论文部分内容阅读
摘要：自动化监测是当前工程施工监测的重要手段，一般自动化监测与常规监测相接合，可以保证监测数据的持续连贯性、准确性。可广泛应用于建（构）筑物变形监测、大坝监测、铁路隧道监测等领域。
关键词：自动化监测；测量机器人；地铁隧道；应用
自动化监测是当前工程施工监测的重要手段，一般自动化监测与常规监测相接合，可以保证监测数据的持续连贯性、准确性。同时，自动化监测成果具有即时性，尤其是需要监测的区域累计变形量较大，或出现监测数据异常，特殊地段常规监测又无法立即实施时，其优越性非常明显。可广泛应用于建（构）筑物变形监测、大坝监测、铁路隧道监测等领域。
一、自动化监测的特点
（1）在无人值守的情况下，测量机器人可以实现全天 24小时自动监测，节约了大量的人力、物力。
（2）采用实时差分式测量方案，可以最大限度地消除或减弱多种测量误差因素，从而大幅度地提高测量结果的精度，监测点位三维精度可优于1 毫米。
（3）监测系统在计算机控制下实现全自动变形监测，保证了监测系统的稳定、可靠。
（4）实时进行数据处理、数据分析、报表输出及提供图形等。
（5）远程控制，自动报警。
二、自动化监测的要求
（1）自动化监测应遵循现行《建筑物变形测量规范》、《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》、《工程测量规范》等国家、行业和地方相关规定、要求。
（2）变形监测应以工程安全监测为主，根据现场情况选取重要部位布设监测点和安装监测设备，建立24小时连续监测自动化监测系统。
（3）自动化监测系统应同时配备系统维护和监测技术人员，以保障监测系统24小时正常运行并及时向有关部门提供监测状态信息。
（4）为确保监测技术人员的安全及工程施工安全，监测系统需做到全自动、现场无人值守。
（5）自动化监测系统应做到远程监控管理、自动预报变形的功能。
（6）变形监测点的点位中误差应小于1毫米，其中，。
三、自动化监测系统组成
系统主要硬件设备包括：全自动电子全站仪（以下简称为测量机器人）、基準点棱镜、监测点棱镜、传感器、计算机、网络通讯设备等，主要控制设备为计算机。
（1）测量机器人：为监测系统的主要监测设备，该仪器是一种能代替人工进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。因其具有自动目标识别（ATR）功能，可以自动精确瞄准棱镜，并能够制订测量计划、控制测量过程、进行测量数据处理与分析的软件系统相接合，完全可以代替人完成现场测量任务，同时还具有全自动、遥测、实时、动态、精确、快速等诸多优点。
（2）棱镜：是测量机器人自动识别的主要目标，因此在参考点、变形监测点上都应配备配套的棱镜，参考点上采用大棱镜，变形监测点上采用小棱镜。
（3）网络通讯设备：IMC-1000智能终端网络通讯设备，集本地与云平台两种数据存储方式，系统能自主运行，任意电脑均可接收服务，已集成3G通讯。
（4）现场计算机控制：系统调试、控制测量机器人的工作，监测数据采集及初处理。
（5）远程计算机控制：远程控制测量机器人，监测信息的发布及管理，系统的远程维护。
（6）测量机器人专用电源：测量机器人对电源要求较高，因此需要配备稳定可靠的工作电源。
自动化变形实时监测系统软件通过有线或者无线的方式控制仪器，在仪器和监测点通视的情况下能对安放在目标设施上的监测点进行实时三维坐标解算，近距离经过差分后可以达到亚毫米级精度。
极坐标差分处理的基本原理是：每一个测量周期均按极坐标的方法测量基准点和变形测点的斜距、水平角和垂直角，将基准点的测量值与其基准值（基准网的测量值）相比，求得差值，这一差值可以认为是受大气压力、温度及仪器等各种因素影响的结果。自动化测量可以在短时间内完成一个周期的测量，可以认为这些因素对基准点和变形点的影响是相同的，可以把基准点的差异加到变形点的观测值上进行差分处理，计算变形点的三维位移量。由于观测条件相同，利用基准点所提供的改正数可以消除共同误差，大幅度提高变形监测精度。用差分处理改正前后的各点的精度大为提高，尤其是高程（z）的精度受气象和垂直折光的影响比较大，使用差分处理得到了很好的改正。
【自动监测系统工作示意图】
自动化变形实时监测系统具有用户权限设置、自动测量设置、观测数据记录、自动报警、图形实时显示等功能。以自动化变形实时监测系统为核心构成的变形监测网中的每个监测站所监测的数据可以通过光纤电缆、电台、无线模块设备等传到控制中心，控制中心的自动化实时监测系统软件根据每个监测站对应的IP地址和端口号，获得每个监测站的实时数据流，从而对这些实时数据进行实时差分解算，得到各个监测点的改正三维坐标值，并存入数据库。
四、自动化监测精度估算
按极坐标公式求各变形点的三维坐标计算公式为：
极坐标差分三维坐标测量的精度估算公式：
当距离为100米时，选取角度测量精度为±0.5″、距离测量精度为±0.2mm，可估算出精度平面点位精度约0.3mm，高程精度与差分距离有关，据现场情况和有关资料可推算高程精度约为0.1mm。实际变形监测点距离都较近 （下转第页）
（上接第页）小于100米，以上精度有较大富余，完全可以满足工程施工变形监测的要求。
五、自动化监测应用实施
以IMS自动化安全监测系统为例，监测系统能实时解算基准站至各后视控制点的变化量，并对基准站位置进行实时改正，从而保证了自动化监测的相对精度；监测数据采集采用测量机器人进行观测。
将测量机器人安置在监测对象（建筑物、隧道、大坝等）的强制对中托盘架上，现场通过变压稳压设备对其进行不间断供电，或保证对其本身的长效供电电池充电，全站仪数据通过CDMA模块传输到数据中心（办公室），同时将监测指令传输到采集设备（全站仪）。实现远程自动的变形监测。
自动化监测步骤：
（1）观测仪器采用机器人全站仪，目标自动识别与马达驱动功能可自动精瞄固定棱镜或自动跟踪移动目标，施测更迅速便利，即使在弱光的环境下（尤其在地铁隧道里光线较差），仪器也能正常工作，记录采用仪器自动记录，平差采用计算机自动平差，避免人为误差。
（2）观测时测站点先与控制基标连测取得坐标值，然后以测站点作为基准点，监测区域两端最远断面大于30米范围外各布设2个后视控制基标，全站仪固定在基准站，照准一后视控制基标定向测距，建立监测坐标系，再以极坐标法分别测量其余控制基标（可校核）及监测点坐标作为自动化监测初始值。
（3）初始值采集完成后，再在计算机自动化变形实时监测系统配置软件中设置监测时间、监测频率，即完成自动化监测的初始设置。测量机器人在设定的时间将会对所有监测点及控制基标依次进行测量。监测过程中也可根据施工进度情况，对全站仪机器人进行远程控制监测。
自动化监测系统优点如下：
（1）自动化监测中建立相对稳定的控制基标，采用自由设站测量的方法，通过拟稳平差等手段，实时处理改正，保证了测量精度。
（2）在无人值守的情况下，实时进行数据采集、数据处理。可以实现全天候24小时连续地自动监测，节约了大量的人力、物力。
（3）在短时间内同时求得被测点位的三维坐标，可对每个监测点作全方位的位移变形预报。
（4）按照信息安全的要求，可通过对接入系统的多个网络用户进行权限设置，根据不同的用户级别发布对应的监测数据。
关键词：自动化监测；测量机器人；地铁隧道；应用
自动化监测是当前工程施工监测的重要手段，一般自动化监测与常规监测相接合，可以保证监测数据的持续连贯性、准确性。同时，自动化监测成果具有即时性，尤其是需要监测的区域累计变形量较大，或出现监测数据异常，特殊地段常规监测又无法立即实施时，其优越性非常明显。可广泛应用于建（构）筑物变形监测、大坝监测、铁路隧道监测等领域。
一、自动化监测的特点
（1）在无人值守的情况下，测量机器人可以实现全天 24小时自动监测，节约了大量的人力、物力。
（2）采用实时差分式测量方案，可以最大限度地消除或减弱多种测量误差因素，从而大幅度地提高测量结果的精度，监测点位三维精度可优于1 毫米。
（3）监测系统在计算机控制下实现全自动变形监测，保证了监测系统的稳定、可靠。
（4）实时进行数据处理、数据分析、报表输出及提供图形等。
（5）远程控制，自动报警。
二、自动化监测的要求
（1）自动化监测应遵循现行《建筑物变形测量规范》、《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》、《工程测量规范》等国家、行业和地方相关规定、要求。
（2）变形监测应以工程安全监测为主，根据现场情况选取重要部位布设监测点和安装监测设备，建立24小时连续监测自动化监测系统。
（3）自动化监测系统应同时配备系统维护和监测技术人员，以保障监测系统24小时正常运行并及时向有关部门提供监测状态信息。
（4）为确保监测技术人员的安全及工程施工安全，监测系统需做到全自动、现场无人值守。
（5）自动化监测系统应做到远程监控管理、自动预报变形的功能。
（6）变形监测点的点位中误差应小于1毫米，其中，。
三、自动化监测系统组成
系统主要硬件设备包括：全自动电子全站仪（以下简称为测量机器人）、基準点棱镜、监测点棱镜、传感器、计算机、网络通讯设备等，主要控制设备为计算机。
（1）测量机器人：为监测系统的主要监测设备，该仪器是一种能代替人工进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。因其具有自动目标识别（ATR）功能，可以自动精确瞄准棱镜，并能够制订测量计划、控制测量过程、进行测量数据处理与分析的软件系统相接合，完全可以代替人完成现场测量任务，同时还具有全自动、遥测、实时、动态、精确、快速等诸多优点。
（2）棱镜：是测量机器人自动识别的主要目标，因此在参考点、变形监测点上都应配备配套的棱镜，参考点上采用大棱镜，变形监测点上采用小棱镜。
（3）网络通讯设备：IMC-1000智能终端网络通讯设备，集本地与云平台两种数据存储方式，系统能自主运行，任意电脑均可接收服务，已集成3G通讯。
（4）现场计算机控制：系统调试、控制测量机器人的工作，监测数据采集及初处理。
（5）远程计算机控制：远程控制测量机器人，监测信息的发布及管理，系统的远程维护。
（6）测量机器人专用电源：测量机器人对电源要求较高，因此需要配备稳定可靠的工作电源。
自动化变形实时监测系统软件通过有线或者无线的方式控制仪器，在仪器和监测点通视的情况下能对安放在目标设施上的监测点进行实时三维坐标解算，近距离经过差分后可以达到亚毫米级精度。
极坐标差分处理的基本原理是：每一个测量周期均按极坐标的方法测量基准点和变形测点的斜距、水平角和垂直角，将基准点的测量值与其基准值（基准网的测量值）相比，求得差值，这一差值可以认为是受大气压力、温度及仪器等各种因素影响的结果。自动化测量可以在短时间内完成一个周期的测量，可以认为这些因素对基准点和变形点的影响是相同的，可以把基准点的差异加到变形点的观测值上进行差分处理，计算变形点的三维位移量。由于观测条件相同，利用基准点所提供的改正数可以消除共同误差，大幅度提高变形监测精度。用差分处理改正前后的各点的精度大为提高，尤其是高程（z）的精度受气象和垂直折光的影响比较大，使用差分处理得到了很好的改正。
【自动监测系统工作示意图】
自动化变形实时监测系统具有用户权限设置、自动测量设置、观测数据记录、自动报警、图形实时显示等功能。以自动化变形实时监测系统为核心构成的变形监测网中的每个监测站所监测的数据可以通过光纤电缆、电台、无线模块设备等传到控制中心，控制中心的自动化实时监测系统软件根据每个监测站对应的IP地址和端口号，获得每个监测站的实时数据流，从而对这些实时数据进行实时差分解算，得到各个监测点的改正三维坐标值，并存入数据库。
四、自动化监测精度估算
按极坐标公式求各变形点的三维坐标计算公式为：
极坐标差分三维坐标测量的精度估算公式：
当距离为100米时，选取角度测量精度为±0.5″、距离测量精度为±0.2mm，可估算出精度平面点位精度约0.3mm，高程精度与差分距离有关，据现场情况和有关资料可推算高程精度约为0.1mm。实际变形监测点距离都较近 （下转第页）
（上接第页）小于100米，以上精度有较大富余，完全可以满足工程施工变形监测的要求。
五、自动化监测应用实施
以IMS自动化安全监测系统为例，监测系统能实时解算基准站至各后视控制点的变化量，并对基准站位置进行实时改正，从而保证了自动化监测的相对精度；监测数据采集采用测量机器人进行观测。
将测量机器人安置在监测对象（建筑物、隧道、大坝等）的强制对中托盘架上，现场通过变压稳压设备对其进行不间断供电，或保证对其本身的长效供电电池充电，全站仪数据通过CDMA模块传输到数据中心（办公室），同时将监测指令传输到采集设备（全站仪）。实现远程自动的变形监测。
自动化监测步骤：
（1）观测仪器采用机器人全站仪，目标自动识别与马达驱动功能可自动精瞄固定棱镜或自动跟踪移动目标，施测更迅速便利，即使在弱光的环境下（尤其在地铁隧道里光线较差），仪器也能正常工作，记录采用仪器自动记录，平差采用计算机自动平差，避免人为误差。
（2）观测时测站点先与控制基标连测取得坐标值，然后以测站点作为基准点，监测区域两端最远断面大于30米范围外各布设2个后视控制基标，全站仪固定在基准站，照准一后视控制基标定向测距，建立监测坐标系，再以极坐标法分别测量其余控制基标（可校核）及监测点坐标作为自动化监测初始值。
（3）初始值采集完成后，再在计算机自动化变形实时监测系统配置软件中设置监测时间、监测频率，即完成自动化监测的初始设置。测量机器人在设定的时间将会对所有监测点及控制基标依次进行测量。监测过程中也可根据施工进度情况，对全站仪机器人进行远程控制监测。
自动化监测系统优点如下：
（1）自动化监测中建立相对稳定的控制基标，采用自由设站测量的方法，通过拟稳平差等手段，实时处理改正，保证了测量精度。
（2）在无人值守的情况下，实时进行数据采集、数据处理。可以实现全天候24小时连续地自动监测，节约了大量的人力、物力。
（3）在短时间内同时求得被测点位的三维坐标，可对每个监测点作全方位的位移变形预报。
（4）按照信息安全的要求，可通过对接入系统的多个网络用户进行权限设置，根据不同的用户级别发布对应的监测数据。