全站儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建方法及其在地鐵監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用*

段 磊，廖根根，彭 靜，凌 濤，吳國(guó)慶

1.中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410117

2.湖南信息學(xué)院商學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151

隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工程建設(shè)復(fù)雜程度逐漸提升。在工程施工、運(yùn)營(yíng)期間，天氣、地質(zhì)、施工以及運(yùn)營(yíng)等因素都會(huì)對(duì)工程建筑的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，使其發(fā)生形變甚至破壞。為保障人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全，必須及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取相應(yīng)的解決措施。自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)指的是一種周期性監(jiān)測(cè)建筑工程安全性的重要監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以有效避免一些安全隱患發(fā)生。近年來(lái)，在相關(guān)研究人員的共同努力下，推出了不同功能的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是隨著建筑領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)信息傳輸、數(shù)據(jù)處理等方面存在問(wèn)題較多。為豐富全站儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，避免有線傳輸方式受距離使用限制，提高數(shù)據(jù)處理效率，文章提出了基于全站儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建方法并對(duì)其在地鐵監(jiān)測(cè)中的實(shí)踐進(jìn)行研究。

1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)硬件

該系統(tǒng)硬件主要包括供電設(shè)備、通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)、全站儀、基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等。其中，核心傳感器為全站儀。

（1）全站儀。為了滿足智能化監(jiān)測(cè)需求，該系統(tǒng)選取型號(hào)為徠卡TS15A全站儀作為主要測(cè)量?jī)x器。該儀器具有自動(dòng)校準(zhǔn)、精細(xì)跟蹤鎖定、聯(lián)機(jī)控制等功能，不僅在普通測(cè)量工程中得以廣泛應(yīng)用，還可以解決一些特殊工程測(cè)量問(wèn)題。

（2）通信設(shè)備。目前，大部分?jǐn)?shù)據(jù)信息傳輸設(shè)備采用的傳輸方式為有線傳輸模式，這種傳輸不適用于遠(yuǎn)距離傳輸。為了解決這一問(wèn)題，必須將無(wú)線傳輸技術(shù)融入系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。文章開(kāi)發(fā)的全站儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將應(yīng)用到地鐵形式環(huán)境中，因?yàn)楸O(jiān)測(cè)面積較大，所以首選移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于成本低、速度快、穩(wěn)定性好等。

（3）基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇。基準(zhǔn)點(diǎn)是變形監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在變形體或變形區(qū)之外，且地質(zhì)情況良好不易破壞的地方。但從地鐵建成后的情況來(lái)看，基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在地鐵外是不可取的。考慮到地鐵車站所處的地質(zhì)條件一般較好，遇到不良地質(zhì)段，也都進(jìn)行了地基加固處理，發(fā)生變形的可能極小，將基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在車站上，并定期與高等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

（4）監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)。因測(cè)量環(huán)境開(kāi)闊，需要布置較多監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在監(jiān)測(cè)地鐵過(guò)程中，位于同一側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)比較多，很有可能出現(xiàn)ATR照錯(cuò)棱鏡現(xiàn)象，為避免重測(cè)或漏測(cè)情況發(fā)生，利用徠卡TS15A全站儀望遠(yuǎn)鏡小視場(chǎng)功能，解決測(cè)量空間狹窄、棱鏡多，無(wú)法確定應(yīng)測(cè)量哪一個(gè)棱鏡的問(wèn)題。隧道內(nèi)全站儀視角圖如圖1所示。圖1中B點(diǎn)為地鐵隧道中全站儀所處位置，隧道壁與儀器測(cè)站點(diǎn)之間的垂直距離為H，望遠(yuǎn)鏡的正常視角設(shè)定為α，觀測(cè)距離設(shè)定為D，通過(guò)計(jì)算可以獲取全站儀視場(chǎng)范圍長(zhǎng)度I，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為式（1）。

圖1 隧道內(nèi)全站儀視角圖

常規(guī)視角是(0.5×0.5)gon（1gon=0.9°），假設(shè)H=5m、D=200m，通過(guò)使用式（1），可求得I=91.6m。依據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)，可以在91.6m范圍內(nèi)布置一個(gè)棱鏡，但是無(wú)法滿足監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度需求。添加“小視場(chǎng)”功能以后，可以將望遠(yuǎn)鏡的正常視角調(diào)節(jié)為(0.15×0.15)gon，經(jīng)過(guò)計(jì)算同樣可以得到視場(chǎng)范圍，即I=20.8m。

針對(duì)不同的視角進(jìn)行計(jì)算，可以得到多個(gè)視場(chǎng)范圍，如表1所示。

由表1可知，情況相同時(shí)，使用小視場(chǎng)有助于減小隧道壁上的視場(chǎng)范圍，能夠在變形區(qū)域內(nèi)適當(dāng)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行加密處理，從而滿足相關(guān)監(jiān)測(cè)需求。

表1 視場(chǎng)范圍長(zhǎng)度表

1.2 系統(tǒng)軟件

該系統(tǒng)構(gòu)建選用的軟件為L(zhǎng)eica Geo Office，用于采集和處理全站儀數(shù)據(jù)，是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分。

全站儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的第一步為數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，以下為數(shù)據(jù)采集的主要流程。

第一步：建立項(xiàng)目，依據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置參數(shù)。

第二步：利用后方交會(huì)法設(shè)站，使用至少4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行后視定向，從而獲取水平角、豎直角、斜距，進(jìn)而計(jì)算出儀器所處點(diǎn)的三維位置。

第三步：按照順序，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)輸入系統(tǒng)中，觀測(cè)保存監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體三維坐標(biāo)。

第四步：自動(dòng)觀測(cè)，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)軟件，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。

1.3 系統(tǒng)構(gòu)建流程

文章創(chuàng)建的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由6部分構(gòu)成，分別是基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、通信設(shè)備、全站儀監(jiān)測(cè)站、電源設(shè)備、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)系流程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)系流程

具體流程如下：首先，由電源供給系統(tǒng)為自動(dòng)全站儀觀測(cè)站、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供電源；其次，將自動(dòng)全站儀觀測(cè)站采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)通信系統(tǒng)發(fā)送至計(jì)算機(jī)，接收到數(shù)據(jù)信息以后，對(duì)其進(jìn)行處理；再次，將經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)與限值進(jìn)行對(duì)比分析，如果超出了限值，則導(dǎo)出結(jié)果并發(fā)出預(yù)警，反之，只導(dǎo)出結(jié)果；最后，生成報(bào)告。

2 測(cè)量原理

文章以后方交會(huì)設(shè)站為例進(jìn)行分析，該方法是通過(guò)觀測(cè)未知設(shè)站點(diǎn)到至少2個(gè)已知控制點(diǎn)，確定設(shè)站點(diǎn)的坐標(biāo)。依據(jù)三角形交會(huì)點(diǎn)的位置，可以將已知點(diǎn)劃分為三種情況：第一種情況如圖3所示，交會(huì)點(diǎn)在三角形內(nèi)；第二種情況如圖4所示，該點(diǎn)位于三角形外側(cè)；第三種情況如圖5所示，該點(diǎn)在三角形一對(duì)頂角內(nèi)部。假設(shè)E、F、G三點(diǎn)坐標(biāo)分別是(XE,YE)、(XF,YF)、(XG,YG)，待測(cè)點(diǎn)W的坐標(biāo)是(XW,YW)。

圖3 交會(huì)點(diǎn)在三角形內(nèi)部

圖4 交會(huì)點(diǎn)位于三角形一邊的外側(cè)

圖5 交會(huì)點(diǎn)在三角形一對(duì)頂角內(nèi)部

利用式（2）進(jìn)行計(jì)算，得到的后方交會(huì)點(diǎn)坐標(biāo)為(xW,yW)。

公式（2）中的WE、WF、WG計(jì)算分為兩種情況，第一種情況是針對(duì)圖3與圖4的，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以獲取權(quán)值，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下：

第二種情況是針對(duì)圖5的，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以獲取權(quán)值，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下：

3 全站儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

沈陽(yáng)地鐵九號(hào)皇姑屯站1號(hào)風(fēng)亭、D出入口施工，可能會(huì)影響已運(yùn)營(yíng)的地鐵9號(hào)線淮河街沈醫(yī)二院—皇姑屯站區(qū)間，因此需要對(duì)已運(yùn)營(yíng)地鐵線路沈陽(yáng)地鐵9號(hào)線淮河街沈醫(yī)二院—皇姑屯站區(qū)間進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

在地鐵九號(hào)線淮河街沈醫(yī)二院—皇姑屯站區(qū)間采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的共布設(shè)10個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面安裝3個(gè)監(jiān)測(cè)棱鏡。布設(shè)變形點(diǎn)的位置時(shí)利用儀器的小視場(chǎng)功能，使之均勻分布在儀器望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)內(nèi)，相互不受干擾。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)平面圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)平面圖

2020年3月，該項(xiàng)目開(kāi)始監(jiān)測(cè)，截至2020年5月已經(jīng)獲取數(shù)據(jù)80多期，因受到監(jiān)測(cè)環(huán)境的限制，在保證全站儀架設(shè)不對(duì)線路通行造成影響、通視良好、架設(shè)點(diǎn)穩(wěn)定的前提下，將全站儀的架設(shè)點(diǎn)設(shè)定在如圖7所示的位置上。

圖7 全站儀架設(shè)位置

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析

以截至2020年5月27日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，對(duì)淮河街沈醫(yī)二院—皇姑屯站區(qū)間的水平位移和豎向位移進(jìn)行分析。

淮河街沈醫(yī)二院—皇姑屯站區(qū)間根據(jù)地質(zhì)情況共布設(shè)變形監(jiān)測(cè)斷面10個(gè)，基于極坐標(biāo)測(cè)量原理，利用多重實(shí)時(shí)差分改正模型和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換對(duì)測(cè)得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)行經(jīng)Excel VBA編寫的程序，獲取區(qū)間內(nèi)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平變化量和豎向變化量。

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋結(jié)果可知，該階段所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平變化量為-0.15～0.16mm、豎向變化量為-0.20～0.20mm，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化量均小于1mm，該階段所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平變化量、豎向變化量很小，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示無(wú)異常變化點(diǎn)位。

4 總結(jié)

文章將構(gòu)建的全站儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用到沈陽(yáng)地鐵淮河街沈醫(yī)二院—皇姑屯站區(qū)間監(jiān)測(cè)中，結(jié)果表明處理后的數(shù)據(jù)精度滿足規(guī)范要求，監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，取得了很好的效果，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。