自動變形監(jiān)測系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

貴慧宏,張 錦

(太原理工大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)系,山西 太原 030024)

自動變形監(jiān)測系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

貴慧宏,張 錦

(太原理工大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)系,山西 太原 030024)

指出自動變形監(jiān)測系統(tǒng)引入集成數(shù)據(jù)庫技術(shù)的必要性。從自動變形監(jiān)測系統(tǒng)的組成、軟件功能設(shè)計以及實(shí)現(xiàn)過程等方面,分析集成監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu),并采用E-R建模方法構(gòu)建其概念模型。使用Power Designer軟件將概念模型自動轉(zhuǎn)化為物理模型并生成SQL腳本文件,滿足自動變形監(jiān)測的應(yīng)用需求。

變形監(jiān)測;傳感器;測量機(jī)器人;ER模型

目前,測量機(jī)器人[1]、GPS等技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測領(lǐng)域。測量機(jī)器人的自動目標(biāo)識別、自動照準(zhǔn)、讀數(shù)等功能以及 GPS全天候、實(shí)時、無需通視的作業(yè)特點(diǎn)不僅降低了工作強(qiáng)度、提高了作業(yè)效率,還為變形監(jiān)測實(shí)現(xiàn)自動化奠定了基礎(chǔ)。借助于計算機(jī)和通信技術(shù)構(gòu)建實(shí)時連續(xù)的自動變形監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)代變形監(jiān)測工作的重要內(nèi)容。近年來,國內(nèi)外以測量機(jī)器人和 GPS技術(shù)為基礎(chǔ),對變形監(jiān)測的自動化實(shí)現(xiàn)相繼展開研究,并取得了一定成果。國內(nèi)的主要有武漢大學(xué)測繪學(xué)院的 Geo_ADMOS、解放軍信息工程大學(xué)測繪學(xué)院的ADM S自動變形監(jiān)測系統(tǒng)[2],主要實(shí)現(xiàn)了測量機(jī)器人的自動測量;國外的有瑞士徠卡公司的 GeoMoS自動監(jiān)測系統(tǒng)[3]、加拿大新布倫瑞克大學(xué)的D IMONS監(jiān)測系統(tǒng)[4-5]等,在實(shí)現(xiàn)自動測量的基礎(chǔ)上允許接入多種類型傳感器并實(shí)現(xiàn)協(xié)同作業(yè)。其中,GeoMoS自動監(jiān)測系統(tǒng)主要分為Monitor和Analyzer[6]。Monitor可連接入氣象、傾斜等多種傳感器,而且可通過TCP/IP方式獲取 Spider參考站軟件[7]的 GPS自動解算成果,并將監(jiān)測成果存入服務(wù)器;而Analyzer可以通過訪問服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢和分析。

隨著監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展,傳感器類型的增多、監(jiān)測區(qū)域和監(jiān)測領(lǐng)域的擴(kuò)大必將成為監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢。隨之產(chǎn)生的就是數(shù)據(jù)類別增多和數(shù)據(jù)量增大問題;舊有的以文件方式管理數(shù)據(jù)的方法必然會嚴(yán)重影響監(jiān)測系統(tǒng)的作業(yè)效率。而數(shù)據(jù)庫技術(shù)以其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、獨(dú)立性高、共享性高、冗余度低等特點(diǎn)能夠很好地解決這一問題。此外,結(jié)合變形區(qū)域的現(xiàn)有數(shù)據(jù)(如遙感影像、常規(guī)測量成果等)綜合分析監(jiān)測數(shù)據(jù)以獲取監(jiān)測對象的變形量及其誘因也是變形監(jiān)測的重要內(nèi)容。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就必須正確高效地使用和管理多源數(shù)據(jù),這也需要數(shù)據(jù)庫技術(shù)的支持。由此可見,系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計是監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建的必要環(huán)節(jié)。本文通過對自動變形監(jiān)測系統(tǒng)的組成、軟件功能設(shè)計以及實(shí)現(xiàn)過程中需關(guān)注問題的分析,完成了自動變形監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和實(shí)現(xiàn),并在運(yùn)行中取得了良好的效果。

1 系統(tǒng)組成

變形監(jiān)測的主要內(nèi)容是對變形體的關(guān)鍵部位或重要構(gòu)筑物,進(jìn)行反復(fù)周期性觀測獲取其變形量。而自動變形監(jiān)測指利用監(jiān)測中心端的監(jiān)測軟件通過指定的通訊方式向傳感器發(fā)送觀測指令,傳感器完成作業(yè)后以相同方式將獲取的數(shù)據(jù)傳送回監(jiān)測中心,由監(jiān)測軟件存入數(shù)據(jù)庫并完成解算。因此,可以將自動變形監(jiān)測系統(tǒng)分為傳感器、通訊鏈路和軟件系統(tǒng)三部分(見圖1)。軟件系統(tǒng)與傳感器之間的通訊鏈路由電纜、Modem、LAN、WAN、GSM 或無線電等方式建立[8]。本文中將系統(tǒng)中具有協(xié)作關(guān)系的傳感器以節(jié)點(diǎn)方式綁定,方便傳感器管理和監(jiān)測數(shù)據(jù)解算分析。下面以圖1中的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2為例,描述節(jié)點(diǎn)內(nèi)傳感器的協(xié)作過程。

圖1 自動變形監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1)節(jié)點(diǎn)1(測量機(jī)器人、GPS和氣象傳感器):測量機(jī)器人、GPS和氣象傳感器協(xié)同作業(yè)是變形監(jiān)測中最常見的作業(yè)模式。在這一模式下,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由基準(zhǔn)點(diǎn)、測站點(diǎn)和目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)組成?；鶞?zhǔn)點(diǎn)提供變形監(jiān)測基準(zhǔn),監(jiān)測測站點(diǎn)和后視點(diǎn)的位置變化;測站點(diǎn)用于安置測量機(jī)器人,目標(biāo)點(diǎn)則安裝監(jiān)測棱鏡。GPS可布設(shè)于測站點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn),而氣象傳感器則可以具體情況安裝在變形區(qū)域內(nèi),一般安置于測站點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)。通過定期在測站點(diǎn)安置 GPS或設(shè)置偏心觀測站,可更新測量機(jī)器人測站點(diǎn)位置。該模式下目標(biāo)棱鏡點(diǎn)的空間位置可由 GPS獲取的最新測站坐標(biāo)、測量機(jī)器人獲取的角度距離以及氣象傳感器獲取的溫度氣壓等綜合解算求得。

2)節(jié)點(diǎn)2(GPS和傾斜傳感器):傾斜傳感器、位移傳感器等傳感器僅能獲取變形的相對量,而 GPS可以獲取目標(biāo)點(diǎn)的絕對位置。因此,通過協(xié)作就能夠獲取目標(biāo)點(diǎn)的絕對變形量,適用于一些構(gòu)筑物的監(jiān)測,如橋梁、高層建筑等。

通過對節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2的描述可知,不同類型傳感器(Sensors)所作用的目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)(Targets)數(shù)各不相同,如測量機(jī)器人的目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)可根據(jù)監(jiān)測需求增減,而傾斜傳感器只能作用于單個目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)。而節(jié)點(diǎn)(Nodes)是由相互間存在協(xié)作關(guān)系的傳感器通過綁定(Node Item s)構(gòu)成。因此,目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)的解算方法(ResultExs)由作用于它的傳感器所在節(jié)點(diǎn)的類型(NodeTypes)決定。至于傳感器的通訊方式及其設(shè)置參數(shù)(ComuParam s)可作為屬性保存。具體E-R模型如圖2所示。

圖2 ER模型(略去實(shí)體的屬性對象)

2 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測過程的實(shí)時、連續(xù)、高效和自動化是自動變形監(jiān)測系統(tǒng)的總體目標(biāo)。因此,作為系統(tǒng)重要組成部分的監(jiān)測軟件,首先,必須能夠連接各類傳感器并接收、存儲其監(jiān)測數(shù)據(jù)。

GPS作為自動變形監(jiān)測的主要手段,要實(shí)現(xiàn)實(shí)時自動化作業(yè),軟件系統(tǒng)就必須具備自動接收和解算 GPS數(shù)據(jù)的能力;而 GPS數(shù)據(jù)的自動接收和解算主要包括通信鏈路的創(chuàng)建與管理、數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換與存儲、數(shù)據(jù)預(yù)處理、基線解算、平差計算和坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換等,比較復(fù)雜。因此,系統(tǒng)只存儲 GPS自動解算軟件處理后的目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)的空間坐標(biāo)。而其他測量傳感器的數(shù)據(jù)格式相對簡單,由系統(tǒng)直接處理和存儲。下面簡要介紹幾種常用測量傳感器的數(shù)據(jù)類型。測縫計是一種用來測量變形體表面、內(nèi)部裂縫開合度的傳感器,主要獲取裂縫的水平張開位移、水平錯動位移和垂直錯動位移[9];位移傳感器,又稱為線性傳感器,用于測定目標(biāo)點(diǎn)的空間位置變化量,其數(shù)據(jù)類型為橫向、縱向和高程方向上的位置變化量;傾角傳感器,顧名思議,是用于測量相對于水平面的傾角變化量的,其數(shù)據(jù)類型為角度。而氣象傳感器作為測量機(jī)器人的輔助傳感器,測量的物理量為氣壓、溫度、濕度等,用于計算氣象改正參數(shù),以提高測量機(jī)器人的觀測精度。

測量機(jī)器人作為自動變形監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),其作業(yè)流程如圖3所示。新建測站點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn),并通過創(chuàng)建點(diǎn)組的方式對其進(jìn)行組織管理;初始化全站儀,主要包括設(shè)置計算機(jī)與儀器之間的通訊參數(shù),如通訊接口、波特率、奇偶校驗等;為各點(diǎn)組新建測量周期,包括自動測量的起止時間、測量頻率等,并設(shè)置限差;執(zhí)行自動測量,主要指測量機(jī)器人自動觀測,并判斷觀測結(jié)果是否超限的過程;最后,對未超限的觀測結(jié)果進(jìn)行存儲和解算及預(yù)警預(yù)報。

圖3 測量機(jī)器人自動作業(yè)流程

綜上所述,自動變形監(jiān)測軟件可以分為系統(tǒng)初始化、點(diǎn)與點(diǎn)組創(chuàng)建、傳感器管理、自動測量和數(shù)據(jù)模型解算5個功能模塊。

1)系統(tǒng)初始化:主要包括限差和系統(tǒng)參數(shù)(Database Info)設(shè)置,如氣壓、溫度、角度和距離單位等。限差包括測量限差(M easureLim its)和預(yù)警限差(A larm Limits)。測量限差指對測量機(jī)器人測量成果的檢校,如2C互差、指標(biāo)差等;預(yù)警限差用于確定變形量多大時發(fā)送警報。

2)點(diǎn)與點(diǎn)組創(chuàng)建:在該模塊中既可直接通過輸入空間坐標(biāo)定義點(diǎn)(Targets),也可以利用測量機(jī)器人學(xué)習(xí)返回的坐標(biāo)創(chuàng)建點(diǎn)。而點(diǎn)組(TargetCollections)的主要功能是組織點(diǎn),方便測量機(jī)器人測量周期的設(shè)置。根據(jù)點(diǎn)組類型(Collection Type)的不同,點(diǎn)組在自動測量過程中優(yōu)先級也不同。當(dāng)不同類型點(diǎn)組的觀測周期沖突時,級別高的點(diǎn)組優(yōu)先測量。

3)傳感器管理:包括傳感器(測量機(jī)器人 -TPSSenso rs,其他傳感器-OtherSenso rs)的通訊方式和參數(shù)設(shè)置、節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建及其與傳感器的綁定。此外,還應(yīng)包括為各傳感器指定空間位置點(diǎn)。

4)自動測量:為各傳感器自動作業(yè)設(shè)置周期(Cycles),主要包括起止時間和觀測間隔。針對測量機(jī)器人還包括單/雙面觀測、觀測次序(順/逆時鐘或自定義順序)、測量方法(極坐標(biāo)或方向觀測法)等方面的設(shè)置。

5)數(shù)據(jù)模型解算:指將傳感器的直接測量結(jié)果按照指定的解算方法(ResultExs)計算出最終成果(Results)。這里需要強(qiáng)調(diào)的是,在本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中GPS直接保存其空間坐標(biāo)不涉及原始觀測數(shù)據(jù);測量機(jī)器人的直接觀測結(jié)果則單獨(dú)存儲在一個表中(TPSM easurements)。而其他傳感器的直接觀測數(shù)據(jù)都保存于表OtherObservations中,在數(shù)據(jù)分析解算時系統(tǒng)按照記錄類別(Senso r_Type)字段辨別。

此外,自動變形監(jiān)測系統(tǒng)中要求記錄自動測量過程中所有操作(Actions)和反饋信息(Feedbacks)。系統(tǒng)為每個測量機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)賦予4種坐標(biāo)(Locations),分別為當(dāng)前坐標(biāo)、基準(zhǔn)坐標(biāo)、掃描坐標(biāo)和參考坐標(biāo),并設(shè)定其更新規(guī)則,以便準(zhǔn)確識別目標(biāo)點(diǎn)。從變形分析的角度,為了便于用戶查看變形體某一方向的偏移量,設(shè)置剖面(Profiles),剖面的角度即用戶所關(guān)心的變形方向,如大壩監(jiān)測中的壩體走向等。

綜上所述,設(shè)計了圖4的支持自動變形監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu),并采用 E-R模型列出了主要實(shí)體和關(guān)系。

圖4 ER模型(略去實(shí)體的屬性對象)

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫概念模式的設(shè)計過程中,遵照關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化理論,保證大部分的表格的設(shè)計達(dá)到3NF標(biāo)準(zhǔn),盡量減少數(shù)據(jù)的冗余和確保數(shù)據(jù)的一致性;同時也從數(shù)據(jù)庫的實(shí)用方面考慮,允許部分?jǐn)?shù)據(jù)表存在冗余。在概念模式完成后,使用Powersoft公司的S-DESIGNER12作為開發(fā)工具,將概念模式自動轉(zhuǎn)化為物理模式,并生成SQL腳本文件;在SQL Server數(shù)據(jù)庫查詢分析器中運(yùn)行該文件,實(shí)現(xiàn)自動變形監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建。SQL腳本文件中創(chuàng)建坐標(biāo)(Locations)表的代碼如下:

通過上述方式,在數(shù)據(jù)庫中總共生成了25個分別用于存儲工程、測量傳感器觀測、通訊、自動作業(yè)的基本參數(shù)表,觀測和解算結(jié)果及預(yù)警數(shù)據(jù)等信息;此外,創(chuàng)建了目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)、測量成果和解算成果3個視圖以提高數(shù)據(jù)查詢分析效率。基于該數(shù)據(jù)庫,研發(fā)了實(shí)時自動化監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)(見圖5),實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集、解算、分析和預(yù)警預(yù)報,目前,已完成在露天礦區(qū)沉降監(jiān)測應(yīng)用中的測試,取得較好效果。借助于數(shù)據(jù)庫技術(shù),該系統(tǒng)不僅保證了數(shù)據(jù)的安全性和高效管理,同時也為數(shù)據(jù)共享和集成分析提供了基礎(chǔ)。圖6、圖7分別為項目數(shù)據(jù)的成果導(dǎo)出和圖表分析模塊。

圖5 實(shí)時自動化監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)

4 結(jié)束語

不斷增長的需求和監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展使得構(gòu)建集成監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和基于集成監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的自動化監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。本文所設(shè)計的集成監(jiān)測數(shù)據(jù)庫模型具備支持連續(xù)、實(shí)時和兼容多種監(jiān)測傳感器等的自動變形監(jiān)測系統(tǒng),在實(shí)現(xiàn)過程中采用了S-DESIGNER12數(shù)據(jù)庫設(shè)計軟件,最大程度保證了數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的可用性。該數(shù)據(jù)庫模型已應(yīng)用于自主開發(fā)的變形監(jiān)測軟件,在監(jiān)測工作過程中取得了良好效果,對自動變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件的研制具有一定的參考價值。

[1]張正祿.測量機(jī)器人介紹[J].測繪通報,2001(5):17.

[2]徠卡自動全站儀監(jiān)測應(yīng)用專輯[Z].徠卡測量系統(tǒng)有限公司(香港),2001.

[3]袁成忠.智能型全站儀自動測量系統(tǒng)集成技術(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2007.

[4]JAM ESLU TES,ADAM CHRZANOWSKI,GEOFFREY BASTIN,et al.Dimons software fo r automatic data collection and automatic defo rmation analysis[A].The 10th FIG International Symposium on Deformation Measurements[C],2001,101-109.

[5]RICK W IL KINS,GEOFFREY BASTIN,ADAM CHRZANOWSKI.A lert:a fully automated disp lacement monitoring system[CD].Calgary:the CAM I 2003 Conference,2003.9.

[6]GeoMoS幫助文檔[Z].徠卡測量系統(tǒng)有限公司,2007.

[7]J.VAN CRANENBROECK,L.TROYER.Leica GPS Spider for Deformation Monitoring[OL].http://www.leica-geosystem s.com.

[8]KARL SIPPEL.Modern monitoring system software development[A].The 10th FIG International Symposium on Defo rmation Measurements[C].2001:88-100.

[9]方緒順,霍家平.整體式 TS型三向測縫計構(gòu)造及精度分析[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2008,32(4):48-51.

Design and implementation of integrated datebase in automatic deformation monitoring system

GU IHui-hong,ZHANG Jin
(Surveying Science and Technology Department,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

Point out the necessity of adop ting integrated database technology in the automatic deformation monitoring system.Based on the system’sarchitecture and the design and realizing p rocessof software,analyze the database’s structure of automatic defo rmation monito ring system and build its concep tual model w ith ER(Entity-Relationship)modeling method.Then translate themodel to physical datamodel and generate an SQL scrip t file by using Pow er Desigher software to meet the app lication requirementsof automatic defo rmation monito ring.

deformation monitoring;sensor;georobot;ER model

P208

A

1006-7949(2010)01-0053-05

2009-02-05

山西省自然科學(xué)基金自主項目資助(2007011052)

貴慧宏(1984-),男,碩士研究生.

[責(zé)任編輯劉文霞]