基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的地下工程測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

吳戰(zhàn)廣，張獻(xiàn)州，張 瑞，楊龍杰

?

基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的地下工程測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

吳戰(zhàn)廣1，2，張獻(xiàn)州1，2，張 瑞1，2，楊龍杰1，2

(1.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

針對(duì)地下工程變形監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)技術(shù)和測(cè)量機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)上，以C#編程語言和SQL sever數(shù)據(jù)庫為開發(fā)平臺(tái)，借助GeoCOM開發(fā)包，通過遠(yuǎn)程控制測(cè)量機(jī)器人對(duì)地下工程進(jìn)行自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)工作。在物聯(lián)網(wǎng)三層技術(shù)架構(gòu)自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層中，介紹了提高數(shù)據(jù)處理精度的實(shí)時(shí)差分技術(shù)原理和圍巖凈空收斂分析方法。成功地將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，保證了地下工程的安全服務(wù)；而這一系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想更可為同類工程安全監(jiān)測(cè)提供參考。

地下工程；測(cè)量機(jī)器人；物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)；實(shí)時(shí)信息化監(jiān)測(cè)；差分改正；遠(yuǎn)程變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

地下工程不僅能為人類生存開拓廣闊的空間，還具有比較好的熱穩(wěn)定性、密閉性、抗災(zāi)、防護(hù)等性能，但由于地下的地質(zhì)條件、周邊的環(huán)境、圍巖的穩(wěn)定性等因素的影響，地下工程的施工條件較復(fù)雜，施工造價(jià)也比較高[1]。如何保證地下工程在施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的安全，成為一個(gè)重要的問題?？紤]到地下工程的測(cè)量作業(yè)環(huán)境比較惡劣，故建立一套快速、高精度、實(shí)時(shí)、可靠性高的地下工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比較困難。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和測(cè)量機(jī)器人的出現(xiàn)為解決上述問題提供了極大的便利，使地下工程安全監(jiān)測(cè)走向自動(dòng)化、智能化、實(shí)時(shí)化和信息化成為一種可能。

自物聯(lián)網(wǎng)的概念被提出后，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，而國內(nèi)外將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到變形監(jiān)測(cè)案例也有很多。在國外，日本Masao Yamada 等人利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)滑坡進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)[2]；瑞士Solexperts公司開發(fā)的GeoMonitor自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也引入了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，使該系統(tǒng)可以滿足各種工程的不同需求[3]；Akyildiz等針對(duì)地下無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行了相關(guān)研究[4]，無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在捷克布拉格地鐵監(jiān)測(cè)、西班牙巴塞羅那地鐵監(jiān)測(cè)中。國內(nèi)方面，張秀麗在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS相結(jié)合的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡罔F隧道施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5]；姜晨光等提出基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路并構(gòu)建相應(yīng)的技術(shù)體系[6]?？偟膩砜?，當(dāng)前比較突出的問題體現(xiàn)在“概念方案多，實(shí)用系統(tǒng)少；試驗(yàn)系統(tǒng)多，規(guī)模應(yīng)用少”，還不足以形成代表性的系統(tǒng)解決方案[7]。

隨著信息化測(cè)繪的發(fā)展，衛(wèi)星定位、傳感器、智能全站儀、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的應(yīng)用，使得用于大型工程安全監(jiān)測(cè)的手段和方法得到了飛速發(fā)展。移動(dòng)通信與互聯(lián)網(wǎng)的完美結(jié)合，使監(jiān)測(cè)終端與監(jiān)測(cè)中心得以統(tǒng)一接入互聯(lián)網(wǎng)中，形成了物物相聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也將從傳統(tǒng)的人工定時(shí)實(shí)地獲取到無人實(shí)時(shí)獲取；數(shù)據(jù)的拷貝、后處理到數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸、實(shí)時(shí)處理；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的文本方式儲(chǔ)存到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存；數(shù)據(jù)的曲線分析到數(shù)據(jù)的分析、預(yù)測(cè)、評(píng)估的一體化；變形信息的人工預(yù)警到系統(tǒng)的自動(dòng)化預(yù)警和可視化的發(fā)展。本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的三層技術(shù)架構(gòu)的測(cè)量機(jī)器人地下工程遠(yuǎn)程變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是基于信息化測(cè)繪特征而設(shè)計(jì)的。

1 物聯(lián)網(wǎng)三層體系結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要通過射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描儀等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[8]。根據(jù)上述定義，物聯(lián)網(wǎng)的基本技術(shù)架構(gòu)為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)。

以反應(yīng)地下工程的監(jiān)測(cè)特點(diǎn)布置的采集數(shù)據(jù)傳感器(測(cè)量機(jī)器人、棱鏡、氣象傳感器等)單元為感知層，以數(shù)據(jù)傳輸(有線、無線、Internet等)單元為網(wǎng)絡(luò)層，以集成化的數(shù)據(jù)處理中心單元為應(yīng)用層，上述三層結(jié)構(gòu)組成了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)框架。

基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于如下流程實(shí)施監(jiān)測(cè)作業(yè)：

1)根據(jù)地下工程監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要，在合理位置布置測(cè)量機(jī)器人和目標(biāo)棱鏡，并制定可行的監(jiān)測(cè)方案，應(yīng)用層的服務(wù)器根據(jù)監(jiān)測(cè)方案發(fā)送指令給感知層的測(cè)量機(jī)器人，測(cè)量機(jī)器人根據(jù)指令對(duì)目標(biāo)棱鏡照射，實(shí)施觀測(cè)和數(shù)據(jù)采集。

2)將采集到數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)叫盘?hào)較好的地方，然后通過DTU 模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信號(hào)，通過網(wǎng)絡(luò)層的GPRS無線通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，數(shù)據(jù)處理中心軟件接收信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)。

3)通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)的處理，分析，生成報(bào)告，并對(duì)其工程做出評(píng)估預(yù)測(cè)，發(fā)布信息，若發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超限，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警。

基于上述工作流程分析，該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)的測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 感知層設(shè)計(jì)

1.1.1 感知層傳感器布設(shè)方案

基站用來架設(shè)測(cè)量機(jī)器人，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和參考點(diǎn)的分布情況，合理選擇基站的位置，基站一般要求選擇在穩(wěn)定位置，也可選擇在相對(duì)穩(wěn)定處(如隧道)。最好建立帶有強(qiáng)制對(duì)中裝置的觀測(cè)墩，并要求具有良好的通視條件[9]。

在參考系方面，主要通過棱鏡提供一系列照準(zhǔn)構(gòu)建局部參考系。參考點(diǎn)應(yīng)位于變形區(qū)域之外的穩(wěn)固處，且均勻分布。參考系為整套坐標(biāo)系統(tǒng)提供方位基準(zhǔn)，也是為系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的距離及高差差分計(jì)算提供基準(zhǔn)[9]。

在監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取方面，可根據(jù)工程的需要，布設(shè)在能體現(xiàn)工程體變形的部位，并放置面向基站的棱鏡，以便于對(duì)變形信息的量測(cè)。

通過服務(wù)器發(fā)送測(cè)量指令，且在監(jiān)測(cè)過程中需要進(jìn)行質(zhì)量檢查等?？梢酝ㄟ^初始學(xué)習(xí)測(cè)量獲取參考點(diǎn)及變形點(diǎn)的概略空間坐標(biāo)信息，或建立實(shí)測(cè)的地下工程變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的參考點(diǎn)及變形點(diǎn)的概略坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件，然后上傳到測(cè)量機(jī)器人上，在測(cè)量機(jī)器人在基站上完成定向及度盤定向后，測(cè)量機(jī)器人會(huì)按照軟件預(yù)先設(shè)置的觀測(cè)方案進(jìn)行自動(dòng)化的周期性監(jiān)測(cè)。觀測(cè)方案主要包括兩期觀測(cè)的時(shí)間間隔、觀測(cè)的測(cè)回?cái)?shù)、每期觀測(cè)的時(shí)間等。測(cè)量機(jī)器人還將觀測(cè)的成果與事先安置的各項(xiàng)規(guī)范限差自動(dòng)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)出現(xiàn)超限時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行重測(cè)。

1.1.2 感知層控制模塊開發(fā)方案

本套系統(tǒng)選取徠卡公司TM30型號(hào)測(cè)量機(jī)器人，根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其實(shí)施二次開發(fā)。具體開發(fā)是通過測(cè)量機(jī)器人自帶二次開發(fā)函數(shù)與控制指令——GeoCOM接口技術(shù)。GeoCOM有2 種開發(fā)模式：低級(jí)模式即ASCII字符串方式；高級(jí)模式即函數(shù)調(diào)用模式。對(duì)于熟悉VB/C/C++的用戶來說，采用高級(jí)模式非常方便，這種便捷的方式只需要調(diào)用相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，所有的請(qǐng)求、應(yīng)答和解碼都封裝在Geocom的函數(shù)中；而對(duì)于熟悉串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信的用戶來說，采用低級(jí)模式，將當(dāng)前所需要的指令集封裝成函數(shù)進(jìn)行調(diào)用則更為有效[10]。

徠卡全站儀的命令字符串分為發(fā)送串和返回串，格式分別為

發(fā)送串： []%R1Q,[,]:[][, ,…]

返回串： %R1P,[,]:[,,,…]

在制定監(jiān)測(cè)方案時(shí)，需要注意通訊時(shí)間與測(cè)量時(shí)間的協(xié)調(diào)與預(yù)留。測(cè)量機(jī)器人測(cè)量獲得數(shù)據(jù)需要一定的時(shí)間，如果等待的時(shí)間過短，測(cè)量沒有完成，那么就得不到正確的數(shù)據(jù)，而等待時(shí)間過長(zhǎng)又會(huì)影響測(cè)量效率。當(dāng)執(zhí)行組合動(dòng)作時(shí)，各動(dòng)作之間需要注意時(shí)間間隔的合理分配。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

1.2.1 有線通訊方案

當(dāng)測(cè)站點(diǎn)離數(shù)據(jù)無線通訊設(shè)備間(DTU)距離在100 m以內(nèi)時(shí)，可使用RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)距離大于100 m并且小于1 219 m時(shí)，可采用RS485接口；如果設(shè)備間距離更大時(shí)，可使用光纖有線通訊。光纖通訊具有衰減小、頻帶寬、抗干擾性強(qiáng)、保密性好、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)，是進(jìn)行長(zhǎng)距離通訊較好的選擇。但由于使用光纖的成本比較高，可使用光纖將信號(hào)傳遞到能使用無線DTU的設(shè)備上，然后通過無線DTU進(jìn)行更長(zhǎng)距離的通訊。

1.2.2 無線通訊方案

GPRS的基礎(chǔ)是以IP包的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。GPRS無線終端接入GPRS網(wǎng)絡(luò)的方法與普通有線MODEM類似，都采用PPP連接方式，獲得動(dòng)態(tài)分配的IP地址。連接建立后，通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(TCP/IP、UDP/IP)實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)上其它計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。

GPRS DTU上電后，會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的服務(wù)器IP地址或解析域名，以及相應(yīng)的邏輯端口與服務(wù)器建立連接，連接建立后，服務(wù)器會(huì)立即發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信息給DTU，DTU接收到確認(rèn)信息后，把其注冊(cè)包發(fā)給服務(wù)器，服務(wù)器通過相關(guān)程序記錄DTU信息，確認(rèn)PPP連接?，F(xiàn)場(chǎng)的傳感器按預(yù)設(shè)的頻率采集數(shù)據(jù)后通過串口送入GPRS DTU中；GPRS DTU首先將數(shù)據(jù)打包成TCP/UDP數(shù)據(jù)包，通過無線鏈路傳送到無線數(shù)據(jù)交換中心(MDEC)；MDEC再通過GGSN網(wǎng)關(guān)將TCP/UDP數(shù)據(jù)包傳送到Internet，再由Internet傳送到通信控制計(jì)算機(jī)；通信控制計(jì)算機(jī)接收TCP/UDP數(shù)據(jù)包，并把它還原成原始數(shù)據(jù)；反之，當(dāng)DTU收到數(shù)據(jù)中心發(fā)來的TCP/UDP包時(shí)，會(huì)從中取出數(shù)據(jù)內(nèi)容，立即通過串口發(fā)送給終端設(shè)備[11]。

1.3 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

1.3.1 設(shè)計(jì)平臺(tái)選擇

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，以先進(jìn)性、實(shí)用性、可靠性、數(shù)據(jù)共享、模塊化設(shè)計(jì)為原則，本系統(tǒng)以基于.NET之上的C#程序設(shè)計(jì)語言和SQL Server技術(shù)為開發(fā)平臺(tái)。由于地下工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有量大、類型多、數(shù)管理難度大的特點(diǎn)，而數(shù)據(jù)庫技術(shù)具有存檔海量信息、可以隨時(shí)查看歷史數(shù)據(jù)、共享性高、檢索效率高、管理方便、加密管理等優(yōu)勢(shì)，使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以很好地解決上述問題。本系統(tǒng)軟件是一個(gè)兼容控制感知層傳感器，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收、分析、預(yù)測(cè)、預(yù)警、信息發(fā)布等功能于一體的軟件。

為了儲(chǔ)存測(cè)量機(jī)器人觀測(cè)的數(shù)據(jù)和顯示軟件計(jì)算的結(jié)果，方便用戶的使用，系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)表有：基準(zhǔn)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維位移數(shù)據(jù)表、全站儀自動(dòng)采集數(shù)據(jù)表、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表及觀測(cè)文件、報(bào)表報(bào)告等。

1.3.2 自動(dòng)化生產(chǎn)報(bào)表方案

采用C#編程語言，通過調(diào)用Excel程序、word程序和SQL sever數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)，在編的一些地下工程的模板情況下自動(dòng)生成工程所需要的報(bào)表及報(bào)告，滿足工程的需要。

1.3.3 預(yù)警模塊開發(fā)方案

對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析與評(píng)估是變形監(jiān)測(cè)的意義。本系統(tǒng)的安全預(yù)警分“紅色、橙色、黃色[12]”3個(gè)等級(jí)。根據(jù)地下工程規(guī)范的規(guī)定，設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)當(dāng)前變化量、累計(jì)變形量、變形速率等警戒值，黃色、橙色、紅色預(yù)警值分別警戒值的70%、80%、100%，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所在的等級(jí)，在系統(tǒng)后臺(tái)為黃色、橙色、紅色顯示。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過預(yù)警值，系統(tǒng)軟件會(huì)自發(fā)觸動(dòng)預(yù)警機(jī)制，自動(dòng)彈出窗口和發(fā)出聲音以提醒負(fù)責(zé)人，以便采取相應(yīng)的措施，保證地下工程的安全。

1.3.4 預(yù)測(cè)模塊開發(fā)方案

根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，運(yùn)用一定的分析方法，能準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)變形的發(fā)展趨勢(shì)，才是進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的真正目的。根據(jù)工程的預(yù)報(bào)結(jié)果，可以采取一定的措施，避免事故的發(fā)生，減少經(jīng)濟(jì)損失。預(yù)測(cè)模型的種類較多，一般分為靜態(tài)周期預(yù)測(cè)模型和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)模型[13]。經(jīng)典的靜態(tài)周期模型包括趨勢(shì)確定模型、多項(xiàng)式回歸模型、灰色模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等；動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)模型有時(shí)間序列分析、卡爾曼濾波、小波分析等?？紤]到對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，即可進(jìn)行靜態(tài)周期預(yù)測(cè)，也可進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了趨勢(shì)確定模型、灰色模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、卡爾曼濾波等，并使用C#編程語言實(shí)現(xiàn)。

2 數(shù)據(jù)分析模型與算法

由于基于測(cè)量機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)是自動(dòng)極坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，且極坐標(biāo)測(cè)量沒有多余觀測(cè)，需要通過數(shù)據(jù)差分來減弱原始觀測(cè)之中的系統(tǒng)誤差的影響，以提高原始觀測(cè)值的精度。

2.1 方位角的差分改正

由于外界條件的作用和長(zhǎng)時(shí)間工作的影響，測(cè)量機(jī)器人水平度盤的零方向存在漂移問題，這種水平方位角的變化，可通過差分技術(shù)加以改正[11]。

2.2 距離的差分改正

相位式測(cè)距采用如下模型實(shí)現(xiàn)：

(1)

式中：D為距離；c0為真空中光速；f為測(cè)距頻率；φ為相位值；n為大氣折射率；K為儀器常數(shù)。距離誤差主要是大氣折射率的變化引起的，然而大氣折射率往往難以準(zhǔn)確求得。在小的變形監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，可根據(jù)每期測(cè)站點(diǎn)到基準(zhǔn)點(diǎn)的距離與首期所測(cè)距離之差求得每期大氣折射率的差分改正數(shù)，而無需測(cè)定氣象元素[14]。

(2)

則在第i期測(cè)得測(cè)站到監(jiān)測(cè)點(diǎn)p的斜距為

(3)

2.3 球氣差改正

由于本系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)是極坐標(biāo)系統(tǒng)，高程是通過三角高程解算出來的，為提高三角高程測(cè)量精度，必須考慮大氣垂直折光的影響。處理大氣垂直折光的方法有很多，考慮到本系統(tǒng)是進(jìn)行單向三角高程的測(cè)量，可通過已知基準(zhǔn)點(diǎn)的高程進(jìn)行差分改正[15]。

可推求出差分改正系數(shù)

(4)

(5)

式中：i為儀器高；v為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)棱鏡高。

2.4 圍巖收斂分析

在地下工程變形監(jiān)測(cè)中，圍巖凈空收斂是監(jiān)控的重點(diǎn)。由上面可知，根據(jù)測(cè)量機(jī)器人得到的三維坐標(biāo)，可以進(jìn)行地下工程的圍巖收斂分析。可以根據(jù)同一斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)間的三維坐標(biāo)，計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位移，即測(cè)線的收斂變形，進(jìn)而反映該斷面的收斂情況。

(6)

則相鄰兩期的收斂值計(jì)算模型為

(7)

圖2 隧道斷面圍巖收斂監(jiān)測(cè)示意圖

3 工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，應(yīng)用某隧道開展了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。在隧道中選取相對(duì)穩(wěn)定的點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)站，并用水泥澆筑帶有強(qiáng)制對(duì)中裝置的觀測(cè)樁；同時(shí)，在隧道的進(jìn)出口穩(wěn)定處，各設(shè)置了兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，為了保證基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性，每個(gè)基準(zhǔn)站都設(shè)強(qiáng)制對(duì)中裝置和棱鏡。能代表隧道特征的變形點(diǎn)共26個(gè)，在各個(gè)變形點(diǎn)上都安置了棱鏡，并將棱鏡的方向朝向監(jiān)測(cè)站。因本隧道附近沒有供電系統(tǒng)，出于供電需要，在隧道外安置太陽板和蓄電池部分，將一部分電能通過供電電纜給測(cè)量機(jī)器人，另一部分儲(chǔ)存在蓄電池中，保證在夜間太陽能板不工作狀態(tài)時(shí)的持續(xù)供電。

為了更好地反映隧道全天候的位移變化情況，一天每隔2 h采集一次位移數(shù)據(jù)。最后通過與首期數(shù)據(jù)的比較，得到了隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)100期的位移變化量趨勢(shì)圖(見圖3)。

圖3 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)在3個(gè)方向上的變化曲線

基于變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)序觀測(cè)分析表明，隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)在3個(gè)方向上的位移量均較小，未超過變形控制指標(biāo)(3 mm)的安全范圍，符合隧道安全的條件。

同時(shí)，基于測(cè)量機(jī)器人的高精度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可進(jìn)行圍巖凈空收斂分析，其基本分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 地下工程某一斷面測(cè)線收斂變化曲線

針對(duì)斷面測(cè)線收斂變化曲線的分析可知，圍巖的變形數(shù)據(jù)目前較為穩(wěn)定，該斷面隧道的圍巖處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為變形監(jiān)測(cè)注入了新的活力，加速了變形監(jiān)測(cè)向信息化測(cè)繪邁進(jìn)的步伐。本研究從側(cè)面再次體現(xiàn)了該技術(shù)手段在地下工程領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景?；谖锫?lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的地下工程測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并對(duì)傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)開展有效的集成，對(duì)測(cè)量效率的提高意義重大。同時(shí)，有線和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的組合利用，能夠?qū)Φ叵鹿こ瘫O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)施快速準(zhǔn)確的傳輸，保證了全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)的開展，對(duì)于地下工程施工和運(yùn)營(yíng)的安全監(jiān)測(cè)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成功應(yīng)用在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)實(shí)例，本系統(tǒng)具有如下五方面典型特征：

1)它是一種集成了感知數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、應(yīng)用數(shù)據(jù)一體化、數(shù)字化、智能化的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2)該系統(tǒng)能夠滿足信息化測(cè)繪的要求，具有高效、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

3)發(fā)揮了測(cè)量機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，避免了在惡劣環(huán)境下的人工作業(yè)，節(jié)省了監(jiān)測(cè)的人力、物力，提高了監(jiān)測(cè)效率，而且現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以在系統(tǒng)后臺(tái)實(shí)時(shí)開展處理分析。

4)通過使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，使對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理更為合理。在結(jié)果分析方面使用了差分技術(shù)，提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次分析，得到了地下工程圍巖凈空收斂的情況。

5)系統(tǒng)集成的自動(dòng)生成報(bào)表、變形預(yù)測(cè)、變形預(yù)警、信息發(fā)布等功能，對(duì)于地下工程各有關(guān)單位及時(shí)掌握地下工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，以及提高隧道信息化管理效率具有重要的推動(dòng)作用和示范意義。

[1] 池秀文，姚雪梅，陳兆文,等.地下工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)研究[C]//中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì).第2屆全國工程安全與防護(hù)學(xué)術(shù)論文集(上冊(cè)).北京：知網(wǎng)空間,2010.

[2] YAMADA M,TOAS S.Introduction of web-based remote-monitoring system and its application to landslide disaster prevention [A]. The 10th International Symposium on Landslides and Engineered Slopes, Xi’ An, China, 2008.

[3] 葉英,穆千祥,張成平.隧道施工多元信息預(yù)警與安全管理系統(tǒng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(5):900-907.

[4] AKYILDIZ I F.STUNTBECK E P. Wireless underground sensor networks: research challenges [J].Ad Hoc Networks,2006,4(6):669-686.

[5] 張秀麗.地鐵隧道施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及應(yīng)用研究[D].沈陽：東北大學(xué),2013.

[6] 姜晨光,劉冠林,王紀(jì)明,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].上海國土資源,2013,34(1)：85-89.

[7] 周玉娟,柯文匯.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在隧道變形監(jiān)測(cè)中的研究進(jìn)展及展望[J].土工基礎(chǔ),2015,29(2)：117-120.

[8] 黃桂田，龔六堂，張全升.中國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展報(bào)告[M].北京：社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2011：1-98.

[9] 梅文勝,張正祿,郭際明.測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件研究[J]．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2002，27(2):165-171.

[10] 王宇會(huì),蔣利龍.GeoCOM對(duì)測(cè)量機(jī)器人的開發(fā)與應(yīng)用[J].礦山測(cè)量,2009,4(2):56-57.

[11] 尚金光.基于物聯(lián)網(wǎng)模式的隧道變形監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究[D]．成都：西南交通大學(xué),2012.

[12] 傅志峰,羅曉輝,李杰,等.基于安全預(yù)警分級(jí)的基坑安全模糊評(píng)價(jià)研究[J].巖土力學(xué),2011,32(12):3693-3700.

[13] 黃聲享,尹暉,蔣征.變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2008.

[14] 徐忠陽,張良琚,包歡,等.自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其在大壩外部變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2001(9):28-30．

[15] 張書華,蔣瑞波.基于測(cè)量機(jī)器人的隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪科學(xué)，2009，34(3):192-194.

[責(zé)任編輯：劉文霞]

The system of remote deformation monitoring for measuring robot in underground engineering based on three layers of Internet of things

WU Zhanguang1，2,ZHANG Xianzhou1，2,ZHANG Rui1，2,YANG Longjie1,2

(1.School of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.State-province Joint Engineering Laboratory of Spatial Information Technology for High-Speed Railway Safety, Chengdu 610031, China)

In view of the characteristics of deformation monitoring in underground engineering, the system,in addition to the three layers of Internet thing and measuring robot, C# programming language and sever SQL database as the development platform and the GeoCOM development kit as the control, has achieved remote control allowing measurement robot to carry out automatic deformation monitoring in underground engineering. As for the application service layer, built on three layers of automatic the Internet of things deformation monitoring, this paper introduces the principle of the real-time differential correction to improve data precision of processing and the analytical method of convergence deformation.The Internet of things has successfully been applied to the field of deformation monitoring to ensure the safety of underground engineering.Moreover, the ideas of system designing can also provide a reference for safety monitoring of the similar engineering in the future.

underground engineering; measuring robot;three layers of Internet of things;real-time information monitoring;differential correction; remote deformation monitoring system

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.02.010

2016-01-13

長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助(IRT13092);中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)百人計(jì)劃項(xiàng)目(2682014BR012);四川省應(yīng)急測(cè)繪與研究防災(zāi)工程技術(shù)研究中心開放基金(K2015B007);鐵總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2012G009-C)；企業(yè)科研發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(VR01HX1135Y14005)

吳戰(zhàn)廣(1990-)，男，碩士研究生.

P204

A

1006-7949(2017)02-0042-06

引用著錄：吳戰(zhàn)廣，張獻(xiàn)州，張瑞 ，等.基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的地下工程測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].測(cè)繪工程，2017，26(1)：42-47，51.