于曉紅

（中鐵十九局集團礦業(yè)投資有限公司，北京 100161）

0 引言

地鐵自動化監(jiān)測有著廣泛的應用前景。例如，徠卡公司相繼開發(fā)了TCA+APS Win自動化監(jiān)測系統(tǒng)、新一代GeoMoS自動化監(jiān)測系統(tǒng)以及應用于德國地鐵的TCA+GeoMos自動化監(jiān)測系統(tǒng)[1]。近年來，國內研發(fā)了應用智能全站儀監(jiān)測的地鐵自動化監(jiān)測系統(tǒng)[2]。其中，Leica鄭州歐亞測量系統(tǒng)有限公司與解放軍信息工程大學測繪學院合作研發(fā)的ADMS自動變形監(jiān)測軟件在廣州地鐵一號線成功應用[3-4]。我國學者進行大量地鐵自動化監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理及建?？梢暬芯?，提出把多領域、多學科融合、滲透下的自動化監(jiān)測系統(tǒng)向數(shù)字化、一體化、智能化方向發(fā)展[5]。

對RocMos全自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行說明介紹，將該系統(tǒng)應用于S市地鐵X號線第X合同段變形監(jiān)測中，基于卡爾曼濾波原理對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理分析。證明其在工程應用的可用性與高精度。

1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)介紹

RocMos自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)由全球衛(wèi)星定位導航及電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、多種傳感器等其他系統(tǒng)組成[6]，具有可無人職守全天候連續(xù)自動監(jiān)測、遠程遙控自動監(jiān)測以及提前預置無需額外配置數(shù)據(jù)庫等特點，各子系統(tǒng)一體化，方便操作，具有遇障礙重復測量的時間延遲功能。可搭配多種主流數(shù)據(jù)采集傳感器，多監(jiān)測模塊獨立，能應用全站儀望遠鏡小視場功能，解決了較窄環(huán)境空間內棱鏡較多而不能正確辨別對應棱鏡的難題[7]。并能實現(xiàn)自動報警和消息傳遞功能，可自定義圖形、報告的格式并輸出多種兼容的數(shù)據(jù)格式[8]。

1.1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)組成

該自動化監(jiān)測系統(tǒng)由3個分支組成：數(shù)據(jù)采集、遠程通信和處理分析部分[9]，數(shù)據(jù)采集包括控制計算機，全站儀和待測對象。選用徠卡TM50全站儀測量機器人，視角清晰，采用四重軸系補償系統(tǒng)，角度測量精度可達到0.5″，適應大多數(shù)工作環(huán)境，具有強大的自動學習測量功能和足夠高的測量精度。內置目標自動跟蹤裝置[10]可自動識別目標，能精準照準棱鏡[11]。RocMos自動化系統(tǒng)檢測軟件經(jīng)過設置后可控制全站儀等測量儀器進行數(shù)據(jù)采集。

RocMoc操作箱控制數(shù)據(jù)遠程傳輸。控制器電腦經(jīng)由操作箱對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送指令，指導數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，再將數(shù)據(jù)經(jīng)由操作箱傳送回控制器電腦，并通過軟件自動進行平差處理和坐標計算等數(shù)據(jù)處理分析工作。

數(shù)據(jù)處理分析部分，分析基于RocMos自動化監(jiān)測體系預置的數(shù)據(jù)庫。

1.2 地鐵自動化監(jiān)測系統(tǒng)的實施流程

計算機上安裝RocMos控制軟件及相應的驅動，然后將儀器與全站儀、氣象傳感器、RocMos控制盒子、電腦依次連接，進行軟件設置。數(shù)據(jù)采集前設置控制器電腦參數(shù)，并與RocMos系統(tǒng)中其他部件連接，開啟全站儀；對RocMoc進行儀器初始化，通過控制軟件對整個系統(tǒng)進行測站設置、監(jiān)測點位，再將結果整理。自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)運行流程如圖1所示。在結果界面可查看監(jiān)測進度，點位圖中查看監(jiān)測點、控制點以及設站點的相對位置；可查看報警記錄、測站點的坐標變化、進行點位坐標變化圖等曲線圖的制作。

2 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法研究

卡爾曼濾波處理數(shù)據(jù)，尤其是波動數(shù)據(jù)。動態(tài)與觀測公式組成濾波模型如下[12]：

Xk表示n維系統(tǒng)狀態(tài)向量，Zk表示m維系統(tǒng)測量向量，Φk，k-1為k-1時至k時n×n維轉移陣，Γk-1為n×p維噪聲系數(shù)陣，wk-1為P維系統(tǒng)噪聲向量，Hk為m×n維觀測噪聲陣，vk為m維觀測噪聲向量，w、v符合特征：

Qk是系統(tǒng)過程噪聲wkP×P對稱非負定方差陣，Rk為觀測噪聲vk的m×m對稱正定方差陣，δkj是克羅內克函數(shù)。

Kalman濾波分預計、更新兩部分[13]。前者可由目前狀況估測下一刻狀態(tài)，后者可依據(jù)目前監(jiān)測信息對預測信息修正。以下為具體計算步驟：

圖1 自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)運行流程

預計分狀況一步估測式（4）、觀測預報值一步預計式（5）和一步預計系統(tǒng)狀況誤差方差陣式（6）。

更新分為增益矩陣式（7）、狀態(tài)估計式（8）和估計誤差方差陣式（9）

3 應用實例

以S市X號地鐵隧道自動化變形監(jiān)測為例，通過MATLAB和卡爾曼濾波應用對監(jiān)測數(shù)據(jù)剖析處理。

3.1 地鐵變形監(jiān)測方案設計

地鐵變形監(jiān)測方案規(guī)劃涵蓋監(jiān)測精度劃定、點位布置和自動化監(jiān)測體系處理。根據(jù)建設方的標準，精度認定涵蓋點位豎向、水平位移許可值，邊界與報警值。監(jiān)測分為監(jiān)測點位布置、量測、數(shù)據(jù)操作。

地鐵X號線S站右線，規(guī)劃里程為K13+682至K13+802，長度大概為130 m，設計15個監(jiān)測面，同時要有一定的點位布置和監(jiān)測頻率密度。地鐵隧道監(jiān)測點布設位置如圖2所示。地鐵隧道監(jiān)測斷面如圖3所示。

圖2 地鐵隧道監(jiān)測點布設位置

圖3 地鐵隧道監(jiān)測斷面

全部觀測流程的最初基準由全站儀架設站、基準控制點組成。原則上布設平穩(wěn)，避免點位變化損壞，且周圍無干擾。監(jiān)測網(wǎng)型結構必須科學，圖形結構要合適。在指定點設置徠卡TM50全站儀測量機器人，根據(jù)隧道長度在軌道兩側埋設棱鏡，后視定向，開始自動測量。

3.2 基于自動化檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理

成果處理采用RocMos全站儀變形監(jiān)測系統(tǒng)進行差分平差計算，得出本時段的監(jiān)測點的位移情況，從而反映出每個監(jiān)測斷面的實時變化趨勢，若測點超限，系統(tǒng)會自動發(fā)送預警信息。

MATLAB卡爾曼濾波去噪主要內容為波分析、系數(shù)閾值操作與濾波重構，濾波函數(shù)與數(shù)據(jù)光滑度、模型自適應性有關?？柭鼮V波工具箱去噪流程如圖4所示。

應用Kalman算法濾波、預計要確定濾波初值：狀態(tài)最初向量，協(xié)方差陣，動態(tài)噪聲的初始、觀測噪聲方差陣。在實例中由RocMoc自動化監(jiān)測系統(tǒng)計算，同時利用時間等間隔的數(shù)據(jù)進行Kalman濾波處理，系統(tǒng)參數(shù)為所得點三維坐標及變化速率，系統(tǒng)噪聲為監(jiān)測點速率瞬時變化。

4 數(shù)據(jù)分析

自動化監(jiān)測體系以圖形形式將點位變形趨勢實時直觀化，察看趨勢把握監(jiān)測變形信息。繪制變形量—時間的曲線，分為變形速度、累計位移、收斂累計位移與時間的曲線等，實時展示的數(shù)據(jù)信息可隨時反映地鐵監(jiān)測動態(tài)。

以隨機選取的監(jiān)測點M為例，統(tǒng)計監(jiān)測值橫、縱向位移的累積變化量。監(jiān)測折線圖如圖5所示。

由圖5觀測數(shù)據(jù)500期，點位變形均在（-1～1）mm，未超過累計位移限值，總體沉降位于可控限值內，但是產生不均勻沉降，可能對周邊建筑物造成影響，因此需要采取適當?shù)谋Ｗo措施?；贛ATLAB的Kalama濾波去噪操作，對監(jiān)測點位位移狀態(tài)估量。將變形量設為-0.3 mm?？柭鼮V波直接處理監(jiān)測點水平位移數(shù)據(jù)前后變形曲線如圖6所示。

圖6中，濾波值由發(fā)散過度至逐步收斂并獨立與初值、后期變形趨勢大體符合。426期后，兩種數(shù)據(jù)偏差較小，可修改再次擬合；Kalman濾波彌補原數(shù)據(jù)的系列誤差，觀測數(shù)據(jù)平滑。監(jiān)測點M濾波殘差見表1。

從表1知，濾波后監(jiān)測點X、Y方差為：0.0217，0.0205，小于原始方差。圖中看出，濾波值和原始數(shù)據(jù)趨近相同且更光滑，表明監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況可擬且穩(wěn)定。監(jiān)測點1～480期X、Y、Z軸位移速度和趨勢線變化如圖7所示。

圖4 卡爾曼濾波工具箱去噪流程

圖5 監(jiān)測點M位移

圖6 卡爾曼濾波直接處理監(jiān)測點水平位移數(shù)據(jù)前后變形曲線

表1 監(jiān)測點M濾波殘差

圖7 監(jiān)測點1～480期X、Y、Z軸位移速度和趨勢線變化

由圖7可知，監(jiān)測點坐標3個方向的位移速率均保持在0附近，無特殊變化。介于監(jiān)測對象為施工中的地鐵，由此得變形動態(tài)性弱，速度緩慢。

5 結語

通過應用RocMoc全自動化監(jiān)測系統(tǒng)，基于卡爾曼濾波，對監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析，證明Kalman方法在地鐵自動化變形監(jiān)測可靠性，能達到確保工程、經(jīng)濟安全，施工方法合理的目的。

自動化監(jiān)測系統(tǒng)保障地鐵安全運行。同時，利用Kalman濾波對形變去噪，可滿足精度要求，并具有相應的預測功能。這具有非常重要的現(xiàn)實意義，更能滿足現(xiàn)代地鐵建設對監(jiān)測工作的要求。研制契合國內適用的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，保障自動化監(jiān)測發(fā)展，為經(jīng)濟高速發(fā)展供應源源不斷動力。