯的邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步的計(jì)算處理，再把得到的結(jié)果再傳遞到中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。邊緣運(yùn)算將原本完全由中心節(jié)點(diǎn)處理大型服務(wù)加以分解，把切分的服務(wù)交給分散的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。

毛磊等[15]指出可以在隧道監(jiān)測(cè)中結(jié)合邊緣計(jì)算及5G來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，通過在信息源處應(yīng)用于邊緣計(jì)算對(duì)信息進(jìn)行處理，再通過5G對(duì)處理過后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。通過這個(gè)方式可以讓冗余的數(shù)據(jù)在邊緣節(jié)點(diǎn)先進(jìn)行計(jì)算處理，提取出有價(jià)值的信息，再把各個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)有價(jià)值的信息通過5G傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)，即可以減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，也可以利用5G來加快傳輸速率。

孫宏彬等[16]提出了結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和邊緣計(jì)算這2種技術(shù)，構(gòu)建分布式光纖傳感電纜隧道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框架。目前，邊緣計(jì)算結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)在隧道健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用也是一種新的研究方向，該系統(tǒng)結(jié)合了3層架構(gòu)而實(shí)現(xiàn)，見圖4。系統(tǒng)提出了一種基于移動(dòng)邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方法，可以有效地減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的能量損耗，為電纜隧道的運(yùn)行提供了保障。

圖4 基于邊緣計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)卸載傳輸體系結(jié)構(gòu)

通過上述分析，可知隧道監(jiān)測(cè)結(jié)合邊緣計(jì)算，可以減少需要傳遞的數(shù)據(jù)量，極大的提高了數(shù)據(jù)的傳遞效率、減少了延遲，減輕了中心節(jié)點(diǎn)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，又可以保證采集到數(shù)據(jù)的可靠性。所以，邊緣計(jì)算非常適合于隧道監(jiān)測(cè)這種會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

3.4 云計(jì)算

云計(jì)算也稱之為云端運(yùn)算，是一種互聯(lián)網(wǎng)上的資源利用新方式。云計(jì)算可以將用戶電腦中的運(yùn)算功能以及存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)放入“云”里面，即超級(jí)電腦中。用戶可以通過個(gè)人電腦進(jìn)入云端，去處理數(shù)據(jù)資料。云計(jì)算的出現(xiàn)，可以讓應(yīng)用軟件高掛云端，不必搭配在用戶的電腦里，且不必分配專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)，會(huì)由云服務(wù)提供商的專業(yè)團(tuán)隊(duì)去解決。

隧道監(jiān)測(cè)與云計(jì)算的結(jié)合，已經(jīng)開始應(yīng)用于實(shí)際的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中了。楊金源[17]發(fā)明了一種基于云計(jì)算的公路隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)就是利用了云存儲(chǔ)平臺(tái)，把存儲(chǔ)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)，放置在了云平臺(tái)內(nèi)，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)訪問云平臺(tái)內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，該系統(tǒng)的其他功能模塊也都放置在了云平臺(tái)內(nèi)，例如數(shù)據(jù)接收功能模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等等。通過這種方式，極大的減輕了系統(tǒng)的存儲(chǔ)壓力，為隧道健康監(jiān)控提供了一種可參考的方向。

國內(nèi)的基康儀器公司基于云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也開發(fā)出了一種智能隧道自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)平臺(tái)是以集中式分區(qū)化的方式，為用戶提供有效的遠(yuǎn)程監(jiān)控整體解決方案[18]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在隧道健康監(jiān)測(cè)中可以運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)來不僅僅減輕了監(jiān)測(cè)人員的維護(hù)壓力，還提高了對(duì)于隧道健康監(jiān)測(cè)的效率，讓監(jiān)測(cè)人員不必去擔(dān)心監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件及硬件的各種問題，只需要負(fù)責(zé)對(duì)隧道的監(jiān)測(cè)即可。

3.5 大數(shù)據(jù)

隨著時(shí)代的進(jìn)步，大數(shù)據(jù)的時(shí)代已經(jīng)到來，大數(shù)據(jù)的各種應(yīng)用也已經(jīng)滲透到了各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于大數(shù)據(jù)的處理也是必不可少的，所以大數(shù)據(jù)技術(shù)由此發(fā)展而來，為各個(gè)行業(yè)的發(fā)展提供了一個(gè)新的技術(shù)與思維角度。大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)將極大的推動(dòng)社會(huì)科技的發(fā)展，國家對(duì)于大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展也越來越重視，大數(shù)據(jù)技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的結(jié)合應(yīng)用也是一種新的研究方向。

大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠處理對(duì)各種類型的數(shù)據(jù)，無論是關(guān)系型數(shù)據(jù)還是非關(guān)系性數(shù)據(jù)。當(dāng)需要處理的數(shù)據(jù)過于龐大而其中有價(jià)值的信息太少時(shí)候，就可以考慮使用大數(shù)據(jù)技術(shù)將冗余的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，挖掘出其中有價(jià)值的信息，便于分析以及存儲(chǔ)。

AFK：是英文Away From Keyboard的縮寫，分別由英語“Away”、“From”、“Keyboard”的首字母組成，表示“不在電腦前”。

由于隧道在運(yùn)營時(shí)期，每時(shí)每刻都會(huì)產(chǎn)生大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的積累會(huì)越來越龐大，如果靠傳統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)及處理技術(shù)，不僅需要極高的成本，而且處理數(shù)據(jù)的效率也極其低下。所以大數(shù)據(jù)技術(shù)與隧道健康監(jiān)測(cè)的結(jié)合應(yīng)用是一種發(fā)展趨勢(shì)。

王少飛等[19]分析了隧道的大數(shù)據(jù)來源，然后提出構(gòu)建公路隧道大數(shù)據(jù)中心，見圖6。該大數(shù)據(jù)中心可以幫助運(yùn)營時(shí)期隧道的管理者從各個(gè)方面去觀察監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而得出可靠的監(jiān)測(cè)結(jié)果。也為進(jìn)一步隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的預(yù)測(cè)提供了堅(jiān)實(shí)的后盾。

隧道運(yùn)營的過程中，管理單位面臨著長期、繁重的養(yǎng)護(hù)任務(wù)，文獻(xiàn)[20]采用Tableau大數(shù)據(jù)分析軟件來解決上述問題。這個(gè)軟件從2個(gè)方面對(duì)隧道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別是隧道結(jié)構(gòu)的基本狀態(tài)情況和土建各結(jié)構(gòu)分項(xiàng)。通過對(duì)采集的隧道健康狀況的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出其隧道變形程度，以此為隧道的養(yǎng)護(hù)工作提供參考。

文獻(xiàn)[21]利用大數(shù)據(jù)和WSN技術(shù)發(fā)明了一種公路隧道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由多個(gè)功能裝置組合而成，首先，它在隧道中起著采集數(shù)據(jù)的作用，然后再通過數(shù)據(jù)匯總裝置把所有的傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理，并發(fā)送給云存儲(chǔ)器，最后通過大數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的工作。

張玉紅[22]基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，開發(fā)了一種隧道安全實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)出隧道的綜合安全系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道的多方面安全監(jiān)測(cè)，具有可靠性高和準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，有效保障了司乘人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。

所以通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及處理不僅擴(kuò)展了存儲(chǔ)空間還提高了數(shù)據(jù)的處理效率，為隧道的監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)提供了安全性的保障。把大數(shù)據(jù)應(yīng)用在隧道監(jiān)測(cè)是一個(gè)重大的革新，極大的促進(jìn)了我國隧道監(jiān)測(cè)的發(fā)展。

3.6 BIM技術(shù)

BIM的全稱叫做“建筑信息模型”，是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，建立的三維建筑模型。BIM是由美國的查克伊士曼所提出來的概念，經(jīng)過不斷的發(fā)展，如今已在世界范圍內(nèi)開始普遍使用。采用BIM技術(shù)，可以提高工程建筑的修建效率以及減少可能會(huì)出現(xiàn)的各種風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)開始在本世紀(jì)初把BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑工程的領(lǐng)域，雖然我國開始應(yīng)用BIM技術(shù)的起步較晚，但由于眾多建筑工程的需要，故發(fā)展的速度很快。

隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)與隧道健康監(jiān)測(cè)的結(jié)合也是在所難免。采用BIM技術(shù)，大大減輕了管理人員的負(fù)擔(dān)，提高了隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)效率，讓隧道的監(jiān)測(cè)精細(xì)化、安全化、條理化，見圖7。BIM技術(shù)可以提高設(shè)計(jì)施工的質(zhì)量和效率，降低了工程造價(jià)和勞動(dòng)強(qiáng)度，加強(qiáng)了不同工作方的協(xié)作程度[23]。

圖7 公路隧道的BIM顯示

黃廷等[24]建立了隧道BIM實(shí)施規(guī)劃及公路隧道BIM設(shè)備編碼規(guī)則，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于BIM的公路隧道運(yùn)維系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了隧道的運(yùn)營管理的可視化，可以讓不同專業(yè)的隧道管理人員也能直觀的觀察隧道的結(jié)構(gòu)信息，提高了管理人員的監(jiān)測(cè)隧道的效率，保證了隧道的運(yùn)營。

李智[25]基于簡(jiǎn)化 BIM 模型構(gòu)建綜合性運(yùn)維和管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了公路隧道優(yōu)化管理、可視監(jiān)測(cè)和智能控制。田斌華[26]建立了基于 BIM 的隧道設(shè)備參數(shù)化方法，開發(fā)了一種 Revit 隧道設(shè)備控制參數(shù)可視化插件。

將BIM技術(shù)應(yīng)用到隧道工程中，可以為隧道的修建期以及運(yùn)用期提供立體的模型，讓修建隧道的工程師以及運(yùn)營的管理人員更清晰的了解目前隧道工程的狀態(tài)。

3.7 人工智能技術(shù)

人工智能在隧道監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，可以通過人工智能對(duì)處理過的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，對(duì)隧道未來一段時(shí)間的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，就可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，做出相應(yīng)的措施來進(jìn)行避免。人工智能與隧道監(jiān)測(cè)的結(jié)合是未來的一種發(fā)展趨勢(shì)，下文為一些人工智能結(jié)合隧道健康監(jiān)測(cè)的例子。

孫鈞等[27]設(shè)計(jì)了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能預(yù)測(cè)方法，流程圖見圖8。該預(yù)測(cè)方法是通過3層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬人腦對(duì)隧道結(jié)構(gòu)以及周邊地表進(jìn)行推演，預(yù)測(cè)的結(jié)果一般情況下與實(shí)際發(fā)生情況偏差極小，具有良好的穩(wěn)定性以及容錯(cuò)性。

圖8 預(yù)測(cè)方法流程

通過這種方式進(jìn)行預(yù)測(cè)，不僅僅是預(yù)測(cè)到當(dāng)天所可能發(fā)生的情況，還可以預(yù)測(cè)到未來3～5天隧道結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)變化。通過預(yù)測(cè)，提前做出措施，可以避免重大的人員財(cái)產(chǎn)損失。

祝安龍等[28]為實(shí)現(xiàn)車站及大跨過渡段的安全建設(shè)，在八達(dá)嶺長城站建立了結(jié)合人工智能技術(shù)的隧道圍巖及結(jié)構(gòu)安全智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

方曉[29]利用遺傳算法優(yōu)化了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出一種基于深度學(xué)習(xí)的隧道襯砌裂縫自動(dòng)識(shí)別算法，見圖9。由于隧道在運(yùn)營過程中的圍巖變形是復(fù)雜的非線性過程，所以采用傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)出現(xiàn)局部極值、依賴初值選擇等問題，故對(duì)傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過遺傳算法進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大大提高了計(jì)算能力，為隧道襯砌裂縫的預(yù)測(cè)提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。

圖9 隧道裂縫識(shí)別算法流程

盡管在我國人工智能的使用只有短短的是十幾年，但是，其在隧道工程中的運(yùn)用得到了極快的發(fā)展。人工智能作為隧道工程中的使用工具，不僅僅扮演決策者的工具，還是人類設(shè)計(jì)師的助手。人工智能在隧道監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用，將使資源配置得到優(yōu)化，使工作效率得到有效提高。隧道監(jiān)測(cè)中的人工智能將會(huì)讓隧道的運(yùn)營和監(jiān)控起到事半功倍的效果。

4 結(jié)論與展望

目前，隧道的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)仍有很大部分采用了傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式，即對(duì)隧道中的傳感器進(jìn)行定期的數(shù)據(jù)記錄。采用人工的方式對(duì)隧道進(jìn)行監(jiān)測(cè)存在著許多的缺陷，同時(shí)效率低下。

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法已經(jīng)不能夠完全滿足監(jiān)測(cè)的要求。一部分隧道的監(jiān)測(cè)技術(shù)采用數(shù)據(jù)整體收集，不再需要人工進(jìn)入隧道，對(duì)隧道每一個(gè)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在通過對(duì)隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整體采集后，將采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這樣可以減少由于數(shù)據(jù)量過于龐大而出現(xiàn)的失誤。

但隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的出現(xiàn)，將隧道的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿科技已經(jīng)是不可避免的趨勢(shì)?；谏鲜鲅芯?jī)?nèi)容，信息技術(shù)未來在隧道健康監(jiān)測(cè)主要有幾點(diǎn)重要研究方向。

(1)在邊緣計(jì)算方面，隧道監(jiān)測(cè)與邊緣計(jì)算的結(jié)合會(huì)不斷加深。邊緣計(jì)算與隧道監(jiān)測(cè)相結(jié)合能夠?qū)λ淼辣O(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。從而可以減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，同時(shí)還能夠?qū)π枰獋鬏數(shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，提高安全隱私保護(hù)。由于大大減少了需要傳輸數(shù)據(jù)的規(guī)模，還可以減少經(jīng)費(fèi)預(yù)算。

(2)在云計(jì)算方面，因?yàn)檫\(yùn)用云計(jì)算技術(shù)能夠減少工作人員對(duì)隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)花費(fèi)過多精力以及財(cái)力。云計(jì)算的虛擬化可以解決隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的問題，不需要花費(fèi)更多的人力財(cái)力去關(guān)心數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。可以通過云計(jì)算的虛擬平臺(tái)，每一個(gè)虛擬平臺(tái)則可以作為獨(dú)立的終端加入云端的分布式系統(tǒng)。所以結(jié)合云計(jì)算技術(shù)的隧道監(jiān)測(cè)，是未來隧道監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

(3)在大數(shù)據(jù)方面，由于在隧道健康監(jiān)測(cè)的過程中會(huì)產(chǎn)生海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)中包含了許多冗余的信息，有價(jià)值的信息卻非常少。所以，可以通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)這些海量的數(shù)據(jù)先進(jìn)行處理，提取出其中有價(jià)值的數(shù)據(jù)再進(jìn)行存儲(chǔ)。

(4)BIM技術(shù)方面，BIM技術(shù)對(duì)于隧道運(yùn)營時(shí)期的隧道健康監(jiān)測(cè)能夠提供極大的幫助。通過BIM技術(shù)，能夠把對(duì)隧道的各方面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)立體的呈現(xiàn)在監(jiān)測(cè)人員的面前，使對(duì)隧道的監(jiān)測(cè)更加準(zhǔn)確，也提高了隧道監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)的可視化。所以，隧道健康監(jiān)測(cè)結(jié)合BIM技術(shù)也是一種趨勢(shì)。

(5)在人工智能方面，大數(shù)據(jù)是人工智能的基礎(chǔ)，在擁有海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合人工智能技術(shù)的隧道監(jiān)測(cè)會(huì)變得更加智能且準(zhǔn)確。同時(shí)由于人工智能的可學(xué)習(xí)性，隨著隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的積累，可以不斷提高隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。目前，機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)應(yīng)用于隧道監(jiān)測(cè)的例子也是越來越多。所以，把人工智能與隧道監(jiān)測(cè)結(jié)合是時(shí)代的潮流。

把這些前沿信息技術(shù)與隧道的健康監(jiān)測(cè)相結(jié)合，能夠克服目前隧道監(jiān)測(cè)的許多缺陷，使隧道健康監(jiān)測(cè)更加智能且準(zhǔn)確，信息技術(shù)在隧道健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用是未來隧道監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。