測量機器人隧道變形自動監測系統的研究進展

劉紹堂，王　果，潘潔晨

(1.河南工程學院 土木工程學院，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驗室，河南 鄭州 451191)

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測量機器人隧道變形自動監測系統的研究進展

劉紹堂1,2，王果1,2，潘潔晨1,2

(1.河南工程學院 土木工程學院，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驗室，河南 鄭州 451191)

摘要：在介紹測量機器人隧道變形自動監測系統的原理及結構基礎上，采用文獻分析和比較分析方法，綜合分析測量機器人隧道自動監測系統在隧道結構自動化變形監測中的應用情況。分析表明，測量機器人隧道變形自動監測系統具有精度高、實時、動態、全天候智能遠程遙測的優點，在地鐵和隧道工程安全監測領域具有一定的應用前景。其局限性是只能逐個單點定期監測,增加工程監測的成本。因此,控制成本、開發多點監測功能并全面實現自動化、智能化和網絡化是其發展方向。

關鍵詞：測量機器人；自動全站儀；變形監測；隧道

變形監測關乎施工隧道和運營隧道的安全[1]。傳統隧道變形監測多采用經緯儀、水準儀量測等方法，其發展方向[2]是高精度、自動化、實時化和智能化。測量機器人具有自動目標搜索、識別和跟蹤等功能[3]，它的出現促使隧道工程變形監測的遠程自動在線監測系統得到開發和應用。徐進軍等[4]從工程測量的觀點出發,介紹智能測量機器人的基本構成、原理、特點、精度及應用；劉鐵民[5]設計采用徠卡測量機器人檢測機器人的監測方案并加以實現，分析遠程傳輸的方法，設計相應的軟硬件系統；曹慶磊[6]針對TCA2003測量機器人，利用徠卡公司提供的GEOCOM二次開發工具,在自動監測模塊的基礎上,完善軟件的功能需求；劉林[7]開發一套適用于隧道變形實時監測的軟件—TDMS(Tunnel Deformation real-time Monitoring System)。Tang，E.[8]在香港地鐵中采用測量機器人系統取得滿意效果；Hill，C.D.and Sippel，K.D.[9]把多傳感器系統引入隧道變形監測領域；各儀器廠商[10]也順應時代需求不斷改進已有系統并開發功能強大的新系統。已有的研究表明,測量機器人在隧道自動變形監測的應用已經進入實用階段,但由于成本和功能的局限,其大規模的廣泛應用還需進一步研究。

1測量機器人隧道變形自動監測系統的原理及系統結構

測量機器人具有廣泛的應用[11],在變形監測領域的應用原理是依靠其伺服馬達自動尋標并精密完成斜距、垂直角、高差、坐標等觀測量的動態觀測[12]，在隧道環境下則可以完成隧道收斂、拱頂下沉、地表下沉、三維位移等監測量的連續監測[13]。借助其他軟硬件設備可完成數據記錄、數據傳輸、數據處理、圖形繪制、變形分析、變形預報等功能[14]。廣州市城市復建有限公司張其云[15]采用基于TCA2003測量機器人的全自動動態監測系統,全天候無人值守地在地鐵運行間隔內完成地鐵隧道變形連續監測，系統無需人工干預，自動實現觀測、記錄、數據處理、數據存儲、報表編制、預警預報等功能，系統的軟件和硬件配置包括TCA自動搜標測量機器人、反射棱鏡、通訊及供電電纜、計算機與專用軟件，其原理和結構如圖1、圖2所示。

圖1　測量機器人自動化監測原理

圖2　測量機器人自動化監測系統結構

2測量機器人隧道變形自動監測系統的組成

2.1測量機器人(自動全站儀)

測量機器人又稱自動全站儀，由于其獨有的ATR自動目標識別模式[16]，操作人員一旦粗略瞄準棱鏡后，測量機器人就可搜尋到目標并自動瞄準，極大提高工作效率[17]。小浪底工程咨詢有限公司渠守尚[18]研究認為測量機器人用于變形監測有廣泛的應用前景。在國外測量機器人已經被大量使用于隧道和隧道地表的監測中[19]，圖3(a)是英國Tyne隧道內部的監測系統，在長約300 m的隧道內部,在不同的監測部位的隧道壁設置若干反射鏡,用3臺聯網的測量機器人對其連續觀測，每隔幾分鐘就完成一組自動監測，監測數據通過網絡傳送到數據中心進行數據處理和分析，及時求出并評估由于毗鄰隧道施工導致的現有隧道的變形；圖3(b)給出雅典地鐵項目中監測隧道地表和建筑物變形的一個應用，一個項目根據其規模的不同，監測系統可以有幾臺甚至幾百臺測量機器人同時工作。

圖3　隧道變形監測機器人[19]

圖4　隧道監測機器人的安置

變形監測時，測量機器人要求安置在觀測墩上，在控制終端不方便放置在觀測墩旁邊的情況下，需要在測量機器人與控制終端進行數據通訊，一般在距離比較短的情況，可以采用通訊電纜，或是普通的網絡線亦可；在遠距離的情況，可采用較為簡單的數據傳輸電臺進行通訊，通過電臺方式，可以免去電纜鋪設的麻煩，設置比較簡單，見圖4。每一個測站都有持續的電源供應并配有專門的安全鎖確保儀器的防盜安全。包歡[20]把自動化測量機器人通過基座固定在儀器墩上，設計監測系統，系統包括觀測站、基準點、變形點、中繼站、外業計算機和遠程監控計算機等，每個監測斷面的間距根據相關規范和監測區域的圍巖等級來確定，一般在5～50m。設置基準點與變形點的位置特別要利用儀器的小視場功能，使之均勻分布在儀器望遠鏡的視場內，相互不受干擾[20]。

2.2標準精密測距棱鏡

棱鏡作為觀測標志，利用膨脹螺絲固定在隧道內側(見圖5)，其數目可按實際需要設定，該標志能被測量機器人自動跟蹤鎖定，以實施精密測角和測距[17]。監測棱鏡安裝在變形區內，通過對監測目標的連續測量分析計算出該變形區的變形量[21]。

2.3計算機和其他設備

計算機利用電纜和測量機器人連接，并裝有專用軟件以實現整個監測過程的全自動化，計算機除能控制測量機器人按特定測量程序采集監測點數據，并將測量成果實時進行處理，以便及時發現錯誤，避免返工，也可以對各個觀測周期的監測數據進行存儲并生成監測報告[15,17](見圖6)。

其它設備包括溫度計﹑氣壓計﹑濕度計、連接電纜、外接電源等；溫度計﹑氣壓計﹑濕度計用于測定空氣的溫度、壓力和濕度。將測定結果輸入到計算機中，對觀測結果進行修正，以提高觀測精度[15,17]。

圖5　測量機器人標準精密棱鏡

圖6　控制中心設備

2.4監測軟件

不同品牌的測量機器人大多開發了隨機軟件，近年來很多人對這些系統進行了二次開發[22]。楊紹戰[23]采用VB6.0語言和EXCEL數據庫,開發了隧道監控量測數據分析處理軟件。軟件集數據輸入、數據管理、數據應用等功能于一體,實現計算的前臺可視化界面與監測信息存儲的后臺數據庫的結合;趙騫[24]研究了礦山測量機器人形變監測數據庫整合方法,開發基于WebGIS的遠程監測應用軟件系統；王苑楠等[25]基于GTS-901A智能型測量機器人,開發了用于自動變形監測系統中的機載變形數據采集軟件；毛亞純等[26]介紹了徠卡儀器公司提供的二次開發平臺GEOCOM中各模塊的功能及主要模塊中有關參數的意義和用法，總結了利用GEOCOM編寫測量機器人控制軟件的經驗。貴慧宏[27]以拓普康公司的GTS901A測量機器人為例,實例化測量機器人通用類,獲取GTS901A測量機器人對象,開發了GTS901A變形監測自動化軟件(GROMA,GeoRobot Online Automatic Deformation Monitoring software)；梅文勝等闡述了測量機器人變形監測自動化系統Geo_Def及其應用情況,同時設計基于測量機器人的變形監測系統和數據庫的結構,討論計算機與測量機器人之間的串行控制,在數據處理中加入距離和高差差分處理技術[28]。

無論采用何種軟件，系統均需實現兩大基本目標：其一是在定時器的管理下周期性自動采集基準點和變形點的觀測數據[29]；其二是經過適當的數據處理計算，顯示和保存變形點的三維變形信息。

3測量機器人隧道變形自動監測系統的功能

測量機器人隧道變形自動監測系統采用專門用于監測的配套變形測量軟件，軟件運行環境Windows，數據既可以采用數據庫存儲，也可以通過網絡傳送[30]；既可按操作者設定的測量程序自動完成選點、跟蹤、監測、數據處理等一系列工作，也可以采用數據后處理方式按規定要求輸出變形曲線、分析報表。測量系統警報組件,當水平或垂直位移限值超過5 mm時可以發送短信給相關人員，以便采取對策。圖7為位移—時間的曲線圖[19]，圖中由不同顏色的曲線表達監測斷面不同的點的變形情況，根據同一個點在一段時期內的多次監測數據自動繪制沉降、收斂或位移隨時間的變化曲線。測量機器人隧道變形自動監測系統還可以根據工程具體特點分析多源數據的變形特征,結合專家經驗知識,實現隧道安全狀態評估[31]。

監測系統長期連續運行，大大增加監測頻度，提高監測數據的可靠性，對于處于危險區域的監測可以實現無人值守，提高監測工作的安全性。

圖7　位移-時間的曲線圖

4測量機器人隧道變形自動監測系統的監測精度

譙生有[32]通過對對邊測量高差和水平基線收斂精度的分析，應用測距固定誤差為1 mm的測量機器人量測時，拱頂下沉和水平收斂的精度可達1 mm；應用測距固定誤差為2 mm的測量機器人，拱頂下沉量測精度可以達到1.5 mm，當控制視線水平夾角小于60°的情況下，水平收斂量測精度可以達到2 mm，若增加觀測次數，取兩次測量的平均值時，拱頂下沉精度有望達到1 mm，水平收斂精度有望達到1.5 mm。劉春[33]通過標準基線場的觀測實驗,對人工測量與GeoMoS自動測量的數據精度進行比較分析,認為GeoMoS系統是可靠的；王凱[34]以實際項目為背景,運用實驗與對比的方法,分析TCA2003自動測量機器人照準棱鏡的觀測精度,繪制各實驗點位坐標較差圖,結果表明,圓棱鏡配合TCA2003自動測量機器人的測量誤差在亞毫米級內,可以適用于變形監測,且能滿足一般工程應用要求。袁恒等[35]推導測量機器人三維自由設站點和監測點的坐標計算、收斂值計算及精度評定的數學模型,在此基礎上進行觀測實驗并對實驗數據進行分析比較。研究和實驗結果表明,該方法能夠在隧道施工環境下實施,監測精度滿足規范的要求,具有一次測量完成多個監測項目的優勢,適合在隧道監控量測中應用[36]。曹占虎[37]在分析盾構隧道施工地表建(構)筑物沉降監測、建(構)筑物傾斜監測、裂縫監測、隧道管片隆沉監測、隧道管片水平收斂監測等監測內容、監測方法、監測頻率及控制標準的基礎上,結合某地鐵區間盾構法施工監測工程實踐,橫向地表沉降、隧道管片沉降或隆起、凈空水平收斂監測的結果滿足精度需要,得到相應橫向地表沉降、縱向地表沉降和沉降過程的規律,以及隧道管片沉降或隆起、凈空水平收斂監測變形規律。

5結束語

國內外的研究表明,由測量機器人組成的自動監測系統，在隧道工程中具有精度高、實時、動態、全天候、智能遠程遙測的優點，可實現真正意義上的無人值守連續運行的高精度自動形變監測，應用前景廣闊；其應用的局限性是只能逐個單點定期監測,在一定程度上增加了成本，降低了工程監測的效率。因此,控制成本,開發多點監測功能并全面實現自動化、智能化和網絡化是其發展方向。

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[責任編輯：張德福]

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.10.009

收稿日期：2015-07-12

基金項目：河南省重點科技攻關計劃(122102210421);河南省教育廳科技攻關計劃(2010A420001)

作者簡介：劉紹堂(1965-),男，教授,博士.

中圖分類號：U451+.2

文獻標識碼：A

文章編號：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