段　偉，王　敏，鐘金寧，左靖山

(1. 南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019； 2. 北京天寶富通測控技術有限公司，北京 100043)

DUAN Wei，WANG Min，ZHONG Jinning，ZUO Jingshan

地鐵隧道結構穩(wěn)定性自動化監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應用

段偉1，王敏1，鐘金寧1，左靖山2

(1. 南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019； 2. 北京天寶富通測控技術有限公司，北京 100043)

Application and Research of Automatic Monitoring System for Stability of Subway Tunnel Structure

DUAN Wei，WANG Min，ZHONG Jinning，ZUO Jingshan

摘要：隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，目前我國的地鐵營運線路長度已近300 km，如何實時監(jiān)測地鐵結構的穩(wěn)定性，保障地鐵營運安全，受到各地政府的高度重視。本文基于高精度全站儀構建開發(fā)了地鐵隧道結構安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)，利用VT檢驗法對基準點進行了穩(wěn)定性判定，實現(xiàn)了遠程無線控制全站儀對地鐵結構進行自動化監(jiān)測，通過三維一體化、高精度系統(tǒng)快速對地鐵隧道進行了水平位移、垂直位移、隧道直徑收斂等諸多變形量的監(jiān)測，并通過試驗對該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和監(jiān)測成果精度進行了統(tǒng)計分析。結果表明，該系統(tǒng)能夠滿足地鐵結構監(jiān)測毫米級的精度要求，并具有較好的穩(wěn)定性。

引文格式： 段偉，王敏，鐘金寧，等. 地鐵隧道結構穩(wěn)定性自動化監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應用[J].測繪通報，2015(9)：91-94.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0288

關鍵詞：VT檢驗法；地鐵隧道；結構穩(wěn)定性；自動化監(jiān)測

中圖分類號：P258

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)09-0091-04

收稿日期：2014-12-03

基金項目：江蘇省科技支撐計劃(BE2014026)

作者簡介：段偉(1985—)，男，碩士生，工程師，主要研究方向為精密工程測量與變形監(jiān)測。E-mail：306132870@qq.com

通信作者：王敏 。E-mail：endyyl@163.com

一、引言

隨著我國地鐵交通工程的快速發(fā)展，高精度全站儀在地鐵隧道結構穩(wěn)定性自動化監(jiān)測中的應用已非常廣泛[1-4]。地鐵的變形監(jiān)測精度要求高(一般要求1 mm乃至更小)，而且基準點和監(jiān)測點都只能布設在地鐵隧道的狹長空間中，因此地面攝影測量和三維激光掃描目前還難以達到監(jiān)測要求。地鐵隧道內的監(jiān)測點數(shù)量比較大,其變形監(jiān)測過程周期性和長期性的要求,使得數(shù)據(jù)量非常龐大[5]，傳統(tǒng)通信及存儲方法不便于管理如此大量的數(shù)據(jù)。此外,地鐵施工位于地下,不便采用GPS技術；而精密水準測量(包括液體靜力水準測量)只能作沉降監(jiān)測,且費工費時，效率較低。因此,用高精度測量機器人建立地鐵隧道變形自動化持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)就成為最好的選擇。

基于高精度全站儀的三維自動化監(jiān)測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)地鐵結構安全監(jiān)測的實時化、自動化、智能化[6]，同時可獲取地鐵結構在水平、垂直、直徑收斂等毫米級的變形數(shù)據(jù)，滿足保障地鐵結構安全的需求。為此筆者基于不同品牌及精度的全站儀構建研發(fā)了地鐵隧道結構安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)，利用VT檢驗法[7]在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)對基準點組進行了穩(wěn)定性判定，并在南京地鐵某保護區(qū)監(jiān)測項目中進行了實際應用，最后對基于不同精度及品牌全站儀的監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性及成果精度進行了對比分析。

二、自動化監(jiān)測系統(tǒng)結構設計

基于自動化監(jiān)測系統(tǒng)原理，筆者設計了集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、成果發(fā)布于一體的一整套地鐵隧道結構安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)，具體系統(tǒng)結構如圖1所示。

1. 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)中，筆者基于Trimble Precision SDK平臺及Leica GeoCom指令集研發(fā)了可支持Trimble S8及Leica TM30全站儀的數(shù)據(jù)采集管理平臺，實現(xiàn)了利用遠程控制全站儀進行數(shù)據(jù)的采集與管理，圖2為數(shù)據(jù)采集管理平臺界面。

系統(tǒng)主要功能有：利用遠程數(shù)據(jù)采集平臺控制全站儀進行點位學習、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)庫存儲；遠程控制全站儀開始、暫停及停止自動觀測；進行各工作基點觀測點組分組設定；遠程設定自動觀測周期；單點測量次數(shù)與重復觀測時間間隔設定等。

2. 數(shù)據(jù)及指令通信

在數(shù)據(jù)及指令通信環(huán)節(jié)，筆者發(fā)明了自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，并獲得實用型新專利(專利號：ZL201120462266.X),本實用新型提供的自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)與現(xiàn)有技術相比具有3個方面的優(yōu)點：

1) 通信方面：進來的RS485信號轉換為RJ45信號，通過3G無線模塊與外圍服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與指令傳輸，通信速度比GPRS有百倍的提高，減少了點組監(jiān)測時間，提高了監(jiān)測精度。2) 供電方面：將220 V電源轉換為12 V和24 V，12 V給各模塊供電，24 V給傳感器供電，傳感器與RTU之間用8芯網(wǎng)線連接，用于供電及數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了各種模塊及傳感器統(tǒng)一供電，減少了電纜的布設，降低了成本。

圖1　地鐵隧道結構安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)

圖2　數(shù)據(jù)采集管理平臺

3) 系統(tǒng)控制方面：采用帶有單片機功能的短信控制模塊及繼電器組成系統(tǒng)的控制中心，手動或自動控制系統(tǒng)的開關狀態(tài)，定時復位系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3. 數(shù)據(jù)處理

基準點組穩(wěn)定性判定為數(shù)據(jù)處理最重要的環(huán)節(jié)，其方法是否恰當將直接影響監(jiān)測成果的精度。本文利用VT檢驗法在監(jiān)測點成果解算前對基準點組進行穩(wěn)定性判定，剔除不穩(wěn)定的基準點，以提高監(jiān)測點解算成果的精度。檢驗思路為[7]：

1) 依據(jù)自由設站所得的觀測數(shù)據(jù)資料，利用全站儀空間后方交會算法計算出工作基點坐標的近似值。

The traditionaalgorithm can be improved by u(e),and the trajectory that meets the requirements of the reachability and IKPI can be searched by the improvedalgorithm.

2) 假設控制網(wǎng)中基準點穩(wěn)定不變，采用經(jīng)典平差方法進行三維平差計算，獲取所有參數(shù)最或是值(包括工作基點三維坐標)。

3) 利用Helmert方差估計公式，分別計算出其中3類觀測值(水平方向角、天頂距、斜距)的單位權中誤差m01、m02、m03。

4) 計算出3類觀測值的改正數(shù)νi、νj、νk。

5) 構建3類觀測值統(tǒng)計量t

6) 選擇適當?shù)闹眯潘溅?本次取α=99%)，計算統(tǒng)計量t的限差t0。

三、監(jiān)測網(wǎng)及試驗環(huán)境設置

本次試驗在南京某地鐵保護區(qū)監(jiān)測項目區(qū)域進行，使用兩臺Trimble S8全站儀(0.5″一臺，1″一臺)，采用基準點組、工作基點、監(jiān)測點模式構成監(jiān)測網(wǎng)[2]，如圖3所示。

監(jiān)測網(wǎng)中，各基準點組由9個L型棱鏡基準點組成；工作基點設在監(jiān)測區(qū)內相對穩(wěn)定、通視情況較好、結構牢固的位置，安裝強制對中裝置[8]；監(jiān)測點按10 m一個斷面，每斷面7個監(jiān)測點(安置L型棱鏡)布設，監(jiān)測斷面布點如圖4所示。

圖3　變形監(jiān)測網(wǎng)

圖4　監(jiān)測斷面布設

通過各斷面監(jiān)測點的三維坐標值解算各測項值及其變化量。其中，7號點計算道床垂直位移；2號點計算水平位移；2號點和5號點計算水平收斂；4號點和6號點、4號點和7號點計算豎向收斂；3號點計算拱頂垂直位移。

為客觀分析該系統(tǒng)的成果精度，在采用Trimble S8全站儀監(jiān)測一個月后，將兩個工作基點分別換上Leica TM30(0.5″)，配合Leica GeoMoS軟件繼續(xù)監(jiān)測一個月，以獲取相同條件下的結構變形原始觀測數(shù)據(jù)來進行對比分析。

四、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性從數(shù)據(jù)采集的成功率與采集效率兩個方面進行分析。

對試驗期間監(jiān)測點觀測原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，觀測點組數(shù)據(jù)成功率見表1?？梢钥闯?，采用Trimble S8全站儀配合自主研發(fā)的數(shù)據(jù)采集平臺，與采用Leica TM30全站儀配合GeoMoS軟件每周期點組采集成功率均在96%以上，采集成功率較高。

對試驗期間采集所有監(jiān)測點數(shù)據(jù)的使用時間進行統(tǒng)計，并計算出單點單面測量使用時間(s)，繪制頻數(shù)分布直方圖，如圖5所示。

表1　監(jiān)測數(shù)據(jù)成功率統(tǒng)計　(%)

由圖5可以看出，利用不同全站儀單點測量用時為(11.5±1.5)s，置信概率為95%，采集效率差異較小。

圖5　單點單面數(shù)據(jù)采集時間頻數(shù)分布

五、監(jiān)測成果精度分析

基于試驗原始觀測數(shù)據(jù)，利用自主研發(fā)的三維自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，解算出各周期的監(jiān)測成果。

分別選取水平位移(X方向)測項、垂直位移(Z方向)測項對0.5″與1″ Trimble S8的監(jiān)測點成果數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算出不同精度全站儀各監(jiān)測成果精度。將采用不同精度Trimble S8的監(jiān)測成果進行對比分析，以距離為橫軸、中誤差為縱軸作中誤差隨監(jiān)測點到工作基點的距離變化關系的曲線圖，如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7對比結果可知，采用0.5″ Trimble S8全站儀的水平位移測量中誤差區(qū)間為0.35～0.53 mm，垂直位移測量中誤差區(qū)間為0.42～0.61 mm；采用1″ Trimble S8全站儀的水平位移測量中誤差區(qū)間為0.36～0.57 mm，垂直位移測量中誤差區(qū)間為0.31～0.68 mm；兩種精度全站儀監(jiān)測成果精度均比較穩(wěn)定，且都能保證百米1 mm的監(jiān)測精度要求；同時，水平方向上的成果精度要略高于垂直方向。

圖6　0.5″與1″ Trimble S8監(jiān)測點水平位移精度-距離關系

圖7　0.5″與1″ Trimble S8監(jiān)測點垂直位移-距離關系

為了對比分析基于Trimble全站儀的監(jiān)測系統(tǒng)成果精度，同時對同條件下的Leica系統(tǒng)監(jiān)測成果數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算出其監(jiān)測成果精度。將0.5″ Trimble系統(tǒng)與0.5″ Leica系統(tǒng)的監(jiān)測成果(選擇YSZ2監(jiān)測數(shù)據(jù))精度進行對比分析，以距離為橫軸、中誤差為縱軸作中誤差隨監(jiān)測點到工作基點的距離變化關系的曲線圖，如圖8所示。

圖8　Trimble、Leica監(jiān)測點垂直、水平位移精度-距離關系

由對比結果可知，采用Leica監(jiān)測系統(tǒng)的水平位移測量中誤差區(qū)間為0.41～0.51 mm，垂直位移測量中誤差區(qū)間為0.38～0.51 mm；采用Trimble監(jiān)測系統(tǒng)的水平位移測量中誤差區(qū)間為0.38～0.52 mm，垂直位移測量中誤差區(qū)間為0.41～0.52 mm；兩者監(jiān)測成果精度相當。

六、結束語

本文基于不同品牌及精度的全站儀構建研發(fā)了地鐵隧道結構安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)中研發(fā)了數(shù)據(jù)采集平臺同時管理不同品牌全站儀；在數(shù)據(jù)及指令傳輸環(huán)節(jié)中開發(fā)了自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率及穩(wěn)定性；在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中應用VT檢驗法對基準點組進行了穩(wěn)定性判定，最后通過試驗對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和監(jiān)測成果精度進行了對比分析。結果表明，基于高精度全站儀的地鐵隧道自動化監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集成功率、穩(wěn)定性高，數(shù)據(jù)傳輸基本無延時，經(jīng)過基準點組穩(wěn)定性判定后監(jiān)測點百米內三維成果精度優(yōu)于1 mm，能夠較好滿足地鐵結構監(jiān)測在系統(tǒng)穩(wěn)定性、成果精度、準確度等方面的需求。

參考文獻：

[1]陳喜鳳，黃騰，劉嶺，等.GeoMoS在地鐵保護區(qū)自動化監(jiān)測中的應用[J].測繪工程，2013，22(2)：64-69.

[2]梅文勝，張正祿，郭標明，等.測量機器人變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件研究[J].武漢大學學報：信息科學版，2002，27(2)：165-171.

[3]谷川，楊元偉.全站儀自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].鐵道勘察，2011(5)：1-4.

[4]衛(wèi)建東．智能全站儀變形監(jiān)測系統(tǒng)及其在地鐵結構變形監(jiān)測中的應用[D]．鄭州：信息工程大學，2002.

[5]岳建平，田林亞. 變形監(jiān)測技術與應用[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[6]鐘金寧，段偉，田有良.應用TM30進行地鐵隧道變形自動化監(jiān)測的研究[J].測繪通報，2011(7):85-88.

[7]段偉，儲征偉，杜偉吉，等. 基于VT檢驗法的變形監(jiān)測基準點穩(wěn)定性分析[J]. 測繪通報，2014(S1)：36-38.

[8]徐源，董慶金，鐘金寧. 對地鐵結構監(jiān)測基準點穩(wěn)定性的研究[J]. 現(xiàn)代測繪， 2012， 35(32)：32-34.