基于“互聯網+”的自動化變形監測系統的設計與應用

李新求，梅迎春，蒙尚雁，張　齊

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基于“互聯網+”的自動化變形監測系統的設計與應用

李新求1,2，梅迎春1,2，蒙尚雁1，張齊2

(1. 廣東省工程勘察院自動化變形監測研究所，廣東 廣州 510000； 2. 廣東澤寶變形監測

研究有限公司，廣東 廣州 510000)

傳統的人工監測已經無法滿足社會對安全越來越高的要求。而具有自動目標照準功能的全站儀的出現及各種不同類型的巖土傳感器的發展，為實現變形監測自動化提供了有利條件，基于自動化的變形監測系統的研究和開發也相繼展開。

一、自動化監測系統的構成

自動化變形監測系統主要由硬件部分(全站儀、棱鏡組、各類型傳感器、控制電腦、微型控制單元MCU、信號傳輸單元等)和軟件部分(自動化數據采集系統、自動化數據處理預警系統、變形監測簡報自動生成系統、自動化監測信息管理平臺)組成。整個自動化監測系統如圖1所示。

二、自動化監測系統的硬件部分

自動化監測系統的硬件部分涉及感知層、網絡層及應用層，感知層包括棱鏡組+全站儀、巖土類傳感器；網絡層包括無線發射模塊、微型控制單元(MCU)、數據傳輸單元(DTU)；應用層包括電腦、手機、Pad、LED顯示屏等載體。

圖1　自動化變形監測系統構成

三、自動化監測系統軟件部分的設計

1. 自動化數據采集系統

該系統在Visual Studio 2010的平臺上采用Visual C#進行開發，指導徠卡全站儀和各類型傳感器進行監測作業。

2. 自動化數據處理預警系統

數據采集過程實時進行數據檢驗，并對超限的數據進行自動分級報警處理，報警方式靈活多樣，可以發送短信、郵件，也可以遠程激活報警器等，將信息及時發送給所有可能會受到安全威脅的人群。

3. 變形監測簡報自動生成系統

系統使用Java語言進行編寫，采用瀏覽器/服務器(B/S)架構方便用戶登錄。其主要功能是幫助建設工程領域中第三方監測客戶對所屬監測項目的整體流程進行規范化管理，并通過數據的導入智能生成符合政府監管部門、監理、建設、施工等單位要求的電子簡報，還可以導出滿足監測行業的Excel數據報表、曲線圖等，取代了傳統的人工操作和管理模式；通過網絡，相關工作人員可以隨時隨地了解施工現場監測情況，并通過導入人工監測數據及自動獲取自動化監測系統中的數據生成簡報，使信息的傳遞更加快捷和方便，從而擴展了辦公方式，實現了辦公的高效率。該系統不僅可以節約費用、節省時間，還可以達到環保要求，完善監測數據管理模式，同時提高了項目管理水平，確保了監測數據的準確性和及時性，達到建設工程信息化施工的標準。

4. 自動化監測信息管理平臺

平臺采用客戶端/服務器(C/S)架構，并采用大型數據庫系統Oracle進行數據儲存與管理。

平臺能夠實現包括第三方監測單位、政府安全監管機構、建設、施工和監理等單位的多方監管功能。安全信息主界面地圖顏色顯示一目了然；數據能夠實時進行采集、傳輸、分析、處理、預警并及時共享，實現多區域多監測信息和監測數據的統一管理和共享查詢；發生預警時，系統能自動以短信、郵箱、電話等形式預警或報警通知各責任主體、政府安全監督部門或行政主管部門。平臺能夠對監測項目進行實時安全監測和監管，監管對象從人工轉化為儀器，為建設工程安全監管部門的管理模式創新提供了信息化技術手段。同時，平臺還能夠接入不同廠家不同類型的傳感器，全面地對監測信息進行掌握。

四、自動化監測數據通信的設計

根據自動化監測系統的總體架構，自動化采集軟件可以對全站儀和各類傳感器進行遠程控制，全站儀和傳感器的數據也可以實時傳輸至服務器，實現應用層與傳感層的“閉環”控制。

全站儀的自動化作業主要是通過與計算機之間的指令和數據交互完成的。計算機向全站儀發送一個請求(Request，操作指令)，全站儀就向計算機返回一個應答(Reply，當前狀態或觀測數據)。整個過程利用全站儀的自動照準功能(ATR)，并結合基準點和監測點棱鏡測量出變形監測點的三維坐標信息，然后通過RS232串口通信，連接無線傳輸單元(DTU)以GPRS方式進行發送與接收。

針對數據采集節點數目多的特點，將各個傳感器組成的測量點構成測量網絡，使用SNAP的無線mesh網絡協議實現ZigBee的無線組網，利用ZigBee傳感器網絡將某一區域內所有節點的運行數據集中到網絡協調器節點MCU，然后通過DTU以GPRS方式發送至服務器。系統采用先進的無線自組網(WSN)技術，每個傳感器模塊獨立工作，即使出現單個壞點，也不影響整個系統工作。

五、工程應用

目前該系統已成功應用于廣州、佛山、珠海等地的19個基坑工程施工中，本文以佛山某基坑支護工程為例。

該項目共有9個監測項，分別為基坑頂部水平位移及沉降監測、周邊地面沉降監測、地下水位監測、錨索監測、圍護結構測斜、支撐應力監測、立柱沉降監測。基坑頂部沉降及地下水位監測曲線如圖2、圖3所示。可以看出，各監測項數據均正常，未超報警值。通過現場對該工程進行檢查,基坑支護結構狀況良好,與人工監測也比較吻合。通過長時間的應用，可知該系統可以正常用于實際工程監測應用中。

圖2　基坑頂部沉降監測曲線

圖3　基坑地下水位監測曲線

六、結論

本文介紹了基于“互聯網+”進行設計和開發的自動化變形監測系統，設計了系統的整體框架結構，最后通過實際應用驗證了本系統的實用性與可靠性。同時，得到以下結論：

1) 將“互聯網+”的思維應用到自動化變形監測系統的設計中，搭建了一個開放的物聯網平臺，一個系統可以同時接入不同廠家多種型號的傳感器(如電感式、電容式、振弦式等)，創新的“3+1”平臺管理模式，能夠將監測數據實時共享給第三方監測單位、安全監管機構、建設單位、施工單位、監理單位等單位，真正做到了信息化施工。

2) 自動化在線監測平臺高度集成了“全站儀+多種傳感”的測量，一個軟件可以同時測多個項目，同時也可以對單個項目的水平位移、沉降、水位、土壓力等多個監測項進行實時測量，做到數據的高度融合。

3) 監測數據從采集到成果輸出全程無需人工參與，全程智能化、一體化、標準化，管理重點從人變為設備，管理模式也轉變為遠程、實時、可視化管理，提高了監測效率，降低了管理成本。

本系統的通用性強，集成度高，不僅可以用于基坑監測，在建筑物變形監測、地下隱蔽設施監測、滑坡監測、大壩變形監測，以及橋梁工程監測、高支模監測、地鐵監測等變形監測方面也有廣泛的應用前景。

(本專欄由徠卡測量系統和本刊編輯部共同主辦)

徠卡測量新技術應用專欄