测量机器人自动化测量在地铁结构变形监测中的应用

测量机器人自动化测量在地铁结构变形监测中的应用

张开朗

中国水利水电第三工程局有限公司陕西省西安市710054

摘要：随着城市地铁的大规模建设，在建工程影响既有地铁线路的情况越来越多，基坑开挖必然会对临近的地铁隧道产生一定的影响，一般需要对既有隧道进行监测，而运营隧道只有夜间地铁停运期间才能进行人工监测，无法实时了解隧道的安全状况，基于这种现状，本文介绍了徕卡TS30测量机器人自动化监测系统，对其在地铁结构变形监测中的应用进行相关探讨。

关键词：测量机器人；自动化测量；变形监测

地铁隧道是一狭长的线状地下建构筑物，监测点数量比较大，其周期性和长期性，使数据量非常庞大。面对这些繁杂而又庞大的数据能否管理利用好，关系到监测隧道结构变形和预测预报结构变形工作能否实现和实现的质量。为此，如何有效地管理原始信息，并进行相应的处理显得尤为重要。目前多数监测信息的管理和应用存在不直观、不及时、自动化程度较低等缺点，根据地铁隧道结构自身特点研制一套高效率的、使用方便的监测信息管理系统是必要的，它与变形监测一样具有重要的实用意义和科学意义。

一、测量机器人

自动全站仪又称测量机器人，是20世纪80年代由奥地利维也纳技术大学同GeoData和瑞士Leica公司共同开发的全自动型测量仪器。它是在全站仪的基础上集成激光、精密机械、微型计算机、CCD传感器，以及人工智能技术发展起来的。它通过CCD传感器识别目标并对所接收的电磁波强度进行探测，在计算机控制下驱动步进马达，能够实现目标的自动识别、精确照准和测量数据的自动记录，并可实现对大量目标的无接触自动遥测。测量机器人最主要的特征是自动识别系统（auto-matictargetrecognition，ATR）。它发射红外光束，并利用自准直原理和CCD图像处理功能，无论在白天还是黑夜，都能实现对目标的自动识别、照准与跟踪，利用跟踪测量模式能实时测得动态数据。

二、自动监测控制和分析软件GeoMos

徕卡监测软件GeoMos是一套集GPS、TPS、倾斜传感器、各种气象和地质传感器等多种传感器于一体的现代化综合监测系统，它是可以实现计算机远程控制和配置，具备自动报警和消息发送功能，可以按照既定的程序进行自动应急处理和实时可视化、数字化分析结果的24小时不间断运行的系统。GeoMos专业版由两个模块组成：监测模块（MONITOR）和分析模块（ANALYZER）。监测模块的主要功能是集成各种传感器（GPS、全站仪、气象传感器、地质传感器等）进行数据采集；自动计算变形结果、可实时显示当前测量信息；对测量、计算、限差检测进行自定义、探测各种工作状态；实现服务器与单机监测系统间的数据传输。分析模块的主要功能是对测量数据与结果进行图形与数字方式显示、进行数据编辑与后处理、进行的超限探测、进行注记、对图形格式进行自定义、对报告格式进行自定义、输出各种兼容数据格式（如ASCII，DGN，WMF）。

三、观测方法

将徕卡TS30全站仪安装在隧道中，通过通讯链将全站仪与装有监测软件的计算机连接，通过计算机控制全站仪工作。根据之前设定的监测周期，对监测点进行测量，并计算较差。监测的数据会自动存储在数据库里。如果监测过程中出现误差异常或者监测点的棱镜被遮挡，软件会对这些情况进行记录。在监测周期到期后，全站仪会自动对下一个监测点进行监测，直到循环周期结束。在监测周期结束后，要对出现异常情况的监测点进行复测，确定该监测点是否确实存在问题。通过控制软件，在每一监测周期开始前，使用基准点，通过多次测回计算出测站点的坐标，然后再监测其他的监测点，得到其他监测点的坐标。

四、数据处理和分析

测量机器人自动监测系统的原理是全站仪的三维极坐标，在进行监测时，监测点的距离要控制在合理的范围内，这样各个监测点的气象条件相似，通过对监测数据的处理，可以消除监测周期内气象差异引起的误差。记录数据之后要对搜集的数据进行处理和分析，在数据分析时要使用专业的分析软件。目前使用最广泛的数据处理方法有多重差分析法和坐标转换法，多重差分析法是使用差分的方法对监测的数据进行处理，这种方法要求监测站点在监测周期内不发生变化，或者监测站点具有相对稳定的基准点。坐标转换法使用监测周期内的坐标数据，求出现在监测的坐标系相对于首期监测坐标系的转换系数，然后求出现在的监测点相对于首期监测点的坐标，这样就可以得到监测点的变化量。在进行数据处理时，还要对数据进行人工处理，将差距较大的数据剔除，并将监测周期内数据的平均值作为监测周期的最终数值。根据施工的要求，绘制监测点的位移曲线图，并制作监测报表，对地铁隧道的变形情况及时汇报。

五、监测精度分析

很多因素会对监测数据的精度有影响，影响因素主要可以分为随时间变化的系统误差和偶然误差。有些系统误差会随着时间的变化而变化，但是对于变形监测来说，可以认为这种系统误差会随着两周期之间求变化值时被消除了，可以不考虑随时间变化的系统误差。对于测量机器人系统来说，不随时间变化而变化的系统误差有仪器本身的系统误差和测站与目标点之间固定的对中误差，随时间变化而变化的系统误差有仪器度盘的零方位漂移和外界气象条件引起的误差。偶然误差是仪器在测量时发生的随机误差，主要体现在仪器的标称精度上。

（1）距离差分的改正。通过已知的监测站和其他基准站之间的距离，就可以不用测定气象元素的距离和大气折射率，进行距离差分的改正。

（2）方位角差分改正。在长时间的监测过程中，很难保证监测仪器的绝对稳定，由于受到水平度盘零方向漂移和大气水平折光等因素的影响，监测数据会存在误差，所以要对水平方位角进行差分改正，以减少误差，提高监测数据的精度。

六、结语

地铁变形测量机器人自动化监测的研究是针对未来监测的发展方向，在科技的进步中不断的摒弃糟粕才能一直立于发展的潮流中，而传统的监测模式已经跟不上科技发展的浪潮，只能被淹没在历史的洪潮中。自动化的监测解放了人的劳动力，还能得到较为精确的监测结果，这一显著的优势就是它领先的资本，从手动到半自动，再到全自动，凝结了人类智慧的结晶，而智能机器人与电脑的联用更是谱写一个测绘的新篇章。

参考文献：

[1]朱增洪.测量机器人在地铁隧道自动化变形监测中的应用[J].建材与装饰,2016(35).

[2]王艳茹,王明权.基于测量机器人的地铁变形监测系统研究与应用[J].交通科技与经济,2016,18(3):60-63.

[3]王艳茹,王明权.基于测量机器人的地铁变形监测系统研究与应用[J].交通科技与经济,2016,18(3):60-63.