浅谈测量机器人在广州地铁监测中的应用

　  　　1测量机器人  　　自动全站仪又称测量机器人，是20世纪80年代由奥地利维也纳技术大学同Geo Data和瑞士Leica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、CCD传感器，以及人工智能技术发展起来的。它通过CCD传感器识别目标并对所接收的电磁波强度进行探测，在计算机控制下驱动步进马达，能够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（auto-matic target recognition，ATR）。它发射红外光束，并利用自准直原理和CCD图像处理功能，无论在白天还是黑夜，都能实现对目标的自动识别、照准与跟踪，利用跟踪测量模式能实时测得动态数据。工程中使用的两种型号的自动全站仪TCA1201- M 和TCA1800 等。  　　2自动监测控制和分析软件GeoMos  　　徕卡监测软件Geo Mos 是一套集GPS 、TPS 、倾斜传感器、各种气象和地质传感器等多种传感器于一体的现代化综合监测系统， 它是可以实现计算机远程控制和配置， 具备自动报警和消息发送功能， 可以按照既定的程序进行自动应急处理和实时可视化、数字化分析结果的24 小时不间断运行的系统，如图2 所示。Geo Mos 专业版由两个模块组成： 监测模块（ MONI TOR） 和分析模块（ ANAL YZER） 。监测模块的主要功能是集成各种传感器（ GPS 、全站仪、气象传感器、地质传感器等） 进行数据采集；自动计算变形结果、可实时显示当前测量信息； 对测量、计算、限差检测进行自定义、探测各种工作状态；实现服务器与单机监测系统间的数据传输。分析模块的主要功能是对测量数据与结果进行图形与数字方式显示、进行数据编辑与后处理、进行的超限探测、进行注记、对图形格式进行自定义、对报告格式进行自定义、输出各种兼容数据格式（ 如ASCII ， DGN ， WMF） 。  　　3测量机器人与监测软件GeoMoS在广州地铁一号线监测中的应用  　　3.1工程概况  　　广东省人大代表之家工程基坑位于广州市越秀区中山一路和农林东路交汇处的东北角，省人大常委会机关大院内，现广东省人大主办公楼的西侧。设二层地下室，采用钻（冲）孔桩基础；基坑呈不规则形状，基坑尺寸约66.5×59.3m，基坑周边总长度约250m；基坑开挖深度约9.7m～12.0m；基坑四周环境比较复杂，基坑南边是中山一路，西边是农林东路，北边是一栋8层楼住宅，东边是省人大主办公楼。由于基坑施工紧邻地铁一号线隧道，随着基坑开挖施工，隧道上方及侧向土压力将发生改变，堆场一旦变形过大，就会对工程运营带来严重的危害， 故需要对该工程进行长期监测， 以及时调整来满足安全运营要求。由于基坑开挖较深，竖直面上已到隧道中部区域， 在正常运营期间， 场区必定发生偏移或者沉降， 而列车轨道基础的不均匀沉降， 将极大地影响地铁列车的正常安全运行。为保证列车的安全运行， 对可能出现的过量沉降能提前进行预报， 需要对运营期的列车轨道基础进行长期监测， 又考虑到现场的实际情况， 从而推出了全站仪自动化变形监测的监测模式。  　　3.2监测方案  　　整个系统为无人值守的自动化变形监测系统。为提高工程的测量精度， 增加测量频率， 经设备比选， 拟采用徕卡TCA1201- M 和TCA1800 型自动监测型全站仪和徕卡Geo Mos 监测软件构成的测量机器人自动化监测系统实施自动化监测。  　　考虑到现场的实际情况， 电源采用隧道内专用电箱供电模式， 通讯采用中国联通CDMA（地铁隧道内覆盖全部信号）， 控制室选在办公室。整个系统是无人值守的自动化变形监测系统，项目主要由三部分组成： ① 观测传感器――TCA1201- M 和TCA1800 自动全站仪； ② 控制参考点和变形点监测――― 棱镜； ③室内控制系统――― 监测软件和I T 设备。系统运行模式如下： 整个观测现场建立在由TCA1201- M 和TCA1800 全站仪和参考控制点组成的坐标基准， 在关键的变形点上布设监测点棱镜； 由TCA1201- M 和TCA1800 自动全站仪对监测点棱镜按照设定周期进行观测， 实时地把变形点的三维坐标通过数据线传到控制中心； 控制中心主要由安装在台式电脑上的徕卡Geo Mos 软件运行， 通过徕卡Geo Mos 软件可以实时地了解各个变形点的变形情况。监测结果实时通过网络传到地铁监测管理中心。如果超限， 可以实时迅速通过短消息进行报警。  　　3.3监测网的布设  　　本项目的全站仪观测站不动，固定在监测影响区域范围中部附近， 场区内每个观测站设控制点共计4 个， 每根断面设变形监测点5个， 共计60 个变形监测点。此外， 整个监测网的网形必须要科学， 图形结构要合理， 最后整个监测网的观测站和基准控制点要经过测量平差处理。因为地铁线路的带状特点，监测基准控制点一般布设在隧道两端稳定区域范围内。 整个监测系统的全站仪观测站、基准控制点和变形监测点的点位分布图如图2 所示。  　　通过安装仪器房可以使监测系统24 小时自动化运行，完全可以满足甲方要求的监测频率。  　　3.4信号传输线路的布设  　　为实现本监测方案良好的数据通讯， 考虑到实地监测的距离在隧道中部，距离较远， 本系统采用无线数据通讯模式。隧道无线通讯的特点是传输距离长、速度快、受外界环境影响小、抗干扰能力强、费用低廉。为了保证各仪器的通讯数据的安全快速传输，系统的现场控制室采用一台32口串口服务器对仪器进行管理。根据现场实际情况， 我们采用无线数据通讯模式来保证信号传输的可靠、高带宽和先进性。该方式具有传统模拟方式无可比拟的高效性能。 　　4工程应用中的一点体会  　　在广州市地铁一号线隧道监测工程中应用的徕卡测量机器人与监测软件Geo Mos 组成的监测系统， 可以在无人值守的情况下24 小时自动运行，在监测工程中无论测量机器人还是监测软件Geo-Mos 都表现出了优越的品质。TCA1201- M 和TCA1800 自动全站仪都有稳定的1′的测量精度， 尤其是其望远镜的ATR 功能， 即使是在200 m的以外的轨道尽头的棱镜也能够被轻易地迅速识别。监测软件Geo Mos 的多传感器集成系统为现代化全面监测方案提供了保障。在工程中安装的气象仪可以直接与Geo Mos 连接， 从而对采集的监测数据实时进行气象改正， 保证了监测数据的准确性和精度。徕卡强大精确的测量机器人与功能完善的监测软件Geo Mos 组成了完整的结构监测解决方案。为保证地铁结构体的安全基坑所对地铁隧道结构进行实时监测，及时了解隧道结构状况，对确保施工安全、确保地铁安全具有重大意义。1测量机器人  　　自动全站仪又称测量机器人，是20世纪80年代由奥地利维也纳技术大学同Geo Data和瑞士Leica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、CCD传感器，以及人工智能技术发展起来的。它通过CCD传感器识别目标并对所接收的电磁波强度进行探测，在计算机控制下驱动步进马达，能够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（auto-matic target recognition，ATR）。它发射红外光束，并利用自准直原理和CCD图像处理功能，无论在白天还是黑夜，都能实现对目标的自动识别、照准与跟踪，利用跟踪测量模式能实时测得动态数据。工程中使用的两种型号的自动全站仪TCA1201- M 和TCA1800 等。  　　2自动监测控制和分析软件GeoMos  　　徕卡监测软件Geo Mos 是一套集GPS 、TPS 、倾斜传感器、各种气象和地质传感器等多种传感器于一体的现代化综合监测系统， 它是可以实现计算机远程控制和配置， 具备自动报警和消息发送功能， 可以按照既定的程序进行自动应急处理和实时可视化、数字化分析结果的24 小时不间断运行的系统，如图2 所示。Geo Mos 专业版由两个模块组成： 监测模块（ MONI TOR） 和分析模块（ ANAL YZER） 。监测模块的主要功能是集成各种传感器（ GPS 、全站仪、气象传感器、地质传感器等） 进行数据采集；自动计算变形结果、可实时显示当前测量信息； 对测量、计算、限差检测进行自定义、探测各种工作状态；实现服务器与单机监测系统间的数据传输。分析模块的主要功能是对测量数据与结果进行图形与数字方式显示、进行数据编辑与后处理、进行的超限探测、进行注记、对图形格式进行自定义、对报告格式进行自定义、输出各种兼容数据格式（ 如ASCII ， DGN ， WMF） 。  　  　　4工程应用中的一点体会  　　在广州市地铁一号线隧道监测工程中应用的徕卡测量机器人与监测软件Geo Mos 组成的监测系统， 可以在无人值守的情况下24 小时自动运行，在监测工程中无论测量机器人还是监测软件Geo-Mos 都表现出了优越的品质。TCA1201- M 和TCA1800 自动全站仪都有稳定的1′的测量精度， 尤其是其望远镜的ATR 功能， 即使是在200 m的以外的轨道尽头的棱镜也能够被轻易地迅速识别。监测软件Geo Mos 的多传感器集成系统为现代化全面监测方案提供了保障。在工程中安装的气象仪可以直接与Geo Mos 连接， 从而对采集的监测数据实时进行气象改正， 保证了监测数据的准确性和精度。徕卡强大精确的测量机器人与功能完善的监测软件Geo Mos 组成了完整的结构监测解决方案。为保证地铁结构体的安全基坑所对地铁隧道结构进行实时监测，及时了解隧道结构状况，对确保施工安全、确保地铁安全具有重大意义。