方 楊

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

當(dāng)前，我國各大城市正在大力發(fā)展城市軌道交通建設(shè)，然而，大型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)會對周邊環(huán)境造成一定程度影響，應(yīng)對其進行全方位監(jiān)測，以保證城市軌道交通結(jié)構(gòu)及周邊建筑物安全。

對于部分運營期間的城市軌道交通項目，需掌握圍護結(jié)構(gòu)及施工過程中既有軌道交通工程結(jié)構(gòu)的變化，為軌道交通相關(guān)方提供及時、可靠的數(shù)據(jù)資料，評定施工對既有軌道交通工程結(jié)構(gòu)的影響，及時判斷既有軌道交通工程結(jié)構(gòu)安全，對可能發(fā)生的事故提供及時、準(zhǔn)確的預(yù)報，以避免惡性事故發(fā)生。

工程監(jiān)測通常分為人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測兩種方式。人工監(jiān)測經(jīng)過多年的發(fā)展已較為成熟，但存在以下缺點。①時效性不足：數(shù)據(jù)采集不及時，出現(xiàn)險情不能及時上報。②數(shù)據(jù)真實性欠缺：龐大的監(jiān)測工作量使人工監(jiān)測無法保證每一條監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性。③實施難度大：運營期采用人工監(jiān)測安全隱患大，且當(dāng)前我國城市地鐵運營期天窗時間短，使得人工監(jiān)測變得難以實施。

相較于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測，自動化監(jiān)測方式可以遠程控制測量儀器進行自動化數(shù)據(jù)采集，具有時效性好、準(zhǔn)確性高、高頻密集等優(yōu)點。已有學(xué)者開展相關(guān)研究。周玉娟等研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在隧道變形監(jiān)測中的研究進展及展望，著重從理論方面論述物聯(lián)網(wǎng)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用[1]；羅昊等從技術(shù)和經(jīng)濟效益兩個方面對比分析人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測，闡述各監(jiān)測方式的技術(shù)性和經(jīng)濟性特征；總結(jié)不同應(yīng)用條件下應(yīng)優(yōu)先選用的監(jiān)測技術(shù)類型，并提出一套可行的變形監(jiān)測技術(shù)選用程序[2]；李衛(wèi)海等研發(fā)基于光纖傳感技術(shù)的電力隧道自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了無線傳輸、自動化、高精度、實時采集數(shù)據(jù)、分析和預(yù)警等功能，極大地提高工作效率，降低運營和維護成本[3]。然而，上述自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)均需比較復(fù)雜的外業(yè)現(xiàn)場和用戶端配置，故提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)與云計算的自動化變形監(jiān)測方法，并對其進行研究。

2 自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層主要包括各種監(jiān)測設(shè)備，如測量機器人、靜力水準(zhǔn)儀，以及采集氣象參數(shù)的氣象傳感器；網(wǎng)絡(luò)層是指利用4G網(wǎng)絡(luò)、寬帶網(wǎng)絡(luò)將各種監(jiān)測設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸；應(yīng)用層是指遠程服務(wù)器或計算機端的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，負責(zé)監(jiān)測設(shè)備控制和數(shù)據(jù)處理。物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)見圖1。

圖1 自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

3 自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的硬件

基于物聯(lián)網(wǎng)與云計算的自動化監(jiān)測系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，將各種監(jiān)測儀器接入互聯(lián)網(wǎng)中，通過云端的監(jiān)測控制軟件遠程控制設(shè)備進行周期觀測，從而實現(xiàn)全天候無人值守全自動化監(jiān)測，硬件系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的自動化監(jiān)測系統(tǒng)硬件

3.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

(1)測量機器人

采用馬達驅(qū)動，可自動搜索目標(biāo)并照準(zhǔn)，并提供用戶開發(fā)接口。標(biāo)稱精度：水平方向測量標(biāo)準(zhǔn)偏差≤1″，測距標(biāo)準(zhǔn)偏差≤1 mm+1 ppm。

(2)靜力水準(zhǔn)儀

用于測量點的高程變化。量程0～80 mm，精度0.1 mm，分辨率0.01 mm。

(3)氣象傳感器

用于采集氣象參數(shù)對觀測值進行改正。溫度測量范圍-40～60 ℃，分辨率0.01 ℃；準(zhǔn)確度≤±0.3 ℃。濕度測量范圍0～100% RH，分辨率0.05% RH；準(zhǔn)確度≤±3% RH；氣壓測量范圍300～1 100 hPa；分辨率0.1 hPa。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)通訊設(shè)備

DTU(Data Transfer Unit)即數(shù)據(jù)傳輸終端，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)墓δ?，實現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備串口數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)端服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備。數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過串口線與DTU通信，DTU中插入物聯(lián)網(wǎng)卡，通過4G網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)遠程控制數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

3.3 云服務(wù)器

(1)數(shù)據(jù)采集及處理軟件獨立運行在云服務(wù)器上，根據(jù)用戶設(shè)定的觀測周期和測量參數(shù)，控制數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集并實時計算結(jié)果。

(2)數(shù)據(jù)庫建立在云服務(wù)器上，用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、管理。

Risk prevention of compensation claims related to cosmetic labeling 1 6

(3)基于B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)的數(shù)據(jù)管理平臺部署在云服務(wù)器上。

3.4 用戶端計算機和移動設(shè)備

用戶可在電腦端(移動端)通過瀏覽器登錄數(shù)據(jù)管理平臺，設(shè)置觀測周期和相關(guān)測量參數(shù)，遠程控制采集設(shè)備按設(shè)定的參數(shù)采集數(shù)據(jù)，同時實時獲取監(jiān)測結(jié)果。用戶手機還用于接收預(yù)警短信。

3.5 其他保障設(shè)備

包括：供電設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、防風(fēng)防雨防盜設(shè)備等。

4 自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件

自動化監(jiān)測可實現(xiàn)全天候24 h無人值守，儀器自動按照設(shè)定的觀測周期和觀測方式進行測量，并可以遠程控制，因此，自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)可達到以下目標(biāo)：自動化、實時性、使用簡便。

自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件由3個子系統(tǒng)組成，分別為數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，見圖3。

圖3 自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要負責(zé)控制測量機器人進行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，并自動進行數(shù)據(jù)平差計算?；谠朴嬎慵夹g(shù)，系統(tǒng)獨立運行于云服務(wù)器上，用戶端無需配置軟件，可大幅提升系統(tǒng)運行效率，減少用戶端資源消耗，降低用戶成本。另外，一臺云服務(wù)器上可同時運行多個軟件，同時控制多臺儀器測量。系統(tǒng)通過Internet向DTU通訊設(shè)備發(fā)送指令，DTU通過串口對測量機器人發(fā)送控制命令，并同時接收測量機器人回傳數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的自動化、智能化。

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要負責(zé)監(jiān)測狀態(tài)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測成果的顯示，以及用戶對監(jiān)測設(shè)備的控制。系統(tǒng)采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)，用戶只需登錄瀏覽器即可進行所有操作，實現(xiàn)用戶端的輕量化、便捷化。各種不同類型的用戶均可通過該平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)主要負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的云端保存，包括各期次的原始測量數(shù)據(jù)、計算結(jié)果及用戶設(shè)置的測量參數(shù)。采用MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲、管理。

5 自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)在運營地鐵監(jiān)測中的應(yīng)用

某在建地鐵盾構(gòu)始發(fā)井圍護結(jié)構(gòu)與運營地鐵區(qū)間主體結(jié)構(gòu)最小水平距離為15.709 m。為評估鄰近運營線施工對既有運營線路的影響，需對鄰近運營線施工影響區(qū)段進行監(jiān)測。經(jīng)比選，決定采用自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)。

根據(jù)自動化監(jiān)測系統(tǒng)硬件的需求，選擇合適的位置布設(shè)硬件設(shè)備，用膨脹螺絲將專用支座固定到隧道邊墻上，安裝時應(yīng)注意隧道限界，避免設(shè)備侵限影響軌道運營。支座安裝完畢后，安置全站儀，見圖4。

圖4 地鐵隧道監(jiān)測場景

為實現(xiàn)自動化監(jiān)測，同時布設(shè)了通訊設(shè)備DTU，采用RS232數(shù)據(jù)線與全站儀連接，見圖5。

圖5 通訊設(shè)備

設(shè)備布置完成后，首先進行初始值采集，在施工前對所有監(jiān)測點進行12次數(shù)據(jù)采集。在12次采集的數(shù)據(jù)有效時，取平均值作為初始值。

在云服務(wù)器上開啟相應(yīng)的通訊端口。在自動化監(jiān)測系統(tǒng)中新建一個項目，并設(shè)置項目的基本觀測參數(shù)：觀測開始時間、觀測周期、觀測時間間隔、測回數(shù)、棱鏡搜索范圍、重復(fù)觀測次數(shù)、觀測精度要求、2C互差、方向值和距離較差、改正數(shù)、中誤差等。即可在監(jiān)測管理系統(tǒng)中點擊開始測量，設(shè)備將按照設(shè)定的參數(shù)進行自動化監(jiān)測，監(jiān)測管理界面見圖6。

圖6 監(jiān)測管理

在自動化監(jiān)測系統(tǒng)中，可實時查看儀器每一次觀測數(shù)據(jù)，見圖7。

圖7 儀器實時工作狀態(tài)

在每期的觀測結(jié)束后，軟件自動進行平差計算，每個監(jiān)測點的坐標(biāo)和變化量見圖8。

圖8 本期變形和累計變形

監(jiān)測點在近5個月的坐標(biāo)變化值見圖9。

圖9 監(jiān)測點的變形趨勢圖

應(yīng)用表明，相較于人工監(jiān)測，自動化監(jiān)測具有以下優(yōu)勢：①監(jiān)測頻率不受天窗時間限制，可實現(xiàn)全天候不間斷監(jiān)測，這對于保證工程質(zhì)量、及時發(fā)現(xiàn)隱患具有重要意義；②測量人員無需到達現(xiàn)場，一方面充分保證人員安全，另一方面大幅降低人工成本；③監(jiān)測成果可實時發(fā)布、共享，參與工程建設(shè)、運營的各方單位都可及時掌握最新監(jiān)測結(jié)果，為輔助決策提供及時、可靠的信息。

6 結(jié)語

自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)采用云計算技術(shù)，運算量大、資源消耗多的數(shù)據(jù)采集和處理(測量控制)模塊獨立在云端運行，用戶端無需進行軟件配置，可減少用戶端的負荷，實現(xiàn)用戶端的輕量化，優(yōu)化用戶體驗，系統(tǒng)運行效率高。系統(tǒng)可同時控制多臺設(shè)備進行自動化監(jiān)測，用戶只需通過瀏覽器設(shè)置監(jiān)測周期和測量參數(shù)，即可遠程控制設(shè)備運行，并實時獲取監(jiān)測結(jié)果。

實現(xiàn)遠程控制監(jiān)測儀器進行數(shù)據(jù)采集、自動化傳輸、自動化處理和分析、遠程實時查詢、數(shù)據(jù)共享等，保證工程實時監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量和工程安全。