LEICA超高精度智能全站仪在桥梁静动荷载试验中的应用

李科伟

摘 要：文章探讨了使用徕卡0.5秒超高精度的TS60智能全站仪，结合开发的软件系统在桥梁的静、动荷载試验中，对桥梁的挠度和位移变形进行自动化测量，其目的是完善桥梁检测中桥梁静、动载试验的技术手段，为进一步更多地、科学地评价桥梁结构的状况及其承载能力提供依据。

关键词：桥梁荷载 挠度测量 位移变形 GeoCOM开发 智能全站仪

中图分类号：TU196 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（a）-0069-03

改革开放以来，我国经济迅速发展，公路建设中，桥梁担当着道路交通连接的纽带。尤其是如今车辆超载现象日趋增多，对于公路桥梁的安全性造成较大威胁，也出现过多起重型车辆压垮桥梁的事故。因此新建桥梁或者现役的桥梁都建议要进行荷载试验，对桥梁结构指定位置的挠度、应变分布、变形等进行检测。通过静载和动载试验，获取测量数据，从而对桥梁结构性能做出科学、合理的评定，判断桥梁的实际承载等级，为日后的养护、维修和加固提供科学的依据和技术支持。本文主要介绍使用高精度全站仪如何进行自动化挠度和位移变形测量。

1 TS60全站仪的应用优势及原理

对于桥梁的挠度测量，传统的测量方法有百分表、精密水准仪、非自动全站仪和位移计；新型测量方法有倾角仪法、加速度计、联通管法、激光图像、光电成像以及GPS测量等。这些方法中，传统的测量作业效率不高，甚至需要搭设脚手架，尤其在困难环境很不方便，费时费力，人工读数，更是容易出现错误数据。新型测量方法中各有优缺点，在此介绍另一种使用机器人全站仪进行自动化测量，直接测量桥梁各跨度点挠度，同时可以测量出支撑点的沉降和位移变形量。使用徕卡TS60智能全站仪进行自动化桥梁静载试验时，其相对测量精度可以达到±0.1mm。

徕卡TS60全站仪是瑞士徕卡在2015年推出的最新的、超高精度的、智能的机器人全站仪，它称得上是目前全球最好的全站仪，其测角精度为0.5s。它采用一种将电能和机械能互相转换的压电陶瓷技术的马达驱动，转速可达180°/s，是徕卡传统伺服马达转速的4倍，从而提高了测量工作效率，并且更环保节能省电。它还具有ATR自动目标识别棱镜功能、高速LOCK锁定跟踪棱镜功能和可供二次开发的接口。

ART自动目标识别功能（Automatic Target Recognition），是内置于TCA全站仪望远镜内，其测量光束与望远镜视准轴同轴，从物镜端发射，按类似自准直的原理经过目标棱镜反射后返回信号由全站仪CCD相机接收并加以分析。返回光束所形成光点相对于CCD相机中心的位置由仪器精确测定，从而自动识别和照准棱镜中心，减少人工瞄准的繁琐和视力引起的误差。ATR精确定位可分为三个过程：目标搜索、目标照准和测量。该技术用在桥梁静载试验中，测量不同荷载重量工况下加载、卸载前后各跨度点的挠度、支撑点沉降和位移变形量。

LOCK锁定跟踪主要是在ATR功能的基础上增加一个锁定功能，能够自动锁定移动的目标棱镜，而不需要用户的干预，在目标棱镜移动过程中实时跟踪，并且自动精确对准棱镜中心。此时加上连续测距功能，就可以实时获得目标棱镜的三维坐标运动轨迹。该功能技术用在桥梁动载试验中测量跨度点的动挠度和振动变形量及变形趋势。

2 GeoCOM接口二次开发

TS60全站仪提供了GeoCOM应用程序二次开发接口，方便用户使用PC计算机或者移动手持设备与全站仪联机通讯，组成系统集成，实时采集数据，及时分析数据，在桥梁荷载时，实现自动化测量。

（1）开发原理。

GeoCOM接口是徕卡公司为用户提供的用于PC机和全站仪相互通讯的一个接口。可以使用徕卡已经封装好的dll函数来向全站仪发送指令，或者使用美国SUN公司RPC（Remote Procedure Call）技术标准来传输指令。全站仪作为服务端接收到指令后，经过其自身的子系统处理好数据然后将结果回传给PC机客户端，从而实现在徕卡全站仪现有的基础功能上，开发出符合工作需求，完成更高级的测量任务。

对于计算机程序语言，没有严格限制，根据开发人员自身爱好而定，可以是Visual Basic，或是C/C++语言，或者其他程序语言作为开发工具。本文将介绍使用VB.NET开发环境，通过RPC指令来与全站仪通讯。PRC指令主要是发送与接收ASCII字符串，对于徕卡全站仪发送字符串格式是：

[]%R1Q，[，]：[][，，...]

接收到全站仪回传的字符串格式是：

%R1P，[，]：[，，， ...]

（2）实现步骤。

①GeoCOM端口初始化连接。

PC机与全站仪互相发送或接收数据，一般是通过RS232串口来通讯。使用VB.NET环境开发时，可以使用SerialPort类来定义一个RS232端口，也可以使用开发环境中现成的SerialPort组件作为RS232串口直接利用，本文使用后者来通讯。在项目中添加SerialPort组件（名称定义为SP_RS232），在窗体Load事件中初始化端口，将PC串口和全站仪RS232设备的通讯参数设置成一致，代码如下：

With SP_RS232

.BaudRate = 19200

.DataBits = 8

.StopBits = StopBits.One

.Parity = Parity.None

End With

然后在窗口中添加一个按钮，在其单击事件中添加打开端口的代码，如下：

If Not SP_RS232.IsOpen Then

SP_RS232.PortName = “COM1”

SP_RS232.Open（）

End If

其中端口号应该是选择联机时实际的端口号，可以使用SerialPort类的GetPortNames方法来查询，并列出所有可用端口，然后从中选择实际对应的端口号。

②联机测量。

待全站仪和PC的端口连接成功以后，我们就可以发送全站仪能识别的RPC指令，根据需要，从返回字符串中提取观测数据值，其中的“RC”是用来判断返回数据的状态信息，比如精度是否可靠或者是否出错等信息。在发送一个指令字符串后（如测距），需要等候一会，直到收到返回字符串，然后根据“RC”标志判断测距是否成功，如果成功再发送获取观测值的指令字符串（如获取角度斜距值），然后判断获取的数据结果是否可以使用，如果可用，再从中提取观测值。

联机后执行常规测量，具体操作的过程如下。

判断ATR的状态，如果已关闭需要将其打开；如果已经有学习测量值，可以将望远镜照准指定目标方向；将全站仪望眼镜精密照准目标棱镜的中心；根据设定的测距模式执行测距动作；测距成功后获取角度、距离、坐标及各项改正值等测量数据；清除全站仪上观测值信息。

然后根据需要重复执行设计的测量动作，以便完成更多的、复杂的测量任务。

（3）分析数据。

测距并获取数据成功后，就可以对数据进行相应的计算及分析处理，在桥梁检测试验中主要是比较各种荷载下，各检测点的挠度和位移变形量。静载试验时使用标准测距模式，测量不同荷载情况下桥梁产生的挠度和位移变形；动载试验时使用跟踪测距模式，测量运动的车辆对桥梁产生的动挠度，以及桥梁振动的变形趋势。

（4）关闭端口。

结束测量时，需要关闭GeoCOM接口，关闭串口的代码如下：

If SP_RS232.IsOpen Then

SP_RS232.Close（）

End If

3 静载试验

根据预定的荷载试验方案，将棱镜布设在桥梁的各个跨径点及位移监测点，如墩台、塔顶、1/4跨径、1/2跨径和3/4跨径以及其他等分跨径截面。在桥梁附近寻找一个稳定的地方架设全站仪，并且保证全站仪能够与每个棱镜都相互通视。现场还需要准备一台PC电脑、工作电源、各小组间联络设备、必要的照明设备等。把全站仪和PC机联机，启动自行研发的ZZBridge桥梁荷载试验软件，将设站定向、学习值测量、循环测量时间、测量间隔、报警限差等设置完成，输入工况信息，做好检测准备。

开始静载试验时，在ZZBridge桥梁荷载试验软件中点击开始按钮，全站仪ATR自动依次照准各个目标棱镜，并且精确照准棱镜中心，然后测量其三维坐标值。根据现场指挥，在每个工况进行加载或卸载开始前，自动循环进行初始值数据采集，加载或卸载后，再自动循环采集数据，并计算出各点的挠度变化量及位移变化量。测量过程中，如果出现个别检测点目标暂时无法测量或者测量超出限差，系统会以颜色、声音甚至电子邮件或短信进行报警提示，并且根据需求对其自动重新进行补测。最后可以将观测的成果值和预判的变形值比较，经过数据分析，做出相应的检测评估、结论。

4 动载试验

TS60全站仪跟踪测量时连续测距间隔小于0.15s，转动时切向最大速度在100m处45m/s，径向最大速度是5m/s，动态测量相对精度可达±2.5mm。在动载试验前，根据设计需求，判断所检测桥梁的振动频率和动挠度变化量是否适合于用TS60全站儀来检测。只有满足桥梁荷载设计要求时，再使用该方法进行动载试验。和静载试验一样做好各项准备，因为跟踪测量只能实现一台全站仪实时跟踪一个棱镜，所以在动载试验时一般选择最具有代表性的一个检测点来测量其最大挠度或者位移变化量或者分多次来测量不同检测点棱镜。条件允许的情况下可以采用多台仪器和多个棱镜来全方位同时监测各检测点。

动载试验观测时，可以实时显示检测点的变化量、轨迹、振动趋势和峰值，实时绘制出振动曲线。测量结束后可以整体浏览图形，也可以局部放大缩小；可以将成果数据导出成Txt、Excel、图片等，为进一步分析处理打好基础。

5 结语

桥梁的静动载检测试验结果数据是判断桥梁结构运营状况和承载能力的一个重要指标，测量方式方法是多种多样的。本文使用徕卡超高精度全站仪结合自行研发的ZZBridge桥梁荷载试验软件，在桥梁荷载试验中进行自动挠度和位移测量，以及全站仪自动化测量在桥梁荷载试验中的优势。目前该检测系统及方法被上海同丰工程咨询有限公司、上海同纳建设工程质量检测有限公司和上海巨一科技发展有限公司等用于全国各大桥梁荷载试验，得到一致认可和好评。将软件、硬件和无线通讯技术进行系统集成，除了在荷载试验时，还可以在桥梁运营期实现24小时远程无线自动化监测，为桥梁结构安全提供科学依据。

参考文献

[1] JTG/T J21-01-2015，公路桥梁荷载试验规程[S].北京：人民交通出版社有限公司，2015.

[2] 杨建春，陈伟民.桥梁结构挠度自动监测技术的现状与发展[J].传感器与微系统，2006（25）：1-3.

[3] 张国靖.几种桥梁挠度测量方法优缺点比较及其发展趋势[J].科教导刊：电子版（上旬），2014（7）：140.endprint