基坑變形的測量機器人自動化監(jiān)測研究

謝旭陽

【摘要】本文主要論述的是基坑變形的測量機器人自動化監(jiān)測的研究，開篇介紹了自動化測量的一些基本情況，對測量機器人做了具體的闡述，針對自動化測量的方法和流程，包括尋找目標、需要考慮的問題、位置的確定、范圍的劃分和監(jiān)測點的基準確定等等，逐一進行了說明，然后記述了數(shù)據(jù)處理的一些知識，文章最后對全篇做了總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】測量；機器人；自動化；檢測；基坑變形

隨著我國人口數(shù)目的增多，有限的資源被無限的分配，人均資源是少之又少，而為了更好的利用資源，城鄉(xiāng)都開始制定相應的政策法規(guī)來節(jié)約資源，鄉(xiāng)鎮(zhèn)棚戶區(qū)紛紛改造成樓市區(qū)，而城鎮(zhèn)的規(guī)劃則向更高樓層發(fā)展，樓層越高，那么就意味著樓底的基坑越深，伴隨而來就是挖掘技術(shù)的難度越來越大，而根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，開挖深度大于、等于5m或開挖深度小于5m但現(xiàn)場地質(zhì)情況和周圍環(huán)境較復雜的基坑工程以及其他需要監(jiān)測的基坑工程應實施基坑工程監(jiān)測。

一、系統(tǒng)需求分析

在我們的日常基坑監(jiān)測工作中，引入了 LeicaTCA2003 測量機器人。為了能夠充分地發(fā)揮測量機器人的功能，并最大范圍地將其應用于日常測量任務中，我們整理了過去測量施工時所遇到的問題，針對這些問題，提出需求，并開發(fā)了一套自己的全自動測量系統(tǒng)。

1、項目管理

以往監(jiān)測項目過程數(shù)據(jù)以文件、文件夾形式保存，容易混亂及丟失。故要求系統(tǒng)以項目形式進行管理，以數(shù)據(jù)庫格式存儲，保存著各期過程中的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括基準點坐標、原始觀測數(shù)據(jù)及結(jié)果數(shù)據(jù)等，方便數(shù)據(jù)分析、利用和經(jīng)驗積累。

2、自動測量

常規(guī)基坑監(jiān)測，因需要多測回重復觀測，作業(yè)人員須不停地來回跑動立尺。所以本系統(tǒng)需要滿足：設站完成后，通過軟件選擇待觀測監(jiān)測點，測量機器人自動完成盤左、盤右多測回測量，遇到困難可自動智能處理。如當目標監(jiān)測點遇到遮擋時，放棄當前測量，并根據(jù)設置的等待時間重新測量該點，或者在下一站補充測量。

3、安全預警

常規(guī)監(jiān)測一般都是作業(yè)人員收工后，將數(shù)據(jù)傳輸至計算機，然后進行對比，在基坑變形比較快的情況下往往錯失了最佳的報警時間。所以要求系統(tǒng)滿足測量過程中實時報警，一是對當前測回的超限報警，如光學測微器兩次重合讀數(shù)差、半測回歸零差、一測回內(nèi) 2C 較差和同一方向值各測回較差等；二是對變化量進行報警，基坑監(jiān)測的主要目的是為了工程安全順利地進行，所以當監(jiān)測點變形量、變化率或累計變化量超過預先設定的限差時，系統(tǒng)應能自動報警。

4、數(shù)據(jù)處理及圖表輸出

監(jiān)測數(shù)據(jù)必須是及時的，做到當天測，當天反饋。所以要求系統(tǒng)能自動進行改正（包括氣象改正、儀器加乘常數(shù)改正等）、整網(wǎng)平差、自動報表、輸出變形趨勢圖及監(jiān)測點各期坐標值等，盡可能少的干預，做到外業(yè)結(jié)束，內(nèi)業(yè)亦同步結(jié)束。

二、系統(tǒng)設計

1、軟硬件配置

硬件：TCA2003，大量預埋標，360 度棱鏡，便攜式筆記本為滿足基坑高精度特點，系統(tǒng)采用0.5°高精度測量機器人Leica TCA2003，其在儀器內(nèi)部安裝了伺服馬達，它通過內(nèi)置的自動目標識別裝置 ATR1發(fā)射出的激光束經(jīng)棱鏡反射后由CCD相機接收，實現(xiàn)自動尋找和自動精確照準目標。

軟件：VS2008，C#語言，GeoCOM系統(tǒng)使用 C#語言，基于 Visual Studio 2008 平臺開發(fā)，并調(diào)用 GeoCOM 接口開發(fā)基坑變形的測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊。

2、作業(yè)流程

預埋監(jiān)測點標石，可安插360°全方位棱鏡，作業(yè)前一次性安裝好棱鏡，除首次測量外，儀器定向后即可自動觀測。

3、系統(tǒng)界面設計

多頁面雙屏管理，界面上方為數(shù)據(jù)，下方為圖形，兩者同步顯示，可直觀地了解到各監(jiān)測點位置、屬性及動態(tài)。界面上方顯示監(jiān)測點的觀測記錄等，下方顯示底圖及高亮顯示監(jiān)測點位置。每個測回中，已觀測點紅色顯示，未觀測點灰色顯示。

4、軟件模塊設置

系統(tǒng)共有 5 個功能模塊，各模塊設有子項若干。

（1） 模塊結(jié)構(gòu)圖

（2）系統(tǒng)設置

根據(jù)測量機器人屬性，設置系統(tǒng)連接的各項通訊參數(shù)，包括串口號、波特率、儀器型號等。同時還包括測量機器人的附件棱鏡的設置（類型、常數(shù)等） ；根據(jù)基坑監(jiān)測的等級，設置觀測等級及對應限差、測回數(shù)等；根據(jù)當日實時環(huán)境，設置氣象信息等；除此之外的特殊情況設置，如點位遮擋、多目標、超限處理等。

（3）自動觀測

項目第一次開展須進行首次測量，首次測量前須錄入監(jiān)測基準點及工作基點信息，而后在工作基點上架站，人工照準各個目標點，輸入各點點號，獲取目標點概略空間位置信息，以便于計算機控制測量機器人自動測量。自動觀測可根據(jù)系統(tǒng)設置的信息、控制點及目標點坐標信息，自動完成多測回觀測?？筛鶕?jù)需要選擇監(jiān)測點及分組。

（4）數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理模塊滿足不同架站模式的數(shù)據(jù)處理功能，除已知點架站模式外，還兼容自由網(wǎng)架站模式。同時考慮到作業(yè)中的操作失誤，增加了數(shù)據(jù)的后期修改功能。數(shù)據(jù)處理前須對觀測值進行改正，包括氣象改正、水平角差分改正等。在數(shù)據(jù)處理流程中，擬穩(wěn)平差用于針對基準網(wǎng)進行平差處理，在對基準網(wǎng)進行擬穩(wěn)平差處理后，可在基準網(wǎng)修正數(shù)據(jù)的基礎上，采用經(jīng)典平差方法對監(jiān)測網(wǎng)進行平差。

擬穩(wěn)平差坐標的互協(xié)因數(shù)矩陣

其中，I為3n階的單位陣；F、E為3n階的方陣，除擬穩(wěn)點所對應的列由3×3的單位陣組成外，其他列元素均為零。數(shù)據(jù)處理過程中，如果發(fā)現(xiàn)超限，系統(tǒng)自動報警。

（5）成果輸出

建筑基坑監(jiān)測的目的在于：檢驗設計計算理論、模型和參數(shù)的正確性；及時反饋，指導基坑開挖和支護結(jié)構(gòu)的施工；確保基坑支護結(jié)構(gòu)和相鄰建筑物的安全；提高基坑工程設計和施工水平積累工程經(jīng)驗。所以系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理完成后，自動輸出階段性報表，在項目完全結(jié)束后，輸出總結(jié)性報表。包括本次測量值、單次變化值、變形速率、累計變形等信息，并附注折線圖。對達到或超過監(jiān)測報警值的監(jiān)測點做報警標示，結(jié)合各期數(shù)據(jù)，生成基坑變形模型并預測變形走勢，對監(jiān)測項目給予判斷性結(jié)論。

四、結(jié)束語

基坑變形的測量機器人自動化監(jiān)測的研究是針對未來監(jiān)測的發(fā)展方向，在科技的進步中不斷的摒棄糟粕才能一直立于發(fā)展的潮流中，而傳統(tǒng)的監(jiān)測模式已經(jīng)跟不上科技發(fā)展的浪潮，只能被淹沒在歷史的洪潮中。自動化的監(jiān)測解放了人的勞動力，還能得到較為精確的監(jiān)測結(jié)果，這一顯著的優(yōu)勢就是它領(lǐng)先的資本，從手動到半自動，再到全自動，凝結(jié)了人類智慧的結(jié)晶，而智能機器人與電腦的聯(lián)用更是譜寫一個測繪的新篇章。

參考文獻：

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