测量机器人变形监测自动化系统

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全自动无线变形监测系统
该方式由单台或多台测量机器人、 无线传输系统、 计算机、 监控及数据分析软件组成。 该模式的工作原理与自动观测有线模式大体相同但也有区 别。两者最大的区别在于测量机器人接受或发射信号均是通过 数字电台而无需数据线传输。另外， 计算机发出的指令以及接 受测量机器人发出的数据信号也是通过数字电台， 无需通过数 据线传输。驱动测量机器人自动观测的软件及数据后处理软件 都安装于计算机上， 测量机器人无需操作人员值守， 可固定安置 在观测墩上， 进行控制测量或进行其它测量时可将测量机器人 从观测墩上移下。测量机器人以及电台均是外部电源供电， 为 保证电源 $% & 的稳压并确保突然停电而不会给测量机器人带 来损害， 所以整个网络中给测量机器人供电部分须安装 !"#。 除此以外， 其他有关情况完全同于自动观测有线模式。
由于滑坡和大坝的监测多在山区进行， 可能会造成现代化 通讯的不便， 因此， 针对大坝及滑坡变形监测网的应用， 开发设 计了外业机载监测数据采集软件模块。 该模块的基本功能可概括为： 在 +,-!"") 全站仪上建立实 测大坝变形监测网工作基点及各监测点的概略坐标数据库， 当 全站仪安置在测站点上并完成起始方向和度盘定向后， 仪器按 软件预先在该点设定的观测点集、 观测顺序以及规定的等级测 回数， 依次对观测目标进行自动搜索， 锁定目标， 并测角、 测边； +,-!"") 全站仪实时地将观测结果记录到 J,@,0- 存储卡的文 件中， 且将采集的数据与安置的各项规范限差自动进行对比， 当 出现超限值时便自动报警， 再以人工方式干预返工重测， 直至最 终获得合格的外业观测数据文件。机载软件所拥有的上述功能 均可在 +,-!"") 全站仪 8,. 显示器上按菜单操作实现。
收稿日期： !""# $ "% $ %# 作者简介： 高改萍， 女， 水利部长江勘测技术研究所遥感与信息技术研究室， 高级工程师， 硕士。
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件进行实时控制的软件， 于是在学习、 消化、 吸收瑞士 !"#$% 公司 研制的自动极坐标测量系统 &’()#* 的基础上， 将其汉化， 通过 实际的工程应用， 并结合国内用户的实际需求， 并添加一些功 能， 研制出本地化的智能型自动变形监测中文软件模块。 该模块具有实时性强、 自动化程度高、 可靠性强等优点， 其 主要功能有： ! 对所要测量的点位进行初始的学习测量或通过 初始坐标进行点位的计算和确定； " 在用户设置的时段内自动 地对所有目标点进行测量； 并可以 &(+,, # 测量结果实时显示， 码文件输出， 测量数据可按照用户所要求的格式进行报表输出。 归分析模型、 时序分析模型、 滑坡稳定性计算模型等， 它从主要 效应量的变化趋势来作判断。利用计算模型对监测资料进行分 析， 确定进入中长期预报或是短期预报阶段。 （/）中长期预报是依据滑坡自变形开始到加速之初阶段的 变形监测资料及影响滑坡变形、 失稳的外部因素资料 （如降雨 等） ， 预报变形发展趋势及最短安全期。当变形阶段判别结论是 未进入加速变形阶段时， 利用监测资料不能作失稳时间预测， 只 能作最短安全期预测。中长期预报通过对变形趋势动态预测， 了解滑坡变形进入加速变形阶段的可能性， 并边预测边判断， 随 时掌握滑坡的变化趋势。 （-）短期预报是变形进入加速阶段后， 利用变形监测资料 及影响变形失稳的主要外部因素资料 （降雨） 对滑坡的失稳时间 及变形趋势做出预测。预报的期限为几年、 几个月、 甚至几天。 在进行短期预报中， 除了考虑滑坡在自身重力作用下加速蠕变 外， 随着变形的发展， 滑坡抵抗外力的能力逐渐降低， 能够引起 变形跃迁的降雨量逐渐降低， 当滑坡即将发生时， 很小的降雨也 能引起变形的跃迁， 甚至失稳。因此在进行滑坡变形趋势及失 该模块有数据预处理、 数据平差处理和数据输出 - 大部分 组成， 具有自动化程度高、 通用性强、 数学公式级处理方法严密、 计算容量大等特点。 稳时间的预测后， 特别是做出滑动即将发生的预测时， 为了提高 预报模型的精度， 本系统模型库将以 (0%1 模型、 启动降雨量预 报模型、 线性一阶灰色预报模型、 反函数预报模型等多 2"340567 个模型为基础的滑坡预报综合判断模型， 开发综合预报软件。
图! 图% 数据库管理模块基本框架
高精度半自动变形监测系统示意
数据库模块是该系统数据的存贮和交换的主要承载体， 是 系统的核心。数据管理部分主要是针对大量原始观测资料， 以 数据库为中心， 实现对各类观测数据的存储、 更新、 增加、 删除、 修改、 检索、 查询、 统计、 简单加工、 绘制图表及各种过程曲线等。 数据处理部分有常用的应用软件， 对观测资料进行粗差检验、 模 型判断、 数据拟合、 内插， 对观测异常值进行技术报警。
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监测数据分析、 预报模块
该模块的主要功能是对监测的数据进行分析， 它包括各自 独立而又相互补充的 - 个部分。 如多元回 （.）这部分主要采用统计模型对灾害作出预测，
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高精度全自动有线变形监测系统
该方式由单台或多台测量机器人、 有线传输系统、 控制计算 机、 监控及数据分析软件组成。该模式与半自动模式的不同在
为了采集滑坡和水工建筑物及其基础的绝对和相对水平与 垂直位移量、 建筑物挠度变形量、 建筑物基础转动变形量、 近坝 区岩体的绝对水平位移与垂直位移量， 需要建立变形监测系统。 但目前的变形监测方法， 由于其观测周期长、 实现自动化观测困 难或经济负担重等因素， 已不能满足快速、 准确获取资料的需 要。测量机器人是 !" 世纪 3" 年代由奥地利维也纳技术大学同 测距可 /67 .-+- 和瑞士 89:;< 公司共同开发的高新技术产品， 达 ) =>， 每个点高程与坐标计算不足 % #"" > 测程精度达 % >>， 可实现自动寻找被测目标并计算其高程与坐标。该项技术 >:?， 应用目前在我国滑坡监测方面的应用尚属起步阶段。
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于需要建立完善的网络， 整个网络可分为数据采集部分、 数据传 输部分和数据处理部分。数据采集部分为固定在测站上的测量 机器人以及为测量机器人供电的外部电源及在线 !"# 等； 数据 传输部分是有线传输系统； 数据处理部分即计算机及相关软件。 这种模式下， 测量机器人无需操作人员值守， 测量机器人的开 机、 关机及相关操作均由计算机进行控制， 计算机对测量机器人 发出指令， 指令会经传输系统传到仪器上， 在指令的驱动下测量 机器人将自动进行测量， 所测数据会经相同路线传到计算机上， 计算机将利用数据处理软件将传回的数据进行处理后立即得出 结果。另一个不同点是测量机器人无需操作人员值守， 实现真 正意义上的自动观测。 监测点平面坐标采用北京坐标系， 高程采用吴淞高程系， 位 移量符号规定： 水平位移 ! 向下游方向为正、 " 方向为主滑方 向， 向清江方向为正， 垂直位移下沉为正。
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数据库管理模块
数据库管理模块基本框架见图 .。对变形体 （尤其是水库 库岸滑坡体和大坝） 需要多周期、 长时间的变形监测， 有的项目 观测了数十至数百周期， 时间长达几年至几十年， 其数据量非常 庞大。面对这些繁杂而又庞大的数据， 能否管理利用好， 关系到 监测变形和预测预报变形体变形工作能否实现和实现后的质 量。为此， 设计和建设高效率的、 使用方便的变形监测成果数据 库管理系统是必要的， 它与变形监测一样具有重要的实用意义 和科学意义。
在利用半自动模式进行滑坡变形监测时， 将 8+& 型测量机 器人置于观测墩上， 调用内存的各观测点坐标数据库或学习目 标点位坐标， 限差参数设置等工作后， 仪器将会在机载软件的驱 动下自动地多测回、 全面观测多个目标点并将边长、 角度等数据 实时存入 ’+ 卡中。在某观测墩上完成观测后可将仪器移至另 一观测墩上作业， 直到完成全部测量工作。完成所有测量工作 后将仪器拿回室内， 将 ’+ 卡上所存的边角数据传入电脑， 再利 用后处理软件进行平差处理分析， 最终得出成果。
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数据处理模块
测量数据或观测数据使用一定的仪器、 工具、 传感器或其他 手段获取的反映实体空间分布有关信息的数据。观测数据可以 是直接测量的结果， 也可以是经过某种变换后的结果。任何观 测数据总是包含信息和干扰两部分， 干扰也可称为误差， 采集数 据就是为了获取有用的信息， 因此要设法排除和减弱干扰部分 的影响。在此前提下， 结合实际情况和本系统特点开发了该模 块。
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信息传输模块
该模块的主要功能是实现软件与测量机器人之间的通讯， 有两种方式： 即有线通讯方式和无线通讯方式。
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测量机器人监测方案设计 半自动变形监测系统
一台测量机器人 （8+& 型） 和机载软件组成外业半自动化系
统。一台 ’+ 机和数据后处理分析软件组成内业半自动化系统 （见图 /） 。
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测量机器人监测系统设计
硬件系统的设计
硬件系统的组成有基站、 参考点、 变形体 ) 部分构成。 （%）基站。基站用来架设测量机器人， 要求具有良好的通 视条件， 一般应选择在稳定处， 特殊情况下也应选在相对稳定 处。基站由观测墩、 测量机器人、 观测房组成。
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控制程序模块
为了真正地实现监测的全自动化， 必须开发对数据采集元
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测量机器人变形监测自动化系统
高 改 萍 李 双 平 苏 爱 军 张 京 生 崔 政 权
（水利部 长江勘测技术研究所， 湖北 武汉 &)""%%） 摘要： 精密机械、 微型计算机、 +,- 型测量机器人是在全站仪的基础上集成激光、 ,,. 传感器以及人工智能技术 发展起来的， 在滑坡、 水工建筑物的变形监测中， 能快速、 准确地获取资料。论述了测量机器人技术系统的软硬 件设计与基于 /01 技术的变形监测数据库管理， 以及该系统在水工建筑安全监测、 滑坡变形监测上的应用。该 系统的使用减少了人工劳动强度， 提高了安全度， 实现了滑坡、 水利工程的实时监控。 关 键 词： 测量机器人；变形监测；位移观测；系统设计 文献标识码：（!）参考系。参考系由一系列参考点组成。参考点应位于 变形区以外的稳固处， 有观测墩和棱镜。参考系主要是为系统 数据处理时的距离及高差差分计算提供基准， 如不采取差分计 算， 可作为方位参考。 （)）变形体。变形体用布置在其表面的大量目标点代替。 目标点由观测墩、 正对基站的棱镜、 数字式温度计和气压计组 成， 根据需要， 目标点一般较均匀地布设于变形体上能体现区域 变形的部位。 中图分类号：+2*(3 4 % 5 %
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软件系统设计
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测量机器人简介
（@9<ABC:?D EFGFH） 是 !" 世纪 3" 年代由奥 +,- 型测量机器人 地利维也纳技术大学同 /67 .-+- 和瑞士 89:;< 公司共同开发 的全自动型测量仪器， 它是在全站仪的基础上集成激光、 精密机 械、 微型计算机、 ,,. 传感器以及人工智能技术发展起来的。它 通过 ,,. 传感器识别目标并对所接受电磁波强度进行探测， 在 计算机控制下驱动步进马达， 实现目标的自动识别， 精确照准和 测量数据的自动记录， 并可实现对大量目标的无接触自动遥测。 测量机器人最主要的特征是自动识别系统 （ -+E， -BHF><H:; 。它发射红外光束， 并利用自准直原理和 ,,. +<CD9H E9;FD?:H:F?） 图象处理功能， 无论在白天还是黑夜， 都能实现目标的自动识 别、 照准与跟踪， 即使棱镜的移动速度达到 # >IA 时 （%"" > 处） ， 信号也不会中断， 利用跟踪测量模式能实时测得动态数据。
大坝及滑坡变形监测自动化系统由 * 大模块组成： ! 数据 采集模块； 控制模块； 数据处理模块； 数据库管理模块； " # $ 预报模块； % 数据分析、 & 信息传输模块。其中测量机器人与 联机监测模块之间的通讯方式有通过光纤有线连结和微波无线 通讯两种方式， 由信息传输模块控制。
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数据采集模块