江紅兵，王勁松（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510650）

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基于徠卡測量機器人的隧道自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

江紅兵，王勁松
（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510650）

摘要：基于徠卡測量機器人，采用VB6.0平臺+徠卡GeoCOM二次開發(fā)模式，設(shè)計出一個簡單實用的隧道自動測量系統(tǒng)，從整個系統(tǒng)的硬件組成、詳細功能設(shè)計、系統(tǒng)運行、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析方面，分別進行了論述。提出了一種邊角后方交會平差模型，并對自動測量的結(jié)果進行了測試驗證，獲得了亞毫米級高精度測量結(jié)果，對隧道信息化自動監(jiān)測具有積極的參考意義。

關(guān)鍵詞：自動監(jiān)測；測量機器人；二次開發(fā)；后方交會；數(shù)據(jù)庫

1 引言

近年來，交通建設(shè)中橋隧比居高不下，有的甚至高達近90%［1］。隧道建設(shè)的安全問題尤其重要，而機械自動化、電子學(xué)、圖像識別處理、相關(guān)傳感器技術(shù)等進步帶來了測量儀器的日益精確和自動化，加之計算機軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等發(fā)展，使得自動監(jiān)控測量技術(shù)應(yīng)運而生，例如，在德國的一些隧道變形監(jiān)測中，采用基于徠卡GeoMoS的自動監(jiān)測系統(tǒng)，精度能夠達到亞毫米級，而且大部分監(jiān)測成果精度優(yōu)于0.5 mm，技術(shù)上具有明顯的優(yōu)勢，大大減少了人工勞動；廣州地鐵6號線的施工對運營中的1號線有影響，為了加強對1號線的變形監(jiān)測，廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院采用測量機器人進行了自動監(jiān)測，認為該方式是運營地鐵隧道變形監(jiān)測的理想手段［2］。但是，這些監(jiān)測系統(tǒng)大都采用徠卡公司或?qū)I(yè)團隊提供的商用軟件，成本高，不易擴展。本系統(tǒng)以瑞士徠卡公司生產(chǎn)的系列測量機器人作為核心硬件，以VB6.0+徠卡Geo-COM二次開發(fā)方式自主搭建系統(tǒng)，成本低，系統(tǒng)功能容易靈活擴展，實用性高。

2 自動監(jiān)測系統(tǒng)硬件

實現(xiàn)自動監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。

圖1　自動監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成

高精度徠卡測量機器人是主體，左邊是由計算機接出的電纜線及無線電臺，用于計算機（服務(wù)器）與機器人端的電臺建立無線通訊連接，從而發(fā)出控制指令、接收測量數(shù)據(jù)，右邊是Y型電纜線，有3個端口，一個端口連接測量機器人，一個端口是無線電臺，另一個端口接外掛移動電源，該電源可以延長供電時間，也可作為“適配器”接220 v電源使測量機器人24 h全天候自動監(jiān)測，而且可以防止突然斷電。

徠卡測量機器人是精密制造的、帶有伺服馬達驅(qū)動的、具有自動識別、搜索、精確瞄準(zhǔn)、跟蹤目標(biāo)棱鏡功能，搭載有自動化應(yīng)用程序，可以完成角度、距離、三維坐標(biāo)測量，其測角精度可以達到0.5″，測距精度可以達到0.6 mm+1 mm/ km［3］。徠卡測量機器人還支持用戶二次開發(fā)［4］，為用戶提供了兩種開發(fā)方式：地理數(shù)據(jù)通訊接口技術(shù)（簡稱GeoCOM接口技術(shù)）和GeoBasic開發(fā)技術(shù)［5］。本文論述的自動監(jiān)測系統(tǒng)正是基于徠卡GeoCOM二次開發(fā)形成。

3 隧道自動監(jiān)測系統(tǒng)功能分析與設(shè)計

隧道監(jiān)測工作的特點是空間小、監(jiān)測頻率高、監(jiān)測斷面多、工作量大，并且不管是施工期的隧道還是運營期的隧道，其監(jiān)測工作都要避開正常施工、運營時段，通常是在下半夜，而測量機器人最大的特色就是可以實現(xiàn)高精度自動化監(jiān)測，所以，隧道自動監(jiān)測是測量機器人自動化監(jiān)測最經(jīng)典的應(yīng)用場景之一。

根據(jù)實際工程需求分析，隧道自動監(jiān)測系統(tǒng)的總體組成如圖2所示。

圖2　自動監(jiān)測系統(tǒng)整體組成

參考系由穩(wěn)定的已知三維坐標(biāo)控制點組成，如圖3中所示C1、C2，也可以增加一個控制點用于校核，其平面坐標(biāo)由洞外引測的精密導(dǎo)線測量獲取，其高程坐標(biāo)由精密二等水準(zhǔn)測量方式獲取。被監(jiān)測的變形體由反映變形代表性的斷面組成，每個監(jiān)測斷面又由有代表性的監(jiān)測點（如圖3中所示J1、J2、J3、J4、J5）組成。參考點和監(jiān)測點上均放置徠卡原裝精密小棱鏡，計算機發(fā)出指令控制測量機器人，按預(yù)先設(shè)計的方案，精密測量基站與參考點、監(jiān)測點間的水平角、豎直角、距離，通過測量數(shù)學(xué)模型，解算出各監(jiān)測點的三維坐標(biāo)。監(jiān)測軟件對每一周期所測的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行整理計算，進而得到水平位移、豎直沉降、傾斜等數(shù)據(jù)，如果使用的是徠卡高端測量機器人，還能獲取溫度、濕度、氣壓、瓦斯?jié)舛鹊淖兓葦?shù)據(jù)。采用相關(guān)評價模型，換算為一定的安全評價指標(biāo)，結(jié)合相關(guān)部門設(shè)置的預(yù)警值，將監(jiān)測的結(jié)果通過Internet、短信息等方式實時播報給用戶。

圖3　隧道自動監(jiān)測示意

隧道自動監(jiān)測系統(tǒng)的詳細功能設(shè)計如圖4所示。

圖4　自動監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)計

自動監(jiān)測中心是整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心，由“參考基準(zhǔn)”、“自動測量”、“數(shù)據(jù)處理”、“結(jié)果播報”4個功能模塊組成，系統(tǒng)界面設(shè)計如圖5所示。

進入“自動監(jiān)測”，首先要將測量機器人與計算機成功建立通訊連接，本系統(tǒng)采用便捷的無線電臺通訊模式，徠卡的GeoCOM二次開發(fā)中需要調(diào)用 VB_COM_OpenConnection（ByVal Com-Port As Integer，ByVal Baudrate As Integer，ByVal Retries As Integer），在調(diào)用前，要設(shè)置通訊參數(shù)，例如端口、波特率、通訊協(xié)議等［6］，這些參數(shù)值作為函數(shù)的輸入?yún)?shù)，根據(jù)其輸出參數(shù)值，可以判斷儀器是否成功連接，然后在狀態(tài)欄予以顯示。

圖5　測量機器人自動化測量系統(tǒng)界面

連接儀器后，要對自動測量方案進行個性化的設(shè)置，為了便于自動監(jiān)測開始后，測量機器人能快速瞄準(zhǔn)所有目標(biāo)棱鏡，需要進行“學(xué)習(xí)測量”：如圖3隧道自動監(jiān)測示意圖所示，從第一條起始邊C1方向開始，人工輔助順時針瞄準(zhǔn)所有的已知參考點、所有斷面待測監(jiān)測點測量一遍，讓測量機器人“記住”這些點的位置，自動測量時就可以快速瞄準(zhǔn)、提高效率。一般，按照方向觀測法的順序，人工輔助瞄準(zhǔn)各點，瞄準(zhǔn)后調(diào)用測量函數(shù)VB_BAP_MeasDistanceAngle（BAP_DEF _DIST，dHz，dV，dDistance）［6］，存儲參數(shù)dHz、dV的返回值，即記錄每個目標(biāo)方向的水平角、豎直角，這也是后期正式自動測量時調(diào)用“瞄準(zhǔn)函數(shù)”的兩個重要輸入?yún)?shù)，按這里“記住”的各“水平角、豎直角”迅速瞄準(zhǔn)各點測量。學(xué)習(xí)測量的結(jié)果，可以存儲在普通的變量、組數(shù)中，但當(dāng)需要觀測的方向較多時，或者便于操作，可以將學(xué)習(xí)測量得到的系列“水平角、豎直角”存儲在文件中，若程序中斷、重啟時，只須要直接調(diào)用保存好的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)。學(xué)習(xí)完成后最好回到起始方向，為進入自動測量作好準(zhǔn)備。

按預(yù)先設(shè)計好的方案，計算機系統(tǒng)時間到了“本次開始時刻”，開始自動測量：首先，調(diào)用VB_TMC_SetOrientation（Hz）進行水平度盤設(shè)置，這相當(dāng)于我們普通全站儀的“置盤”；然后調(diào)用VB_AUT_MakePositioning4（Hz，V，POSMode，ATRMode，bDummy）進行精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)，其中的輸入?yún)?shù)“Hz，V”，就采用前一步驟“學(xué)習(xí)測量”的記錄結(jié)果；接著調(diào)用函數(shù)VB_BAP_MeasDistanceAngle（BAP_DEF_DIST，dHz，dV，dDistance）驅(qū)動機器人進行精密測量，測量的水平角讀數(shù)、豎盤讀數(shù)、距離分別存儲在返回參數(shù)dHz，dV，dDistance中，這些返回參數(shù)值就是最重要的原始測量數(shù)據(jù)，需要及時存儲至數(shù)據(jù)庫。然后調(diào)用 VB_AUT_ChangeFace4 （AUT_NORMAL，AUT_POSITION，F(xiàn)alse）置盤右狀態(tài)，繼續(xù)調(diào)用函數(shù)進行精密測量，存儲數(shù)據(jù)。下一目標(biāo)，就是重復(fù)“瞄準(zhǔn)-盤左測量-置盤右-盤右測量”，直到測完所有目標(biāo)回到起始方向，然后開始第二測回，開始前，間隔180°/n（n為設(shè)置的測回數(shù)）置盤，直到本周期所有測回完成，待下一周期時刻到來，依次重復(fù)每一周期自動測量。

表1　自動測量數(shù)據(jù)實時保存

系統(tǒng)在自動測量的同時，同步將原始觀測數(shù)據(jù)和實時計算的指標(biāo)數(shù)據(jù)保存到Access數(shù)據(jù)庫中，如表1，這也方便數(shù)據(jù)備份查找。

數(shù)據(jù)處理是自動測量的關(guān)鍵，本系統(tǒng)設(shè)計方案，采用如下思路：

如圖3隧道自動監(jiān)測示意圖所示，測量機器人位于工作點，連同兩個已知參考點和所有斷面上的監(jiān)測點，采用方向觀測法，進行自動監(jiān)測，得到每個目標(biāo)方向的豎直角、距離、與起始方向的水平夾角，由于每周期采用多測回方向觀測法，經(jīng)數(shù)據(jù)整理，得到最終的角度、距離，所以其測量精度非常高。

工作點平面坐標(biāo)計算：采用后方交會計算測站點平面坐標(biāo)，由于既觀測了兩邊長，又觀測了水平夾角，所以可以進行嚴(yán)密數(shù)學(xué)平差，提高精度。采用間接平差［7］，機器人測站工作點近似坐標(biāo)計算模型如圖6所示。

圖6　間接平差計算模型

S代表測站點，C1、C2代表兩已知參考點，水平夾角∠C1SC2、平距d1、d2為自動測量得到的精確值，在三角形C1SC2中，由余弦定理得：

進而

由C1、C2兩點坐標(biāo)反算得C1C2方位角αC1C2，所以，由坐標(biāo)正算得：

由H點坐標(biāo)通過坐標(biāo)正算得后方交會測站S點坐標(biāo)：

觀測了水平夾角∠C1SC2，有了多余觀測，所以，以測站點S的X、Y坐標(biāo)為參數(shù)、兩邊長d1、 d2、一夾角∠C1SC2為觀測值，以滿足VTPV= min最小二乘平差原則，進行間接平差。

角度誤差方程列立如下：

其中，lβ為∠C1SC2觀測值與根據(jù)測站S近似坐標(biāo)反算∠C1SC2值之差。

邊長d1誤差方程如下：

其中，ld1為d1觀測值與根據(jù)測站S近似坐標(biāo)、C1已知坐標(biāo)反算邊長值之差。

邊長d2誤差方程列立如下：

第i個任意監(jiān)測點平面坐標(biāo)（Xi，Yi）的計算：

第i個任意監(jiān)測點高程坐標(biāo)的計算：如圖7所示：

圖7　三角高程測量示意

采用三角高程測量的原理，而且可以免去量測測站儀器高的工作，第i個監(jiān)測點高程計算公式如下：

式中，HC1為參考點C1的已知高程值，θ1為C1觀測豎直角，d1為C1觀測水平距離，θi為第i個監(jiān)測點觀測豎直角，d1為第i個監(jiān)測點觀測水平距離。

由于有兩個非常穩(wěn)定的參考點，所以，根據(jù)前述原理，在判斷兩個參考點相對穩(wěn)定的情況下，可以采用上述方法，分別計算監(jiān)測點的高程取均值，以提高測量精度和可靠性。

系統(tǒng)運行驗證：基于以上思想，以VB6.0+徠卡GeoCOM二次開發(fā)模式，開發(fā)出自動化監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)試驗測試獲得如下表2所示，平面坐標(biāo)精度和高程坐標(biāo)精度均可以達到亞毫米級，效果良好。

數(shù)據(jù)分析：（1）因為每個周期都精密測量得到測站點與兩個已知參考點之間的水平角、豎直角、距離數(shù)值，所以：可以計算出每周期兩個已知參考點之間平距、高差，與根據(jù)原始已知參考點坐標(biāo)反算的平距、高差進行對比，從而發(fā)現(xiàn)兩個已知參考點之間是否發(fā)生相對位移。

（2）若參考點穩(wěn)定，每周期均要通過嚴(yán)密的后方交會精確計算測站點坐標(biāo)，與其首周期坐標(biāo)值進行對比，從而發(fā)現(xiàn)測站是否發(fā)生變形。

（3）監(jiān)測點第i周期坐標(biāo)值（Xi，Yi，Hi）與首周期坐標(biāo)值（X0，Y0，H0）作差得（△Xi，△Yi，△Hi），即變形量，通過時間序列法［8］、線性回歸分析［9］、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［10］、移動最小二乘法［11］等技術(shù)方法，分析其變形原因及預(yù)測變形趨勢，結(jié)合工程規(guī)范上常用的預(yù)警值，從而達到監(jiān)測預(yù)警、預(yù)測的目的。

監(jiān)測的結(jié)果以多種方式保存、播報：以數(shù)據(jù)庫形式永久備份，以紙質(zhì)報表打印方式提交給業(yè)主，以短信形式實時告知業(yè)主和施工方，結(jié)合現(xiàn)代的互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以更豐富有效的方式通知相關(guān)人員，做到準(zhǔn)確、及時、有效監(jiān)測。

表2　自動測量結(jié)果測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

采用VB6.0平臺+徠卡GeoCOM二次開發(fā)模式，開發(fā)隧道自動測量系統(tǒng)，成本低，簡單實用。由于二次開發(fā)的靈活性，本文設(shè)計出適應(yīng)我國傳統(tǒng)測繪規(guī)程的多方向方向觀測法數(shù)據(jù)采集模式，進行嚴(yán)密的邊角后方交會平差，得到亞毫米級高精度測量結(jié)果，提出一種參考點穩(wěn)定性和測站穩(wěn)定性分析的方法，對于高精度隧道施工與運營的自動化監(jiān)測，具有指導(dǎo)意義。本系同樣適用于大壩、邊坡、重要建筑物的自動化監(jiān)測。

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研究方向：精密工程測量、測量數(shù)據(jù)采集和處理、GIS教學(xué)和科研工作

中圖分類號：U456.3

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-8496-（2016）-01-0027-06

收稿日期：2015-12-18

作者簡介：江紅兵（1984-），男，助理工程師

基金項目：廣東省交通運輸廳科技項目“隧道施工自動監(jiān)測及安全風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)研究”（粵交科［2010］829號2010-02-024）

Design of Automatic Deformation Monitoring System in Tunnel Based on Leica Georobot

JIANG Hong-bing，WANG Jing-song
（Guangdong Communication Polytechnic，Guangzhou 510650，China）

Abstract:This paper，based on Leica georobot，using VB6.0 platform+Leica GeoCOM secondary development mode，designs a simple and practical tunnel automatic measurement system，which consists of hardware，detailed functional design，system operation，data processing and data analysis.Meanwhile，this paper presents a side-angle resection adjustment model and automatic measuring shows that the measurenment results reaches to sub-millimeter precision standard，having a positive reference for the informational and automatic deformation monitoring of tunnel.

Key words:automatic deformation monitoring；georobot；secondary development；resection；database