隧道自动化监测系统对比研究_伍佳.pdf

引言由于城市轨道交通的飞速发展，地铁隧道覆盖面越来越广，许多深基坑的建设往往不得不靠近已运营的地铁隧道1。截至2021年底我国共有50个城市开通城市轨道交通运营线路 283 条，运行线路总长度9 206.8 km。其中，地铁运营线路 7 209.7 km，占比78.3%2。地铁隧道是狭长的线状地下建构筑物，监测点数量多，监测周期长、监测频率高，获取的数据量非常庞大3-4。目前，地铁隧道监测手段主要有人工测量、自动化静力水准测量和测量机器人等5-6。传统的人工测量工作量大、效率低、较容易因人为因素出错，最重要的是实时性差7-8；高精度的测量机器人和静力水准能够实现自动采集、远程传输、实时分析等功能，可以做到24 h不间断监测，是地铁监测的发展趋势9。面对日益强烈的需求，各种监测系统进入市场，为了研究其工作效率、精度、可靠性等参数，本文选择市面上的三款自动化监测系统，通过测试对比其具备的基础功能，以提出一种地铁自动化监测系统各功能应具备的标准化模式。10-111隧道自动化监测系统的构成与工作模式目前自动化系统的基本组成主要分为3个部分：测量机器人、自动化采集模块和云平台。测量机器人采集监测数据；自动化采集模块接受命令、传输数据和发送云平台的控制指令；云平台接收、储存数据，并将处理后的数据展示给用户，工作流程如图1所示。常见的自动化采集模块的通讯控制模式可分为两种：将所有数据保存至云平台，由云平台发送指令，自动化采集模块接收指令后发送给机器人执行操作，机器人测量得到数据后传输至采集模块，再经由无线网络发送至自动化平台，平台接收数据以后发出下一条指令，依次进行直至测量结束。由于这种交互方法需要云平台-自动化采集模块-测量机器人不断进行信息交换，要求保持较为良好的网络通讯条件保障指令的发送、接收顺畅才可以正常运行；而且由于隧道自动化监测系统对比研究伍佳，孙华胜，李春浩（深圳市房屋安全和工程质量检测鉴定中心深圳518000）摘要：由于隧道中情况复杂，市面上的监测系统品类众多，且缺少规范依据限制，并非所有系统都能满足用户的需求。本文通过数据分析了目前常用三款系自动化测量系统，通过在工作模式、测量准确性等多个方面对比，讨论各款系统的优缺点，研究提出一种地铁自动化监测系统各功能应具备的标准化功能，为各系统开发商的功能升级以及用户的需求提供参考依据。关键词：自动化监测系统；测量机器人；数据传输；精度；地铁自动化监测中图分类号：U456.3文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）03-013-04Research on Standardization of Tunnel Automatic Monitoring SystemResearch on Standardization of Tunnel Automatic Monitoring SystemWU Jia，SUN Huasheng，LI Chunhao（Shenzhen Building Safety and Construction Quality Testing and Appraisal CenterShenzhen 518000，China）AbstractAbstract：Due to the complexity of the situation in the tunnel，there are many types of monitoring systems on the market，and the lackof regulatory basis，not all systems can meet the needs of users.This paper analyzes the data of three commonly used automatic measurement systems，discusses the advantages and disadvantages of each system by comparing the working mode，measurement accuracy and otheraspects，studies and proposes a standardized function of each function of the subway automatic monitoring system，which provides a reference for the function upgrading of each system developer and the needs of users.Key wordsKey words：automatic monitoring system；measuring robot；data transmission；precision；tunnel automatic monitoring图1工作流程Fig.1Work Flow Chart云平台服务器用户电脑GPRS自动化采集模块测量机器人监测点Internet13伍佳，等：隧道自动化监测系统对比研究MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期主要信息交换需要由“云平台-通讯控制终端-测量机器人”按顺序进行交互发送指令，所以通常这种工作模式的工作效率相对较低。控制指令及数据保存至通讯控制终端，由通讯控制终端与测量机器人进行交互，测量得到的数据存储在通讯控制终端的记忆芯片中，再根据用户需求通过GPRS网络定期将已完成测量的数据统一发送至自动化监测系统。由于该方法主要的信息交换主要“通讯控制终端-测量机器人”之间并且是经由数据线连接发送指令，可以保障测量机器人顺畅的接收指令，即便在网络不稳定的情况下仍可以正常采集数据。并且由于简化了交互步骤，运行效率也大大提高。工作流程示意图如图2所示。2常用自动化监测系统的对比2.1工程概况本次对比测试选择在深圳市某地铁监测项目，选取的监测范围全部为盾构段，全长约170 m，每隔10 m布设1个断面，共布设18个断面，每个断面布设5个监测点，共计90个监测点，所有监测点均使用L型棱镜。使用的仪器为徕卡TS60，测试过程中使用2台仪器进行联测。最终选取其中部分监测点的数据进行分析，对比三款监测系统的工作效率、数据准确性、测量精度及用户界面。监测点平面布置如图3所示。2.2测量效率对比测量时间主要是受到自动化监测系统的工作模式影响。在本文测试的三款系统中仅C系统采用“通讯控制终端-测量机器人”的指令交互模式。在实际应用中C系统完成相同区域所有监测点测量的时间明显少于其他两款系统。在三个系统分别观测相同的52个监测点时，C系统节省时间达到30%。在实际应用中更快的测量速度，可以满足更高的监测频率，有着很重要的意义。具体对比如图4所示。2.3数据准确性对比在相同监测点、相同工况条件下三款系统的监测结果所呈现的变形趋势各有不同，系统A的数据跳动相对较大；系统B数据较为稳定，但是联测效果不佳，导致随时间增加，在测点未发生变形的情况下变形趋势仍然增大；系统C整个测试期间数据相对平稳，联测效果理想。各系统测试期间变化曲线如图5图7所示。图2两种工作模式示意图Fig.2Schematic Diagram of Two Working Modes云平台发送仪器控制指令转发数据测量机器人自动化集采模块转发仪器控制指令发送数据云平台控制指令测量机器人自动化集采模块发送数据图3监测点平面布置Fig.3Location Layout of Measurement SectionsY1Y10Y2Y11Y3Y12Y4Y13Y5Y14Y6Y15Y7Y16Y8Y17Y9Y18图4监测时间对比Fig.4Comparison of Monitoring Time系统A系统类型耗时/min100系统B3020系统C40605070644267图5系统A位移变化曲线Fig.5Displacement Curve of System A水平位移竖向位移0.0-1.006-27日期累计位移量/mmY1Y1007-131.0-2.007-21Y2Y1107-29Y3Y122.0Y4Y13Y5Y14Y6Y15Y7Y16Y8Y17Y9Y1808-0608-1408-2208-3007-0509-070.0-1.006-27日期累计位移量/mmY1Y1007-131.0-2.007-21Y2Y1107-29Y3Y122.0Y4Y13Y5Y14Y6Y15Y7Y16Y8Y17Y9Y1808-0608-1408-2208-3007-05图6系统B位移变化曲线Fig.6Displacement Curve of System B水平位移竖向位移0.0-1.006-27日期累计位移量/mmY1Y1007-131.0-2.007-21Y2Y1107-29Y3Y122.0Y4Y13Y5Y14Y6Y15Y7Y16Y8Y17Y9Y1808-0608-1408-2208-3007-0509-070.0-1.006-27日期累计位移量/mmY1Y1007-131.0-2.007-21Y2Y1107-29Y3Y122.0Y4Y13Y5Y14Y6Y15Y7Y16Y8Y17Y9Y1808-0608-1408-2208-3007-0509-0714广东土木与建筑MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期2.4测量精度对比通过在相同的观测条件下对监测点进行多次观测，计算中误差并进行对比可知，系统A的中误差最大为0.28 mm，系统B的中误差最大为0.14 mm，系统C为0.20 mm。由中误差分布曲线可知（见图8图9），系统 A 监测点中误差高于系统 B、系统 C；系统 B 与系统C的中误差基本接近。2.5用户端功能对比用户界面作为用户与系统交互、操作的主要平台媒介，其良好的设计可有效的提高工作效率，减少操作错误。通过对三款系统客户端的使用，在用户端的综合功能及体验的对比如表1所示。3自动化采集系统基础功能研究经过几款自动化监测系统的对比，目前自动化系统的功能不尽相同，但是作为一款自动化的远程监测系统应满足以下基本需求：监测系统应可兼容多个品牌的仪器设备；应具备平差计算和联测解算的功能以提高数据精度；监测点水平位移坐标中误差应0.30 mm；高差中误差应0.30 mm；自动化采集模块需要具备数据存储功能和向仪器发送控制指令的功能，保障仪器在网络不良的情况下脱离监测系统也能正常运行并采集数据；监测系统应具备远程控制仪器开始测量周期、结束测量周期、控制仪器开机或关闭的功能；可以通过云平台远程查看仪器水准气泡、用户可以从多次观测周期中选取指定周期的数据出具并生成监测结果，并导出报表及原始数据；当计算的监测结果超过设定的报警值时，应能向监测人员发出报警提醒。4结论通过对三款自动化监测系统的对比得出以下结论：系统A联测解算效果好，数据稳定；但是由于测量速度较慢；适用于地质稳定，施工影响区域大，监测范围大，安全隐患较小的项目。系统B的综合性较好，界面简洁、系统稳定，容易上手；但是由于多站联测时系统算法缺少优化，导致图7系统C位移变化曲线Fig.7Displacement Curve of System C水平位移竖向位移0.0-1.006-27日期累计位移量/mmY1Y1007-131.0-2.007-21Y2Y1107-29Y3Y122.0Y4Y13Y5Y14Y6Y15Y7Y16Y8Y17Y9Y1808-0608-1408-2208-3007-0509-070.0-1.006-27日期累计位移量/mmY1Y1007-131.0-2.007-21Y2Y1107-29Y3Y122.0Y4Y13Y5Y14Y6Y15Y7Y16Y8Y17Y9Y1808-0608-1408-2208-3007-0509-07图8中误差分布曲线Fig.8Root Mean Square Error CurveX坐标Y坐标系统A系统B系统C断面编号中误差/mm0.30Y1Y100.25Y2Y110.20Y3Y120.15Y4Y13Y5Y140.10Y6Y150.05Y7Y160.00Y8Y17Y9Y18系统A系统B系统C断面编号中误差/mm0.30Y1Y100.25Y2Y110.20Y3Y120.15Y4Y13Y5Y140.10Y6Y150.05Y7Y160.00Y8Y17Y9Y18图9高差中误差分布曲线Fig.9Root Mean Square Error Curve of Elevation Difference系统A系统B系统C断面编号中误差/mm0.30Y1Y100.25Y2Y110.20Y3Y120.15Y4Y13Y5Y140.10Y6Y150.05Y7Y160.00Y8Y17Y9Y18表1用户端功能对比Tab.1Client Function Comparison对比项目使用流畅度交互页面仪器支持自动监测模式报警功能数据分析及展示远程检查水平气泡单个模块可连接仪器数量是否支持无网络运行系统A流畅简洁徕卡、索佳定时测量有不具备该功能有1台不支持系统B卡顿复杂徕卡按时间间隔测量无可生成趋势图有1台不支持系统C流畅复杂徕卡按时间间隔测量有可生成趋势图有最高支持5台支持15伍佳，等：隧道自动化监测系统对比研究MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期精度低于另外两款软件。适合使用在无需联测，监测区域较小的项目。系统 C 的测量效率高，同时联测情况下数据稳定，数据的实效性更强，适合使用在存在安全隐患的重点项目。自动化监测系统在地铁隧道监测中具有着重要的作用，但由于隧道中情况复杂，市面上的监测系统品类众多，且缺少规范依据限制，并非所有系统都能满足用户的需求。本文通过数据分析了三款系统的工作效率、数据准确性和数据精度，对三款地铁自动化监测系统进行了深度的对比。研究结果表明，监测系统在不同的参数指标上还是存在明显的差异，监测单位在选用时应首先明确自己的需求，再深度调研市面上的监测系统是否满足文中所提出的基础功能，最终再确定选用哪款系统。参考文献1廖海山，李盈洲.自动变形监测系统在运营地铁隧道监测中的应用 J.测绘与空间地理信息，2021，44（2）：193-195+198.2中国城市轨道交通协会.城市轨道交通2021年度统计和分析报告 J.城市轨道交通，2022（7）：10-15.3黄维华，岳荣花，张学华，等.地铁隧道结构变形监测信息管理系统的开发 J.现代测绘，2008，31（1）：23-25.4舒波，吴泰桢.关于轨道交通控制保护区既有结构监测的探讨 J.广东土木与建筑，2019，26（6）：62-65.5李由家，单强英，安平利，等.测量机器人在隧道监测中的应用分析 J.测绘技术装备，2022，24（1）：101-104.6 靳羽西，纪万坤，孙立坤.多台测量机器人监测系统在地铁隧道中的应用 J.北京测绘，2020，34（10）：1338-1342.7王丽华，仇玉良，姚红志，等.隧道监测信息管理与预警系统的研发及应用 J.地下空间与工程学报，2012，8（6）：1287-1291+1310.8 曹强.地铁自动化监测方案设计与精度分析 J.北京测绘，2019，33（11）：1394-1397.9 陈涛.铁路立交工程形变自动化监测系统研发及应用J.铁道勘察，2020，46（6）：61-64.10 罗凤霞，刘志峰.广州地铁保护技术方法探讨 J.广东土木与建筑，2013，20（5）：53-55.11 叶骏龙.地铁监理监测数据管理系统研究 D.成都：西南交通大学，2019.可对选定区域进行缩放，聚焦区域范围内的所有排水设施。排水设施“GIS一张图”系统可按行政区域、所属排水设施管理单位、所属排水设施行业主管部门展示其管理范围内所有排水设施，可为管理范围内排水管网数据采集、运行、维护提供及时的可视化帮助及辅助决策依据。“GIS一张图”可将GIS底图切换成卫星图或者全景地图，满足不同地图背景下的操作要求。通过底图切换功能可将GIS底图切换成卫星图或者全景地图，以方便用户在不同地图背景下的操作要求。4总结在市政排水管网面临难以满足排水需求的现实背景下，本文将GIS技术与计算机相关技术应用到城市排水管网地理信息系统平台的建设中，从结构设计、数据库标准、系统功能设计等方面阐述了本平台的开发方案，并结合国内城市的现实需求，对本平台进行了实际应用。应用结果表明，基于GIS技术的排水管网系统有助于实现城市排水管网的系统管理、管网分析、数据统计、监测预警等，在YF城市的现实案例中表现出较好的可行性和适用性。本文提出的基于GIS技术的排水管网系统可为相关管理部门提供决策、规划的参考依据，对国内其他城市的相关平台建设具有一定的参考价值。参考文献1江楠，张万辉，马扬，等.城市排水管网信息数据库与智慧排水系统研究现状与发展趋势 J.广东土木与建筑，2021，28（4）：56-60.2 华广山.浅谈城市排水管网数字化管理与分析系统 J.城市道桥与防洪，2006（3）：37-39+134.3 张岩.基于Oracle的高速公路收费系统数据库设计及应用 D.南京：东南大学，2005.4 顾恩硕，刘海粟，白雪.关系数据库与非关系数据库 J.艺术科技，2016，29（12）：84.5 CODDEF.Arelationalmodelofdataforlargeshared data banksJ.Communications of the ACM，1970，13（6）：377-387.6赵杰，杨丽丽，陈雷.数据库原理与应用 M.北京：人民邮电出版社，2013.7 李福斌，李光.GIS系统简介及前瞻 J.黑河科技，2003（2）：90-91.8宋宜嘉，梅凯，王先明.我国城市合流管网雨污分流改造的思考与对策 J.安全与环境工程，2013，20（1）：63-64+74.9 施维.排水地理信息系统及其在管网管理中的应用 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