LEICA超高精度智能全站儀在橋梁靜動荷載試驗中的應用

李科偉

摘 要：文章探討了使用徠卡0.5秒超高精度的TS60智能全站儀，結合開發的軟件系統在橋梁的靜、動荷載試驗中，對橋梁的撓度和位移變形進行自動化測量，其目的是完善橋梁檢測中橋梁靜、動載試驗的技術手段，為進一步更多地、科學地評價橋梁結構的狀況及其承載能力提供依據。

關鍵詞：橋梁荷載 撓度測量 位移變形 GeoCOM開發 智能全站儀

中圖分類號：TU196 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（a）-0069-03

改革開放以來，我國經濟迅速發展，公路建設中，橋梁擔當著道路交通連接的紐帶。尤其是如今車輛超載現象日趨增多，對于公路橋梁的安全性造成較大威脅，也出現過多起重型車輛壓垮橋梁的事故。因此新建橋梁或者現役的橋梁都建議要進行荷載試驗，對橋梁結構指定位置的撓度、應變分布、變形等進行檢測。通過靜載和動載試驗，獲取測量數據，從而對橋梁結構性能做出科學、合理的評定，判斷橋梁的實際承載等級，為日后的養護、維修和加固提供科學的依據和技術支持。本文主要介紹使用高精度全站儀如何進行自動化撓度和位移變形測量。

1 TS60全站儀的應用優勢及原理

對于橋梁的撓度測量，傳統的測量方法有百分表、精密水準儀、非自動全站儀和位移計；新型測量方法有傾角儀法、加速度計、聯通管法、激光圖像、光電成像以及GPS測量等。這些方法中，傳統的測量作業效率不高，甚至需要搭設腳手架，尤其在困難環境很不方便，費時費力，人工讀數，更是容易出現錯誤數據。新型測量方法中各有優缺點，在此介紹另一種使用機器人全站儀進行自動化測量，直接測量橋梁各跨度點撓度，同時可以測量出支撐點的沉降和位移變形量。使用徠卡TS60智能全站儀進行自動化橋梁靜載試驗時，其相對測量精度可以達到±0.1mm。

徠卡TS60全站儀是瑞士徠卡在2015年推出的最新的、超高精度的、智能的機器人全站儀，它稱得上是目前全球最好的全站儀，其測角精度為0.5s。它采用一種將電能和機械能互相轉換的壓電陶瓷技術的馬達驅動，轉速可達180°/s，是徠卡傳統伺服馬達轉速的4倍，從而提高了測量工作效率，并且更環保節能省電。它還具有ATR自動目標識別棱鏡功能、高速LOCK鎖定跟蹤棱鏡功能和可供二次開發的接口。

ART自動目標識別功能（Automatic Target Recognition），是內置于TCA全站儀望遠鏡內，其測量光束與望遠鏡視準軸同軸，從物鏡端發射，按類似自準直的原理經過目標棱鏡反射后返回信號由全站儀CCD相機接收并加以分析。返回光束所形成光點相對于CCD相機中心的位置由儀器精確測定，從而自動識別和照準棱鏡中心，減少人工瞄準的繁瑣和視力引起的誤差。ATR精確定位可分為三個過程：目標搜索、目標照準和測量。該技術用在橋梁靜載試驗中，測量不同荷載重量工況下加載、卸載前后各跨度點的撓度、支撐點沉降和位移變形量。

LOCK鎖定跟蹤主要是在ATR功能的基礎上增加一個鎖定功能，能夠自動鎖定移動的目標棱鏡，而不需要用戶的干預，在目標棱鏡移動過程中實時跟蹤，并且自動精確對準棱鏡中心。此時加上連續測距功能，就可以實時獲得目標棱鏡的三維坐標運動軌跡。該功能技術用在橋梁動載試驗中測量跨度點的動撓度和振動變形量及變形趨勢。

2 GeoCOM接口二次開發

TS60全站儀提供了GeoCOM應用程序二次開發接口，方便用戶使用PC計算機或者移動手持設備與全站儀聯機通訊，組成系統集成，實時采集數據，及時分析數據，在橋梁荷載時，實現自動化測量。

（1）開發原理。

GeoCOM接口是徠卡公司為用戶提供的用于PC機和全站儀相互通訊的一個接口。可以使用徠卡已經封裝好的dll函數來向全站儀發送指令，或者使用美國SUN公司RPC（Remote Procedure Call）技術標準來傳輸指令。全站儀作為服務端接收到指令后，經過其自身的子系統處理好數據然后將結果回傳給PC機客戶端，從而實現在徠卡全站儀現有的基礎功能上，開發出符合工作需求，完成更高級的測量任務。

對于計算機程序語言，沒有嚴格限制，根據開發人員自身愛好而定，可以是Visual Basic，或是C/C++語言，或者其他程序語言作為開發工具。本文將介紹使用VB.NET開發環境，通過RPC指令來與全站儀通訊。PRC指令主要是發送與接收ASCII字符串，對于徠卡全站儀發送字符串格式是：

[]%R1Q，[，]：[][，，...]

接收到全站儀回傳的字符串格式是：

%R1P，[，]：[，，， ...]

（2）實現步驟。

①GeoCOM端口初始化連接。

PC機與全站儀互相發送或接收數據，一般是通過RS232串口來通訊。使用VB.NET環境開發時，可以使用SerialPort類來定義一個RS232端口，也可以使用開發環境中現成的SerialPort組件作為RS232串口直接利用，本文使用后者來通訊。在項目中添加SerialPort組件（名稱定義為SP_RS232），在窗體Load事件中初始化端口，將PC串口和全站儀RS232設備的通訊參數設置成一致，代碼如下：

With SP_RS232

.BaudRate = 19200

.DataBits = 8

.StopBits = StopBits.One

.Parity = Parity.None

End With

然后在窗口中添加一個按鈕，在其單擊事件中添加打開端口的代碼，如下：

If Not SP_RS232.IsOpen Then

SP_RS232.PortName = “COM1”

SP_RS232.Open（）

End If

其中端口號應該是選擇聯機時實際的端口號，可以使用SerialPort類的GetPortNames方法來查詢，并列出所有可用端口，然后從中選擇實際對應的端口號。

②聯機測量。

待全站儀和PC的端口連接成功以后，我們就可以發送全站儀能識別的RPC指令，根據需要，從返回字符串中提取觀測數據值，其中的“RC”是用來判斷返回數據的狀態信息，比如精度是否可靠或者是否出錯等信息。在發送一個指令字符串后（如測距），需要等候一會，直到收到返回字符串，然后根據“RC”標志判斷測距是否成功，如果成功再發送獲取觀測值的指令字符串（如獲取角度斜距值），然后判斷獲取的數據結果是否可以使用，如果可用，再從中提取觀測值。

聯機后執行常規測量，具體操作的過程如下。

判斷ATR的狀態，如果已關閉需要將其打開；如果已經有學習測量值，可以將望遠鏡照準指定目標方向；將全站儀望眼鏡精密照準目標棱鏡的中心；根據設定的測距模式執行測距動作；測距成功后獲取角度、距離、坐標及各項改正值等測量數據；清除全站儀上觀測值信息。

然后根據需要重復執行設計的測量動作，以便完成更多的、復雜的測量任務。

（3）分析數據。

測距并獲取數據成功后，就可以對數據進行相應的計算及分析處理，在橋梁檢測試驗中主要是比較各種荷載下，各檢測點的撓度和位移變形量。靜載試驗時使用標準測距模式，測量不同荷載情況下橋梁產生的撓度和位移變形；動載試驗時使用跟蹤測距模式，測量運動的車輛對橋梁產生的動撓度，以及橋梁振動的變形趨勢。

（4）關閉端口。

結束測量時，需要關閉GeoCOM接口，關閉串口的代碼如下：

If SP_RS232.IsOpen Then

SP_RS232.Close（）

End If

3 靜載試驗

根據預定的荷載試驗方案，將棱鏡布設在橋梁的各個跨徑點及位移監測點，如墩臺、塔頂、1/4跨徑、1/2跨徑和3/4跨徑以及其他等分跨徑截面。在橋梁附近尋找一個穩定的地方架設全站儀，并且保證全站儀能夠與每個棱鏡都相互通視。現場還需要準備一臺PC電腦、工作電源、各小組間聯絡設備、必要的照明設備等。把全站儀和PC機聯機，啟動自行研發的ZZBridge橋梁荷載試驗軟件，將設站定向、學習值測量、循環測量時間、測量間隔、報警限差等設置完成，輸入工況信息，做好檢測準備。

開始靜載試驗時，在ZZBridge橋梁荷載試驗軟件中點擊開始按鈕，全站儀ATR自動依次照準各個目標棱鏡，并且精確照準棱鏡中心，然后測量其三維坐標值。根據現場指揮，在每個工況進行加載或卸載開始前，自動循環進行初始值數據采集，加載或卸載后，再自動循環采集數據，并計算出各點的撓度變化量及位移變化量。測量過程中，如果出現個別檢測點目標暫時無法測量或者測量超出限差，系統會以顏色、聲音甚至電子郵件或短信進行報警提示，并且根據需求對其自動重新進行補測。最后可以將觀測的成果值和預判的變形值比較，經過數據分析，做出相應的檢測評估、結論。

4 動載試驗

TS60全站儀跟蹤測量時連續測距間隔小于0.15s，轉動時切向最大速度在100m處45m/s，徑向最大速度是5m/s，動態測量相對精度可達±2.5mm。在動載試驗前，根據設計需求，判斷所檢測橋梁的振動頻率和動撓度變化量是否適合于用TS60全站儀來檢測。只有滿足橋梁荷載設計要求時，再使用該方法進行動載試驗。和靜載試驗一樣做好各項準備，因為跟蹤測量只能實現一臺全站儀實時跟蹤一個棱鏡，所以在動載試驗時一般選擇最具有代表性的一個檢測點來測量其最大撓度或者位移變化量或者分多次來測量不同檢測點棱鏡。條件允許的情況下可以采用多臺儀器和多個棱鏡來全方位同時監測各檢測點。

動載試驗觀測時，可以實時顯示檢測點的變化量、軌跡、振動趨勢和峰值，實時繪制出振動曲線。測量結束后可以整體瀏覽圖形，也可以局部放大縮小；可以將成果數據導出成Txt、Excel、圖片等，為進一步分析處理打好基礎。

5 結語

橋梁的靜動載檢測試驗結果數據是判斷橋梁結構運營狀況和承載能力的一個重要指標，測量方式方法是多種多樣的。本文使用徠卡超高精度全站儀結合自行研發的ZZBridge橋梁荷載試驗軟件，在橋梁荷載試驗中進行自動撓度和位移測量，以及全站儀自動化測量在橋梁荷載試驗中的優勢。目前該檢測系統及方法被上海同豐工程咨詢有限公司、上海同納建設工程質量檢測有限公司和上海巨一科技發展有限公司等用于全國各大橋梁荷載試驗，得到一致認可和好評。將軟件、硬件和無線通訊技術進行系統集成，除了在荷載試驗時，還可以在橋梁運營期實現24小時遠程無線自動化監測，為橋梁結構安全提供科學依據。

參考文獻

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