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企业新闻 | 这些自动化监测科普小知识,你知道吗?

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一、

自动化监测的概念


什么是变形监测

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在认识自动化监测以前,我们首先应该明确什么是变形监测,为什么我们要做变形监测?


变形监测针对的主要对象是各种类型的建筑(构筑)物。建筑(构筑)物的全生命周期从数年到上百年不等,大致可分为四个阶段:



建筑结构寿命流程示意图

随着社会的进步和经济的发展,大量的工程建设在各地展开,更多的造型奇特、规模庞大的建筑物出现在世界各地。由于设计上、施工质量等方面的缺陷,许多工程建筑物在施工和运营期间发生变形,如果变形超出极限,就会影响建筑物的使用,甚至发生坍塌等事故。


变形监测是指使用专门的仪器和利用一定的方法对结构变形体在外力作用下形状或体积的变化进行系统性的观测的一种测量工作。变形监测得到的观测值是变形分析、预见性维护等的重要依据,其是判断工程建筑物的安全性必要参考要素,具有非常重大的意义。


自动化变形监测站(调试中)

何为自动化监测

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自动化监测技术是传统工程监测在数字化、网络化、智能化和平台集成化条件下而发展起来的一门综合性安全监测手段。其集现代电子技术、通讯技术、计算机技术和工程测试技术为一体,在系统搭建完成后,可自动完成对远程监测数据的采集、传输、处理和分析及预警,实现无人值守。


自动化监测已经在许多监测项目类型中替代了人工工程监测,并占据越来越重要的地位。


测量机器人自动化监测站

监测自动化的必要性

探讨为何要做自动化监测,必须要分析人工监测的弊端:

(1)专业人员

大部分的人工监测项目需要专业的检测、测绘或者地质专业的技术人员来进行一线的施工、设备操作和数据采集,对监测人员的专业技能有较高的限制。


(2)效率低下

监测项目一般由多种测项和复数的测点组成,一般需要多组人员执行,既占用了大量的人员,又造成了监测数据的严重滞后。尤其地铁和高铁监测,只能在天窗点作业,人工监测效率难以满足要求。


(3)环境恶劣

大型监测项目的现场管理往往十分混乱,比如基坑监测项目现场堆积大量的施工器械材料,人员繁杂;地灾监测现场存在很大的人身风险,水库监测现场往往在偏远的地区。恶劣的工作环境也对监测人员产生了很大的风险,同时也导致了在最需要监测数据的恶劣天气情形下,人工监测往往无法及时提供数据。


(4)决策缓慢

变形监测的数据量大、类型多,人工监测没有规范的平台统一收录,同时还存在潜在的造假问题,导致数据管理困难。从数据采集分析到预警,存在很长的时效延迟,使得监测丧失了及时性这一重要意义。


人工监测典型工作场景

自动化监测的杀手锏

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(1)高数据精度

自动化监测通过传感器自动读取目标数据,有效规避了人工监测中技术人员水平差异导致的读数误差,同时也减少了记录中的误差和数据造假可能性,提高了数据的准确度和真实性。


(2)高频次监测

自动化监测中,设备在设定的监测时间,同时开始监测,解决了人工监测轮流采集的问题,采集速度也大大提高,增强了监测效率和频率。


(3)无人化值守

在安装实施阶段一次性搭建好监测系统后,监测设备定时采集数据,通过通讯模块传输至服务器平台解析。整个过程无人员介入,不受气象环境和交通条件的限制,尤其适合恶劣环境下的监测项目,例如地铁、地灾、水坝等。


(4)高效项目管理

监测数据存储自动到数据库,无需人工处理归类。除了解算数据外还能存储原始数据和项目操作记录,数据可追溯可验证。结合软件平台强大的项目配置功能,实现高效的项目管理。


自动化监测平台一般都内置多种分析算法,对数据异常进行判断,自动报警,实现即时预警的效果。

二、

自动化监测项目类型和常见测项

自动化变形监测可见于各种工程结构的安全监测中,最常见的如:地铁监测、铁路监测、基坑监测、大坝监测、水库监测、边坡监测、地灾监测、隧道监测、桥梁监测等。不同项目类型测项也不尽相同,但总体之间有相通之处。下面列举几类监测项目的基本测项。


1、地铁铁路(包含高铁)类:


地铁自动化监测站(测量机器人)

2、边坡、尾矿库、水库、大坝类:

大坝自动化监测站(测量机器人)

总体来说,自动化监测参数大致分为:表面变形、内部变形、应力应变、渗压渗流、雨水情、视频监控几大类。使用到的设备除了GNSS、全站仪之外等测绘类设备之外,还有大量种类的工程传感器和一体化监测设备。


几种常见设备


工程传感器分为:振弦式、电阻式、电感调频式、光纤式等,目前使用比较多的是振弦类,如常见的水位计、应变计等。


与人工监测一样,自动化监测需将工程传感器安装在预先设计的位置,以获取结构的目标参数。通过使用数据采集终端(一般有DTU、RTU、MCU等),定时采集发送传感器数据,转发至传感器管理平台或者监测平台中,解决了人工传感器数据采集中的诸多问题,因此目前大坝、基坑、地铁、桥梁、地灾监测领域已广泛采用了该方法。

三、

自动化监测系统构架

在自动化监测项目实施前,要理清现场种类繁多的设备和复杂的实施步骤,必须先明晰自动化监测系统的构成。一般来说自动化监测系统分为四个层级:采集设备层、数据传输层、解算处理层、预警应用层。


自动化监测系统总体构架

☆ 数据采集层:

涵盖监测项目中所有的传感器,也包括测量机器人、GNSS、气象站、视频监控系统等一体化监测设备。采集设备需要根据监测对象、现场环境条件选择合适精度型号,埋设时应配有专门的辅助设备,如野外电源、防雨防雷防盗装置等。


☆ 数据传输层:

泛指能将传感器采集的数据传输至数据平台的设备。如:测量机器人需要使用控制终端来实现与解算软件的控制终端数据互通,GNSS、视频监控系统、气象站等一般都集成了网络模块可以直接发送数据。而单传感器则一般不会集成数据传输功能,因此需要使用数据模块传输数据。

网络制式可以根据现场环境选择4G、网线、网桥、NB窄带物联网、北斗短报文等方式传输,具体建设时可以按照总体方案的论证灵活选择。


☆ 解算处理层:

解算处理层是自动化监测系统的核心,其主体是数据解算软件和监测处理平台(部分监测系统两者是一体化的)。数据解算软件存储、解算获取的传感器数据,监测处理平台则主要对数据的结果进行详细的分析展示、报表制作和预警。


☆ 预警应用层:

预警层通过多种预警手段将数据超限或风险信息通知监测管理人员,使其有足够的时间讨论对策,最大程度减少生命财产损失。部分项目可以将监测的过程和结果数据导入上级监测平台(如省部级监测平台),以实现更高级别的监测统一管理。

四、

自动化监测整体实施流程


一个自动化监测项目从确定需求开始,其实施流程基本如下:


1、初步设计

考察相关行业规范以及国家标准,结合获取到的现场基本资料,确定基本的设计方案。包括大致确定基本的监测内容、使用的仪器设备种类和预估数量。


2、现场踏勘

至现场进行项目的踏勘,一般需要业主、设计单位、监理单位等多方参与。确定设备在现场的大致安装点位,并根据现场环境调整优化初步设计方案。对于部分设备,还需要进行现场详勘(例如固定测斜仪、渗压计等)。后续完成项目招标工作。


3、制定方案,确定实施计划

实施单位根据详细踏勘的情况,结合设计单位制定的初步方案,制定详细的设备安装方案和实施计划,报审。


4、项目实施

实施计划审批通过后进行实施作业,监测实施过程中,若因现场特殊情形导致方案或计划变更,需提交申请至业主监理单位审核通过。


5、验收

在项目实施过程中,实施单位在各个关键实施阶段完成后,邀请业主和监理单位进行检查和阶段性验收。在项目完成整体实施后,告知监理和业主单位,递交验收申请,进入项目验收阶段。


6、项目维护阶段

自动化监测项目只需要配置少量的技术人员,按时提交阶段性总结报表和核对系统平台的报警信息、保证设备的正常在线运行即可,对发生问题的设备进行及时的检查和更换。

五、

测量机器人监测系统及推荐方案


全站仪作为一种测绘利器,已被广泛运用于多种项目的表面变形监测中,而测量机器人作为全站仪中的高端系列,已经在地铁、高铁监测等多种自动化项目中占据了主导地位。


测量机器人监测系统的构成:

测量机器人监测系统一般由:测量机器人、测量机器人控制终端、监测软件、监测目标(一般为棱镜)等组成。


a、测量机器人

测量机器人又称自动全站仪,是一种集自动目标识别、自动照准、自动测角与测距、自动目标跟踪、自动记录于一体的测量平台。


测量机器人替代了人工的照准和测量工作,既增加了工作效率,又减小了人员技术水平差异导致的数据误差,通过监测软件自动生成监测报表,实现高效率的无人值守的自动化表面变形监测。


★  推荐设备 


索佳 NET05AXII测量机器人


索佳NET05AXII系列测量机器人采用索佳独特的自主角度校准系统和高精度反射片测距技术,实现了工业计量级的0.5″测角精度和0.5mm+1ppm的反射片测距精度,除了棱镜外,还能自动识别和照准反射片。


适用范围:适用于各种自动化变形监测(地铁、高铁、大坝、桥梁等),同时还在隧道测量、工业测量等领域广泛应用。


★  主要技术参数 


此外索佳还推出了IX系列测量机器人,具备1秒级别的测角精度,实现了测量机器人低成本的普及。


适用范围:普铁监测、基坑监测、边坡监测、水库监测等,此外适用于BIM施工、矿山测量等方面。



索佳 IX1200系列测量机器人


★  主要技术参数 



b、控制终端:

测量机器人内部设有马达,可以按照测量指令,通过马达和内部的坐标系统等结构来实现对设定目标的追踪、监测。而控制终端起到的就是远程输入测量指令、并传输测量机器人测角测距结果的作用,从而实现测量机器人监测系统的无人化值守。


索佳IControl-T控制终端


索佳IControl-T控制终端便是为了实现全站仪长期自动化监测的通讯、供电、和远程诊断维护等通讯控制功能而设计生产的监测利器。


模块与仪器的连接采用快速自锁插头,供电与数据传输一体化,能够方便快速的部署仪器。支持TCP Client、UDP Client等多种工作模式,同时支持自定义心跳包机制、DNS域名解析、网络收发缓存等功能。在一些特殊应用场景,终端可以连接升降保护罩,对设备进行保护。


c、监测软件:

监测软件分为内置于监测终端中的控制软件和部署与服务器上的解算软件和预警平台。控制软件实现通过终端控制测量机器人按照设定的计划进行变形体的观测,并将采集的角度和测距数据发送至服务器。


服务器上的解算软件获取监测数据后,对数据进行平差解算,得到变形体的当期实时坐标,即可快速解算获取监测目标的表面位移变化量。预警平台可以进行监测结果的展示、报表的制作、预警播报等功能。


索佳FMOS自动化监测软件,就是一款索佳开发的专门适用于测量机器人自动化监测的专业解算软件,配合IControl-T控制终端使用。


索佳FMOS监测解算软件

主要功能:

a、多项目多设备的统一管理

b、项目多任务配置

c、详尽的监测参数设置(时间设置、测量次数、精度限差、重测设置等)

d、内置多种平差算法,高精度解算坐标监测成果

e、强大的数据分析和成果展示功能

f、丰富的报表制作功能,内置多种模板,支持自定义报表


测量机器人监测实施:

自动化监测每一周期监测开始时,测量机器人通过自动化采集软件对控制点和监测的坐标进行依次采集。解算软件平差控制点的测角测距数据,得到当期设站点的准确坐标。通过监测点的测角测距数据算出对应的当前监测点坐标。通过对比历史数据,即实现了结构表面位移监测点的空间位移情况的实时监测。


测量机器人现场布点示意图


★  测量机器人项目建设流程 


1、结合资料,现场勘察,确定变形体变形范围和基本变形趋势,确定现场的网络、电力、服务器平台的现状;


2、确定变形体监测断面/监测点布设方式,确定测量机器人测站点的安装位置,确认工作基点位置,确认测站点观测墩(房)和测点的建设形式;


3、建设基准点和监测点,并确定其坐标系统;


4、基础实施,建设测站点观测墩(房),安装测量机器人和终端等设备;


5、采集初始值,配置观测参数预警值等,进入试运行;


6、试运行结束,进入无人值守的自动化监测阶段。