李懷鋒

（上海同濟(jì)檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海市200092）

0 引言

當(dāng)前，工程中采用測(cè)量機(jī)器人即自動(dòng)全站儀（瑞士Leica、美國(guó)Trimble、日本Sokkia等品牌）進(jìn)行橋梁、隧道、基坑、鐵路、大壩等結(jié)構(gòu)變形位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)已比較普遍[1-5],但都是針對(duì)有棱鏡目標(biāo)；某新建道路地道工程位于上海軟土地區(qū)，施工計(jì)劃下穿運(yùn)營(yíng)中的高速公路，工程風(fēng)險(xiǎn)大，且全天車(chē)流量大，交通管理部門(mén)僅允許每周一次上道作業(yè)，無(wú)法采用常規(guī)人工上道進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)。因交通管理部門(mén)要求高速公路行車(chē)道區(qū)域不能布設(shè)棱鏡目標(biāo)，棱鏡目標(biāo)密度嚴(yán)重不足，常規(guī)的人工上道日常監(jiān)測(cè)和棱鏡目標(biāo)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也難以滿足該工程要求。

大部分自動(dòng)全站儀都具備免棱鏡測(cè)量技術(shù)，測(cè)距測(cè)程幾十米至幾百米不等，該技術(shù)已在若干盾構(gòu)隧道下穿機(jī)場(chǎng)飛機(jī)跑道、高大滑坡變形位移監(jiān)測(cè)等工程中運(yùn)用[6-10]，但在地道下穿車(chē)流量極大的運(yùn)營(yíng)高速公路中運(yùn)用較少。

圖1 高速公路現(xiàn)場(chǎng)俯視圖

針對(duì)運(yùn)營(yíng)高速公路無(wú)法上道作業(yè)、車(chē)流量大且棱鏡測(cè)點(diǎn)密度不足，為保證高速公路行車(chē)安全和掌握地道施工階段高速路基位移變形情況，有必要采用基于測(cè)量機(jī)器人免棱鏡和棱鏡測(cè)量技術(shù)，研發(fā)一套同時(shí)滿足棱鏡和免棱鏡測(cè)量的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件，不僅能解決該工程存在的實(shí)際困難，還能為今后類(lèi)似地道下穿運(yùn)營(yíng)高速工、機(jī)場(chǎng)飛行跑道區(qū)域等工程提供借鑒。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與開(kāi)發(fā)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由自動(dòng)全站儀、監(jiān)測(cè)軟件（現(xiàn)場(chǎng)控制端、云平臺(tái)）、觀測(cè)站、測(cè)點(diǎn)目標(biāo)（有棱鏡、免棱鏡）、通信設(shè)備構(gòu)成，其中監(jiān)測(cè)軟件屬于核心部分，由現(xiàn)場(chǎng)控制端、云平臺(tái)構(gòu)成。

自動(dòng)全站儀采用Sokkia NET05AXII測(cè)量機(jī)器人，測(cè)角精度0.5s，無(wú)棱鏡模式100m之內(nèi)可達(dá)到1mm+1ppm，具備馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、目標(biāo)自動(dòng)搜索照準(zhǔn)等功能,集成Windows CE6.0操作系統(tǒng)，可采用C++、C#等編程語(yǔ)言，可通過(guò)串口通信協(xié)議根據(jù)自己的需求對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)；觀測(cè)站設(shè)在基準(zhǔn)點(diǎn)或工作基點(diǎn)，用來(lái)固定自動(dòng)全站儀，可使用交流電或太陽(yáng)能電板供電；測(cè)點(diǎn)目標(biāo)由棱鏡目標(biāo)、免棱鏡目標(biāo)構(gòu)成，棱鏡目標(biāo)布設(shè)在體現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的變形特征點(diǎn)位，且要求固定可靠、不易遮擋，免棱鏡目標(biāo)應(yīng)瞄準(zhǔn)有效測(cè)量距離不長(zhǎng)、基本平整區(qū)域上；通信設(shè)備采用全網(wǎng)通4G通信模塊，傳輸距離不受限且速度快，支持國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商全部2G、3G、4G頻段的模塊。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，市場(chǎng)上普遍采用的基于測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件，基本遵循著先學(xué)習(xí)測(cè)量記錄各個(gè)棱鏡目標(biāo)測(cè)點(diǎn)初始角度、后按照角度方向依次自動(dòng)搜索并測(cè)量目標(biāo)方向的技術(shù)流程[1-5]。

為確實(shí)有效的測(cè)量免棱鏡目標(biāo)測(cè)點(diǎn)，在以上流程基礎(chǔ)上進(jìn)行了部分優(yōu)化，學(xué)習(xí)測(cè)量時(shí)記錄各個(gè)測(cè)點(diǎn)目標(biāo)參數(shù)（是否棱鏡、棱鏡常數(shù)），每次自動(dòng)測(cè)量該點(diǎn)時(shí)設(shè)置目標(biāo)測(cè)點(diǎn)參數(shù)（是否棱鏡、棱鏡常數(shù)），之后判斷當(dāng)前測(cè)量距離的有效性，優(yōu)化后的流程如圖2所示。

圖2 技術(shù)流程圖

其中3、4、5步驟的關(guān)鍵代碼如下：

b Survey Result=Survey Point Angle（&i New Angle）；//進(jìn)行測(cè)量；若（棱鏡測(cè)點(diǎn)、免棱鏡測(cè)點(diǎn)）測(cè)量成功返回?cái)?shù)據(jù)，記錄至i New Angle，b Survey Result為T(mén)rue；若棱鏡測(cè)點(diǎn)失?。ㄜ?chē)流量大引起遮擋，測(cè)距失?。琲 New Angle為0，b Survey Result為False；標(biāo)準(zhǔn)測(cè)距模式下，免棱鏡測(cè)點(diǎn)基本上都會(huì)測(cè)量成功。

Coordinate To Adjusted（）；//對(duì)測(cè)量成功的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行差分改正（斜距差分、三角高程與球氣差差分、方位角差分等[1]）

Caculate Point Defor（）；//計(jì)算測(cè)量成功的測(cè)點(diǎn)變化量

Write To Data Base（）；//將測(cè)量成功的目標(biāo)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和變化量錄入數(shù)據(jù)庫(kù)

GPRS_4G_Write Port（）；//通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量成功的目標(biāo)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和變化量實(shí)時(shí)上傳云平臺(tái)，并提供短信息預(yù)報(bào)警功能;

1.2 軟件界面與功能設(shè)計(jì)

自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制端軟件安裝在操作電腦上，通過(guò)有線連接或無(wú)線通訊與全站儀實(shí)現(xiàn)雙向通信，控制端軟件主要有菜單欄、數(shù)據(jù)曲線展示、數(shù)據(jù)表格展示、操作信息提示、儀器狀態(tài)欄構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)控制軟件主界面

菜單欄部分主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)操作、基本設(shè)置（測(cè)站、測(cè)點(diǎn)設(shè)置、觀測(cè)方法、限差設(shè)置等）、全站儀（設(shè)站定向、學(xué)習(xí)測(cè)量、自動(dòng)測(cè)量等）、數(shù)據(jù)展示（單線時(shí)程曲線、周期曲線）、數(shù)據(jù)輸出上傳（另存TXT或報(bào)表CSV、上傳云平臺(tái)）等功能；數(shù)據(jù)曲線展示區(qū)域主要顯示當(dāng)前各個(gè)測(cè)點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)數(shù)據(jù)的本次變化量、累計(jì)變化量曲線圖；操作信息提示主要顯示測(cè)量過(guò)程中的日志信息，進(jìn)度提示、中間數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤信息等；儀器狀態(tài)欄顯示儀器的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，電量、是否有效連接通訊、雙軸傾斜偏差等。

自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)軟件云平臺(tái)采用阿里云服務(wù)器ECS、云數(shù)據(jù)庫(kù)（RDSMy Sql）和短信息服務(wù)等技術(shù)，開(kāi)發(fā)功能主要有主界面、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示、系統(tǒng)管理及設(shè)置構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)云平臺(tái)界面

主界面實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)圖展示、該次變化量和累計(jì)變化量預(yù)警信息展示等功能；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示實(shí)現(xiàn)初始數(shù)據(jù)查詢(xún)、歷史曲線展示、變化量查詢(xún)表格展示、實(shí)時(shí)坐標(biāo)查詢(xún)表格展示等功能；系統(tǒng)管理模塊實(shí)現(xiàn)角色管理、權(quán)限管理、修改密碼等功能；設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)警設(shè)置、短信息通知號(hào)碼、項(xiàng)目信息修改等功能。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況和測(cè)點(diǎn)布置

某新建道路地道工程位于上海市軟土地區(qū)，下穿運(yùn)營(yíng)中的高速公路（雙向六車(chē)道，路面為瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，交通流量大），地道呈南北走向布置，打通因高速公路隔開(kāi)的斷頭路，包含一條車(chē)行地道及兩條人非地道；車(chē)行地道為雙向兩車(chē)道，結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)592m，其中暗埋段長(zhǎng)306m，南、北兩側(cè)敞開(kāi)段分別長(zhǎng)164m、122m；車(chē)道地道兩側(cè)各布置一條人非地道，結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)254m，其中暗埋段長(zhǎng)158m，南、北兩側(cè)敞開(kāi)段分別長(zhǎng)49m和47m。

為確保地道施工期間高速公路的正常運(yùn)營(yíng)，在下穿高速公路的約60m范圍內(nèi)車(chē)行及人非地道皆采用頂管施工，其中，車(chē)行地道頂管段采用大直徑頂管預(yù)制管節(jié)，結(jié)構(gòu)外尺寸10.4m×7.5m，內(nèi)尺寸9.0m×6.1m，管節(jié)厚度為700mm；人非地道頂管結(jié)構(gòu)外尺寸為16.0m×4.0m，內(nèi)尺寸為5.0m×3.0m，管節(jié)厚度為500mm。

后視基準(zhǔn)點(diǎn)4個(gè)均采用棱鏡，位于施工影響外的、通視條件良好的穩(wěn)定區(qū)域；棱鏡目標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用棱鏡，位于高速公路北側(cè)路肩及中間綠化隔離帶，共2排30個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距大約5m，如圖5所示；免棱鏡目標(biāo)采用紅色噴漆標(biāo)記（5cm×5cm），位于高速公路行車(chē)道區(qū)域白線相對(duì)平整區(qū)域，共3排45個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示；每個(gè)測(cè)點(diǎn)附近埋設(shè)道釘通過(guò)人工水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行豎向位移復(fù)核。

圖5 觀測(cè)站、后視基準(zhǔn)點(diǎn)、棱鏡目標(biāo)測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)照片

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)期間，可做到無(wú)人值守，當(dāng)數(shù)據(jù)有超限、達(dá)到預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)、有突變等情況時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制端軟件會(huì)發(fā)出蜂鳴響聲預(yù)警，云平臺(tái)同步發(fā)送預(yù)警短信息給相應(yīng)工作人員。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)

該工程中，車(chē)行道頂管、兩側(cè)人行道頂管分別頂進(jìn)，前后持續(xù)了50多天。車(chē)行道頂管從施工前初始值測(cè)量、頂進(jìn)過(guò)程中跟蹤測(cè)量、完成后延測(cè)，下表1數(shù)據(jù)為選取3個(gè)工況節(jié)點(diǎn)下（施工前、頂進(jìn)過(guò)程剛到高速隔離帶中間區(qū)域下方、頂進(jìn)完成）的12個(gè)典型特征點(diǎn)（6個(gè)棱鏡、6個(gè)免棱鏡）的豎向位移自動(dòng)化測(cè)量變化量和同時(shí)期夜間人工上道二等水準(zhǔn)測(cè)量的變化量進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)比較如圖6所示。

2.3 數(shù)據(jù)對(duì)比與分析

從表1和圖6的比較結(jié)果可知，3個(gè)不同工況節(jié)點(diǎn)下12個(gè)典型特征點(diǎn)（6個(gè)棱鏡、6個(gè)免棱鏡）的豎向位移自動(dòng)化測(cè)量和人工水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果，6個(gè)棱鏡測(cè)點(diǎn)基本一致，大部分較差都在1mm以?xún)?nèi)，最大較差1.8mm；6個(gè)免棱鏡測(cè)點(diǎn)同樣基本一致，大部分較差都在3mm以?xún)?nèi)，最大較差4.4mm。

由此可見(jiàn)，自動(dòng)化測(cè)量與人工水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果基本一致；每一輪自動(dòng)化測(cè)量79個(gè)測(cè)點(diǎn)，大致耗時(shí)65min，人工水準(zhǔn)測(cè)量?jī)H能每周上道作業(yè)一次且耗時(shí)4h，且發(fā)生交通事故風(fēng)險(xiǎn)極大；綜合比較，自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)在工作效率、人員安全、人力物力投入等方面，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

分析了當(dāng)前自動(dòng)全站儀用于自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究背景和利用現(xiàn)狀，總結(jié)了研究本自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性，研究了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和系統(tǒng)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)，提出了全站儀免棱鏡測(cè)量技術(shù)用以自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的新思路，解決了該工程中存在的實(shí)際問(wèn)題，也達(dá)到了信息化監(jiān)測(cè)的效果。

表1 不同工況節(jié)點(diǎn)下自動(dòng)化測(cè)量結(jié)果與人工測(cè)量變化量比較 單位：mm

圖6 不同工況節(jié)點(diǎn)下自動(dòng)化測(cè)量變化量與人工測(cè)量變化量比較（單位：mm）

免棱鏡測(cè)量技術(shù)用于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)也有一定的局限性，精度有限，僅能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量基本平整區(qū)域、測(cè)量距離不長(zhǎng)、精度要求不高（5mm以?xún)?nèi)）的工程項(xiàng)目的豎向位移，可測(cè)量數(shù)據(jù)變化突變；在該工程中的順利應(yīng)用和自動(dòng)化變形測(cè)量變化量、人工測(cè)量變化量的結(jié)果比較，結(jié)果表明兩者基本一致（尤其棱鏡目標(biāo)），但在工作效率、人員安全、人力物力方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，可為今后類(lèi)似下穿運(yùn)營(yíng)高速公路、機(jī)場(chǎng)飛行跑道區(qū)域等工程提供借鑒。