基于物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的自動(dòng)化變形監(jiān)測技術(shù)研究

方 楊

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

當(dāng)前，我國各大城市正在大力發(fā)展城市軌道交通建設(shè)，然而，大型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)會對周邊環(huán)境造成一定程度影響，應(yīng)對其進(jìn)行全方位監(jiān)測，以保證城市軌道交通結(jié)構(gòu)及周邊建筑物安全。

對于部分運(yùn)營期間的城市軌道交通項(xiàng)目，需掌握圍護(hù)結(jié)構(gòu)及施工過程中既有軌道交通工程結(jié)構(gòu)的變化，為軌道交通相關(guān)方提供及時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)資料，評定施工對既有軌道交通工程結(jié)構(gòu)的影響，及時(shí)判斷既有軌道交通工程結(jié)構(gòu)安全，對可能發(fā)生的事故提供及時(shí)、準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，以避免惡性事故發(fā)生。

工程監(jiān)測通常分為人工監(jiān)測和自動(dòng)化監(jiān)測兩種方式。人工監(jiān)測經(jīng)過多年的發(fā)展已較為成熟，但存在以下缺點(diǎn)。①時(shí)效性不足：數(shù)據(jù)采集不及時(shí)，出現(xiàn)險(xiǎn)情不能及時(shí)上報(bào)。②數(shù)據(jù)真實(shí)性欠缺：龐大的監(jiān)測工作量使人工監(jiān)測無法保證每一條監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)性。③實(shí)施難度大：運(yùn)營期采用人工監(jiān)測安全隱患大，且當(dāng)前我國城市地鐵運(yùn)營期天窗時(shí)間短，使得人工監(jiān)測變得難以實(shí)施。

相較于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測，自動(dòng)化監(jiān)測方式可以遠(yuǎn)程控制測量儀器進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，具有時(shí)效性好、準(zhǔn)確性高、高頻密集等優(yōu)點(diǎn)。已有學(xué)者開展相關(guān)研究。周玉娟等研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在隧道變形監(jiān)測中的研究進(jìn)展及展望，著重從理論方面論述物聯(lián)網(wǎng)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用[1]；羅昊等從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益兩個(gè)方面對比分析人工監(jiān)測和自動(dòng)化監(jiān)測，闡述各監(jiān)測方式的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性特征；總結(jié)不同應(yīng)用條件下應(yīng)優(yōu)先選用的監(jiān)測技術(shù)類型，并提出一套可行的變形監(jiān)測技術(shù)選用程序[2]；李衛(wèi)海等研發(fā)基于光纖傳感技術(shù)的電力隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線傳輸、自動(dòng)化、高精度、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、分析和預(yù)警等功能，極大地提高工作效率，降低運(yùn)營和維護(hù)成本[3]。然而，上述自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)均需比較復(fù)雜的外業(yè)現(xiàn)場和用戶端配置，故提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的自動(dòng)化變形監(jiān)測方法，并對其進(jìn)行研究。

2 自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層主要包括各種監(jiān)測設(shè)備，如測量機(jī)器人、靜力水準(zhǔn)儀，以及采集氣象參數(shù)的氣象傳感器；網(wǎng)絡(luò)層是指利用4G網(wǎng)絡(luò)、寬帶網(wǎng)絡(luò)將各種監(jiān)測設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；應(yīng)用層是指遠(yuǎn)程服務(wù)器或計(jì)算機(jī)端的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)監(jiān)測設(shè)備控制和數(shù)據(jù)處理。物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)見圖1。

圖1 自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

3 自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)的硬件

基于物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，將各種監(jiān)測儀器接入互聯(lián)網(wǎng)中，通過云端的監(jiān)測控制軟件遠(yuǎn)程控制設(shè)備進(jìn)行周期觀測，從而實(shí)現(xiàn)全天候無人值守全自動(dòng)化監(jiān)測，硬件系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)硬件

3.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

(1)測量機(jī)器人

采用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可自動(dòng)搜索目標(biāo)并照準(zhǔn)，并提供用戶開發(fā)接口。標(biāo)稱精度：水平方向測量標(biāo)準(zhǔn)偏差≤1″，測距標(biāo)準(zhǔn)偏差≤1 mm+1 ppm。

(2)靜力水準(zhǔn)儀

用于測量點(diǎn)的高程變化。量程0～80 mm，精度0.1 mm，分辨率0.01 mm。

(3)氣象傳感器

用于采集氣象參數(shù)對觀測值進(jìn)行改正。溫度測量范圍-40～60 ℃，分辨率0.01 ℃；準(zhǔn)確度≤±0.3 ℃。濕度測量范圍0～100% RH，分辨率0.05% RH；準(zhǔn)確度≤±3% RH；氣壓測量范圍300～1 100 hPa；分辨率0.1 hPa。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)通訊設(shè)備

DTU(Data Transfer Unit)即數(shù)據(jù)傳輸終端，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)墓δ?，?shí)現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備串口數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)端服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備。數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過串口線與DTU通信，DTU中插入物聯(lián)網(wǎng)卡，通過4G網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

3.3 云服務(wù)器

(1)數(shù)據(jù)采集及處理軟件獨(dú)立運(yùn)行在云服務(wù)器上，根據(jù)用戶設(shè)定的觀測周期和測量參數(shù)，控制數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果。

(2)數(shù)據(jù)庫建立在云服務(wù)器上，用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、管理。

Risk prevention of compensation claims related to cosmetic labeling 1 6

(3)基于B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)的數(shù)據(jù)管理平臺部署在云服務(wù)器上。

3.4 用戶端計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備

用戶可在電腦端(移動(dòng)端)通過瀏覽器登錄數(shù)據(jù)管理平臺，設(shè)置觀測周期和相關(guān)測量參數(shù)，遠(yuǎn)程控制采集設(shè)備按設(shè)定的參數(shù)采集數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測結(jié)果。用戶手機(jī)還用于接收預(yù)警短信。

3.5 其他保障設(shè)備

包括：供電設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、防風(fēng)防雨防盜設(shè)備等。

4 自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件

自動(dòng)化監(jiān)測可實(shí)現(xiàn)全天候24 h無人值守，儀器自動(dòng)按照設(shè)定的觀測周期和觀測方式進(jìn)行測量，并可以遠(yuǎn)程控制，因此，自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)可達(dá)到以下目標(biāo)：自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性、使用簡便。

自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件由3個(gè)子系統(tǒng)組成，分別為數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，見圖3。

圖3 自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制測量機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，并自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)平差計(jì)算。基于云計(jì)算技術(shù)，系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行于云服務(wù)器上，用戶端無需配置軟件，可大幅提升系統(tǒng)運(yùn)行效率，減少用戶端資源消耗，降低用戶成本。另外，一臺云服務(wù)器上可同時(shí)運(yùn)行多個(gè)軟件，同時(shí)控制多臺儀器測量。系統(tǒng)通過Internet向DTU通訊設(shè)備發(fā)送指令，DTU通過串口對測量機(jī)器人發(fā)送控制命令，并同時(shí)接收測量機(jī)器人回傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化、智能化。

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)測狀態(tài)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測成果的顯示，以及用戶對監(jiān)測設(shè)備的控制。系統(tǒng)采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)，用戶只需登錄瀏覽器即可進(jìn)行所有操作，實(shí)現(xiàn)用戶端的輕量化、便捷化。各種不同類型的用戶均可通過該平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的云端保存，包括各期次的原始測量數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果及用戶設(shè)置的測量參數(shù)。采用MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、管理。

5 自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)在運(yùn)營地鐵監(jiān)測中的應(yīng)用

某在建地鐵盾構(gòu)始發(fā)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)與運(yùn)營地鐵區(qū)間主體結(jié)構(gòu)最小水平距離為15.709 m。為評估鄰近運(yùn)營線施工對既有運(yùn)營線路的影響，需對鄰近運(yùn)營線施工影響區(qū)段進(jìn)行監(jiān)測。經(jīng)比選，決定采用自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)。

根據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)硬件的需求，選擇合適的位置布設(shè)硬件設(shè)備，用膨脹螺絲將專用支座固定到隧道邊墻上，安裝時(shí)應(yīng)注意隧道限界，避免設(shè)備侵限影響軌道運(yùn)營。支座安裝完畢后，安置全站儀，見圖4。

圖4 地鐵隧道監(jiān)測場景

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測，同時(shí)布設(shè)了通訊設(shè)備DTU，采用RS232數(shù)據(jù)線與全站儀連接，見圖5。

圖5 通訊設(shè)備

設(shè)備布置完成后，首先進(jìn)行初始值采集，在施工前對所有監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行12次數(shù)據(jù)采集。在12次采集的數(shù)據(jù)有效時(shí)，取平均值作為初始值。

在云服務(wù)器上開啟相應(yīng)的通訊端口。在自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)中新建一個(gè)項(xiàng)目，并設(shè)置項(xiàng)目的基本觀測參數(shù)：觀測開始時(shí)間、觀測周期、觀測時(shí)間間隔、測回?cái)?shù)、棱鏡搜索范圍、重復(fù)觀測次數(shù)、觀測精度要求、2C互差、方向值和距離較差、改正數(shù)、中誤差等。即可在監(jiān)測管理系統(tǒng)中點(diǎn)擊開始測量，設(shè)備將按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測，監(jiān)測管理界面見圖6。

圖6 監(jiān)測管理

在自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)中，可實(shí)時(shí)查看儀器每一次觀測數(shù)據(jù)，見圖7。

圖7 儀器實(shí)時(shí)工作狀態(tài)

在每期的觀測結(jié)束后，軟件自動(dòng)進(jìn)行平差計(jì)算，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)和變化量見圖8。

圖8 本期變形和累計(jì)變形

監(jiān)測點(diǎn)在近5個(gè)月的坐標(biāo)變化值見圖9。

圖9 監(jiān)測點(diǎn)的變形趨勢圖

應(yīng)用表明，相較于人工監(jiān)測，自動(dòng)化監(jiān)測具有以下優(yōu)勢：①監(jiān)測頻率不受天窗時(shí)間限制，可實(shí)現(xiàn)全天候不間斷監(jiān)測，這對于保證工程質(zhì)量、及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患具有重要意義；②測量人員無需到達(dá)現(xiàn)場，一方面充分保證人員安全，另一方面大幅降低人工成本；③監(jiān)測成果可實(shí)時(shí)發(fā)布、共享，參與工程建設(shè)、運(yùn)營的各方單位都可及時(shí)掌握最新監(jiān)測結(jié)果，為輔助決策提供及時(shí)、可靠的信息。

6 結(jié)語

自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)采用云計(jì)算技術(shù)，運(yùn)算量大、資源消耗多的數(shù)據(jù)采集和處理(測量控制)模塊獨(dú)立在云端運(yùn)行，用戶端無需進(jìn)行軟件配置，可減少用戶端的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)用戶端的輕量化，優(yōu)化用戶體驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行效率高。系統(tǒng)可同時(shí)控制多臺設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測，用戶只需通過瀏覽器設(shè)置監(jiān)測周期和測量參數(shù)，即可遠(yuǎn)程控制設(shè)備運(yùn)行，并實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測結(jié)果。

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制監(jiān)測儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化傳輸、自動(dòng)化處理和分析、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查詢、數(shù)據(jù)共享等，保證工程實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量和工程安全。