基坑變形的測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張君華 張宇琳 許文濤

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基坑變形的測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張君華 張宇琳 許文濤

（昆明市測(cè)繪研究院 云南昆明 650091）

基于基坑變形的測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)目的，擬開(kāi)發(fā)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用C#語(yǔ)言，使用GeoCOM接口技術(shù)通過(guò)串口操控測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)測(cè)量，同時(shí)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)獲取測(cè)量機(jī)器人的測(cè)量數(shù)據(jù)，并通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的智能處理、分析及輸出，實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)?nèi)外業(yè)一體化。

基坑 測(cè)量機(jī)器人 自動(dòng)化 監(jiān)測(cè)系統(tǒng) GeoCOM

1 引言

為了更好地利用城市有限的土地資源，優(yōu)化城市總體環(huán)境結(jié)構(gòu)，城市建設(shè)越來(lái)越向高層樓宇建筑發(fā)展。通常情況下，樓宇越高，基坑越深?！督ㄖ庸こ瘫O(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，開(kāi)挖深度大于、等于5m或開(kāi)挖深度小于5m但現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況和周?chē)h(huán)境較復(fù)雜的基坑工程以及其他需要監(jiān)測(cè)的基坑工程應(yīng)實(shí)施基坑工程監(jiān)測(cè)。基坑監(jiān)測(cè)具有高精度、時(shí)效性、等精度等特點(diǎn)，總體來(lái)講，周期性長(zhǎng)，內(nèi)容單一枯燥，本項(xiàng)目擬開(kāi)發(fā)自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，減輕外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，降低內(nèi)業(yè)工作量，主要利用測(cè)量機(jī)器人本身所具有的伺服馬達(dá)和自動(dòng)照準(zhǔn)功能，通過(guò)串口，由計(jì)算機(jī)程序控制儀器完成自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)預(yù)警等操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與智能化的結(jié)合，對(duì)于長(zhǎng)周期、高頻率、多目標(biāo)的工程項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，可以極大地提高工作效率。

2 系統(tǒng)需求分析

在我們的日?；颖O(jiān)測(cè)工作中，引入了Leica TCA2003測(cè)量機(jī)器人。為了能夠充分地發(fā)揮測(cè)量機(jī)器人的功能，并最大范圍地將其應(yīng)用于日常測(cè)量任務(wù)中，我們整理了過(guò)去測(cè)量施工時(shí)所遇到的問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，提出需求，并開(kāi)發(fā)了一套自己的全自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

2.1 項(xiàng)目管理

以往監(jiān)測(cè)項(xiàng)目過(guò)程數(shù)據(jù)以文件、文件夾形式保存，容易混亂及丟失。故要求系統(tǒng)以項(xiàng)目形式進(jìn)行管理，以數(shù)據(jù)庫(kù)格式存儲(chǔ)，保存著各期過(guò)程中的相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)、原始觀測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果數(shù)據(jù)等，方便數(shù)據(jù)分析、利用和經(jīng)驗(yàn)積累。

2.2 自動(dòng)測(cè)量

常規(guī)基坑監(jiān)測(cè)，因需要多測(cè)回重復(fù)觀測(cè)，作業(yè)人員須不停地來(lái)回跑動(dòng)立尺。所以本系統(tǒng)需要滿足：設(shè)站完成后，通過(guò)軟件選擇待觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)完成盤(pán)左、盤(pán)右多測(cè)回測(cè)量，遇到困難可自動(dòng)智能處理。如當(dāng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)遇到遮擋時(shí)，放棄當(dāng)前測(cè)量，并根據(jù)設(shè)置的等待時(shí)間重新測(cè)量該點(diǎn)，或者在下一站補(bǔ)充測(cè)量。

2.3 安全預(yù)警

常規(guī)監(jiān)測(cè)一般都是作業(yè)人員收工后，將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行對(duì)比，在基坑變形比較快的情況下往往錯(cuò)失了最佳的報(bào)警時(shí)間。所以要求系統(tǒng)滿足測(cè)量過(guò)程中實(shí)時(shí)報(bào)警，一是對(duì)當(dāng)前測(cè)回的超限報(bào)警，如光學(xué)測(cè)微器兩次重合讀數(shù)差、半測(cè)回歸零差、一測(cè)回內(nèi)2C較差和同一方向值各測(cè)回較差等；二是對(duì)變化量進(jìn)行報(bào)警，基坑監(jiān)測(cè)的主要目的是為了工程安全順利地進(jìn)行，所以當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量、變化率或累計(jì)變化量超過(guò)預(yù)先設(shè)定的限差時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)報(bào)警。

2.4 數(shù)據(jù)處理及圖表輸出

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)必須是及時(shí)的，做到當(dāng)天測(cè)，當(dāng)天反饋。所以要求系統(tǒng)能自動(dòng)進(jìn)行改正（包括氣象改正、儀器加乘常數(shù)改正等）、整網(wǎng)平差、自動(dòng)報(bào)表、輸出變形趨勢(shì)圖及監(jiān)測(cè)點(diǎn)各期坐標(biāo)值等，盡可能少的干預(yù)，做到外業(yè)結(jié)束，內(nèi)業(yè)亦同步結(jié)束。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟硬件配置

硬件：TCA2003，大量預(yù)埋標(biāo)，360度棱鏡，便攜式筆記本

為滿足基坑高精度特點(diǎn)，系統(tǒng)采用0.5″高精度測(cè)量機(jī)器人Leica TCA2003，其在儀器內(nèi)部安裝了伺服馬達(dá)，它通過(guò)內(nèi)置的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別裝置 ATR 1 發(fā)射出的激光束經(jīng)棱鏡反射后由 CCD 相機(jī)接收，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋找和自動(dòng)精確照準(zhǔn)目標(biāo)。

軟件：VS2008，C#語(yǔ)言，GeoCOM

系統(tǒng)使用C#語(yǔ)言，基于Visual Studio 2008平臺(tái)開(kāi)發(fā)，并調(diào)用GeoCOM接口開(kāi)發(fā)基坑變形的測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊。

3.2 作業(yè)流程（圖1）

預(yù)埋監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)石，可安插360°全方位棱鏡，作業(yè)前一次性安裝好棱鏡，除首次測(cè)量外，儀器定向后即可自動(dòng)觀測(cè)。

3.3 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)（圖2）

多頁(yè)面雙屏管理，界面上方為數(shù)據(jù)，下方為圖形，兩者同步顯示，可直觀地了解到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置、屬性及動(dòng)態(tài)。界面上方顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)記錄等，下方顯示底圖及高亮顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置。每個(gè)測(cè)回中，已觀測(cè)點(diǎn)紅色顯示，未觀測(cè)點(diǎn)灰色顯示。

3.4 軟件模塊設(shè)置

系統(tǒng)共有5個(gè)功能模塊，各模塊設(shè)有子項(xiàng)若干。

（1）模塊結(jié)構(gòu)圖

（2）項(xiàng)目管理

以數(shù)據(jù)庫(kù)格式存儲(chǔ)，一個(gè)工程對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，新建項(xiàng)目時(shí)，須錄入項(xiàng)目詳細(xì)信息。數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖4。

（3）系統(tǒng)設(shè)置

根據(jù)測(cè)量機(jī)器人屬性，設(shè)置系統(tǒng)連接的各項(xiàng)通訊參數(shù)，包括串口號(hào)、波特率、儀器型號(hào)等。同時(shí)還包括測(cè)量機(jī)器人的附件棱鏡的設(shè)置（類(lèi)型、常數(shù)等）；根據(jù)基坑監(jiān)測(cè)的等級(jí)，設(shè)置觀測(cè)等級(jí)及對(duì)應(yīng)限差、測(cè)回?cái)?shù)等；根據(jù)當(dāng)日實(shí)時(shí)環(huán)境，設(shè)置氣象信息等；除此之外的特殊情況設(shè)置，如點(diǎn)位遮擋、多目標(biāo)、超限處理等。

（4）自動(dòng)觀測(cè)

項(xiàng)目第一次開(kāi)展須進(jìn)行首次測(cè)量，首次測(cè)量前須錄入監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)及工作基點(diǎn)信息，而后在工作基點(diǎn)上架站，人工照準(zhǔn)各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，輸入各點(diǎn)點(diǎn)號(hào)，獲取目標(biāo)點(diǎn)概略空間位置信息，以便于計(jì)算機(jī)控制測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)測(cè)量。

自動(dòng)觀測(cè)可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的信息、控制點(diǎn)及目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)信息，自動(dòng)完成多測(cè)回觀測(cè)。可根據(jù)需要選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)及分組。

（5）數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理模塊滿足不同架站模式的數(shù)據(jù)處理功能，除已知點(diǎn)架站模式外，還兼容自由網(wǎng)架站模式。同時(shí)考慮到作業(yè)中的操作失誤，增加了數(shù)據(jù)的后期修改功能。數(shù)據(jù)處理前須對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行改正，包括氣象改正、水平角差分改正等。

在數(shù)據(jù)處理流程中，擬穩(wěn)平差用于針對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行平差處理，在對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行擬穩(wěn)平差處理后，可在基準(zhǔn)網(wǎng)修正數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用經(jīng)典平差方法對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行平差。

數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)超限，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。

（6）成果輸出

建筑基坑監(jiān)測(cè)的目的在于：檢驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算理論、模型和參數(shù)的正確性；及時(shí)反饋，指導(dǎo)基坑開(kāi)挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工；確保基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和相鄰建筑物的安全；提高基坑工程設(shè)計(jì)和施工水平積累工程經(jīng)驗(yàn)。所以系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理完成后，自動(dòng)輸出階段性報(bào)表，在項(xiàng)目完全結(jié)束后，輸出總結(jié)性報(bào)表。包括本次測(cè)量值、單次變化值、變形速率、累計(jì)變形等信息，并附注折線圖。對(duì)達(dá)到或超過(guò)監(jiān)測(cè)報(bào)警值的監(jiān)測(cè)點(diǎn)做報(bào)警標(biāo)示，結(jié)合各期數(shù)據(jù)，生成基坑變形模型并預(yù)測(cè)變形走勢(shì)，對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目給予判斷性結(jié)論。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，系統(tǒng)已基本搭建完成，正在外業(yè)測(cè)試當(dāng)中，功能滿足基坑變形監(jiān)測(cè)要求，系統(tǒng)運(yùn)行正常，不過(guò)系統(tǒng)目前僅針對(duì)基坑測(cè)量，主要為移動(dòng)式網(wǎng)觀測(cè)，下一步，針對(duì)礦山、隧道等固定式全自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)模式，增加網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送模塊。相信本系統(tǒng)可以極大地提高生成效率。

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住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2014年科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃；2014-K8-015。