自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在地鐵結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的應(yīng)用
衛(wèi)建東
測量機器人具有的自動尋找目標，自動精確照準功能，使其在結(jié)構(gòu)物外部變形監(jiān)測方面擁有極大的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。它的出現(xiàn)大大減輕了以往人工測量帶來的繁重勞動，將測量機器人通過現(xiàn)代通信技術(shù)與計算機連接起來，利用計算機軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和報表輸出，實現(xiàn)真正意義上的測量自動化和一體化。目前單臺測量機器人組成的極坐標測量系統(tǒng)，利用多重實時差分技術(shù)，已在大壩、橋梁、隧道等工程得到很好的應(yīng)用。但利用實時差分技術(shù)的單臺極坐標測量系統(tǒng)除要求基準點穩(wěn)定外，還要求測站點是穩(wěn)定。這對變形區(qū)域較大，通視條件較差，測量環(huán)境狹窄的地鐵隧道來說，顯然其應(yīng)用受到限制。當然，如果測站點是不穩(wěn)定的，我們只要知道其變化后的位置，一樣可以利用多重實時差分技術(shù)解算變形點的坐標。由多臺測量機器人組成的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，可以通過組網(wǎng)解算各測站點的坐標，然后利用基準點和各測站坐標對變形點觀測數(shù)據(jù)進行差分處理，解算出各變形點的坐標及變形量。
1系統(tǒng)的硬件組成
測量機器人網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分包括測量機器人、棱鏡連接器、目標棱鏡、信號通信設(shè)備與電源箱、計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。
1.1 測量機器人
測量機器人是具有目標自動識別與照準功能全站儀的俗稱。Leica公司生產(chǎn)TCA1800、TCA2003自動全站儀屬于這一類型。它們的ATR（Automatic Target Recognition）自動照準功能，如采用Leica標準圓棱鏡可達
1.2棱鏡連接器
在測量機器人網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)中，為獲取測站儀器中心（全站儀旋轉(zhuǎn)中心）坐標而進行的組網(wǎng)測量中，測站本身既是測站又是其它測站的鏡站。因此，需要將棱鏡固定在全站儀手柄上，全站儀的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)棱鏡的轉(zhuǎn)向，安裝棱鏡時要求棱鏡中心與儀器中心位于同一鉛垂線上。棱鏡連接器作用就是將棱鏡固定全站儀手柄上，通過調(diào)整連接器上兩方向上的微動螺絲，使棱鏡垂直中心軸線與全站儀旋轉(zhuǎn)中心垂線一致。見圖1全站儀手柄上所示。
1.3信號通信設(shè)備與電源箱
信號通信設(shè)備與電源箱包括：通信電纜、供電電纜、RS422接口轉(zhuǎn)換器、電源箱。
RS422接口轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)RS232到RS422通信方式的轉(zhuǎn)換，使有效通信距離大于
1.4計算機部分
計算機部分包括主控計算機與分控計算機。主控計算機負責測量整體安排，根據(jù)時間、測量次序等指示分控計算機進行操作，同時接受分控計算機發(fā)來的測量數(shù)據(jù)，對各站測量數(shù)據(jù)進行同一處理計算。分控計算機用來接受主控計算機的指令，直接控制全站儀的操作，每臺分控計算機控制對應(yīng)的一臺全站儀。
1.5網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由網(wǎng)絡(luò)交換機和網(wǎng)線組成，主控計算機通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)與分控計算機連接與數(shù)據(jù)的傳輸。
1.6目標棱鏡
目標棱鏡設(shè)置在基準點和變形點上。基準點是結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的基準，因此他們分布在離變形區(qū)較遠的地方，以保證其穩(wěn)定。變形點選在變形體的敏感部分，能夠反應(yīng)變形體的變化。目標棱鏡一般選擇標準圓棱鏡或L小棱鏡，當目標較近時可以選擇L小棱鏡，目標較遠時采用標準圓棱鏡，基準點上一般采用標準圓棱鏡。
1.7系統(tǒng)硬件組成各部分控制連接關(guān)系
整個監(jiān)測系統(tǒng)硬件各部分之間的連接控制關(guān)系，見圖2所示。遠程監(jiān)控計算機通過因特網(wǎng)控制主控計算機，主控計算機通過網(wǎng)絡(luò)交換機與各分控計算機進行通信，各分控計算機通過供電與通訊系統(tǒng)與測量機器人相連。
該系統(tǒng)能夠連接的全站儀數(shù)量可以超過10臺。
2 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成
系統(tǒng)軟件包括控制網(wǎng)測量軟件和變形點監(jiān)測軟件兩大部分。
2.1控制網(wǎng)測量軟件
控制網(wǎng)測量軟件用來獲取各測站點實時坐標數(shù)據(jù)，即所謂的動態(tài)基準測量。當全站儀測站點位于變形區(qū)域，為及時得到測站點的位置信息，將測站點納入控制網(wǎng)中，控制網(wǎng)的已知點位于變形區(qū)域外，也是變形控制網(wǎng)中的基準點。由于在控制網(wǎng)自動測量過程中，測站本身又是其它測站點的鏡站，因此，要協(xié)調(diào)各測站以保證測站與鏡站之間的相互配合。控制網(wǎng)測量軟件包括主控機軟件和分控機軟件。
主控機軟件主要用來流程控制，根據(jù)流程依次向各分控機發(fā)操作指令，并接收分控機返回的提示信息、測量數(shù)據(jù)等，根據(jù)返回的信息做相應(yīng)的處理。測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理、控制網(wǎng)的平差計算在主控機內(nèi)完成。所有測量人員的測量意圖的設(shè)置都是在主控機軟件里進行。
分控機軟件主要是執(zhí)行主控機發(fā)來的指令，并根據(jù)主控機的指令，向測量機器人發(fā)操作指令，并接收測量機器人返回的信息、數(shù)據(jù)，將這些信息、數(shù)據(jù)分析處理后發(fā)給主控機。分控機軟件在整個系統(tǒng)中擔當中轉(zhuǎn)站的角色。分控機軟件中人機交互只有設(shè)置端口號一項內(nèi)容，所有對全站儀的操作指令封裝在分控機軟件中。
控制網(wǎng)測量軟件在功能上主要有以下特點：根據(jù)距離及棱鏡布設(shè)情況自動進行大小視場的切換；依據(jù)布設(shè)的網(wǎng)形，站與站之間的觀測關(guān)系，對測站點的觀測方向點可分組設(shè)置；采用局域網(wǎng)技術(shù)進行數(shù)據(jù)的通信，每臺儀器動作信息實時顯示到主控機，并具有網(wǎng)絡(luò)斷開的自動判斷功能；為滿足各種測量等級和運營環(huán)境的需要，具有各項測量限差、時間延遲、重試次數(shù)、坐標修正的設(shè)置功能；考慮到地鐵內(nèi)局部范圍內(nèi)氣象一致性，在平差計算中，采用加尺度參數(shù)解算，避免了氣象參數(shù)的測定。
控制網(wǎng)測量軟件將整個系統(tǒng)的通信分成兩部分進行，主控機與各分控機組成一個主局域網(wǎng)，在該局域網(wǎng)中，主控機相當于客戶機，各分控機相當于服務(wù)器。因此，該局域網(wǎng)客戶機與服務(wù)器的連接關(guān)系為一臺客戶機對多臺服務(wù)器，采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。各分控機與其控制TCA全站儀之間組成分局域網(wǎng)，采用串口通信，在該局域網(wǎng)中，分控機相當于客戶機，TCA全站儀相當于服務(wù)器，是一對一的關(guān)系。
2.2變形點監(jiān)測軟件
變形點監(jiān)測軟件包括各分控機上安裝的監(jiān)測軟件和主控機上安裝的數(shù)據(jù)庫管理軟件兩部分。
分控機上的監(jiān)測軟件用來控制測量機器人按要求的觀測時間、測量限差、觀測的點組進行測量，并將測量的結(jié)果寫入主控機上的管理數(shù)據(jù)庫中。該軟件繼承了單臺測量機器人變形監(jiān)測軟件ADMS的大部分功能，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)需要，對數(shù)據(jù)庫進行了優(yōu)化。另外，在隧道環(huán)境中的變形監(jiān)測，如果需要監(jiān)測的變形點較多，測量機器人對遠處目標的識別時，可能在視場中出現(xiàn)多個棱鏡，此時必須打開測量機器人的小視場功能，而小視場的測量范圍不得小于
數(shù)據(jù)庫管理軟件用來管理各分控機寫來的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)通過多重差分技術(shù)，求解各變形點的變化量，并將這些變形數(shù)據(jù)曲線圖形顯示和各點變形量報表輸出。
3 系統(tǒng)在地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中的應(yīng)用實例
廣州地鐵某地鐵站上方進行房產(chǎn)的開發(fā)，需挖掘沿地鐵站兩側(cè)長約
該系統(tǒng)采用了六臺Leica生產(chǎn)的自動目標識別全站儀，其中兩臺TCA2003，四臺TCA1800。各測站點和基準點安置在地鐵負二層的隧道中，各點布設(shè)位置如圖3所示，JD1~JD6為測站點，JZ1~JZ4為基準點。測站點上安置全站儀，基準點上安置徠卡標準圓棱鏡。
基準點與測站點構(gòu)成控制網(wǎng)來測定各測站的實時坐標的變化。圖3所示為動態(tài)基準測量控制網(wǎng)的布設(shè)形式，JZ1、JD1、JD2、JD3、JZ2位于上行線上，JZ3、JD4、JD5、JD6、JZ4位于下行線上，JD3與JD4之間可以通視，基準點與測站點構(gòu)成無定向三維導線網(wǎng)。
在整個變形區(qū)域內(nèi)，沿上、下行線各布設(shè)21個監(jiān)測斷面，其中盾構(gòu)區(qū)每個斷面設(shè)置5個變形點，站臺區(qū)、沉管區(qū)每個斷面設(shè)置4個變形點，每個斷面上變形點的分布如圖4所示。圖5為下行線盾構(gòu)區(qū)變形點分布實景圖，圖中的亮點為變形點上的棱鏡。
測量機器人地鐵結(jié)構(gòu)自動化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的控制中心設(shè)在負一層的環(huán)控機房內(nèi)，主要放置了一臺主控計算機和六臺分控機，是整個監(jiān)測系統(tǒng)的中樞部分。分控計算機到全站儀的通訊距離最大超過
目前，系統(tǒng)已運行3個月，整個系統(tǒng)運行正常，共獲得200多個周期監(jiān)測數(shù)據(jù)。從已得到的數(shù)據(jù)看，測量精度達到理想結(jié)果，完全滿足地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的要求。
4 系統(tǒng)的應(yīng)用前景
測量機器人網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)繼承了單臺測量機器人監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢，拓寬了單臺測量機器人監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，能夠滿足較大變形區(qū)域的自動監(jiān)測，尤其對地鐵結(jié)構(gòu)的自動監(jiān)測。主要優(yōu)勢有以下幾點：
（1）系統(tǒng)實現(xiàn)了控制網(wǎng)測量自動化、變形點監(jiān)測自動化。在列車運行條件下，實現(xiàn)全天24小時連續(xù)地自動監(jiān)測，克服了傳統(tǒng)測量方法的不足，節(jié)約了大量的人力資源，為地鐵的安全提供了實時的安全運營保障。
（2）系統(tǒng)將控制網(wǎng)測量、變形點監(jiān)測組織為一個整體，協(xié)調(diào)工作，控制網(wǎng)測量完成后，自動進行平差計算，并將測站點坐標數(shù)據(jù)傳給變形點監(jiān)測軟件，所有數(shù)據(jù)的儲存和處理都在數(shù)據(jù)庫內(nèi)進行，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫連接。
（3）系統(tǒng)在控制網(wǎng)平差計算中采用加尺度參數(shù)解算，在變形點坐標解算中采用多重差分技術(shù)，可以最大限度地消除或減弱多種誤差因素，從而大幅度地提高測量結(jié)果的精度，并簡化了氣象等附加設(shè)備，實現(xiàn)系統(tǒng)在計算機控制下的全自動、高精度實時監(jiān)測。
（4）系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、報表輸出、變形量的曲線圖形顯示功能，為監(jiān)測工程提供了多種數(shù)據(jù)資料。
（5）系統(tǒng)采用了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、控制與管理技術(shù)，為遠程監(jiān)控管理和系統(tǒng)維護提供了方便，并降低運行成本。
測量機器人網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)集自動測量技術(shù)、串口通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、遠程監(jiān)控等為一體，以其自動化、高精度的技術(shù)優(yōu)勢，將在越來越多的變形監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
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