數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架變形激光掃描自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉 健

（天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院， 天津 300400）

引言

數(shù)據(jù)中心基建工程中應(yīng)用的激光掃描技術(shù)由激光測距技術(shù)衍生而來，通過激光束在地平面水平方向和垂直方向持續(xù)的角度變化測定數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架外表的三維坐標(biāo)，是一種高精度遠(yuǎn)程測量手段[1-3]。為了提高工程項目中數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架變形量的監(jiān)測效率，本文提出并開發(fā)了一種激光自動掃描平臺，平臺的硬件部分采取了3層架構(gòu)的形式，軟件部分集成了用于數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)亩鄠€系統(tǒng)。實際應(yīng)用結(jié)果表明，所提出的平臺具有較高的測量進(jìn)度，實用性很強(qiáng)[4-7]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架變形激光自動掃描平臺的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。平臺硬件部分主要由測量層、通信層、應(yīng)用層組成，測量層負(fù)責(zé)采集各種數(shù)據(jù)，主要包括全站儀、標(biāo)靶組以及水位計、應(yīng)力計等多個參數(shù)測量傳感器；通信層用于平臺各部分間的數(shù)據(jù)傳輸，主要包括無線發(fā)射模塊、數(shù)據(jù)傳輸單元和微型控制單元；應(yīng)用層用于平臺與操作者的交互，主要包括手機(jī)、計算機(jī)、LED顯示器等[8-10]。平臺軟件部分采取了“3+1”的智能化管理模式，由自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、監(jiān)測簡報自動生成系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理預(yù)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲，通過自動監(jiān)測平臺向操作者和第三方單位呈現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖1所示。

1.2 軟件部分設(shè)計

通過Visual C#編程語言開發(fā)了自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，接收各種參數(shù)傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)并操控全站儀按規(guī)范流程進(jìn)行數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架變形量測量作業(yè)。自動化數(shù)據(jù)處理預(yù)警系統(tǒng)在監(jiān)測過程中對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的限制值在數(shù)據(jù)發(fā)生超限時立即發(fā)出預(yù)警信息，預(yù)警方式包括現(xiàn)場警示音、郵件、短信等。簡報自動生成系統(tǒng)基于Java語言實現(xiàn)，系統(tǒng)采用了方便用戶登錄客戶端的B/S架構(gòu)，能夠幫助操作者和項目第三方用戶對監(jiān)測過程進(jìn)行實時監(jiān)督，并在單次監(jiān)測完成后自動生成曲線圖和Excel數(shù)據(jù)表等形式的電子簡報，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給工程項目的施工、建設(shè)、監(jiān)理單位以及政府監(jiān)管部門，極大地提高了監(jiān)測工作的效率。

1.3 通信設(shè)計

平臺的數(shù)據(jù)通信主要分為2個部分，一是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向全站儀和各傳感器發(fā)送控制信號，二是全站儀和各傳感器將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器，由此形成了從測量層到應(yīng)用層的閉環(huán)控制。操作者通過計算機(jī)向全站儀發(fā)出Request操作指令，全站儀以Reply作出反饋并按指令的要求完成相關(guān)動作。在監(jiān)測過程中，全站儀通過向分布于測量位置的標(biāo)靶發(fā)射激光獲取監(jiān)測點的三維坐標(biāo)信息，通過RS232串口利用無線傳輸單元將其發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器。由于監(jiān)測點的數(shù)量較多，以各種參數(shù)傳感器為節(jié)點組建基于SNAP無線通信協(xié)議的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，在WSN的組網(wǎng)模式下，單個傳感器故障不會影響其它傳感器與服務(wù)器的通信[11]。

2 系統(tǒng)應(yīng)用測試

在數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架測試激光發(fā)射點周圍5~160 m范圍內(nèi)均勻設(shè)立40個標(biāo)靶，通過Leica TM30全站儀對所有標(biāo)靶的整體坐標(biāo)進(jìn)行測量。

實驗當(dāng)天的數(shù)據(jù)中心上午和下午使用Riegl LMS-VZ400掃描設(shè)備進(jìn)行兩次測量實驗。實驗時環(huán)境溫度設(shè)定為27℃和32℃，數(shù)據(jù)中心機(jī)實驗點有通風(fēng)系統(tǒng)且微風(fēng)，對掃描設(shè)備采取遮陽防護(hù)措施。

上午進(jìn)行第一次實驗，激光掃描測量測回數(shù)為10次，在40個標(biāo)靶中選擇均勻分布的4個作為參考坐標(biāo)點，每次測量完成后對標(biāo)靶坐標(biāo)值進(jìn)行設(shè)備-整體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將2~10次測回的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)值求平均數(shù)，以全部測回的坐標(biāo)測量均值與其進(jìn)行比較，由此得到了比較統(tǒng)計曲線；之后再次提取其余4個標(biāo)靶作為參考坐標(biāo)點，按上述過程進(jìn)行坐標(biāo)值和均值計算，得到如圖2所示的統(tǒng)計曲線。

下午移動激光發(fā)射點位置，按與上午相同的程序進(jìn)行掃描實驗，獲得如圖3所示的測量精度與測回數(shù)關(guān)系曲線。

將Riegl LMS-VZ400激光掃描設(shè)備測得的所有標(biāo)靶坐標(biāo)與Leica TM30傳統(tǒng)測量設(shè)備測得的結(jié)果進(jìn)行比對，可對該激光掃描設(shè)備的精度做出以下結(jié)論：測量距離在160 m以內(nèi)，測距較差中誤差數(shù)值為4.2 mm，與該設(shè)備說明的5 mm標(biāo)稱精度相符；平面點位精度數(shù)值為較差中誤差6.8 mm，同時高程較差中誤差數(shù)值為11 mm。

3 結(jié)論

激光掃描技術(shù)在數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架變形量的監(jiān)測中應(yīng)用較為廣泛，為了進(jìn)一步提高效率，本文提出并開發(fā)了一種數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架變形激光自動掃描平臺，介紹了平臺的總體結(jié)構(gòu)，闡述了平臺的硬件結(jié)構(gòu)和軟件部分的設(shè)計方法，通過實際應(yīng)用驗證了平臺的測量精準(zhǔn)性。該平臺能夠?qū)ΡO(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的采集、處理、預(yù)警、存儲和現(xiàn)實，適用于各類工程項目的數(shù)據(jù)中心機(jī)組框架變形監(jiān)測。