基于測量機(jī)器人的自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 文,黃聲享,2,李洋洋

(1.武漢大學(xué) 測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2.地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079)

基于測量機(jī)器人的自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 文1,黃聲享1,2,李洋洋1

(1.武漢大學(xué) 測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2.地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079)

針對目前水利、交通、建筑等行業(yè)大型工程對自動(dòng)化變形監(jiān)測的需求，利用測量機(jī)器人能自動(dòng)完成目標(biāo)精確照準(zhǔn)、讀數(shù)的特點(diǎn)，研發(fā)基于測量機(jī)器人的自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)。文中詳細(xì)介紹自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的組成、功能模塊以及工作流程，通過工程測試驗(yàn)證該系統(tǒng)架構(gòu)和相關(guān)技術(shù)的可行性。

測量機(jī)器人；變形監(jiān)測；自動(dòng)化；軟件系統(tǒng)

隨著我國水利、交通、建筑等行業(yè)的快速發(fā)展，對大型工程的變形監(jiān)測工作提出要求，相對于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測，自動(dòng)化變形監(jiān)測才能滿足其高精度、高頻率等需求[1]。與此同時(shí)，自動(dòng)化測量技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，特別是具有自動(dòng)目標(biāo)照準(zhǔn)功能測量機(jī)器人的出現(xiàn)和發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測自動(dòng)化提供技術(shù)支撐[2-5]。測量機(jī)器人具有高精度、高效率、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，目前，已廣泛應(yīng)用于大壩[6]、基坑邊坡[7]、地鐵[8-9]以及各種大型建(構(gòu))筑物等的自動(dòng)化變形監(jiān)測中，并取得良好成效。本文以自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)分析、遠(yuǎn)程控制為研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于測量機(jī)器人的自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程控制測量機(jī)器人自動(dòng)化定時(shí)觀測，實(shí)時(shí)處理分析得到三維變形信息，并根據(jù)變形信息進(jìn)行智能報(bào)警和自動(dòng)報(bào)表輸出。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

基于測量機(jī)器人的自動(dòng)變形監(jiān)測系統(tǒng)，采用極坐標(biāo)測量方法，通過計(jì)算機(jī)控制測量，獲取目標(biāo)點(diǎn)相對于測站的角度、距離，進(jìn)行差分改正后，計(jì)算得到目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。其主要有五大部分構(gòu)成：基準(zhǔn)點(diǎn)、變形點(diǎn)、測量機(jī)器人觀測站、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電源和通訊線路部分。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)組成如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

根據(jù)相對獨(dú)立、盡量小的數(shù)據(jù)依賴、最小數(shù)據(jù)冗余、管理發(fā)展的需要以及系統(tǒng)分階段實(shí)現(xiàn)的原則，本系統(tǒng)共劃分為4個(gè)子系統(tǒng)，分別為系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、工程信息管理子系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)又可劃分為10個(gè)不同的功能模塊，具體的劃分情況見圖3。

圖1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)組成

圖3 系統(tǒng)功能模塊劃分

1.3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

本系統(tǒng)工作流程：首先建立計(jì)算機(jī)和測量機(jī)器人的通信；然后對測量機(jī)器人進(jìn)行初始化，進(jìn)行測站定向及控制限差的設(shè)置；所有設(shè)置完畢后便進(jìn)行學(xué)習(xí)測量，也可以直接導(dǎo)入學(xué)習(xí)測量數(shù)據(jù)執(zhí)行自動(dòng)觀測任務(wù)；接下來設(shè)置點(diǎn)組，根據(jù)點(diǎn)位以及監(jiān)測頻率將相同的觀測點(diǎn)編入同一點(diǎn)組；然后進(jìn)行循環(huán)任務(wù)的編輯；最后便是根據(jù)循環(huán)任務(wù)的設(shè)置來控制儀器定時(shí)進(jìn)行自動(dòng)觀測，一周期觀測完畢后，軟件對原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，得到各變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)、變形量。系統(tǒng)詳細(xì)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)通訊技術(shù)

系統(tǒng)基于徠卡測量機(jī)器人進(jìn)行開發(fā)，采用其提供的ASCII字符串[10]指令進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)發(fā)送固定格式的ASCII字符串給儀器，儀器接收該指令后，進(jìn)行對應(yīng)的操作，操作完成后通過串口返回固定格式的信息，返回信息中有操作是否成功、對應(yīng)的測量數(shù)據(jù)信息等。

通過無線通訊技術(shù)，可以不進(jìn)入監(jiān)測現(xiàn)場，僅在項(xiàng)目部或者遠(yuǎn)程控制中心就能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)和測量機(jī)器人之間實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換，達(dá)到對測量機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理的目的。系統(tǒng)采用了無線電臺和GPRS兩種方式實(shí)現(xiàn)無線通訊。其中，無線電臺方式傳輸距離和障礙物的穿透繞射能力有限，與傳輸頻率相關(guān)；GPRS方式則需要移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，以及一臺固定IP地址的服務(wù)器。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)現(xiàn)場和設(shè)備情況，確定無線通訊的方式。

2.2 實(shí)時(shí)差分改正

測量機(jī)器人在角度、距離的測量過程中會(huì)受到很多誤差因素的干擾，例如大氣折光、氣溫、氣壓變化、儀器內(nèi)部誤差等，直接求出這些誤差的大小是非常困難的。在有限空間時(shí)間內(nèi)，觀測期間的氣象等因素是穩(wěn)定的，且對同一環(huán)境下測量目標(biāo)的影響相同，可認(rèn)為這些誤差是一個(gè)常數(shù)。因此，系統(tǒng)利用固定參考基準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分改正，可減弱或消除這些誤差，提高測量的精度。

每一周期，在觀測變形點(diǎn)的同時(shí)也要對參考點(diǎn)進(jìn)行觀測，并且認(rèn)為測得的參考點(diǎn)坐標(biāo)與其初始坐標(biāo)之間的差值就是由大氣折光、氣溫、氣、變化、儀器內(nèi)部構(gòu)造等引起的，然后利用差值按照距離長短求出觀測值誤差的比例系數(shù)，最后利用每個(gè)觀測量的誤差比例系數(shù)對變形點(diǎn)觀測量進(jìn)行改正，并求出改正后的坐標(biāo)。

在觀測時(shí)對參考點(diǎn)盡量要有多余觀測，同時(shí)參考點(diǎn)可以選擇空間上均勻分布的2～5個(gè)，并且觀測順序也在時(shí)間上均勻分布，取所有改正信息的平均值以避免單一參考點(diǎn)、單一時(shí)間點(diǎn)的氣象及儀器本身的影響不具有代表性的特點(diǎn)，從而更好的對觀測值進(jìn)行改正。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)測分析

對監(jiān)測點(diǎn)的變形值進(jìn)行建模，采用數(shù)學(xué)模型逼近、模擬，可以揭示變形體的變形規(guī)律和動(dòng)態(tài)特征，同時(shí)也可通過模型預(yù)測變形的發(fā)展趨勢，為工程施工提供科學(xué)的決策依據(jù)，避免安全事故的發(fā)生[11]。本系統(tǒng)以曲線擬合、時(shí)間序列、灰色系統(tǒng)GM(1,1)3個(gè)模型進(jìn)行研究和算法代碼編寫，通過對變形數(shù)據(jù)分析，建立模型，預(yù)測后續(xù)變形趨勢，進(jìn)而判斷變形體的安全狀態(tài)。如圖5所示系統(tǒng)預(yù)測分析實(shí)例。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)變形預(yù)測分析:JCD02的X方向

2.4 智能化處理策略

1)測量失敗控制策略。在自動(dòng)化監(jiān)測中，由于外界臨時(shí)遮擋等因素影響，全站儀無法找到目標(biāo)，本系統(tǒng)對于這種情況采用等待、重復(fù)嘗試的方式，如果重復(fù)測量后仍無法找到目標(biāo)，則跳過進(jìn)行下一個(gè)點(diǎn)測量，同時(shí)將該點(diǎn)放入一個(gè)測量失敗點(diǎn)集，在其他點(diǎn)測量完成后，最后再將失敗點(diǎn)測量一遍，如果最后一次都沒能測量到目標(biāo)，則將該點(diǎn)所有觀測原始數(shù)據(jù)作“0”存儲(chǔ)，計(jì)算成果時(shí)進(jìn)行插值處理。

2)智能報(bào)警策略。當(dāng)測量機(jī)器人照準(zhǔn)目標(biāo)后，首先進(jìn)行一次坐標(biāo)測量，用測量結(jié)果與該目標(biāo)的初始坐標(biāo)進(jìn)行對比，若坐標(biāo)較差超過系統(tǒng)設(shè)置的目標(biāo)識別限值，則說明目標(biāo)照準(zhǔn)錯(cuò)誤，通過調(diào)整視場設(shè)置，重新尋找準(zhǔn)確目標(biāo)，若依舊無法照準(zhǔn)，則系統(tǒng)向管理人員發(fā)送異常報(bào)警信息。重復(fù)觀測時(shí)，各測回間角度、距離超過限差時(shí)，會(huì)判定超限測回失敗，繼續(xù)測量直到測量成功次數(shù)達(dá)到設(shè)定值。測量完成后，實(shí)時(shí)計(jì)算出變形量，根據(jù)累計(jì)、本次變形量和變形速率，根據(jù)變形量和報(bào)警值，實(shí)時(shí)更新工程安裝狀況，并實(shí)現(xiàn)了三級報(bào)警機(jī)制。

3 系統(tǒng)測試

基于測量機(jī)器人變形監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)完成后，在建筑物變形監(jiān)測、大型雕像變形監(jiān)測等工程中進(jìn)行了測試，測試實(shí)景如圖6和圖7所示。其中，建筑物變形監(jiān)測為固定觀測墩放置儀器，遠(yuǎn)程無線控制測量，實(shí)現(xiàn)高層建筑變形自動(dòng)化監(jiān)測；大型雕像變形監(jiān)測通過有線方式進(jìn)行通訊，對布設(shè)在雕像特征點(diǎn)位的棱鏡進(jìn)行周期觀測。系統(tǒng)主界面如圖8所示，圖9為監(jiān)測點(diǎn)位變形過程曲線查看界面。

實(shí)際工程測試結(jié)果表明，基于測量機(jī)器人的自動(dòng)變形監(jiān)測系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)三維變形信息的自動(dòng)化監(jiān)測，可以滿足工程實(shí)際使用的要求，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)分析、遠(yuǎn)程管控。

圖6 建筑物變形監(jiān)測測試

圖7 大型雕像變形監(jiān)測測試

圖8 系統(tǒng)主界面

圖9 系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)位變形過程曲線界面

4 結(jié)束語

基于測量機(jī)器人的自動(dòng)變形監(jiān)測系統(tǒng)，利用測量機(jī)器人在一定的視場范圍內(nèi)能自動(dòng)搜索、照準(zhǔn)、讀數(shù)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的定時(shí)觀測、計(jì)算、分析、報(bào)警、成果輸出等工作。工程測試表明，系統(tǒng)可以滿足工程實(shí)際中自動(dòng)化變形監(jiān)測的要求，具有自動(dòng)化、智能化、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程可控、通用性強(qiáng)、操作簡單、界面友好等特點(diǎn)，可應(yīng)用地下空間工程變形監(jiān)測、大壩變形監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、高鐵軌道變形監(jiān)測、高層建筑物變形監(jiān)測等。

[1] 張正祿．工程測量學(xué)[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

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Design and implementation of automatic deformation monitoring system based on georobot

ZHANG Wen1,HUANG Shengxiang1,2,LI Yangyang1

1.School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China;2.Collaborative Innovation Center of Geospatial Technology, Wuhan 430079, China)

Aiming at the requirement of automatic deformation monitoring in large engineering such as water conservancy, transportation and construction, the automatic deformation monitoring system based on georobot is developed based on the characteristics of the automatic sighting and observing. In this paper, the design of automatic deformation monitoring system based on georobot is introduced in detail, and the key technology in the system implementation is discussed. The feasibility of the system architecture and related technologies have been verified by engineering tests.

georobot; deformation monitoring; automation; software system

2016-12-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41274020)

張 文(1988-)，男，博士研究生.

著錄：張文,黃聲享,李洋洋.基于測量機(jī)器人的自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測繪工程，2018，27(2)：37-41.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.02.007

TP242

A

1006-7949(2018)02-0037-05

李銘娜]