基坑变形的测量机器人自动化监测研究及系统设计

2015-03-01张君华张宇琳许文涛

测绘技术装备 2015年1期

张君华张宇琳许文涛

张君华张宇琳许文涛

（昆明市测绘研究院云南昆明 650091）

基于基坑变形的测量机器人自动化监测目的，拟开发自动化监测系统。采用C#语言，使用GeoCOM接口技术通过串口操控测量机器人自动测量，同时计算机实时获取测量机器人的测量数据，并通过监测系统进行数据的智能处理、分析及输出，实现测量内外业一体化。

基坑测量机器人自动化监测系统 GeoCOM

1 引言

为了更好地利用城市有限的土地资源，优化城市总体环境结构，城市建设越来越向高层楼宇建筑发展。通常情况下，楼宇越高，基坑越深。《建筑基坑工程监测技术规范》规定，开挖深度大于、等于5m或开挖深度小于5m但现场地质情况和周围环境较复杂的基坑工程以及其他需要监测的基坑工程应实施基坑工程监测。基坑监测具有高精度、时效性、等精度等特点，总体来讲，周期性长，内容单一枯燥，本项目拟开发自动变形监测系统，减轻外业劳动强度，降低内业工作量，主要利用测量机器人本身所具有的伺服马达和自动照准功能，通过串口，由计算机程序控制仪器完成自动测量、自动数据处理、数据预警等操作，实现自动化与智能化的结合，对于长周期、高频率、多目标的工程项目来说，可以极大地提高工作效率。

2 系统需求分析

在我们的日常基坑监测工作中，引入了Leica TCA2003测量机器人。为了能够充分地发挥测量机器人的功能，并最大范围地将其应用于日常测量任务中，我们整理了过去测量施工时所遇到的问题，针对这些问题，提出需求，并开发了一套自己的全自动测量系统。

2.1 项目管理

以往监测项目过程数据以文件、文件夹形式保存，容易混乱及丢失。故要求系统以项目形式进行管理，以数据库格式存储，保存着各期过程中的相关监测数据，包括基准点坐标、原始观测数据及结果数据等，方便数据分析、利用和经验积累。

2.2 自动测量

常规基坑监测，因需要多测回重复观测，作业人员须不停地来回跑动立尺。所以本系统需要满足：设站完成后，通过软件选择待观测监测点，测量机器人自动完成盘左、盘右多测回测量，遇到困难可自动智能处理。如当目标监测点遇到遮挡时，放弃当前测量，并根据设置的等待时间重新测量该点，或者在下一站补充测量。

2.3 安全预警

常规监测一般都是作业人员收工后，将数据传输至计算机，然后进行对比，在基坑变形比较快的情况下往往错失了最佳的报警时间。所以要求系统满足测量过程中实时报警，一是对当前测回的超限报警，如光学测微器两次重合读数差、半测回归零差、一测回内2C较差和同一方向值各测回较差等；二是对变化量进行报警，基坑监测的主要目的是为了工程安全顺利地进行，所以当监测点变形量、变化率或累计变化量超过预先设定的限差时，系统应能自动报警。

2.4 数据处理及图表输出

监测数据必须是及时的，做到当天测，当天反馈。所以要求系统能自动进行改正（包括气象改正、仪器加乘常数改正等）、整网平差、自动报表、输出变形趋势图及监测点各期坐标值等，尽可能少的干预，做到外业结束，内业亦同步结束。

3 系统设计

3.1 软硬件配置

硬件：TCA2003，大量预埋标，360度棱镜，便携式笔记本

为满足基坑高精度特点，系统采用0.5″高精度测量机器人Leica TCA2003，其在仪器内部安装了伺服马达，它通过内置的自动目标识别装置 ATR 1 发射出的激光束经棱镜反射后由 CCD 相机接收，实现自动寻找和自动精确照准目标。

软件：VS2008，C#语言，GeoCOM

系统使用C#语言，基于Visual Studio 2008平台开发，并调用GeoCOM接口开发基坑变形的测量机器人自动化监测系统数据采集模块。

3.2 作业流程（图1）

预埋监测点标石，可安插360°全方位棱镜，作业前一次性安装好棱镜，除首次测量外，仪器定向后即可自动观测。

3.3 系统界面设计（图2）

多页面双屏管理，界面上方为数据，下方为图形，两者同步显示，可直观地了解到各监测点位置、属性及动态。界面上方显示监测点的观测记录等，下方显示底图及高亮显示监测点位置。每个测回中，已观测点红色显示，未观测点灰色显示。

3.4 软件模块设置

系统共有5个功能模块，各模块设有子项若干。

（1）模块结构图

（2）项目管理

以数据库格式存储，一个工程对应一个数据库，新建项目时，须录入项目详细信息。数据库结构如图4。

（3）系统设置

根据测量机器人属性，设置系统连接的各项通讯参数，包括串口号、波特率、仪器型号等。同时还包括测量机器人的附件棱镜的设置（类型、常数等）；根据基坑监测的等级，设置观测等级及对应限差、测回数等；根据当日实时环境，设置气象信息等；除此之外的特殊情况设置，如点位遮挡、多目标、超限处理等。

（4）自动观测

项目第一次开展须进行首次测量，首次测量前须录入监测基准点及工作基点信息，而后在工作基点上架站，人工照准各个目标点，输入各点点号，获取目标点概略空间位置信息，以便于计算机控制测量机器人自动测量。

自动观测可根据系统设置的信息、控制点及目标点坐标信息，自动完成多测回观测。可根据需要选择监测点及分组。

（5）数据处理

数据处理模块满足不同架站模式的数据处理功能，除已知点架站模式外，还兼容自由网架站模式。同时考虑到作业中的操作失误，增加了数据的后期修改功能。数据处理前须对观测值进行改正，包括气象改正、水平角差分改正等。

在数据处理流程中，拟稳平差用于针对基准网进行平差处理，在对基准网进行拟稳平差处理后，可在基准网修正数据的基础上，采用经典平差方法对监测网进行平差。

数据处理过程中，如果发现超限，系统自动报警。

（6）成果输出

建筑基坑监测的目的在于：检验设计计算理论、模型和参数的正确性；及时反馈，指导基坑开挖和支护结构的施工；确保基坑支护结构和相邻建筑物的安全；提高基坑工程设计和施工水平积累工程经验。所以系统在数据处理完成后，自动输出阶段性报表，在项目完全结束后，输出总结性报表。包括本次测量值、单次变化值、变形速率、累计变形等信息，并附注折线图。对达到或超过监测报警值的监测点做报警标示，结合各期数据，生成基坑变形模型并预测变形走势，对监测项目给予判断性结论。