自動監測網絡系統在地鐵結構監測中的應用
衛建東
測量機器人具有的自動尋找目標，自動精確照準功能，使其在結構物外部變形監測方面擁有極大的優勢和應用前景。它的出現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代通信技術與計算機連接起來，利用計算機軟件實現數據的采集、處理和報表輸出，實現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，利用多重實時差分技術，已在大壩、橋梁、隧道等工程得到很好的應用。但利用實時差分技術的單臺極坐標測量系統除要求基準點穩定外，還要求測站點是穩定。這對變形區域較大，通視條件較差，測量環境狹窄的地鐵隧道來說，顯然其應用受到限制。當然，如果測站點是不穩定的，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解算變形點的坐標。由多臺測量機器人組成的網絡監測系統，可以通過組網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據進行差分處理，解算出各變形點的坐標及變形量。
1系統的硬件組成
測量機器人網絡監測系統的硬件部分包括測量機器人、棱鏡連接器、目標棱鏡、信號通信設備與電源箱、計算機、網絡設備等組成。
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
在測量機器人網絡監測系統中，為獲取測站儀器中心（全站儀旋轉中心）坐標而進行的組網測量中，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，全站儀的轉動實現棱鏡的轉向，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中心垂線一致。見圖1全站儀手柄上所示。
1.3信號通信設備與電源箱
信號通信設備與電源箱包括：通信電纜、供電電纜、RS422接口轉換器、電源箱。
RS422接口轉換器實現RS232到RS422通信方式的轉換，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來的測量數據，對各站測量數據進行同一處理計算。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的一臺全站儀。
1.5網絡設備
網絡設備由網絡交換機和網線組成，主控計算機通過網絡設備實現與分控計算機連接與數據的傳輸。
1.6目標棱鏡
目標棱鏡設置在基準點和變形點上。基準點是結構變形監測的基準，因此他們分布在離變形區較遠的地方，以保證其穩定。變形點選在變形體的敏感部分，能夠反應變形體的變化。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系統硬件組成各部分控制連接關系
整個監測系統硬件各部分之間的連接控制關系，見圖2所示。遠程監控計算機通過因特網控制主控計算機，主控計算機通過網絡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與測量機器人相連。
該系統能夠連接的全站儀數量可以超過10臺。
2 系統的軟件構成
系統軟件包括控制網測量軟件和變形點監測軟件兩大部分。
2.1控制網測量軟件
控制網測量軟件用來獲取各測站點實時坐標數據，即所謂的動態基準測量。當全站儀測站點位于變形區域，為及時得到測站點的位置信息，將測站點納入控制網中，控制網的已知點位于變形區域外，也是變形控制網中的基準點。由于在控制網自動測量過程中，測站本身又是其它測站點的鏡站，因此，要協調各測站以保證測站與鏡站之間的相互配合。控制網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，根據流程依次向各分控機發操作指令，并接收分控機返回的提示信息、測量數據等，根據返回的信息做相應的處理。測量數據的數據庫管理、控制網的平差計算在主控機內完成。所有測量人員的測量意圖的設置都是在主控機軟件里進行。
分控機軟件主要是執行主控機發來的指令，并根據主控機的指令，向測量機器人發操作指令，并接收測量機器人返回的信息、數據，將這些信息、數據分析處理后發給主控機。分控機軟件在整個系統中擔當中轉站的角色。分控機軟件中人機交互只有設置端口號一項內容，所有對全站儀的操作指令封裝在分控機軟件中。
控制網測量軟件在功能上主要有以下特點：根據距離及棱鏡布設情況自動進行大小視場的切換；依據布設的網形，站與站之間的觀測關系，對測站點的觀測方向點可分組設置；采用局域網技術進行數據的通信，每臺儀器動作信息實時顯示到主控機，并具有網絡斷開的自動判斷功能；為滿足各種測量等級和運營環境的需要，具有各項測量限差、時間延遲、重試次數、坐標修正的設置功能；考慮到地鐵內局部范圍內氣象一致性，在平差計算中，采用加尺度參數解算，避免了氣象參數的測定。
控制網測量軟件將整個系統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，在該局域網中，主控機相當于客戶機，各分控機相當于服務器。因此，該局域網客戶機與服務器的連接關系為一臺客戶機對多臺服務器，采用TCP/IP網絡通信協議。各分控機與其控制TCA全站儀之間組成分局域網，采用串口通信，在該局域網中，分控機相當于客戶機，TCA全站儀相當于服務器，是一對一的關系。
2.2變形點監測軟件
變形點監測軟件包括各分控機上安裝的監測軟件和主控機上安裝的數據庫管理軟件兩部分。
分控機上的監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，并將測量的結果寫入主控機上的管理數據庫中。該軟件繼承了單臺測量機器人變形監測軟件ADMS的大部分功能，并根據網絡監測系統需要，對數據庫進行了優化。另外，在隧道環境中的變形監測，如果需要監測的變形點較多，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
數據庫管理軟件用來管理各分控機寫來的數據，將這些數據通過多重差分技術，求解各變形點的變化量，并將這些變形數據曲線圖形顯示和各點變形量報表輸出。
3 系統在地鐵結構變形監測中的應用實例
廣州地鐵某地鐵站上方進行房產的開發，需挖掘沿地鐵站兩側長約
該系統采用了六臺Leica生產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。
基準點與測站點構成控制網來測定各測站的實時坐標的變化。圖3所示為動態基準測量控制網的布設形式，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，基準點與測站點構成無定向三維導線網。
在整個變形區域內，沿上、下行線各布設21個監測斷面，其中盾構區每個斷面設置5個變形點，站臺區、沉管區每個斷面設置4個變形點，每個斷面上變形點的分布如圖4所示。圖5為下行線盾構區變形點分布實景圖，圖中的亮點為變形點上的棱鏡。
測量機器人地鐵結構自動化網絡監測系統的控制中心設在負一層的環控機房內，主要放置了一臺主控計算機和六臺分控機，是整個監測系統的中樞部分。分控計算機到全站儀的通訊距離最大超過
目前，系統已運行3個月，整個系統運行正常，共獲得200多個周期監測數據。從已得到的數據看，測量精度達到理想結果，完全滿足地鐵結構變形監測的要求。
4 系統的應用前景
測量機器人網絡監測系統繼承了單臺測量機器人監測系統的優勢，拓寬了單臺測量機器人監測系統的應用領域，能夠滿足較大變形區域的自動監測，尤其對地鐵結構的自動監測。主要優勢有以下幾點：
（1）系統實現了控制網測量自動化、變形點監測自動化。在列車運行條件下，實現全天24小時連續地自動監測，克服了傳統測量方法的不足，節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）系統將控制網測量、變形點監測組織為一個整體，協調工作，控制網測量完成后，自動進行平差計算，并將測站點坐標數據傳給變形點監測軟件，所有數據的儲存和處理都在數據庫內進行，實現了數據的無縫連接。
（3）系統在控制網平差計算中采用加尺度參數解算，在變形點坐標解算中采用多重差分技術，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果的精度，并簡化了氣象等附加設備，實現系統在計算機控制下的全自動、高精度實時監測。
（4）系統的實時數據處理、數據分析、報表輸出、變形量的曲線圖形顯示功能，為監測工程提供了多種數據資料。
（5）系統采用了網絡數據傳輸、控制與管理技術，為遠程監控管理和系統維護提供了方便，并降低運行成本。
測量機器人網絡監測系統集自動測量技術、串口通信技術、網絡通訊技術、遠程監控等為一體，以其自動化、高精度的技術優勢，將在越來越多的變形監測領域得到廣泛應用。
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