測量機器人隧道施工自動變形監(jiān)測的實現(xiàn)

范 本，鄭繼強，朱坤奠

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院測繪工程系，四川 德陽 618000；2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，四川 德陽 618000；3.成都云隆科技有限公司，四川 成都 610045)

測量機器人隧道施工自動變形監(jiān)測的實現(xiàn)

范 本1，鄭繼強2，朱坤奠3

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院測繪工程系，四川 德陽 618000；2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，四川 德陽 618000；3.成都云隆科技有限公司，四川 成都 610045)

使用傳統(tǒng)測量儀器對隧道施工過程中隧道結(jié)構(gòu)體進行變形監(jiān)測時，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和預(yù)報過程相互獨立，很難及時反映隧道自身安全。為了解決這一問題，基于測量機器人的隧道自動變形監(jiān)測進行了研究與實現(xiàn)，介紹了以測量機器人為變形監(jiān)測儀器，通過光纖和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用VB編程語言和GeoCOM接口技術(shù)，采用SQL Sever數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)遠程控制測量機器人進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集和存儲，并由計算機自動進行數(shù)據(jù)分析處理、自動預(yù)警和報警，從而達到自動監(jiān)測隧道變形的目的，為隧道施工提供安全保障。從整個系統(tǒng)的硬件組成、軟件構(gòu)成及設(shè)計開發(fā)、成果處理及輸出等方面，分別進行了論述。提出的隧道施工自動變形監(jiān)測思路和方法，對隧道信息化施工中自動變形監(jiān)測具有積極的參考意義。

測量機器人；隧道施工；自動變形監(jiān)測

0 引言

隧道在建設(shè)過程中會發(fā)生沉降、偏移等變形，對于變形嚴重或變形監(jiān)測要求高的地段，如不進行自動的、實時的變形監(jiān)測，則很難及時發(fā)現(xiàn)險情。目前，國內(nèi)隧道變形監(jiān)測主要以測量機器人為儀器實現(xiàn)自動化，控制機器人所使用的軟件主要有在線控制軟件GeoMoS[1]、ADMS[2]和機載軟件[3]。這些軟件并不是專門針對隧道監(jiān)測開發(fā)的，不能體現(xiàn)隧道監(jiān)測的特點。

本文以測量機器人為監(jiān)測設(shè)備，根據(jù)隧道施工過程中監(jiān)測點布設(shè)要求及監(jiān)測特點，使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)遠程控制機器人，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動處理、數(shù)據(jù)報表和手機短信預(yù)警等功能，完成了隧道變形監(jiān)測各過程一體化操作工作。使基于測量機器人的自動變形監(jiān)測技術(shù)成為保障隧道建設(shè)安全的重要措施。

1 功能需求分析

隧道建設(shè)過程中工作量巨大，各道工序交織進行，工作環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜，需要對初期支護和二次襯砌后的隧道體的形變進行連續(xù)的監(jiān)測。變形監(jiān)測必須要快速、準(zhǔn)確地完成測量數(shù)據(jù)的采集和處理，隧道內(nèi)光線差、煙霧大、灰塵多等因素對變形監(jiān)測工作也有一定影響。據(jù)此分析，隧道建設(shè)中自動變形監(jiān)測應(yīng)該滿足以下幾點要求[4]：

1)自動化。對系統(tǒng)進行一些設(shè)置和給定監(jiān)測計劃后，儀器能夠進行全自動觀測，并對數(shù)據(jù)進行自動儲存。

2)智能化。實現(xiàn)自動變形監(jiān)測，系統(tǒng)必須具有一定的適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和處理問題的能力。

3)遠程控制監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，并實時傳輸。隧道內(nèi)環(huán)境差，對監(jiān)測者身體健康有一定影響，同時隧道施工監(jiān)測也有一定的危險性，因此要實現(xiàn)機器人的遠程控制。

4)數(shù)據(jù)處理。對采集到的原始數(shù)據(jù)按照設(shè)定的數(shù)據(jù)處理模型進行后處理，去除測量過程中引入的誤差，得到最符合實際變形的數(shù)據(jù)。

5)數(shù)據(jù)存儲和管理。對自動采集的大量原始觀測數(shù)據(jù)進行存儲和管理，并能夠?qū)?shù)據(jù)進行查詢和分析。

6)多樣格式的成果輸出。成果多格式自動報表輸出，便于存檔和向有關(guān)部門提交資料。

7)自動實時預(yù)警、報警。根據(jù)設(shè)定的限差實時預(yù)警、報警，能通過短信等形式發(fā)出預(yù)警信息。

2 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 硬件系統(tǒng)

采用徠卡TM30測量機器人作為測量儀器。該儀器具有測量精度高、測量速度快、儀器穩(wěn)定可靠等特點，能勝任隧道內(nèi)全天候無間斷的工作。

2.2 軟件系統(tǒng)

根據(jù)隧道建設(shè)過程中施工及變形監(jiān)測特點，編制了隧道自動監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)以Visual Basic 6.0為開發(fā)平臺，通過調(diào)用徠卡測量機器人二次開發(fā)GeoCOM函數(shù)包來實現(xiàn)自動控制目的。有關(guān)函數(shù)可查看參考文獻[5]。

2.4 自動變形監(jiān)測數(shù)據(jù)庫需求分析

數(shù)據(jù)庫需要實現(xiàn)以下主要功能：1)存入已知點點位信息；2)設(shè)置并保存定時規(guī)則；3)測量機器人控制信息的調(diào)用；4)合格數(shù)據(jù)的自動保存；5)對符合查詢條件的數(shù)據(jù)進行報表輸出。

主要數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)流程圖

2.5 點位布設(shè)及命名要求

隧道施工過程中的機械震動等條件會影響基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性，因此基準(zhǔn)點應(yīng)每間隔一定的時間進行穩(wěn)定性驗證，基準(zhǔn)點應(yīng)設(shè)置在遠離變形區(qū)或比較穩(wěn)固的襯砌段，離測站距離120 m以上。

監(jiān)測點按照相應(yīng)規(guī)范按斷面進行布設(shè)，采用標(biāo)準(zhǔn)圓棱鏡作為照準(zhǔn)物。為便于數(shù)據(jù)處理時自動匹配斷面，同一個斷面的監(jiān)測點點名需包含相同信息，如可按里程標(biāo)識，同一斷面拱腰收斂點命名為“左K1+667”，“右K1+667”，拱頂點命名為“拱頂K1+667”等。

距開挖斷面不同距離的點位對變形監(jiān)測周期設(shè)置和限差要求不同，為了方便監(jiān)測工作管理，對相同監(jiān)測要求的點位進行編組處理，可命名“點組1，……”。監(jiān)測點布置如圖3所示。

圖3 監(jiān)測點布設(shè)示意圖

3 自動變形監(jiān)測的實現(xiàn)[6]

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含項目管理、設(shè)置模塊和測量模塊3個操作模塊，最重要的功能是實現(xiàn)變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集自動化。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示

3.2 自動采集功能實現(xiàn)

3.2.1 初始值采集

此功能是把目標(biāo)點的概略空間位置告訴測量機器人。采集的初始值為目標(biāo)點相對于定向點的水平角和相對于測站的天頂距。

主要用到的函數(shù)如下：

1)搜索目標(biāo)函數(shù)VB_AUT_Search2(0.2,1,0)。括號中的參數(shù)0.2和1分別代表儀器搜索水平角和天頂距范圍大小，單位是弧度。

2)精確瞄準(zhǔn)函數(shù)VB_AUT_FineAdjust3(0.1,0.2,0)，功能是使儀器精確照準(zhǔn)目標(biāo)。

3)測角測距函數(shù)。VB_BAP_MeasDistanceAngle(BAP_DEF_DIST,hz,v,distance)。BAP_DEF_DIST為默認的測距模式；hz為水平角；v為測得的天頂距；distance為斜距。測得的hz和v參數(shù)存儲在學(xué)習(xí)測量表中，兩者決定了目標(biāo)點的概略空間位置。

圖5為測量機器人定位原理。由圖5可以看出測量機器人用相對于后視點的水平角和測站天頂距2個參數(shù)即可定位到目標(biāo)點空間方向。由于變形監(jiān)測中不允許同一個方向有2個目標(biāo)物，所以由hz和v即可得到唯一的點位信息。

3.2.2 自動測量

自動測量是隧道自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的核心功能，它的功能主要是指揮測量機器人按照定時設(shè)置進行自動測量工作。

用到的函數(shù)為VB_AUT_Make Positioning4_(hz,v,POSMode,ATRMode,bDummy)。函數(shù)中的參數(shù)hz和v為水平角和天頂距，即點位學(xué)習(xí)功能中所采集的2個值；POSMode參數(shù)含義為定位模式，即定位的方式，分快速定位和精確定位；ATRMode參數(shù)為儀器ATR自動識別目標(biāo)模式，分定位水平角和豎直角以及搜索目標(biāo)環(huán)境中的水平角和豎直角2種模式；bDummy參數(shù)為徠卡預(yù)留參數(shù)一般設(shè)為False。

圖5 測量機器人定位原理

3.3 數(shù)據(jù)傳輸

徠卡TM30的數(shù)據(jù)傳輸提供了有線和無線2種通訊模式，測量機器人安裝在隧道內(nèi)進行監(jiān)測，限制了無線通信方式的使用，本研究采用光纖和網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程傳輸。

測量機器人光纖傳輸方式是通過光端機(光調(diào)制解調(diào)器)將計算機RS232信號轉(zhuǎn)換成激光信號，在光纖中進行傳輸，到達測量機器人站點后，再由光端機(光調(diào)制解調(diào)器)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)RS232電信號，測量機器人再對RS232信號進行解析，響應(yīng)的信息再通過光纖返回計算機，完成信號傳輸。使用光纖傳輸時，必須注意光纖跳線的接法，信號的傳輸必須交叉進行，即此光纖的TX(發(fā))接對方的RX(收)、RX(收)接對方的TX(發(fā))。測量機器人控制端和監(jiān)測端使用光纖傳輸接線方式如圖6所示。

圖6 光纖連線方式

測量機器人通過電纜線與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器連接，轉(zhuǎn)換器再連接到網(wǎng)絡(luò)交換機上，計算機控制端使用IP分配軟件對轉(zhuǎn)換器設(shè)置固定IP，在此局域網(wǎng)內(nèi)的所有用戶都可以以此IP對機器人進行訪問。如果交換機連接入Internet，就可以對測量機器人實現(xiàn)超遠距離的控制。

4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要實現(xiàn)變形過程曲線的實時繪制、數(shù)據(jù)的后處理及數(shù)據(jù)報表和預(yù)報警功能。通過實時繪制變形曲線，能夠直觀、實時地查看變形情況；數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)使用差分技術(shù)和小波分析對原始數(shù)據(jù)進行處理，消除或減弱測量誤差；預(yù)警系統(tǒng)對超限數(shù)據(jù)進行預(yù)報警，及時提醒隧道變形是否超限，確保隧道施工安全。

4.1 自動繪制過程曲線

存入數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)為每個監(jiān)測點的三維坐標(biāo)，隧道工程主要監(jiān)測拱頂沉降、拱腰收斂位移及沉降[7]。監(jiān)測點沉降信息直接使用高程信息經(jīng)過差分計算得到每期沉降量和累計沉降量值。收斂位移是通過同一斷面的左右拱腰點的平距變化來反映的，具體做法：1)查詢數(shù)據(jù)庫中有相同字符的“左xx”和“右xx”；2)計算2點平距；3)計算周期間平距差量，得出收斂位移變化量。

4.2 小波去噪

通過調(diào)用小波分析工具箱，實現(xiàn)小波去噪功能[8]。具體做法是：在Matlab環(huán)境內(nèi)把所用到的小波函數(shù)編譯成M文件；使用Matcom把Matlab編寫的函數(shù)(M文件)編譯成VB可以調(diào)用的DLL文件；在VB中引用編譯的DLL文件，即可在VB中完全調(diào)用小波工具箱函數(shù)。為使Matlab函數(shù)脫離Matlab軟件運行環(huán)境，在VB調(diào)用Matlab函數(shù)過程中必須安裝MCR程序。

4.3 報表

系統(tǒng)采用VBA技術(shù)，通過調(diào)用Excel程序和SQL Sever數(shù)據(jù)庫中相關(guān)數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動報表功能。根據(jù)隧道監(jiān)測報表習(xí)慣設(shè)計報表格式，類型包含日報表、周報表和月報表。報表輸出界面截圖如圖7所示，收斂位移日報表截圖如圖8所示。

圖7 報表輸出界面

圖8 收斂值日報表截圖

4.4 預(yù)報

對數(shù)據(jù)庫中沉降及收斂值的累計變形量和變形速率按一定間隔時間進行查詢，根據(jù)設(shè)置的預(yù)報警值來“診斷”數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。出現(xiàn)超限值，以聲、光等方式報警，同時進行短信預(yù)警。

短信預(yù)警可以手動操作，也可以自動進行預(yù)警。自動短信預(yù)警的實現(xiàn)方法是：預(yù)警平臺實時監(jiān)控數(shù)據(jù)庫中的累計位移和速率值，若出現(xiàn)超限數(shù)值，平臺狀態(tài)欄提示某某點數(shù)據(jù)不正常，并自動觸發(fā)短信發(fā)送模塊，把超限的點名和超出值自動發(fā)送給設(shè)置的接收手機號碼，使施工管理人員第一時間了解隧道變形情況。自動短信預(yù)警系統(tǒng)截圖如圖9所示。

圖9 自動短信預(yù)警

5 應(yīng)用驗證

系統(tǒng)在北京地鐵14號線土建某標(biāo)采用暗挖法施工的某一施工通道的監(jiān)控量測進行了驗證。通道采用直邊墻馬蹄形斷面，尺寸為4 m(寬)×4.3 m(高)。以徠卡TM30測量機器人為設(shè)備，監(jiān)測點共安裝棱鏡12個，形成2組斷面，7個拱頂沉降觀測，儀器安放采用強制對中方式，采用光纖連接局域網(wǎng)遠程控制。

通過對監(jiān)測點連續(xù)20 d的監(jiān)測，結(jié)果與同時期人工方式監(jiān)測對比顯示：本系統(tǒng)自動監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)同一點同一天若干次測量數(shù)據(jù)較差優(yōu)于0.1 mm，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定；拱頂沉降、拱腰沉降及收斂位移每天累計變化量普遍優(yōu)于人工監(jiān)測方式0.5～1 mm，監(jiān)測精度可靠。

6 結(jié)論與建議

通過二次開發(fā)TM30測量機器人實現(xiàn)了隧道監(jiān)測過程中的數(shù)據(jù)自動采集、遠程傳輸、自動處理和預(yù)警等功能，與同類型研究相比主要有以下幾點不同：1)數(shù)據(jù)采用光纖通訊支持下的網(wǎng)絡(luò)傳輸，實現(xiàn)了超遠程控制功能；2)采用短信自動預(yù)警方式，預(yù)警機制更及時、有效；3)數(shù)據(jù)自動報表功能，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的一鍵輸出；4)數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲存、分析、輸出、預(yù)報過程一體化。

但系統(tǒng)在應(yīng)用中要注意以下問題：1)在小半徑曲線段通視距離短，可能增加全站儀，開挖面多的時候儀器投入較大；2)TM30 200 m處最小棱鏡分辨間距為0.3 m，拱腰監(jiān)測棱鏡布置時要注意防止棱鏡遮擋。

此研究支持帶有ATR功能的徠卡其他型號測量機器人，如TCA2003、TPS1200系列和TS30等。系統(tǒng)主要應(yīng)用于隧道施工過程的變形監(jiān)測，也可以擴展應(yīng)用到其他隧道建設(shè)及運營過程的變形監(jiān)測中。

[1]尤相駿.徠卡新一代GeoMoS自動監(jiān)測系統(tǒng)在城市地鐵變形監(jiān)測項目中的應(yīng)用[J].測繪通報,2007(1): 71-72.(YOU Xiangjun.The application of GeoMoS automatic monitoring system in city Metro tunnel deformation monitoring[J].Bulletin of Surveying and Mapping,2007(1): 71-72.(in Chinese))

[2]張書華,蔣瑞波.基于測量機器人的隧道變形自動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪科學(xué),2009,34(3): 192-194.(ZHANG Shuhua,JIANG Ruibo.Design and implementation of automatic monitoring system in the tunnel distortion based on surveys robot[J].Science of Surveying and Mapping,2009,34(3): 192-194.(in Chinese))

[3]陳秀忠,錢林.地理數(shù)據(jù)通信接口技術(shù)在自動監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].測繪通報,2010(1): 42-44.(CHEN Xiuzhong,QIAN Lin.Application of GeoCOM interface technology in automatic monitoring system[J].Bulletin of Surveying and Mapping,2010(1): 42-44.(in Chinese))

[4]梅文勝,張正祿,郭際明.測量機器人變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版,2002,27(2): 165-171.(MEI Wensheng,ZHANG Zhenglu,GUO Jiming.Software of Georobot deformation monitoring[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2002,27(2): 165-171.(in Chinese))

[5]Leica TPS1200+ Leica TS30/TM30 GeoCOM Reference Manual[K].Switzerland：Leica Geosystems AG,Heerbru-gg,2009.

[6]范本.基于測量機器人TM30技術(shù)地鐵隧道建設(shè)自動變形監(jiān)測研究[D].重慶: 重慶大學(xué)土木工程學(xué)院,2012.(FAN Ben.The research of automatic deformation monitoring in subway tunnel construction based on TM30 Georobot technology[D].Chongqing：College of Civil Engineering of Chongqing University,2012.(in Chinese))

[7]中國有色金屬工業(yè)協(xié)會.GB50026—2007工程測量規(guī)范[S].北京: 中國計劃出版社,2008: 88-91.

[8]謝南,陳漢良.Visual Basic與Matlab的幾種接口編程技術(shù)[J].儀器儀表學(xué)報,2004(8): 571-574.(XIE Nan,CHEN Hanliang.Several ways to build interface programs based on Visual Basic and Matlab[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2004(8): 571-574.(in Chinese))

國內(nèi)首創(chuàng)雙模式盾構(gòu)在廣州下線

2013年12月19日，國內(nèi)首創(chuàng)的2臺泥水、土壓雙模式盾構(gòu)在廣州下線。該設(shè)備填補了國內(nèi)相關(guān)技術(shù)空白，獲得國家專利，將用于廣州地鐵9號線的土建工程，以適應(yīng)當(dāng)?shù)貜?fù)雜地質(zhì)條件施工的需要。據(jù)介紹，這2臺泥水、土壓雙模式盾構(gòu)，每臺比以往整機進口的盾構(gòu)大約可節(jié)省資金1 500萬元。據(jù)廣東華隧建設(shè)總經(jīng)理趙暉透露，這種雙模式盾構(gòu)從設(shè)計研發(fā)到生產(chǎn)下線用了一年多的時間。

(摘自 新民網(wǎng) http://news.xinmin.cn/shehui/2013/12/20/23006337.html)

Georobot-basedAutomaticDeformationMonitoringinTunnelConstruction

FAN Ben1,ZHENG Jiqiang2,ZHU Kundian3

(1.DepartmentofSurveyingandMappingEngineering,SichuanCollegeofArchitecturalTechnology,Deyang618000,Sichuan,China; 2.DepartmentofCivilEngineering,SichuanCollegeofArchitecturalTechnology,Deyang618000,Sichuan; 3.YunlongTechnologyCo.,Ltd.,Chengdu610045,Sichuan,China)

The process of data acquisition,analysis,processing and risk forecasting in the traditional deformation monitoring in tunnel construction are independent.Therefore,the response to risks is always untimely.To solve this problem,the paper studies and implements Georobot-based automatic deformation monitoring in tunnel construction.The functions of automatic monitoring data acquisition and remote storage,automatic data analysis and early warning are realized by means of Georobot,Visual Basic,GeoCOM and SQL Sever database.The purpose of the automatic monitoring of tunnel deformation is achieved; the tunnel construction safety is guaranteed.The hardware structure,software design and result processing and output of the whole system are discussed in this paper.The idea and method of automatic deformation monitoring have positive reference significance for the deformation monitoring in tunnel construction.

Georobot; tunnel construction; automatic deformation monitoring

2013-10-18;

2013-12-05

范本(1986—)，男，河南商丘人，2012年畢業(yè)于重慶大學(xué)，測繪科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，碩士，助教，主要從事工程測量及變形監(jiān)測的教學(xué)與研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.01.004

U 455.46

A

1672-741X(2014)01-0019-05