張 文,黃聲享,2,李洋洋

(1.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2.地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079)

基于測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 文1,黃聲享1,2,李洋洋1

(1.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2.地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079)

針對(duì)目前水利、交通、建筑等行業(yè)大型工程對(duì)自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)的需求，利用測(cè)量機(jī)器人能自動(dòng)完成目標(biāo)精確照準(zhǔn)、讀數(shù)的特點(diǎn)，研發(fā)基于測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文中詳細(xì)介紹自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成、功能模塊以及工作流程，通過(guò)工程測(cè)試驗(yàn)證該系統(tǒng)架構(gòu)和相關(guān)技術(shù)的可行性。

測(cè)量機(jī)器人；變形監(jiān)測(cè)；自動(dòng)化；軟件系統(tǒng)

隨著我國(guó)水利、交通、建筑等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)大型工程的變形監(jiān)測(cè)工作提出要求，相對(duì)于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)才能滿足其高精度、高頻率等需求[1]。與此同時(shí)，自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，特別是具有自動(dòng)目標(biāo)照準(zhǔn)功能測(cè)量機(jī)器人的出現(xiàn)和發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化提供技術(shù)支撐[2-5]。測(cè)量機(jī)器人具有高精度、高效率、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，目前，已廣泛應(yīng)用于大壩[6]、基坑邊坡[7]、地鐵[8-9]以及各種大型建(構(gòu))筑物等的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)中，并取得良好成效。本文以自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)分析、遠(yuǎn)程控制為研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程控制測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化定時(shí)觀測(cè)，實(shí)時(shí)處理分析得到三維變形信息，并根據(jù)變形信息進(jìn)行智能報(bào)警和自動(dòng)報(bào)表輸出。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

基于測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用極坐標(biāo)測(cè)量方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制測(cè)量，獲取目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于測(cè)站的角度、距離，進(jìn)行差分改正后，計(jì)算得到目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。其主要有五大部分構(gòu)成：基準(zhǔn)點(diǎn)、變形點(diǎn)、測(cè)量機(jī)器人觀測(cè)站、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電源和通訊線路部分。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)組成如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

根據(jù)相對(duì)獨(dú)立、盡量小的數(shù)據(jù)依賴、最小數(shù)據(jù)冗余、管理發(fā)展的需要以及系統(tǒng)分階段實(shí)現(xiàn)的原則，本系統(tǒng)共劃分為4個(gè)子系統(tǒng)，分別為系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、工程信息管理子系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)又可劃分為10個(gè)不同的功能模塊，具體的劃分情況見(jiàn)圖3。

圖1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)組成

圖3 系統(tǒng)功能模塊劃分

1.3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

本系統(tǒng)工作流程：首先建立計(jì)算機(jī)和測(cè)量機(jī)器人的通信；然后對(duì)測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行初始化，進(jìn)行測(cè)站定向及控制限差的設(shè)置；所有設(shè)置完畢后便進(jìn)行學(xué)習(xí)測(cè)量，也可以直接導(dǎo)入學(xué)習(xí)測(cè)量數(shù)據(jù)執(zhí)行自動(dòng)觀測(cè)任務(wù)；接下來(lái)設(shè)置點(diǎn)組，根據(jù)點(diǎn)位以及監(jiān)測(cè)頻率將相同的觀測(cè)點(diǎn)編入同一點(diǎn)組；然后進(jìn)行循環(huán)任務(wù)的編輯；最后便是根據(jù)循環(huán)任務(wù)的設(shè)置來(lái)控制儀器定時(shí)進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，一周期觀測(cè)完畢后，軟件對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，得到各變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)、變形量。系統(tǒng)詳細(xì)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)通訊技術(shù)

系統(tǒng)基于徠卡測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采用其提供的ASCII字符串[10]指令進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)發(fā)送固定格式的ASCII字符串給儀器，儀器接收該指令后，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作，操作完成后通過(guò)串口返回固定格式的信息，返回信息中有操作是否成功、對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)信息等。

通過(guò)無(wú)線通訊技術(shù)，可以不進(jìn)入監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，僅在項(xiàng)目部或者遠(yuǎn)程控制中心就能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)和測(cè)量機(jī)器人之間實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換，達(dá)到對(duì)測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理的目的。系統(tǒng)采用了無(wú)線電臺(tái)和GPRS兩種方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊。其中，無(wú)線電臺(tái)方式傳輸距離和障礙物的穿透繞射能力有限，與傳輸頻率相關(guān)；GPRS方式則需要移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，以及一臺(tái)固定IP地址的服務(wù)器。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)備情況，確定無(wú)線通訊的方式。

2.2 實(shí)時(shí)差分改正

測(cè)量機(jī)器人在角度、距離的測(cè)量過(guò)程中會(huì)受到很多誤差因素的干擾，例如大氣折光、氣溫、氣壓變化、儀器內(nèi)部誤差等，直接求出這些誤差的大小是非常困難的。在有限空間時(shí)間內(nèi)，觀測(cè)期間的氣象等因素是穩(wěn)定的，且對(duì)同一環(huán)境下測(cè)量目標(biāo)的影響相同，可認(rèn)為這些誤差是一個(gè)常數(shù)。因此，系統(tǒng)利用固定參考基準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分改正，可減弱或消除這些誤差，提高測(cè)量的精度。

每一周期，在觀測(cè)變形點(diǎn)的同時(shí)也要對(duì)參考點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，并且認(rèn)為測(cè)得的參考點(diǎn)坐標(biāo)與其初始坐標(biāo)之間的差值就是由大氣折光、氣溫、氣、變化、儀器內(nèi)部構(gòu)造等引起的，然后利用差值按照距離長(zhǎng)短求出觀測(cè)值誤差的比例系數(shù)，最后利用每個(gè)觀測(cè)量的誤差比例系數(shù)對(duì)變形點(diǎn)觀測(cè)量進(jìn)行改正，并求出改正后的坐標(biāo)。

在觀測(cè)時(shí)對(duì)參考點(diǎn)盡量要有多余觀測(cè)，同時(shí)參考點(diǎn)可以選擇空間上均勻分布的2～5個(gè)，并且觀測(cè)順序也在時(shí)間上均勻分布，取所有改正信息的平均值以避免單一參考點(diǎn)、單一時(shí)間點(diǎn)的氣象及儀器本身的影響不具有代表性的特點(diǎn)，從而更好的對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行改正。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分析

對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形值進(jìn)行建模，采用數(shù)學(xué)模型逼近、模擬，可以揭示變形體的變形規(guī)律和動(dòng)態(tài)特征，同時(shí)也可通過(guò)模型預(yù)測(cè)變形的發(fā)展趨勢(shì)，為工程施工提供科學(xué)的決策依據(jù)，避免安全事故的發(fā)生[11]。本系統(tǒng)以曲線擬合、時(shí)間序列、灰色系統(tǒng)GM(1,1)3個(gè)模型進(jìn)行研究和算法代碼編寫(xiě)，通過(guò)對(duì)變形數(shù)據(jù)分析，建立模型，預(yù)測(cè)后續(xù)變形趨勢(shì)，進(jìn)而判斷變形體的安全狀態(tài)。如圖5所示系統(tǒng)預(yù)測(cè)分析實(shí)例。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形預(yù)測(cè)分析:JCD02的X方向

2.4 智能化處理策略

1)測(cè)量失敗控制策略。在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中，由于外界臨時(shí)遮擋等因素影響，全站儀無(wú)法找到目標(biāo)，本系統(tǒng)對(duì)于這種情況采用等待、重復(fù)嘗試的方式，如果重復(fù)測(cè)量后仍無(wú)法找到目標(biāo)，則跳過(guò)進(jìn)行下一個(gè)點(diǎn)測(cè)量，同時(shí)將該點(diǎn)放入一個(gè)測(cè)量失敗點(diǎn)集，在其他點(diǎn)測(cè)量完成后，最后再將失敗點(diǎn)測(cè)量一遍，如果最后一次都沒(méi)能測(cè)量到目標(biāo)，則將該點(diǎn)所有觀測(cè)原始數(shù)據(jù)作“0”存儲(chǔ)，計(jì)算成果時(shí)進(jìn)行插值處理。

2)智能報(bào)警策略。當(dāng)測(cè)量機(jī)器人照準(zhǔn)目標(biāo)后，首先進(jìn)行一次坐標(biāo)測(cè)量，用測(cè)量結(jié)果與該目標(biāo)的初始坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，若坐標(biāo)較差超過(guò)系統(tǒng)設(shè)置的目標(biāo)識(shí)別限值，則說(shuō)明目標(biāo)照準(zhǔn)錯(cuò)誤，通過(guò)調(diào)整視場(chǎng)設(shè)置，重新尋找準(zhǔn)確目標(biāo)，若依舊無(wú)法照準(zhǔn)，則系統(tǒng)向管理人員發(fā)送異常報(bào)警信息。重復(fù)觀測(cè)時(shí)，各測(cè)回間角度、距離超過(guò)限差時(shí)，會(huì)判定超限測(cè)回失敗，繼續(xù)測(cè)量直到測(cè)量成功次數(shù)達(dá)到設(shè)定值。測(cè)量完成后，實(shí)時(shí)計(jì)算出變形量，根據(jù)累計(jì)、本次變形量和變形速率，根據(jù)變形量和報(bào)警值，實(shí)時(shí)更新工程安裝狀況，并實(shí)現(xiàn)了三級(jí)報(bào)警機(jī)制。

3 系統(tǒng)測(cè)試

基于測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，在建筑物變形監(jiān)測(cè)、大型雕像變形監(jiān)測(cè)等工程中進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試實(shí)景如圖6和圖7所示。其中，建筑物變形監(jiān)測(cè)為固定觀測(cè)墩放置儀器，遠(yuǎn)程無(wú)線控制測(cè)量，實(shí)現(xiàn)高層建筑變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；大型雕像變形監(jiān)測(cè)通過(guò)有線方式進(jìn)行通訊，對(duì)布設(shè)在雕像特征點(diǎn)位的棱鏡進(jìn)行周期觀測(cè)。系統(tǒng)主界面如圖8所示，圖9為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位變形過(guò)程曲線查看界面。

實(shí)際工程測(cè)試結(jié)果表明，基于測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)三維變形信息的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，可以滿足工程實(shí)際使用的要求，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)分析、遠(yuǎn)程管控。

圖6 建筑物變形監(jiān)測(cè)測(cè)試

圖7 大型雕像變形監(jiān)測(cè)測(cè)試

圖8 系統(tǒng)主界面

圖9 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位變形過(guò)程曲線界面

4 結(jié)束語(yǔ)

基于測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用測(cè)量機(jī)器人在一定的視場(chǎng)范圍內(nèi)能自動(dòng)搜索、照準(zhǔn)、讀數(shù)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的定時(shí)觀測(cè)、計(jì)算、分析、報(bào)警、成果輸出等工作。工程測(cè)試表明，系統(tǒng)可以滿足工程實(shí)際中自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)的要求，具有自動(dòng)化、智能化、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程可控、通用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、界面友好等特點(diǎn)，可應(yīng)用地下空間工程變形監(jiān)測(cè)、大壩變形監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、高鐵軌道變形監(jiān)測(cè)、高層建筑物變形監(jiān)測(cè)等。

[1] 張正祿．工程測(cè)量學(xué)[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

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Design and implementation of automatic deformation monitoring system based on georobot

ZHANG Wen1,HUANG Shengxiang1,2,LI Yangyang1

1.School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China;2.Collaborative Innovation Center of Geospatial Technology, Wuhan 430079, China)

Aiming at the requirement of automatic deformation monitoring in large engineering such as water conservancy, transportation and construction, the automatic deformation monitoring system based on georobot is developed based on the characteristics of the automatic sighting and observing. In this paper, the design of automatic deformation monitoring system based on georobot is introduced in detail, and the key technology in the system implementation is discussed. The feasibility of the system architecture and related technologies have been verified by engineering tests.

georobot; deformation monitoring; automation; software system

2016-12-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41274020)

張 文(1988-)，男，博士研究生.

著錄：張文,黃聲享,李洋洋.基于測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪工程，2018，27(2)：37-41.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.02.007

TP242

A

1006-7949(2018)02-0037-05

李銘娜]