全站儀自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

毛 威

（上海市金山區(qū)自然資源確權(quán)登記事務(wù)中心，上海 200540）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的人工工程監(jiān)測技術(shù)已無法滿足工程監(jiān)測的質(zhì)量和效率需求。因此，基于全站儀的工程監(jiān)測自動(dòng)化技術(shù)成為工程施工前、中、后期全面監(jiān)測技術(shù)的重要發(fā)展方向之一［1］?；庸こ套鳛橐环N施工難度大、涉及層面廣的工程類型，對依賴傳感器的監(jiān)測技術(shù)有較高的要求。同時(shí)，它對監(jiān)測技術(shù)的效率、精準(zhǔn)度和時(shí)效性也有更高的期望。而基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能傳感器監(jiān)測技術(shù)能夠滿足基坑工程的各種需求［2-4］。本次研究以全站儀作為基礎(chǔ)傳感器，并將基坑工程作為主要研究對象，設(shè)計(jì)了基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能全站儀自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)高效率、高精度、高實(shí)時(shí)性的基坑工程監(jiān)測，從而保障工程安全，并降低工程事故發(fā)生的可能性。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能全站儀自動(dòng)化監(jiān)測模型

1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集與傳輸設(shè)計(jì)

研究旨在應(yīng)用監(jiān)測設(shè)備和傳感器，基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建針對深基坑工程項(xiàng)目的智能自動(dòng)化監(jiān)測模型。作為監(jiān)測模型的數(shù)據(jù)采集和傳輸基礎(chǔ)，傳感技術(shù)在深基坑監(jiān)測中扮演著重要角色。深基坑工程開挖過程中，需要全面監(jiān)測周邊地表沉降和建筑物沉降等變形問題，因此，適用的傳感器設(shè)備是不可或缺的［5-6］。傳感器的選擇需符合以下要求：選擇量程較低的監(jiān)測設(shè)備，以確保獲得更高精度的監(jiān)測數(shù)據(jù)；根據(jù)數(shù)據(jù)的變化趨勢選擇合適的靈敏度設(shè)備，在保證準(zhǔn)確性的前提下提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性；考慮到復(fù)雜的監(jiān)測環(huán)境，傳感器在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)應(yīng)具備較強(qiáng)的抗干擾性能；傳感器需與其他設(shè)備進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)。本研究主要使用LEICA TC1102 全站儀、SOKKIA SET2B 全站儀等作為主要傳感器設(shè)備。

物聯(lián)網(wǎng)無線自組網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由采集器、中繼器和收發(fā)器3 個(gè)部分組成。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)中繼器發(fā)生指令性錯(cuò)誤等意外狀況，系統(tǒng)需要采用新型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組織。研究選用了一款型號為YT-300/D4-4 的無線數(shù)據(jù)采集器作為無線自組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。該數(shù)據(jù)采集器具有強(qiáng)大的穿透力和抗衰減效果，主要硬件模塊包括主控模塊、電源管理模塊、無線射頻模塊、選擇電路和收發(fā)器，如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集器主要硬件模塊

鑒于施工現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，物聯(lián)網(wǎng)無線自組網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用簡化的校驗(yàn)碼—數(shù)據(jù)包聯(lián)合形式。該形式的通信協(xié)議通過在校驗(yàn)碼錯(cuò)誤的情況下直接舍棄數(shù)據(jù)包，來提升無線網(wǎng)絡(luò)通信能力，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的通信效果。在數(shù)據(jù)采集過程中，需要采用物聯(lián)網(wǎng)無線組網(wǎng)的方式對傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分流和接收，并實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸過程，以保證數(shù)據(jù)的連貫性。最終，將所有數(shù)據(jù)匯集到服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一處理。具體流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集具體流程

由圖2 可知：系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過程中分為4 個(gè)階段對校驗(yàn)碼錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行丟棄，分別是中繼器接收指令模塊、采集器接收指令模塊、二次中繼器接收指令模塊和串口接收指令模塊。中繼器接收指令模塊、采集器接收指令模塊和二次中繼器接收指令模塊需要進(jìn)行地址匹配驗(yàn)證，而串口接收指令模塊則需要確保數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確。此外，一旦系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集不成功，將生成錯(cuò)誤代碼并丟棄數(shù)據(jù)，直到相關(guān)數(shù)據(jù)通過校驗(yàn)或地址匹配成功后，方可進(jìn)入下一個(gè)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。

1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理策略設(shè)計(jì)

在整個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理過程中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇是非常重要的步驟。根據(jù)不同的監(jiān)測項(xiàng)目，選擇監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)和進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方法也會(huì)有所不同。本研究主要將監(jiān)測項(xiàng)目分為沉降監(jiān)測、位移監(jiān)測和支撐軸力監(jiān)測3 種，并為每種項(xiàng)目設(shè)計(jì)了相應(yīng)的計(jì)算方法。

在地表沉降監(jiān)測中，沉降計(jì)的底部位置被認(rèn)定為穩(wěn)定，因?yàn)樗鼈儽宦袢氲纳疃瘸^了基坑的挖掘深度5 m，并且底部采用了混凝土加固。因此，傳感器的輸出值也是穩(wěn)定的。確定地表沉降時(shí)，首先，需要建立以所有時(shí)刻穩(wěn)定輸出值為基礎(chǔ)的一元線性回歸方程。通過一元線性回歸模型求解回歸直線中的誤差，然后，將實(shí)際測量值中超過誤差范圍的部分剔除，最終，使用保留下來的測量值的均值作為基準(zhǔn)值V0，而絕對沉降值用V1表示，地表沉降變化絕對值為Vt，地表沉降變形值Pt如式（1）所示：

液位高差ht，j的計(jì)算式如式（2）所示：

式中：Ht，j為每次建筑物沉降監(jiān)測完畢后得到的單獨(dú)點(diǎn)位基準(zhǔn)點(diǎn)；Ht，j為液位高程。得到測點(diǎn)的液位高差后，便可以進(jìn)一步測量得到單獨(dú)點(diǎn)位產(chǎn)生的形變數(shù)值，該數(shù)值即為建筑沉降值Pt，j如式（3）所示：

式中：h0，j 為基準(zhǔn)點(diǎn)與測量點(diǎn)之間的液位高度差。在鋼支撐軸力監(jiān)測中，軸力F1計(jì)算過程如式（4）所示：

式中：fi為應(yīng)變計(jì)數(shù)值；f0為應(yīng)變計(jì)初始數(shù)值；k為應(yīng)變計(jì)標(biāo)定系數(shù)。表面應(yīng)變力F2的計(jì)算過程如式（5）所示：

式中：S為鋼支撐截面的面積；E為鋼彈模。鋼筋計(jì)的實(shí)際應(yīng)變?chǔ)舠的計(jì)算過程如式（6）所示：

式中：εx為溫度變化形成的形變誤差；αs為鋼支撐截面的變形角度；ΔT為溫度變化。在鋼混凝土支撐軸力監(jiān)測中，由于需要考慮混凝土和鋼筋兩種材料的特性和承載力差異，因此建立了變形協(xié)調(diào)支撐軸力計(jì)算式，如式（7）所示：

式中：P為支撐軸力；Ec為混凝土材料的彈性模量；Et為鋼筋材料的彈性模量；δi為鋼筋測量得到的應(yīng)力值；A為支撐面的橫截面面積；At為鋼筋的橫截面面積。樁頂水平位移監(jiān)測示意圖如圖3 所示。

圖3 樁頂水平位移監(jiān)測

由圖3 可知：樁頂水平位移監(jiān)測以全站儀為底層設(shè)備，并以參考點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)為基礎(chǔ)，分別建立參考系與變形系，最終的樁頂水平位移Dt通過當(dāng)次測量結(jié)果與初次測量結(jié)果的水平坐標(biāo)系差值計(jì)算得出，如式（8）所示：

通過對沉降監(jiān)測、位移監(jiān)測、支撐軸力監(jiān)測3種項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理，可以綜合得到建筑的異常變化狀況。

2 物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化監(jiān)測有效性驗(yàn)證

在物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化監(jiān)測有效性驗(yàn)證中，研究選擇了某市車站作為基坑監(jiān)測對象。該車站于2012 年開始建設(shè)，2016 年正式通車，整體施工條件復(fù)雜。為了驗(yàn)證自動(dòng)化監(jiān)測的準(zhǔn)確性，同時(shí)進(jìn)行了密度和頻率較高的人工監(jiān)測作為對照。從結(jié)構(gòu)斷面支撐軸力對比、地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)對比和圍護(hù)樁體測斜對比3 個(gè)方面進(jìn)行了數(shù)據(jù)對比分析。自動(dòng)監(jiān)測采用了每30 min 進(jìn)行一次監(jiān)測的頻率，而人工監(jiān)測則每天進(jìn)行2 次。由于自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)與人工監(jiān)測點(diǎn)的位置布置并不完全吻合，因此，選擇了4 個(gè)工程斷面進(jìn)行分析。具體結(jié)果如圖4 所示。

圖4 支撐軸力監(jiān)測結(jié)果

由圖4 可知：斷面1 的支撐軸力監(jiān)測顯示，人工監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出整體平穩(wěn)的狀態(tài)，盡管整體趨勢有所下降，但每個(gè)時(shí)段的波動(dòng)保持在較小的范圍內(nèi)。相比之下，自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的折線在時(shí)間點(diǎn)變化下波動(dòng)劇烈。這是因?yàn)樽詣?dòng)監(jiān)測每30 min 進(jìn)行一次，監(jiān)測結(jié)果更細(xì)致。盡管自動(dòng)監(jiān)測波動(dòng)較大，但整體趨勢與人工監(jiān)測結(jié)果一致，且自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。類似的趨勢也在斷面2 和斷面3 的支撐軸力監(jiān)測結(jié)果中觀察到，但這2 個(gè)斷面的人工監(jiān)測結(jié)果并未能在整個(gè)測試時(shí)間周期內(nèi)保持完整。這是由于受到外部因素的影響，人工監(jiān)測在某些時(shí)間節(jié)點(diǎn)上失效。然而，在這些節(jié)點(diǎn)上自動(dòng)監(jiān)測并未出現(xiàn)失效情況，因此，自動(dòng)監(jiān)測的檢測效果更加穩(wěn)定。斷面4 的數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出與人工監(jiān)測類似的趨勢，再次證實(shí)了自動(dòng)監(jiān)測在軸支撐力監(jiān)測中的準(zhǔn)確性。地表沉降監(jiān)測結(jié)果如圖5 所示。

圖5 地表沉降監(jiān)測結(jié)果

由圖5 可知：在斷面5、斷面6、斷面7 和斷面8等地表沉降斷面上，自動(dòng)化監(jiān)測和人工監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)值較為接近，整體差異不大，誤差保持在3 mm范圍內(nèi)。由于自動(dòng)監(jiān)測和人工監(jiān)測在監(jiān)測頻率和位置上存在一定差距，因此，這樣的誤差是可以接受的。地表沉降斷面的監(jiān)測結(jié)果充分證實(shí)了自動(dòng)監(jiān)測的有效性。圍護(hù)樁體測斜監(jiān)測結(jié)果對比如圖6所示。

圖6 圍護(hù)樁體測斜監(jiān)測結(jié)果

由圖6 可知：選取了圍護(hù)樁體測斜出現(xiàn)的斷面2、斷面5 和斷面6 作為監(jiān)測對比對象。在斷面2的監(jiān)測結(jié)果中，可以觀察到自動(dòng)監(jiān)測結(jié)果整體波動(dòng)較小，折線在0.0 mm 位移基準(zhǔn)上進(jìn)行輕微的左右波動(dòng)，而人工監(jiān)測折線顯示出相對較大的波動(dòng)幅度。這是因?yàn)樽詣?dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)主要由沿著樁體分布的采集器材采集，并通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。從數(shù)據(jù)處理和采集角度來看，自動(dòng)監(jiān)測受到外部因素的影響較少，因此，形成的監(jiān)測數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。相比之下，人工監(jiān)測容易受到溫度、濕度、人為因素等多種外部因素的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，并且部分?jǐn)?shù)據(jù)可能失真。類似的特征也在斷面5和斷面6 中觀察到，自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出在0.0 mm位移附近小幅度波動(dòng)的狀態(tài)，整體波動(dòng)頻率較低。而人工監(jiān)測數(shù)據(jù)則呈現(xiàn)出較大且頻繁的波動(dòng)。盡管斷面6 的人工監(jiān)測結(jié)果在深度增加時(shí)呈現(xiàn)出一定的收斂趨勢，但收斂后的波動(dòng)范圍仍然大于自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍。因此，可見自動(dòng)監(jiān)測始終具有數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確的優(yōu)勢。

3 結(jié)語

本次研究旨在優(yōu)化基坑工程中監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和傳感監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立了數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集和傳輸?shù)募軜?gòu)，并針對地表沉降監(jiān)測、建筑物沉降監(jiān)測、樁頂水平位移監(jiān)測、鋼支撐軸力監(jiān)測以及鋼混凝土支撐軸力監(jiān)測這5 種主要工程項(xiàng)目的監(jiān)測類型，設(shè)計(jì)了區(qū)分化的數(shù)據(jù)處理策略。最后，通過實(shí)際監(jiān)測驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。結(jié)果顯示：設(shè)計(jì)的基坑自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)在支撐軸力監(jiān)測方面與人工監(jiān)測結(jié)果呈現(xiàn)一致的變化趨勢，但在監(jiān)測效果上更加細(xì)致、準(zhǔn)確和有效。在地表沉降監(jiān)測方面，系統(tǒng)在4 個(gè)斷面的監(jiān)測結(jié)果與人工監(jiān)測結(jié)果的誤差都保持在3 mm 范圍內(nèi)，證明系統(tǒng)具備有效性。而在圍護(hù)樁體測斜監(jiān)測方面，系統(tǒng)展現(xiàn)出更為穩(wěn)定的監(jiān)測效果，相比容易受干擾的人工監(jiān)測，具備更大的優(yōu)勢。綜上所述，研究設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)在基坑工程中表現(xiàn)出顯著的有效性，相較于人工監(jiān)測具備更多的優(yōu)勢。