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遠程無線遙控測量機器人變形監(jiān)測系統(tǒng)在大壩外部變形和滑坡位移監(jiān)測中的應(yīng)用
建筑物變形監(jiān)測是反映大壩安全狀態(tài)的三大物理量之一，變形監(jiān)測包括水平、垂直位移等監(jiān)測；滑坡突發(fā)性強，危害巨大，是我國分布最為廣泛的地質(zhì)災(zāi)害類型。近幾年來，我國非常重視對滑坡的安全監(jiān)測及預(yù)報，并從不同角度、采用不同方法致力于該項具體研究工作。
建筑物變形監(jiān)測和工程滑坡監(jiān)測常采用大地測量法、工程測量法和安全監(jiān)測自動化等方法。早期的視準(zhǔn)線法、測角交會法等大地測量觀測由于受到測角精度的影響，已無法達到理想的效果；安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)投入大、維護管理工作要求高。隨著高精度全站儀的發(fā)展及應(yīng)用，采用測邊、測角的交會觀測己完全突破了傳統(tǒng)測量觀念上的障礙，邊角交會法觀測無論從測點布設(shè)以及觀測工作量來說都有其獨特的優(yōu)勢。全站儀采用邊角交會法及三角高程法進行三維坐標(biāo)觀測，能同時觀測測點的三維坐標(biāo)，從而得到水平、垂直位移量。只要采用合適的儀器及合理的觀測方法，可取代常規(guī)水平位移（如準(zhǔn)直線法、交會法等）及垂直位移（如幾何水準(zhǔn)法、靜力水準(zhǔn)法等）的觀測，不失為一種靈活方便、高效經(jīng)濟的觀測手段，對大壩等建筑物的變形觀測能收到事半功倍之效，有其廣泛的應(yīng)用前景。 變形和滑坡位移監(jiān)測具有范圍廣、環(huán)境條件差、目標(biāo)點數(shù)多、觀測周期頻繁、精度要求高等特點，如果采用大地測量方法進行人工觀測，不僅速度慢，而且對測量人員的技術(shù)水平要求高。為此，我們設(shè)計開發(fā)了基于徠卡TCA1000系列全站儀的遠程無線遙控測量機器人變形監(jiān)測系統(tǒng)，拓展了全站儀的功能，大大提高了觀測質(zhì)量和工作效率。
二、系統(tǒng)構(gòu)架
遠程無線遙控測量機器人變形監(jiān)測和分析系統(tǒng)主要由三個單元組成：控制單元、無線通訊單元和數(shù)據(jù)采集單元?？刂茊卧话惆卜旁谵k公室內(nèi)，通過具有固定IP的萬維網(wǎng)發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)；無線通訊單元與數(shù)據(jù)采集單元通過有線形式連接，將控制單元的指令轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)采集單元并將數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)簡單處理后轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心；數(shù)據(jù)采集單元置于作業(yè)現(xiàn)場，根據(jù)控制單元的指令采集相應(yīng)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。
三、硬件構(gòu)成
遠程無線遙控測量機器人變形監(jiān)測和分析系統(tǒng)硬件主要由以下幾項構(gòu)成：
1、測量機器人
為實現(xiàn)遠程控制采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)要求測量機器人具有馬達驅(qū)動和目標(biāo)自動識別等功能。根據(jù)精度要求，用戶可以選用相應(yīng)級別的測量機器人，如TCA2003或TCA1800，其靜態(tài)測角精度分別為±0.5＂和±1＂，測距精度分別為1mm+1ppm和1mm+2ppm。自動目標(biāo)識別的有效距離可達1000m，望遠鏡照準(zhǔn)精度2mm/500m。
2、無線通訊模塊
要實現(xiàn)通過控制中心控制測量機器人采集數(shù)據(jù)，必須在兩者之間建立可靠的通訊鏈路，理論上，有以下幾種方式可以選擇：
①、直接通過數(shù)據(jù)線將測量機器人與控制中心連接。優(yōu)點是成本低，在短距離內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸相對可靠；缺點是隨著數(shù)據(jù)線長度的增加，信號衰減嚴(yán)重，需要增加信號放大設(shè)備，即便如此，其作用距離一般在100米以內(nèi)。對于滑坡監(jiān)測來講，該數(shù)據(jù)鏈路顯然不合適。
②、通過數(shù)傳電臺建立通訊鏈路。優(yōu)點是幾乎可以在任何地方工作，不用考慮是否具備網(wǎng)絡(luò)信號和衛(wèi)星信號；缺點是擴展性差，作用距離最多只能達到二十多公里，并且需要得到無線電管理委員會等相關(guān)管理部門的審批。
③、基于移動或聯(lián)通信號網(wǎng)絡(luò)的短信模式。即測量機器人和控制中心各連接一個短信模塊，控制指令和采集到的數(shù)據(jù)以短消息的形式發(fā)送。優(yōu)點是只要有手機信號即可，距離不受限制；缺點是短信會有延遲、丟失現(xiàn)象，實時性差，通訊效率低。
④、通過Internet建立通訊鏈路?？煞譃橛芯€方式和無線方式：有線方式是在測量機器人端連接一個調(diào)制解調(diào)器，然后通過網(wǎng)線或光纖接入互聯(lián)網(wǎng)，同時將控制中心接入互聯(lián)網(wǎng)，從而可以建立一個專用的通訊鏈路。該方式可以穩(wěn)定、高效的實現(xiàn)遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸，并且不受距離限制，但是，實際的監(jiān)測現(xiàn)場條件一般都比較惡劣，甚至是在深山峽谷之中，將網(wǎng)線或光纖接入到現(xiàn)場是不現(xiàn)實的。無線方式是在測量機器人端連接一個無線通訊模塊（CDMA或GPRS），控制中心與具有固定IP地址的萬維網(wǎng)連接，無線模塊打開后，自動上線并且自動訪問控制中心的固定IP，進而建立通訊鏈路。
在本方案中，我們采用基于Internet的無線通訊數(shù)據(jù)傳輸方式。
3、系統(tǒng)控制中心
系統(tǒng)控制中心的服務(wù)器或者工作站上需要安裝可以連接公網(wǎng)的調(diào)制解調(diào)器或者網(wǎng)卡，并且擁有網(wǎng)絡(luò)路由器分配的可通過公網(wǎng)訪問的固定公網(wǎng)IP地址，用來接收通過公網(wǎng)傳輸?shù)腉PRS或者CDMA無線傳輸數(shù)據(jù)，此任務(wù)由專門的遠程中心控制軟件完成。
四、軟件構(gòu)成
無線遙控測量機器人變形監(jiān)測和分析系統(tǒng)軟件主要有三部份組成：即測量機器人機載軟件、無線通訊軟件模塊和控制中心軟件包。軟件框架可以用以下圖來表示：
1、測量機器人機載軟件
1) 這一部分主要是遵照國家三角測量作業(yè)規(guī)范編寫的“測量機器人多測回自動觀測機載軟件”，負(fù)責(zé)自動照準(zhǔn)目標(biāo)、自動測角、自動測距及超限或目標(biāo)丟失等異常情況的自動處理。徠卡為測量機器人的用戶提供了可以自主開發(fā)的機載編程平臺，使得測量機器人能夠做一些測量以外的額外工作，從而使得測量效率大大提高。
2、無線通訊模塊程序
主要負(fù)責(zé)建立通訊鏈路，用來轉(zhuǎn)發(fā)指令或數(shù)據(jù)。通訊模塊收到控制中心指令后，解析出指令內(nèi)容，然后轉(zhuǎn)發(fā)給測量機器人；收到測量機器人數(shù)據(jù)后，按照約定的數(shù)據(jù)格式，打包后發(fā)送到控制中心。
主要實現(xiàn)發(fā)送開關(guān)機、觀測、測溫等控制指令和接收觀測狀態(tài)、測量數(shù)據(jù)。這一部分命令為開放指令，可以根據(jù)實際需要靈活定制項目的中心控制軟件界面。
此外，該控制中心軟件還包含有SQL Server數(shù)據(jù)庫管理和三維網(wǎng)數(shù)據(jù)后處理平差模塊。通過Internet接收到的無線數(shù)據(jù)包經(jīng)過SQL Server數(shù)據(jù)庫管理模塊直接自動輸入到SQL Server大型數(shù)據(jù)庫中，通過控制中心軟件的圖形用戶界面，用戶還可以實時了解前端測量機器人自動測量的實時完成狀態(tài)。
五、系統(tǒng)特點及應(yīng)用領(lǐng)域
1. 基于性能穩(wěn)定、功能卓越的徠卡TCA1000系列測量機器人；
2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，遠程GPRS/CDMA無線控制和“現(xiàn)場＋事后處理”兩種模式均可適用；
3. 多臺測量機器人可同時自動并行工作，系統(tǒng)通訊和計算荷載分配平衡；
4. 真正意義上實現(xiàn)了自動化、智能化和內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè)；
5. 數(shù)據(jù)接口開放，可以根據(jù)應(yīng)用定制中心控制程序。
該系統(tǒng)非常適合應(yīng)用于高速公路、鐵路、露采礦山、水利工程、工廠等人工高陡邊坡、自然邊坡或滑坡的變形監(jiān)測。目前浙江桐柏抽水蓄能電站面板壩、華光潭電站大壩、烏溪江電站大壩、緊水灘電站大壩、上標(biāo)一、二級電站大壩自動變形監(jiān)測系統(tǒng)即根據(jù)工程實際條件需要采用了“現(xiàn)場＋事后處理”模式，將現(xiàn)場自動測量機器人通過“測量機器人多測回自動觀測機載軟件”自動測量獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)拿回到內(nèi)業(yè)通過三維網(wǎng)平差軟件處理后獲得歷次監(jiān)測點的精確三維位置。
浙江大學(xué)防災(zāi)中心還應(yīng)用該系統(tǒng)進行了高速公路滑坡自動監(jiān)測的應(yīng)用，目前已經(jīng)通過防災(zāi)中心測試，作為大范圍滑坡監(jiān)測的首選方案擬編入《浙江省高速公路養(yǎng)護規(guī)范》中推廣。
用戶評論： 系統(tǒng)性能穩(wěn)定性很高，操控簡便，精度基本滿足用戶需求。配套軟件功能齊全，便于后續(xù)處理。
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