基于“互联网+”的自动化变形监测系统的设计与应用

李新求，梅迎春，蒙尚雁，张　齐



基于“互联网+”的自动化变形监测系统的设计与应用

李新求1,2，梅迎春1,2，蒙尚雁1，张齐2

(1. 广东省工程勘察院自动化变形监测研究所，广东 广州 510000； 2. 广东泽宝变形监测

研究有限公司，广东 广州 510000)

传统的人工监测已经无法满足社会对安全越来越高的要求。而具有自动目标照准功能的全站仪的出现及各种不同类型的岩土传感器的发展，为实现变形监测自动化提供了有利条件，基于自动化的变形监测系统的研究和开发也相继展开。

一、自动化监测系统的构成

自动化变形监测系统主要由硬件部分(全站仪、棱镜组、各类型传感器、控制电脑、微型控制单元MCU、信号传输单元等)和软件部分(自动化数据采集系统、自动化数据处理预警系统、变形监测简报自动生成系统、自动化监测信息管理平台)组成。整个自动化监测系统如图1所示。

二、自动化监测系统的硬件部分

自动化监测系统的硬件部分涉及感知层、网络层及应用层，感知层包括棱镜组+全站仪、岩土类传感器；网络层包括无线发射模块、微型控制单元(MCU)、数据传输单元(DTU)；应用层包括电脑、手机、Pad、LED显示屏等载体。

图1　自动化变形监测系统构成

三、自动化监测系统软件部分的设计

1. 自动化数据采集系统

该系统在Visual Studio 2010的平台上采用Visual C#进行开发，指导徕卡全站仪和各类型传感器进行监测作业。

2. 自动化数据处理预警系统

数据采集过程实时进行数据检验，并对超限的数据进行自动分级报警处理，报警方式灵活多样，可以发送短信、邮件，也可以远程激活报警器等，将信息及时发送给所有可能会受到安全威胁的人群。

3. 变形监测简报自动生成系统

系统使用Java语言进行编写，采用浏览器/服务器(B/S)架构方便用户登录。其主要功能是帮助建设工程领域中第三方监测客户对所属监测项目的整体流程进行规范化管理，并通过数据的导入智能生成符合政府监管部门、监理、建设、施工等单位要求的电子简报，还可以导出满足监测行业的Excel数据报表、曲线图等，取代了传统的人工操作和管理模式；通过网络，相关工作人员可以随时随地了解施工现场监测情况，并通过导入人工监测数据及自动获取自动化监测系统中的数据生成简报，使信息的传递更加快捷和方便，从而扩展了办公方式，实现了办公的高效率。该系统不仅可以节约费用、节省时间，还可以达到环保要求，完善监测数据管理模式，同时提高了项目管理水平，确保了监测数据的准确性和及时性，达到建设工程信息化施工的标准。

4. 自动化监测信息管理平台

平台采用客户端/服务器(C/S)架构，并采用大型数据库系统Oracle进行数据储存与管理。

平台能够实现包括第三方监测单位、政府安全监管机构、建设、施工和监理等单位的多方监管功能。安全信息主界面地图颜色显示一目了然；数据能够实时进行采集、传输、分析、处理、预警并及时共享，实现多区域多监测信息和监测数据的统一管理和共享查询；发生预警时，系统能自动以短信、邮箱、电话等形式预警或报警通知各责任主体、政府安全监督部门或行政主管部门。平台能够对监测项目进行实时安全监测和监管，监管对象从人工转化为仪器，为建设工程安全监管部门的管理模式创新提供了信息化技术手段。同时，平台还能够接入不同厂家不同类型的传感器，全面地对监测信息进行掌握。

四、自动化监测数据通信的设计

根据自动化监测系统的总体架构，自动化采集软件可以对全站仪和各类传感器进行远程控制，全站仪和传感器的数据也可以实时传输至服务器，实现应用层与传感层的“闭环”控制。

全站仪的自动化作业主要是通过与计算机之间的指令和数据交互完成的。计算机向全站仪发送一个请求(Request，操作指令)，全站仪就向计算机返回一个应答(Reply，当前状态或观测数据)。整个过程利用全站仪的自动照准功能(ATR)，并结合基准点和监测点棱镜测量出变形监测点的三维坐标信息，然后通过RS232串口通信，连接无线传输单元(DTU)以GPRS方式进行发送与接收。

针对数据采集节点数目多的特点，将各个传感器组成的测量点构成测量网络，使用SNAP的无线mesh网络协议实现ZigBee的无线组网，利用ZigBee传感器网络将某一区域内所有节点的运行数据集中到网络协调器节点MCU，然后通过DTU以GPRS方式发送至服务器。系统采用先进的无线自组网(WSN)技术，每个传感器模块独立工作，即使出现单个坏点，也不影响整个系统工作。

五、工程应用

目前该系统已成功应用于广州、佛山、珠海等地的19个基坑工程施工中，本文以佛山某基坑支护工程为例。

该项目共有9个监测项，分别为基坑顶部水平位移及沉降监测、周边地面沉降监测、地下水位监测、锚索监测、围护结构测斜、支撑应力监测、立柱沉降监测。基坑顶部沉降及地下水位监测曲线如图2、图3所示。可以看出，各监测项数据均正常，未超报警值。通过现场对该工程进行检查,基坑支护结构状况良好,与人工监测也比较吻合。通过长时间的应用，可知该系统可以正常用于实际工程监测应用中。

图2　基坑顶部沉降监测曲线

图3　基坑地下水位监测曲线

六、结论

本文介绍了基于“互联网+”进行设计和开发的自动化变形监测系统，设计了系统的整体框架结构，最后通过实际应用验证了本系统的实用性与可靠性。同时，得到以下结论：

1) 将“互联网+”的思维应用到自动化变形监测系统的设计中，搭建了一个开放的物联网平台，一个系统可以同时接入不同厂家多种型号的传感器(如电感式、电容式、振弦式等)，创新的“3+1”平台管理模式，能够将监测数据实时共享给第三方监测单位、安全监管机构、建设单位、施工单位、监理单位等单位，真正做到了信息化施工。

2) 自动化在线监测平台高度集成了“全站仪+多种传感”的测量，一个软件可以同时测多个项目，同时也可以对单个项目的水平位移、沉降、水位、土压力等多个监测项进行实时测量，做到数据的高度融合。

3) 监测数据从采集到成果输出全程无需人工参与，全程智能化、一体化、标准化，管理重点从人变为设备，管理模式也转变为远程、实时、可视化管理，提高了监测效率，降低了管理成本。

本系统的通用性强，集成度高，不仅可以用于基坑监测，在建筑物变形监测、地下隐蔽设施监测、滑坡监测、大坝变形监测，以及桥梁工程监测、高支模监测、地铁监测等变形监测方面也有广泛的应用前景。

(本专栏由徕卡测量系统和本刊编辑部共同主办)

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