劉 健

（天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院， 天津 300400）

引言

數(shù)據(jù)中心基建工程中應(yīng)用的激光掃描技術(shù)由激光測(cè)距技術(shù)衍生而來(lái)，通過(guò)激光束在地平面水平方向和垂直方向持續(xù)的角度變化測(cè)定數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架外表的三維坐標(biāo)，是一種高精度遠(yuǎn)程測(cè)量手段[1-3]。為了提高工程項(xiàng)目中數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架變形量的監(jiān)測(cè)效率，本文提出并開(kāi)發(fā)了一種激光自動(dòng)掃描平臺(tái)，平臺(tái)的硬件部分采取了3層架構(gòu)的形式，軟件部分集成了用于數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)亩鄠€(gè)系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，所提出的平臺(tái)具有較高的測(cè)量進(jìn)度，實(shí)用性很強(qiáng)[4-7]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架變形激光自動(dòng)掃描平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。平臺(tái)硬件部分主要由測(cè)量層、通信層、應(yīng)用層組成，測(cè)量層負(fù)責(zé)采集各種數(shù)據(jù)，主要包括全站儀、標(biāo)靶組以及水位計(jì)、應(yīng)力計(jì)等多個(gè)參數(shù)測(cè)量傳感器；通信層用于平臺(tái)各部分間的數(shù)據(jù)傳輸，主要包括無(wú)線發(fā)射模塊、數(shù)據(jù)傳輸單元和微型控制單元；應(yīng)用層用于平臺(tái)與操作者的交互，主要包括手機(jī)、計(jì)算機(jī)、LED顯示器等[8-10]。平臺(tái)軟件部分采取了“3+1”的智能化管理模式，由自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)報(bào)自動(dòng)生成系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理預(yù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲(chǔ)，通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)向操作者和第三方單位呈現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖1所示。

1.2 軟件部分設(shè)計(jì)

通過(guò)Visual C#編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，接收各種參數(shù)傳感器采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并操控全站儀按規(guī)范流程進(jìn)行數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架變形量測(cè)量作業(yè)。自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理預(yù)警系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)過(guò)程中對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的限制值在數(shù)據(jù)發(fā)生超限時(shí)立即發(fā)出預(yù)警信息，預(yù)警方式包括現(xiàn)場(chǎng)警示音、郵件、短信等。簡(jiǎn)報(bào)自動(dòng)生成系統(tǒng)基于Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采用了方便用戶登錄客戶端的B/S架構(gòu)，能夠幫助操作者和項(xiàng)目第三方用戶對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，并在單次監(jiān)測(cè)完成后自動(dòng)生成曲線圖和Excel數(shù)據(jù)表等形式的電子簡(jiǎn)報(bào)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給工程項(xiàng)目的施工、建設(shè)、監(jiān)理單位以及政府監(jiān)管部門(mén)，極大地提高了監(jiān)測(cè)工作的效率。

1.3 通信設(shè)計(jì)

平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信主要分為2個(gè)部分，一是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向全站儀和各傳感器發(fā)送控制信號(hào)，二是全站儀和各傳感器將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，由此形成了從測(cè)量層到應(yīng)用層的閉環(huán)控制。操作者通過(guò)計(jì)算機(jī)向全站儀發(fā)出Request操作指令，全站儀以Reply作出反饋并按指令的要求完成相關(guān)動(dòng)作。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，全站儀通過(guò)向分布于測(cè)量位置的標(biāo)靶發(fā)射激光獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，通過(guò)RS232串口利用無(wú)線傳輸單元將其發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量較多，以各種參數(shù)傳感器為節(jié)點(diǎn)組建基于SNAP無(wú)線通信協(xié)議的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，在WSN的組網(wǎng)模式下，單個(gè)傳感器故障不會(huì)影響其它傳感器與服務(wù)器的通信[11]。

2 系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

在數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架測(cè)試激光發(fā)射點(diǎn)周圍5~160 m范圍內(nèi)均勻設(shè)立40個(gè)標(biāo)靶，通過(guò)Leica TM30全站儀對(duì)所有標(biāo)靶的整體坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)當(dāng)天的數(shù)據(jù)中心上午和下午使用Riegl LMS-VZ400掃描設(shè)備進(jìn)行兩次測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度設(shè)定為27℃和32℃，數(shù)據(jù)中心機(jī)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)有通風(fēng)系統(tǒng)且微風(fēng)，對(duì)掃描設(shè)備采取遮陽(yáng)防護(hù)措施。

上午進(jìn)行第一次實(shí)驗(yàn)，激光掃描測(cè)量測(cè)回?cái)?shù)為10次，在40個(gè)標(biāo)靶中選擇均勻分布的4個(gè)作為參考坐標(biāo)點(diǎn)，每次測(cè)量完成后對(duì)標(biāo)靶坐標(biāo)值進(jìn)行設(shè)備-整體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將2~10次測(cè)回的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)值求平均數(shù)，以全部測(cè)回的坐標(biāo)測(cè)量均值與其進(jìn)行比較，由此得到了比較統(tǒng)計(jì)曲線；之后再次提取其余4個(gè)標(biāo)靶作為參考坐標(biāo)點(diǎn)，按上述過(guò)程進(jìn)行坐標(biāo)值和均值計(jì)算，得到如圖2所示的統(tǒng)計(jì)曲線。

下午移動(dòng)激光發(fā)射點(diǎn)位置，按與上午相同的程序進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)，獲得如圖3所示的測(cè)量精度與測(cè)回?cái)?shù)關(guān)系曲線。

將Riegl LMS-VZ400激光掃描設(shè)備測(cè)得的所有標(biāo)靶坐標(biāo)與Leica TM30傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，可對(duì)該激光掃描設(shè)備的精度做出以下結(jié)論：測(cè)量距離在160 m以內(nèi)，測(cè)距較差中誤差數(shù)值為4.2 mm，與該設(shè)備說(shuō)明的5 mm標(biāo)稱精度相符；平面點(diǎn)位精度數(shù)值為較差中誤差6.8 mm，同時(shí)高程較差中誤差數(shù)值為11 mm。

3 結(jié)論

激光掃描技術(shù)在數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架變形量的監(jiān)測(cè)中應(yīng)用較為廣泛，為了進(jìn)一步提高效率，本文提出并開(kāi)發(fā)了一種數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架變形激光自動(dòng)掃描平臺(tái)，介紹了平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)，闡述了平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件部分的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了平臺(tái)的測(cè)量精準(zhǔn)性。該平臺(tái)能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、處理、預(yù)警、存儲(chǔ)和現(xiàn)實(shí)，適用于各類工程項(xiàng)目的數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架變形監(jiān)測(cè)。