劉紹堂，王　果，潘潔晨

(1.河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191;2.煤化工資源綜合利用與污染治理河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 451191)

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測(cè)量機(jī)器人隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究進(jìn)展

劉紹堂1,2，王果1,2，潘潔晨1,2

(1.河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191;2.煤化工資源綜合利用與污染治理河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 451191)

摘要：在介紹測(cè)量機(jī)器人隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用文獻(xiàn)分析和比較分析方法，綜合分析測(cè)量機(jī)器人隧道自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在隧道結(jié)構(gòu)自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況。分析表明，測(cè)量機(jī)器人隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有精度高、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、全天候智能遠(yuǎn)程遙測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，在地鐵和隧道工程安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。其局限性是只能逐個(gè)單點(diǎn)定期監(jiān)測(cè),增加工程監(jiān)測(cè)的成本。因此,控制成本、開(kāi)發(fā)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)功能并全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化是其發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：測(cè)量機(jī)器人；自動(dòng)全站儀；變形監(jiān)測(cè)；隧道

變形監(jiān)測(cè)關(guān)乎施工隧道和運(yùn)營(yíng)隧道的安全[1]。傳統(tǒng)隧道變形監(jiān)測(cè)多采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀量測(cè)等方法，其發(fā)展方向[2]是高精度、自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化和智能化。測(cè)量機(jī)器人具有自動(dòng)目標(biāo)搜索、識(shí)別和跟蹤等功能[3]，它的出現(xiàn)促使隧道工程變形監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。徐進(jìn)軍等[4]從工程測(cè)量的觀點(diǎn)出發(fā),介紹智能測(cè)量機(jī)器人的基本構(gòu)成、原理、特點(diǎn)、精度及應(yīng)用；劉鐵民[5]設(shè)計(jì)采用徠卡測(cè)量機(jī)器人檢測(cè)機(jī)器人的監(jiān)測(cè)方案并加以實(shí)現(xiàn)，分析遠(yuǎn)程傳輸?shù)姆椒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)；曹慶磊[6]針對(duì)TCA2003測(cè)量機(jī)器人，利用徠卡公司提供的GEOCOM二次開(kāi)發(fā)工具,在自動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊的基礎(chǔ)上,完善軟件的功能需求；劉林[7]開(kāi)發(fā)一套適用于隧道變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的軟件—TDMS(Tunnel Deformation real-time Monitoring System)。Tang，E.[8]在香港地鐵中采用測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)取得滿意效果；Hill，C.D.and Sippel，K.D.[9]把多傳感器系統(tǒng)引入隧道變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域；各儀器廠商[10]也順應(yīng)時(shí)代需求不斷改進(jìn)已有系統(tǒng)并開(kāi)發(fā)功能強(qiáng)大的新系統(tǒng)。已有的研究表明,測(cè)量機(jī)器人在隧道自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段,但由于成本和功能的局限,其大規(guī)模的廣泛應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。

1測(cè)量機(jī)器人隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測(cè)量機(jī)器人具有廣泛的應(yīng)用[11],在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用原理是依靠其伺服馬達(dá)自動(dòng)尋標(biāo)并精密完成斜距、垂直角、高差、坐標(biāo)等觀測(cè)量的動(dòng)態(tài)觀測(cè)[12]，在隧道環(huán)境下則可以完成隧道收斂、拱頂下沉、地表下沉、三維位移等監(jiān)測(cè)量的連續(xù)監(jiān)測(cè)[13]。借助其他軟硬件設(shè)備可完成數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、圖形繪制、變形分析、變形預(yù)報(bào)等功能[14]。廣州市城市復(fù)建有限公司張其云[15]采用基于TCA2003測(cè)量機(jī)器人的全自動(dòng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),全天候無(wú)人值守地在地鐵運(yùn)行間隔內(nèi)完成地鐵隧道變形連續(xù)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)無(wú)需人工干預(yù)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)觀測(cè)、記錄、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)表編制、預(yù)警預(yù)報(bào)等功能，系統(tǒng)的軟件和硬件配置包括TCA自動(dòng)搜標(biāo)測(cè)量機(jī)器人、反射棱鏡、通訊及供電電纜、計(jì)算機(jī)與專用軟件，其原理和結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1　測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)原理

圖2　測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2測(cè)量機(jī)器人隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

2.1測(cè)量機(jī)器人(自動(dòng)全站儀)

測(cè)量機(jī)器人又稱自動(dòng)全站儀，由于其獨(dú)有的ATR自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別模式[16]，操作人員一旦粗略瞄準(zhǔn)棱鏡后，測(cè)量機(jī)器人就可搜尋到目標(biāo)并自動(dòng)瞄準(zhǔn)，極大提高工作效率[17]。小浪底工程咨詢有限公司渠守尚[18]研究認(rèn)為測(cè)量機(jī)器人用于變形監(jiān)測(cè)有廣泛的應(yīng)用前景。在國(guó)外測(cè)量機(jī)器人已經(jīng)被大量使用于隧道和隧道地表的監(jiān)測(cè)中[19]，圖3(a)是英國(guó)Tyne隧道內(nèi)部的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在長(zhǎng)約300 m的隧道內(nèi)部,在不同的監(jiān)測(cè)部位的隧道壁設(shè)置若干反射鏡,用3臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的測(cè)量機(jī)器人對(duì)其連續(xù)觀測(cè)，每隔幾分鐘就完成一組自動(dòng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，及時(shí)求出并評(píng)估由于毗鄰隧道施工導(dǎo)致的現(xiàn)有隧道的變形；圖3(b)給出雅典地鐵項(xiàng)目中監(jiān)測(cè)隧道地表和建筑物變形的一個(gè)應(yīng)用，一個(gè)項(xiàng)目根據(jù)其規(guī)模的不同，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有幾臺(tái)甚至幾百臺(tái)測(cè)量機(jī)器人同時(shí)工作。

圖3　隧道變形監(jiān)測(cè)機(jī)器人[19]

圖4　隧道監(jiān)測(cè)機(jī)器人的安置

變形監(jiān)測(cè)時(shí)，測(cè)量機(jī)器人要求安置在觀測(cè)墩上，在控制終端不方便放置在觀測(cè)墩旁邊的情況下，需要在測(cè)量機(jī)器人與控制終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，一般在距離比較短的情況，可以采用通訊電纜，或是普通的網(wǎng)絡(luò)線亦可；在遠(yuǎn)距離的情況，可采用較為簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)進(jìn)行通訊，通過(guò)電臺(tái)方式，可以免去電纜鋪設(shè)的麻煩，設(shè)置比較簡(jiǎn)單，見(jiàn)圖4。每一個(gè)測(cè)站都有持續(xù)的電源供應(yīng)并配有專門的安全鎖確保儀器的防盜安全。包歡[20]把自動(dòng)化測(cè)量機(jī)器人通過(guò)基座固定在儀器墩上，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括觀測(cè)站、基準(zhǔn)點(diǎn)、變形點(diǎn)、中繼站、外業(yè)計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)等，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的間距根據(jù)相關(guān)規(guī)范和監(jiān)測(cè)區(qū)域的圍巖等級(jí)來(lái)確定，一般在5～50m。設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)與變形點(diǎn)的位置特別要利用儀器的小視場(chǎng)功能，使之均勻分布在儀器望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)內(nèi)，相互不受干擾[20]。

2.2標(biāo)準(zhǔn)精密測(cè)距棱鏡

棱鏡作為觀測(cè)標(biāo)志，利用膨脹螺絲固定在隧道內(nèi)側(cè)(見(jiàn)圖5)，其數(shù)目可按實(shí)際需要設(shè)定，該標(biāo)志能被測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)跟蹤鎖定，以實(shí)施精密測(cè)角和測(cè)距[17]。監(jiān)測(cè)棱鏡安裝在變形區(qū)內(nèi)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的連續(xù)測(cè)量分析計(jì)算出該變形區(qū)的變形量[21]。

2.3計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備

計(jì)算機(jī)利用電纜和測(cè)量機(jī)器人連接，并裝有專用軟件以實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程的全自動(dòng)化，計(jì)算機(jī)除能控制測(cè)量機(jī)器人按特定測(cè)量程序采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將測(cè)量成果實(shí)時(shí)進(jìn)行處理，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，避免返工，也可以對(duì)各個(gè)觀測(cè)周期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并生成監(jiān)測(cè)報(bào)告[15,17](見(jiàn)圖6)。

其它設(shè)備包括溫度計(jì)﹑氣壓計(jì)﹑濕度計(jì)、連接電纜、外接電源等；溫度計(jì)﹑氣壓計(jì)﹑濕度計(jì)用于測(cè)定空氣的溫度、壓力和濕度。將測(cè)定結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)中，對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，以提高觀測(cè)精度[15,17]。

圖5　測(cè)量機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)精密棱鏡

圖6　控制中心設(shè)備

2.4監(jiān)測(cè)軟件

不同品牌的測(cè)量機(jī)器人大多開(kāi)發(fā)了隨機(jī)軟件，近年來(lái)很多人對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)[22]。楊紹戰(zhàn)[23]采用VB6.0語(yǔ)言和EXCEL數(shù)據(jù)庫(kù),開(kāi)發(fā)了隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析處理軟件。軟件集數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)應(yīng)用等功能于一體,實(shí)現(xiàn)計(jì)算的前臺(tái)可視化界面與監(jiān)測(cè)信息存儲(chǔ)的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)合;趙騫[24]研究了礦山測(cè)量機(jī)器人形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)整合方法,開(kāi)發(fā)基于WebGIS的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)應(yīng)用軟件系統(tǒng)；王苑楠等[25]基于GTS-901A智能型測(cè)量機(jī)器人,開(kāi)發(fā)了用于自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的機(jī)載變形數(shù)據(jù)采集軟件；毛亞純等[26]介紹了徠卡儀器公司提供的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)GEOCOM中各模塊的功能及主要模塊中有關(guān)參數(shù)的意義和用法，總結(jié)了利用GEOCOM編寫測(cè)量機(jī)器人控制軟件的經(jīng)驗(yàn)。貴慧宏[27]以拓普康公司的GTS901A測(cè)量機(jī)器人為例,實(shí)例化測(cè)量機(jī)器人通用類,獲取GTS901A測(cè)量機(jī)器人對(duì)象,開(kāi)發(fā)了GTS901A變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化軟件(GROMA,GeoRobot Online Automatic Deformation Monitoring software)；梅文勝等闡述了測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)Geo_Def及其應(yīng)用情況,同時(shí)設(shè)計(jì)基于測(cè)量機(jī)器人的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu),討論計(jì)算機(jī)與測(cè)量機(jī)器人之間的串行控制,在數(shù)據(jù)處理中加入距離和高差差分處理技術(shù)[28]。

無(wú)論采用何種軟件，系統(tǒng)均需實(shí)現(xiàn)兩大基本目標(biāo)：其一是在定時(shí)器的管理下周期性自動(dòng)采集基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)[29]；其二是經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理計(jì)算，顯示和保存變形點(diǎn)的三維變形信息。

3測(cè)量機(jī)器人隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能

測(cè)量機(jī)器人隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用專門用于監(jiān)測(cè)的配套變形測(cè)量軟件，軟件運(yùn)行環(huán)境Windows，數(shù)據(jù)既可以采用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送[30]；既可按操作者設(shè)定的測(cè)量程序自動(dòng)完成選點(diǎn)、跟蹤、監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理等一系列工作，也可以采用數(shù)據(jù)后處理方式按規(guī)定要求輸出變形曲線、分析報(bào)表。測(cè)量系統(tǒng)警報(bào)組件,當(dāng)水平或垂直位移限值超過(guò)5 mm時(shí)可以發(fā)送短信給相關(guān)人員，以便采取對(duì)策。圖7為位移—時(shí)間的曲線圖[19]，圖中由不同顏色的曲線表達(dá)監(jiān)測(cè)斷面不同的點(diǎn)的變形情況，根據(jù)同一個(gè)點(diǎn)在一段時(shí)期內(nèi)的多次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)繪制沉降、收斂或位移隨時(shí)間的變化曲線。測(cè)量機(jī)器人隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以根據(jù)工程具體特點(diǎn)分析多源數(shù)據(jù)的變形特征,結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí),實(shí)現(xiàn)隧道安全狀態(tài)評(píng)估[31]。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，大大增加監(jiān)測(cè)頻度，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)于處于危險(xiǎn)區(qū)域的監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，提高監(jiān)測(cè)工作的安全性。

圖7　位移-時(shí)間的曲線圖

4測(cè)量機(jī)器人隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度

譙生有[32]通過(guò)對(duì)對(duì)邊測(cè)量高差和水平基線收斂精度的分析，應(yīng)用測(cè)距固定誤差為1 mm的測(cè)量機(jī)器人量測(cè)時(shí)，拱頂下沉和水平收斂的精度可達(dá)1 mm；應(yīng)用測(cè)距固定誤差為2 mm的測(cè)量機(jī)器人，拱頂下沉量測(cè)精度可以達(dá)到1.5 mm，當(dāng)控制視線水平夾角小于60°的情況下，水平收斂量測(cè)精度可以達(dá)到2 mm，若增加觀測(cè)次數(shù)，取兩次測(cè)量的平均值時(shí)，拱頂下沉精度有望達(dá)到1 mm，水平收斂精度有望達(dá)到1.5 mm。劉春[33]通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)基線場(chǎng)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn),對(duì)人工測(cè)量與GeoMoS自動(dòng)測(cè)量的數(shù)據(jù)精度進(jìn)行比較分析,認(rèn)為GeoMoS系統(tǒng)是可靠的；王凱[34]以實(shí)際項(xiàng)目為背景,運(yùn)用實(shí)驗(yàn)與對(duì)比的方法,分析TCA2003自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人照準(zhǔn)棱鏡的觀測(cè)精度,繪制各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位坐標(biāo)較差圖,結(jié)果表明,圓棱鏡配合TCA2003自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人的測(cè)量誤差在亞毫米級(jí)內(nèi),可以適用于變形監(jiān)測(cè),且能滿足一般工程應(yīng)用要求。袁恒等[35]推導(dǎo)測(cè)量機(jī)器人三維自由設(shè)站點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算、收斂值計(jì)算及精度評(píng)定的數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行觀測(cè)實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能夠在隧道施工環(huán)境下實(shí)施,監(jiān)測(cè)精度滿足規(guī)范的要求,具有一次測(cè)量完成多個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì),適合在隧道監(jiān)控量測(cè)中應(yīng)用[36]。曹占虎[37]在分析盾構(gòu)隧道施工地表建(構(gòu))筑物沉降監(jiān)測(cè)、建(構(gòu))筑物傾斜監(jiān)測(cè)、裂縫監(jiān)測(cè)、隧道管片隆沉監(jiān)測(cè)、隧道管片水平收斂監(jiān)測(cè)等監(jiān)測(cè)內(nèi)容、監(jiān)測(cè)方法、監(jiān)測(cè)頻率及控制標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合某地鐵區(qū)間盾構(gòu)法施工監(jiān)測(cè)工程實(shí)踐,橫向地表沉降、隧道管片沉降或隆起、凈空水平收斂監(jiān)測(cè)的結(jié)果滿足精度需要,得到相應(yīng)橫向地表沉降、縱向地表沉降和沉降過(guò)程的規(guī)律,以及隧道管片沉降或隆起、凈空水平收斂監(jiān)測(cè)變形規(guī)律。

5結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外的研究表明,由測(cè)量機(jī)器人組成的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在隧道工程中具有精度高、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、全天候、智能遠(yuǎn)程遙測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)人值守連續(xù)運(yùn)行的高精度自動(dòng)形變監(jiān)測(cè)，應(yīng)用前景廣闊；其應(yīng)用的局限性是只能逐個(gè)單點(diǎn)定期監(jiān)測(cè),在一定程度上增加了成本，降低了工程監(jiān)測(cè)的效率。因此,控制成本,開(kāi)發(fā)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)功能并全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化是其發(fā)展方向。

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[責(zé)任編輯：張德福]

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.10.009

收稿日期：2015-07-12

基金項(xiàng)目：河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃(122102210421);河南省教育廳科技攻關(guān)計(jì)劃(2010A420001)

作者簡(jiǎn)介：劉紹堂(1965-),男，教授,博士.

中圖分類號(hào)：U451+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7949(2016)10-0042-07

Development of georobot tunnel deformation monitoring system

LIU Shaotang1,2，WANG Guo1,2，PAN Jiechen1,2

(1.School of Civil Engineering，Henan Institute of Engineering，Zhengzhou 451191，China;2.Henan Province Engineering Laboratory of Comprehensive Utilization of Coal Resources and Pollution Control，Zhengzhou 451191，China)

Abstract：In order to assess the value of the georobot tunnel deformation monitoring system，this paper presents the principle and structure of georobot tunnel deformation monitoring system，then analyzes the application based on the literature and comparative analysis.The analysis shows that the automatic monitoring system has high precision，real-time，dynamic，intelligent and remote telemetry advantages in the field of safety monitoring of the subway and tunnel engineering.And it also has a broad applicative prospects.But its limitation is targetted at its single point monitoring which greatly increases the cost of the monitoring.Therefore，its development direction lies on the lower costs and comprehensive multi-point monitoring system.

Key words：georobot;automatic total station；deformation monitoring;subway tunnel