基坑變形的測量機器人自動化監測研究

謝旭陽

【摘要】本文主要論述的是基坑變形的測量機器人自動化監測的研究，開篇介紹了自動化測量的一些基本情況，對測量機器人做了具體的闡述，針對自動化測量的方法和流程，包括尋找目標、需要考慮的問題、位置的確定、范圍的劃分和監測點的基準確定等等，逐一進行了說明，然后記述了數據處理的一些知識，文章最后對全篇做了總結。

【關鍵詞】測量；機器人；自動化；檢測；基坑變形

隨著我國人口數目的增多，有限的資源被無限的分配，人均資源是少之又少，而為了更好的利用資源，城鄉都開始制定相應的政策法規來節約資源，鄉鎮棚戶區紛紛改造成樓市區，而城鎮的規劃則向更高樓層發展，樓層越高，那么就意味著樓底的基坑越深，伴隨而來就是挖掘技術的難度越來越大，而根據《建筑基坑工程監測技術規范》規定，開挖深度大于、等于5m或開挖深度小于5m但現場地質情況和周圍環境較復雜的基坑工程以及其他需要監測的基坑工程應實施基坑工程監測。

一、系統需求分析

在我們的日?；颖O測工作中，引入了 LeicaTCA2003 測量機器人。為了能夠充分地發揮測量機器人的功能，并最大范圍地將其應用于日常測量任務中，我們整理了過去測量施工時所遇到的問題，針對這些問題，提出需求，并開發了一套自己的全自動測量系統。

1、項目管理

以往監測項目過程數據以文件、文件夾形式保存，容易混亂及丟失。故要求系統以項目形式進行管理，以數據庫格式存儲，保存著各期過程中的相關監測數據，包括基準點坐標、原始觀測數據及結果數據等，方便數據分析、利用和經驗積累。

2、自動測量

常規基坑監測，因需要多測回重復觀測，作業人員須不停地來回跑動立尺。所以本系統需要滿足：設站完成后，通過軟件選擇待觀測監測點，測量機器人自動完成盤左、盤右多測回測量，遇到困難可自動智能處理。如當目標監測點遇到遮擋時，放棄當前測量，并根據設置的等待時間重新測量該點，或者在下一站補充測量。

3、安全預警

常規監測一般都是作業人員收工后，將數據傳輸至計算機，然后進行對比，在基坑變形比較快的情況下往往錯失了最佳的報警時間。所以要求系統滿足測量過程中實時報警，一是對當前測回的超限報警，如光學測微器兩次重合讀數差、半測回歸零差、一測回內 2C 較差和同一方向值各測回較差等；二是對變化量進行報警，基坑監測的主要目的是為了工程安全順利地進行，所以當監測點變形量、變化率或累計變化量超過預先設定的限差時，系統應能自動報警。

4、數據處理及圖表輸出

監測數據必須是及時的，做到當天測，當天反饋。所以要求系統能自動進行改正（包括氣象改正、儀器加乘常數改正等）、整網平差、自動報表、輸出變形趨勢圖及監測點各期坐標值等，盡可能少的干預，做到外業結束，內業亦同步結束。

二、系統設計

1、軟硬件配置

硬件：TCA2003，大量預埋標，360 度棱鏡，便攜式筆記本為滿足基坑高精度特點，系統采用0.5°高精度測量機器人Leica TCA2003，其在儀器內部安裝了伺服馬達，它通過內置的自動目標識別裝置 ATR1發射出的激光束經棱鏡反射后由CCD相機接收，實現自動尋找和自動精確照準目標。

軟件：VS2008，C#語言，GeoCOM系統使用 C#語言，基于 Visual Studio 2008 平臺開發，并調用 GeoCOM 接口開發基坑變形的測量機器人自動化監測系統數據采集模塊。

2、作業流程

預埋監測點標石，可安插360°全方位棱鏡，作業前一次性安裝好棱鏡，除首次測量外，儀器定向后即可自動觀測。

3、系統界面設計

多頁面雙屏管理，界面上方為數據，下方為圖形，兩者同步顯示，可直觀地了解到各監測點位置、屬性及動態。界面上方顯示監測點的觀測記錄等，下方顯示底圖及高亮顯示監測點位置。每個測回中，已觀測點紅色顯示，未觀測點灰色顯示。

4、軟件模塊設置

系統共有 5 個功能模塊，各模塊設有子項若干。

（1） 模塊結構圖

（2）系統設置

根據測量機器人屬性，設置系統連接的各項通訊參數，包括串口號、波特率、儀器型號等。同時還包括測量機器人的附件棱鏡的設置（類型、常數等） ；根據基坑監測的等級，設置觀測等級及對應限差、測回數等；根據當日實時環境，設置氣象信息等；除此之外的特殊情況設置，如點位遮擋、多目標、超限處理等。

（3）自動觀測

項目第一次開展須進行首次測量，首次測量前須錄入監測基準點及工作基點信息，而后在工作基點上架站，人工照準各個目標點，輸入各點點號，獲取目標點概略空間位置信息，以便于計算機控制測量機器人自動測量。自動觀測可根據系統設置的信息、控制點及目標點坐標信息，自動完成多測回觀測?？筛鶕枰x擇監測點及分組。

（4）數據處理

數據處理模塊滿足不同架站模式的數據處理功能，除已知點架站模式外，還兼容自由網架站模式。同時考慮到作業中的操作失誤，增加了數據的后期修改功能。數據處理前須對觀測值進行改正，包括氣象改正、水平角差分改正等。在數據處理流程中，擬穩平差用于針對基準網進行平差處理，在對基準網進行擬穩平差處理后，可在基準網修正數據的基礎上，采用經典平差方法對監測網進行平差。

擬穩平差坐標的互協因數矩陣

其中，I為3n階的單位陣；F、E為3n階的方陣，除擬穩點所對應的列由3×3的單位陣組成外，其他列元素均為零。數據處理過程中，如果發現超限，系統自動報警。

（5）成果輸出

建筑基坑監測的目的在于：檢驗設計計算理論、模型和參數的正確性；及時反饋，指導基坑開挖和支護結構的施工；確?；又ёo結構和相鄰建筑物的安全；提高基坑工程設計和施工水平積累工程經驗。所以系統在數據處理完成后，自動輸出階段性報表，在項目完全結束后，輸出總結性報表。包括本次測量值、單次變化值、變形速率、累計變形等信息，并附注折線圖。對達到或超過監測報警值的監測點做報警標示，結合各期數據，生成基坑變形模型并預測變形走勢，對監測項目給予判斷性結論。

四、結束語

基坑變形的測量機器人自動化監測的研究是針對未來監測的發展方向，在科技的進步中不斷的摒棄糟粕才能一直立于發展的潮流中，而傳統的監測模式已經跟不上科技發展的浪潮，只能被淹沒在歷史的洪潮中。自動化的監測解放了人的勞動力，還能得到較為精確的監測結果，這一顯著的優勢就是它領先的資本，從手動到半自動，再到全自動，凝結了人類智慧的結晶，而智能機器人與電腦的聯用更是譜寫一個測繪的新篇章。

參考文獻：

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