李新求，梅迎春，蒙尚雁，張　齊

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基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李新求1,2，梅迎春1,2，蒙尚雁1，張齊2

(1. 廣東省工程勘察院自動(dòng)化變形監(jiān)測研究所，廣東 廣州 510000； 2. 廣東澤寶變形監(jiān)測

研究有限公司，廣東 廣州 510000)

傳統(tǒng)的人工監(jiān)測已經(jīng)無法滿足社會(huì)對(duì)安全越來越高的要求。而具有自動(dòng)目標(biāo)照準(zhǔn)功能的全站儀的出現(xiàn)及各種不同類型的巖土傳感器的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測自動(dòng)化提供了有利條件，基于自動(dòng)化的變形監(jiān)測系統(tǒng)的研究和開發(fā)也相繼展開。

一、自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)主要由硬件部分(全站儀、棱鏡組、各類型傳感器、控制電腦、微型控制單元MCU、信號(hào)傳輸單元等)和軟件部分(自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理預(yù)警系統(tǒng)、變形監(jiān)測簡報(bào)自動(dòng)生成系統(tǒng)、自動(dòng)化監(jiān)測信息管理平臺(tái))組成。整個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

二、自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分

自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分涉及感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層，感知層包括棱鏡組+全站儀、巖土類傳感器；網(wǎng)絡(luò)層包括無線發(fā)射模塊、微型控制單元(MCU)、數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)；應(yīng)用層包括電腦、手機(jī)、Pad、LED顯示屏等載體。

圖1　自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

三、自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)

1. 自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)在Visual Studio 2010的平臺(tái)上采用Visual C#進(jìn)行開發(fā)，指導(dǎo)徠卡全站儀和各類型傳感器進(jìn)行監(jiān)測作業(yè)。

2. 自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理預(yù)警系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集過程實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，并對(duì)超限的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分級(jí)報(bào)警處理，報(bào)警方式靈活多樣，可以發(fā)送短信、郵件，也可以遠(yuǎn)程激活報(bào)警器等，將信息及時(shí)發(fā)送給所有可能會(huì)受到安全威脅的人群。

3. 變形監(jiān)測簡報(bào)自動(dòng)生成系統(tǒng)

系統(tǒng)使用Java語言進(jìn)行編寫，采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)架構(gòu)方便用戶登錄。其主要功能是幫助建設(shè)工程領(lǐng)域中第三方監(jiān)測客戶對(duì)所屬監(jiān)測項(xiàng)目的整體流程進(jìn)行規(guī)范化管理，并通過數(shù)據(jù)的導(dǎo)入智能生成符合政府監(jiān)管部門、監(jiān)理、建設(shè)、施工等單位要求的電子簡報(bào)，還可以導(dǎo)出滿足監(jiān)測行業(yè)的Excel數(shù)據(jù)報(bào)表、曲線圖等，取代了傳統(tǒng)的人工操作和管理模式；通過網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)工作人員可以隨時(shí)隨地了解施工現(xiàn)場監(jiān)測情況，并通過導(dǎo)入人工監(jiān)測數(shù)據(jù)及自動(dòng)獲取自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)生成簡報(bào)，使信息的傳遞更加快捷和方便，從而擴(kuò)展了辦公方式，實(shí)現(xiàn)了辦公的高效率。該系統(tǒng)不僅可以節(jié)約費(fèi)用、節(jié)省時(shí)間，還可以達(dá)到環(huán)保要求，完善監(jiān)測數(shù)據(jù)管理模式，同時(shí)提高了項(xiàng)目管理水平，確保了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，達(dá)到建設(shè)工程信息化施工的標(biāo)準(zhǔn)。

4. 自動(dòng)化監(jiān)測信息管理平臺(tái)

平臺(tái)采用客戶端/服務(wù)器(C/S)架構(gòu)，并采用大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Oracle進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與管理。

平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)包括第三方監(jiān)測單位、政府安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)、建設(shè)、施工和監(jiān)理等單位的多方監(jiān)管功能。安全信息主界面地圖顏色顯示一目了然；數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行采集、傳輸、分析、處理、預(yù)警并及時(shí)共享，實(shí)現(xiàn)多區(qū)域多監(jiān)測信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和共享查詢；發(fā)生預(yù)警時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)以短信、郵箱、電話等形式預(yù)警或報(bào)警通知各責(zé)任主體、政府安全監(jiān)督部門或行政主管部門。平臺(tái)能夠?qū)ΡO(jiān)測項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)測和監(jiān)管，監(jiān)管對(duì)象從人工轉(zhuǎn)化為儀器，為建設(shè)工程安全監(jiān)管部門的管理模式創(chuàng)新提供了信息化技術(shù)手段。同時(shí)，平臺(tái)還能夠接入不同廠家不同類型的傳感器，全面地對(duì)監(jiān)測信息進(jìn)行掌握。

四、自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)通信的設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)，自動(dòng)化采集軟件可以對(duì)全站儀和各類傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，全站儀和傳感器的數(shù)據(jù)也可以實(shí)時(shí)傳輸至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與傳感層的“閉環(huán)”控制。

全站儀的自動(dòng)化作業(yè)主要是通過與計(jì)算機(jī)之間的指令和數(shù)據(jù)交互完成的。計(jì)算機(jī)向全站儀發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求(Request，操作指令)，全站儀就向計(jì)算機(jī)返回一個(gè)應(yīng)答(Reply，當(dāng)前狀態(tài)或觀測數(shù)據(jù))。整個(gè)過程利用全站儀的自動(dòng)照準(zhǔn)功能(ATR)，并結(jié)合基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)棱鏡測量出變形監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，然后通過RS232串口通信，連接無線傳輸單元(DTU)以GPRS方式進(jìn)行發(fā)送與接收。

針對(duì)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)目多的特點(diǎn)，將各個(gè)傳感器組成的測量點(diǎn)構(gòu)成測量網(wǎng)絡(luò)，使用SNAP的無線mesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)ZigBee的無線組網(wǎng)，利用ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)將某一區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)集中到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)MCU，然后通過DTU以GPRS方式發(fā)送至服務(wù)器。系統(tǒng)采用先進(jìn)的無線自組網(wǎng)(WSN)技術(shù)，每個(gè)傳感器模塊獨(dú)立工作，即使出現(xiàn)單個(gè)壞點(diǎn)，也不影響整個(gè)系統(tǒng)工作。

五、工程應(yīng)用

目前該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于廣州、佛山、珠海等地的19個(gè)基坑工程施工中，本文以佛山某基坑支護(hù)工程為例。

該項(xiàng)目共有9個(gè)監(jiān)測項(xiàng)，分別為基坑頂部水平位移及沉降監(jiān)測、周邊地面沉降監(jiān)測、地下水位監(jiān)測、錨索監(jiān)測、圍護(hù)結(jié)構(gòu)測斜、支撐應(yīng)力監(jiān)測、立柱沉降監(jiān)測?；禹敳砍两导暗叵滤槐O(jiān)測曲線如圖2、圖3所示。可以看出，各監(jiān)測項(xiàng)數(shù)據(jù)均正常，未超報(bào)警值。通過現(xiàn)場對(duì)該工程進(jìn)行檢查,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)狀況良好,與人工監(jiān)測也比較吻合。通過長時(shí)間的應(yīng)用，可知該系統(tǒng)可以正常用于實(shí)際工程監(jiān)測應(yīng)用中。

圖2　基坑頂部沉降監(jiān)測曲線

圖3　基坑地下水位監(jiān)測曲線

六、結(jié)論

本文介紹了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)的自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)，最后通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了本系統(tǒng)的實(shí)用性與可靠性。同時(shí)，得到以下結(jié)論：

1) 將“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維應(yīng)用到自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，搭建了一個(gè)開放的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，一個(gè)系統(tǒng)可以同時(shí)接入不同廠家多種型號(hào)的傳感器(如電感式、電容式、振弦式等)，創(chuàng)新的“3+1”平臺(tái)管理模式，能夠?qū)⒈O(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享給第三方監(jiān)測單位、安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)、建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位等單位，真正做到了信息化施工。

2) 自動(dòng)化在線監(jiān)測平臺(tái)高度集成了“全站儀+多種傳感”的測量，一個(gè)軟件可以同時(shí)測多個(gè)項(xiàng)目，同時(shí)也可以對(duì)單個(gè)項(xiàng)目的水平位移、沉降、水位、土壓力等多個(gè)監(jiān)測項(xiàng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，做到數(shù)據(jù)的高度融合。

3) 監(jiān)測數(shù)據(jù)從采集到成果輸出全程無需人工參與，全程智能化、一體化、標(biāo)準(zhǔn)化，管理重點(diǎn)從人變?yōu)樵O(shè)備，管理模式也轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、可視化管理，提高了監(jiān)測效率，降低了管理成本。

本系統(tǒng)的通用性強(qiáng)，集成度高，不僅可以用于基坑監(jiān)測，在建筑物變形監(jiān)測、地下隱蔽設(shè)施監(jiān)測、滑坡監(jiān)測、大壩變形監(jiān)測，以及橋梁工程監(jiān)測、高支模監(jiān)測、地鐵監(jiān)測等變形監(jiān)測方面也有廣泛的應(yīng)用前景。

(本專欄由徠卡測量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)

徠卡測量新技術(shù)應(yīng)用專欄