全站仪自动化变形监测.ppt

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1、,全站仪自动化变形监测系统,AutoMoS/SubMoS林 新 烁,深圳市博飞仪器有限公司2013.05 深圳,目 录,一、变形监测精度要求（地铁、大坝）,二、全站仪极坐标测量精度分析 三、自动化变形监测系统对全站仪的要求 四、自动化变形监测误差处理技术 五、全站仪自动化变形监测系统六、总结附录：SubMoS-地铁结构变形自动化监测系统,一、变形监测精度要求,地铁隧道围岩收敛控制标准（参考值）（1）洞室收敛：30mm（2）拱顶下沉：20mm,t,一、地铁结构变形监测精度要求 变形监测精度要求,m,1,1,1,2,p,变形允许值t 为置信区间内允许误差与中误差之比值，t=2p 为概率值，相对位移

2、一般可取 p=0.995,一、变形监测精度要求,大坝变形监测精度要求（1）混泥土坝：1mm（2）土石坝：35mm,二、全站仪极坐标测量精度分析,1、极坐标测量原理,极坐标测量示意图,O,x S cos cos y S cos sinz S sin,x,y,z,P,S,二、全站仪极坐标测量精度分析,2、极坐标测量精度计算公式 三维坐标分量精度计算,2,m,2,m,m2,22 y xz,z,my S,y,S,S 点位精度计算,x 2,D,D,yz,x,D,2,2,mz,m2,2,2,2,2,2,0,S,x,222,2,2,mS m m,S,D,mP,二、全站仪极坐标测量精度分析,3、极坐标测量精度

3、理论估计,450,mS 1mm 1ppm,m m 0.5,设：,0,10,二、全站仪极坐标测量精度分析,全站仪极坐标测量精度检测装置俯视示意图,激光干涉仪,Di,Di+1,i,i,全站仪,4、自动化全站仪极坐标实测精度统计（自动目标照准）室内30m双频激光干涉基线比测示意图,导轨小车 全站仪极坐标测量精度检测装置立面示意图,激光干涉仪,全站仪,二、全站仪极坐标测量精度分析,4、自动化全站仪极坐标实测精度统计（自动目标照准）室内30m双频激光干涉基线比测部分结果,m P 0.15mm,n,T,P,二、全站仪极坐标测量精度分析,4、自动化全站仪极坐标实测精度统计（自动目标照准）室外200m距离测微

4、平台比测部分结果,JZ1,JZ0,X,Y,变形点GD4JZ3,北,主坝轴线,坝肩轴线,JZ2,二、全站仪极坐标测量精度分析,4、自动化全站仪极坐标实测精度统计（自动目标照准）室外200m距离测微平台比测部分结果,在X方向锯齿型误差为0.19mm,在Y方向锯齿型误差为0.16mm，转化 为角度误差为0.24。,三、自动化监测系统对全站仪要求,1、全站仪的自动化 全站仪轴系驱动自动化 全站仪目标照准自动化 自动照准精度：1mm200m 自动照准距离：1000m 自动照准分辨能力：具备特殊能力（就近照准法则、小视场、主 动目标）自动照准目标类型：圆棱镜、360棱镜、反射片 全站仪目标测量过程控制自动

5、化 提供丰富的计算机控制指令，便于编程开发,三、自动化监测系统对全站仪要求1、全站仪的自动化,三、自动化监测系统对全站仪要求,1、全站仪的自动化 多棱镜目标自动化识别技术,一般的自动照准全站仪（非就近照准法则）（视场内有2个棱镜，不能正常测量）,索佳自动化全站仪（就近照准法则）（视场内有2个棱镜，仍能正常测量）,三、自动化监测系统对全站仪要求,2、可以自动化照准的合作目标 360棱镜 水平与垂直自动化照准精度匹配H=0H=30,自动照准点随着棱镜的水平方向转动，自动照准点上下会有偏差（可达2.5mm）,H=60,三、自动化监测系统对全站仪要求,在水平方向上有23mm的变化棱镜水平方向转动，自动

6、照准点左右会有误差,2、可以自动化照准的合作目标 360棱镜 水平与垂直自动化照准精度匹配自动照准点,H=0,H=,H=,三、自动化监测系统对全站仪要求,H=0,H=30,H=60,自动照准点新型360 棱镜，即使改变棱镜方向，自动照准点也几乎不偏移,2、可以自动化照准的合作目标 360棱镜 水平与垂直自动化照准精度匹配,三、自动化监测系统对全站仪要求,2、可以自动化照准的合作目标 360棱镜 水平与垂直自动化照准精度匹配,-3,-2,-1,0,1,2,3,-60-45-30-1501530棱镜水平方向转动角度 deg,45,60,測定誤差 mm,水平 上下 距離,索佳360棱镜,徕卡360棱

7、镜,-3,-2,-1,0,1,2,3,-60,-45,-30-150棱镜水平方向转动角度,1530deg,45,60,測定誤差 mm,水平 上下 距離,三、自动化监测系统对全站仪要求,索佳3 6 0 棱镜,-3,-2,-1,0,1,2,-60-45-30-1501530棱镜水平方向转动角度 deg,45,60,測定誤差 mm,Trimble 3 6 0 棱镜,-3,-2,-1,0,1,2,-60-45-30-1501530棱镜水平方向转动角度 deg,45,60,測定誤差 mm,水平 上下 距離,2、可以自动化照准的合作目标 360棱镜 水平与垂直自动化照准精度匹配,3,水平 上下 距離,3,

8、四、自动化监测误差处理技术,1、大气折射对全站仪测量结果的影响 大气折射对电磁波测距的影响 测定大气温度、气压等，对测距结果进行修正 利用数字气象设备，可以实现大气参数采集的自动化 一般在车站附近测定气象参数，存在较大的代表性误差问题 大气折光对垂直角测量的影响 地球弯曲及大气折光对垂直测量的影响与气候、地理环境等因素有关 无法直接利用有关设备直接测定 一般在已知高差、或对向三角高程观测求解球气差系数 为了实现变形点三维监测，必须解决球气差的影响问题,四、自动化监测误差处理技术2、极坐标三维监测多重差分改正原理 利用基准点信息求差分改正数,四、自动化监测误差处理技术,2、极坐标三维监测多重差分

9、改正原理 大气折射对测距影响的差分改正 全站仪在基准点设站，对另一基准点上的棱镜测距，利用测距值d 与基,J,准值d0 之间的较差，求定大气折射对测距影响的改正系数。,J,d,d 0,d,J,J,J,d,如果同一时刻测得某变形点的斜距为dP，那么经气象差分改正后的真 实斜距为：d d d d PPP,四、自动化监测误差处理技术,2、极坐标三维监测多重差分改正原理 球气差对垂直角（三角高程）影响的差分改正 全站仪在基准点设站，对另一基准点上的棱镜观测求得三角高差hJ，与 两基准点间的已知高差h0比较，求解球气差系数C。,如果同一时刻测得某变形点的三角高程，经球气差改正后的高差结果 为：,2d c

10、os2,h hJ,c,J,0,h P dP sin c dP cos ih a h,2,2,四、自动化监测误差处理技术,2、极坐标三维监测多重差分改正原理 水平方位角的差分改正 全站仪水平度盘零方向受仪器稳定性、外界条件的变化等因素的影响会 发生变化，把基准点第一次测量的方位角作为基准方位角HZJ0，其它周 期对基准点测量的方位角HZJ与基准方位角相比，有一差值H H H0ZZ JZ J 如果同一时刻观测其他变形点，其准确的方位角值为：,HZ P HZ P HZ,2、极坐标三维监测多重差分改正原理 监测点三维位移量计算 经上述多重差分改正后，消除大气等外部环境的综合影响，求得准确的 监测三维坐

11、标：,与第一周期的三维坐标相比，计算其他周期的三维位移量,X D cos H X0,Z h Z0,sin H Y0,Y D,PP,Z P,P,P,Z P,P,P,X X X1,Z Z Z1,YP YP YP,PPP,1,PP,P,四、自动化监测误差处理技术,3、不同基准距离差分改正变形点精度影响理论分析单位：mm,四、自动化监测误差处理技术,4、实际应用案例差分改正效果统计 某大坝变形监测点位分布图,X,Y,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,监测站,JZ1,JZ2,JZ3,北,主坝轴线,坝肩轴线,1020马道,四、自动化监测误差处理技术,四、自动化监测误差处理技术4、实际应用案例差分改

12、正效果统计 某大坝变形监测点差分改正效果统计（1个月664个周期）,4、实际应用案例差分改正效果统计 某大坝变形监测点差分改正实测精度统计 把其中1个或2个基准点当作“变形点”，其位移量即为误差影响量 显而易见，长边基准差分改正短边变形点，有利于保证监测精度,四、自动化监测误差处理技术,5、监测误差处理技术新突破 自适应方法 极坐标测量原理可知，要获得准确的测量结果，必须有效解决大气折射率对测距的影响，以及球气差对三角高程测量的影响。仪器在稳定基准点设站 多重差分技术 仪器在欠稳定的工作基点设站 自适应拟稳技术无需观测大气气象参数，并顾及球气差对单向三角高程观测的影响。,四、自动化监测误差处理

13、技术,四、自动化监测误差处理技术5、监测误差处理技术新突破 自适应方法,五、全站仪自动化变形监测系统,1、自动化变形监测系统的组成 单台站系统 大坝监测,五、全站仪自动化变形监测系统,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,1、自动化变形监测系统的组成 单台站系统 大坝监测基准点自然表面,太阳能板市电(220v),全站仪监测站AutoMoS 专业版软件,数据通讯,变形点,www.z-,五、全站仪自动化变形监测系统,1、自动化变形监测系统的组成 多台站系统（分布式，大坝监测）,www.z-,五、全站仪自动化变形监测系统,1、自动化变形监测系统的组成 多台站系统（分布式-大坝监测）,供电与通信系统,公

14、司局域网,水电大楼远程监控计算机,功控计算机(1),功控计算机(2),视频监视器,功控计算机(5),功控计算机(4),功控计算机(3),监控中心服务器,自动全站仪观测站(L1),自动全站仪 观测站(L2),自动全站仪观测站(L4),自动全站仪观测站(L3),自动全站仪 观测站(L5),变形监测棱镜变形监测棱镜变形监测棱镜,变形监测棱镜,变形监测棱镜,为手机短信报警装置,五、全站仪自动化变形监测系统,1、自动化变形监测系统的组成 地铁监测系统,五、全站仪自动化变形监测系统,1、自动化变形监测系统的组成 单台站系统 地铁监测,五、全站仪自动化变形监测系统,1、自动化变形监测系统的组成 多台站系统

15、地铁监测,www.z-,五、全站仪自动化变形监测系统,2、测站设备安装为测站设备（全站仪）提供稳定的架设条件仪器墩为测站设备提供必要的防护 测站小屋 防盗窃防气候（雨、雪、风、阳光）防灰尘,五、全站仪自动化变形监测系统,2、测站设备安装测站仪器墩双层混泥土(或钢管)仪器墩，防土层移动、防温度影响如可能，锚到基岩或稳定土层注意与监测站房建筑结构的隔离强制对中装置外环层缝隙中填入泡沫 或沙子,俯视图,侧视图,内芯标不锈钢强制对中盘,五、全站仪自动化变形监测系统,2、测站设备安装测站小屋测站小屋的作用保护全站仪抵御外界环境影响，有利于提高监测精度设计建造小屋时需要考虑的因素满足监测点位的通视要求开放

16、式还是密闭式（测量视线是否要穿过玻璃）气候控制（空调）仪器墩的位置安排考虑座椅空间满足穿越电缆的需要，等等。,www.z-,五、全站仪自动化变形监测系统,2、测站设备安装 测站小屋国内版（防护功能，兼顾旅游景点）,五、全站仪自动化变形监测系统2、测站设备安装 测站小屋国内版（防护功能，兼顾旅游景点）,五、全站仪自动化变形监测系统,2、测站设备安装 测站小屋国际版（防护功能，讲究实用）,五、全站仪自动化变形监测系统,2、测站设备安装 测站小屋国际版（防护功能，讲究实用）,五、全站仪自动化变形监测系统,3、镜站设备安装 特别注意让棱镜准确朝向仪器测站（特别是当距离超过500米时）如果有多个测站观测

17、同一棱镜，则需使用360棱镜 便宜的棱镜将会降低精度、影响测程，并缩短使用寿命 棱镜的安装方法取决与基础性质(岩石、泥土、混泥土等)。如果在降雪区域，需要注意提升棱镜高度，避免被后雪掩 埋。,五、全站仪自动化变形监测系统,3、镜站设备安装 国内版（注重防护，比较复杂）,五、全站仪自动化变形监测系统,3、镜站设备安装 国际版（结构简单，讲究实用）,五、全站仪自动化变形监测系统,4、地铁监测设备安装 监测站,五、全站仪自动化变形监测系统,4、地铁监测设备安装 目标棱镜,五、全站仪自动化变形监测系统5、通信系统 一般通过串口实现全站仪通信 最简单的方法通过RS232的Y型电缆进行联机通讯，但 通讯距

18、离有限（小于30m）。因此当进行远距离通讯时，需要采用以下之一的通讯方法：RS485无线电台移动无线网络（LAN）,五、全站仪自动化变形监测系统,5、通信系统 有线方式 电缆：RS232、RS485等 光缆：光端机设备,接全站仪(含供电),AC220V电源,通讯电缆,电缆通信与供电盒,光端机和接线盒,www.z-,五、全站仪自动化变形监测系统,5、通信系统 有线方式,五、全站仪自动化变形监测系统,5、通信系统 无线方式 数传电台常用的电台：Satel、Pacific Crest and Freewave 电台Satelline 2AS and 3AS 模块,典型通讯距离:典型通讯波特率:,最大

19、约为 1km9600 bps,五、全站仪自动化变形监测系统5、通信系统 无线方式 数传电台,五、全站仪自动化变形监测系统,5、通信系统 无线方式 无线网络（GPRS）通过RS232连接全站仪与通讯服务器 通过通讯服务器进入局域网或因特网 通讯服务器有固定的IP地址 计算机建立一个虚拟的 COM端口，以便计算机象从RS232中读 取数据一样，从因特网中读取数据,W&T 58231 Com-Server Highspeed Compact,五、全站仪自动化变形监测系统,5、通信系统 无线方式 无线网络（GPRS）GSM/GPRS模式,五、全站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件 软件主界面,五、全

20、站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件 全站仪的联机控制 设备初始化,五、全站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件 监测点位的学习功能,五、全站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件 自动化监测 点组定义,五、全站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件 自动化监测 点组定义,五、全站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件 自动化监测 定时器设置,五、全站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件 自动化监测 连接点组与定时器,五、全站仪自动化变形监测系统,6、监测系统软件 自动化监测 无人值守、自动运行 按事先定义好的定时器和点组，自动运行监测系统 实时显示监测点位的位移过程曲线,五、全站仪自动化变形监测

21、系统6、监测系统软件 报表输出 选择报表输出内容,五、全站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件 报表输出 报表打印或另存文本文件,五、全站仪自动化变形监测系统,6、监测系统软件 变形监测分析与预报 趋势分析 多元线性回归分析 灰色系统分析（GM（1,1）模型）时间序列分析（ARMA模型）多种模型组合分析（趋势分析+时序分析、GM模型+时序分析.）,五、全站仪自动化变形监测系统,6、监测系统软件 变形监测分析与预报GM（1，1）模型拟合得到的拟合与残差曲线,10.80.60.40.20-0.21-0.4,6,11,16,21,26,31,36,41,曲线为原始变形曲线，曲线为拟合曲线，为残差曲线

22、。,五、全站仪自动化变形监测系统,6、监测系统软件 变形监测分析与预报 实测变形量与预报结果进行比较，考核预报效果 从表中可以看出，组合趋势+MA（4）模型预报精度较高，预报效果最好,五、全站仪自动化变形监测系统,7、实际应用案例精度统计（1）某混泥土重力坝（西北地区）坝顶总长：274m（主坝长144m），最大坝高：52m，库容：3355万m3 平均监测点边长约为200m，监测精度统计：mx=0.61mm，my=0.24mm，mz=0.54mm,五、全站仪自动化变形监测系统,7、实际应用案例精度统计（2）某混泥土面板堆石坝（华东地区）坝顶长：252m，最大坝高：68m，库容：9.41亿m3 平

23、均监测点边长约为350，监测精度统计：mx=0.57mm，my=0.23mm，mz=1.01mm,五、全站仪自动化变形监测系统,7、实际应用案例精度统计（3）某混泥土面板堆石坝（东北地区）主坝坝顶长：902m，最大坝高：72m，库容：41.8亿m3 平均监测点边长约为600m，监测精度统计：mx=1.16mm，my=0.72mm，mz=1.54mm,五、全站仪自动化变形监测系统,8、某大坝全站仪监测系统方案改造（1）大坝基本情况 主坝：混凝土面板堆石坝，坝顶长902m，最大坝高72m，库容41.8亿m3 副坝：粘土墙堆石坝，坝顶长度332m，最大坝高47.2m,五、全站仪自动化变形监测系统,8

24、、某大坝全站仪监测系统方案改造（2）原监测方案 下游河滩地区，布设2台自动 化全站仪监测站（L4、L6）目标为双层单棱镜，前方交会观测方法,五、全站仪自动化变形监测系统,8、某大坝全站仪监测系统方案改造（3）原监测方案主要问题 许多点不能完成自动化测量 监测精度不能满足要求 全站仪与计算机之间的通信系统不稳定 整个系统迟迟不能投入正常运行,！,五、全站仪自动化变形监测系统,8、某大坝全站仪监测系统方案改造（4）主要改造内容之一 在不增加监测站的条件下，把 交会法观测方法改为极坐标法，并进行合理的监测点组分配，尽可能缩短测站与监测点之间 的距离,五、全站仪自动化变形监测系统,8、某大坝全站仪监测

25、系统方案改造（4）主要改造内容之二 要求水库管理部门，改造监测 站的密封方法，用平板玻璃替 换有机玻璃，减少玻璃等因素 的影响，确保监测精度。,五、全站仪自动化变形监测系统,8、某大坝全站仪监测系统方案改造（4）主要改造内容之三 把原来的基于电话线调制解调器的通信系统，改为基于RS482的电 缆通信系统（最终使用光缆通信系统），提高通信系统的稳定性。,接全站仪(含供电),AC220V电源,通讯电缆,六、总结,全站仪自动化极坐标监测系统测量精度1、在200m左右的监测范围内，比较容易实现亚毫米的三维监测精度2、在400m左右的监测范围内，通过合理配置差分改正与系统运行方 案，三维监测精度可达12

26、mm3、在800m左右的监测范围内，通过合理配置差分改正与系统运行方 案，三维监测精度可达23mm附：极坐标测量精度理论估计,六、总结,全站仪自动化极坐标监测系统主要特点（1）利用严密的多重实时差分改正原理，最大限度地消除或减弱大气等外界 环境对测量精度的影响，并为系统自动化运行创造了条件；（2）无需外接数字气象等附加设备，简化了系统组成，降低了系统成本，提 高了系统运行的可靠性；（3）在无人值守的情况下，可在全天24小时内周期性自动启动系统进行监测，如遇特殊情况（如变形量超过限差值）可通过短信等方式自动报警；（4）监测点变形过程趋势实时多态图解显示，可以同时显示用户设置断面上 的所有点的位移

27、量；（5）监测数据可按照用户要求自定义格式，进行报表输出；（6）可以自动地执行用户编制的外部程序，具有良好的开放性；（7）计算机遭遇突然断电等故障，重新开机后系统可自动初始化全站仪，按 照原来的各项参数设置自动开始下一周期的测量；（8）系统组成简单，维护方便，增加监测点位比较方便（加设普通棱镜即可）。,-83-,附录：,地铁结构变形监测专用系统,SubMoS,目 录,一、市场机遇与需求,二、国内最专业地铁监测系统 SubMoS三、SubMoS性能特点 四、SubMoS系统组成 五、总结,-85-,1.市场机遇与需求,1.1 国地铁建设加速发展引发市场机遇,1.市场机遇与需求,1.2 既有地铁安

28、全运行保障需求 地铁周边基坑开挖房地产开发、其他工程项目介绍,1.2 既有地铁安全运行保障需求 地铁换乘站新线建设对既有线的影响,1.市场机遇与需求,2.1 历史经验的积累 广州地铁陈家祠站 2001，国内首次应用,2.国内最专业地铁监测系统 SubMoS,-89-,2.1 历史经验的积累 广州地铁黄沙站 2003，首创组网监测新模式,2.国内最专业地铁监测系统 SubMoS,2.国内最专业地铁监测系统 SubMoS,2.2 独门绝技 专门为地铁变形监测而研发 双线多测站组网实时监测方案 国内首创SubMoS支持地铁隧道上、下行双线多个测站的组网实时监测，即 在狭长的地铁隧道中设置多个自动化全

29、站仪测站，解决隧道弯曲对 视线通视的影响，满足大区域地铁隧道结构变形自动化监测的需求。,STN1,STN4,JZ1,JZ2,JZ3,JZ4,JZ1,JZ2,JZ4,JZ3,上行线,下行线,STN2,STN3,2.国内最专业地铁监测系统 SubMoS,2.2 独门绝技 专门为地铁变形监测而研发 自适应数据处理技术 国际领先多年前，辰维科技在国内首次 提出的“多重差分”变形监测 技术，已被业界普遍认可、广 泛引用。辰维科技再次创新，在世界上首次研发“自适应”监测技术，再次实现新的突破。有了“自适应”监测技术，有 效解决了全站仪在非稳定区设 站的问题，使地铁隧道环境下 多测站组网监测成为可能。,2.

30、国内最专业地铁监测系统 SubMoS,2.2 独门绝技 专门为地铁变形监测而研发 抗干扰功能设计 智能可靠为了实现24小时无人值守自动化监测，必须有效解决地铁列车运行期间对 SubMoS监测环境产生干扰的问题。列车通过变形监测区域时，会带来震 动、遮挡全站仪视线等环境干扰。SubMoS监测系统针对这些问题专门设 置了智能化功能模块，使之成为国内最具专业特色的地铁隧道结构变形监 测行业解决方案。,2.国内最专业地铁监测系统 SubMoS,2.2 独门绝技 专门为地铁变形监测而研发 成熟稳定的全站仪控制技术 兼容世界主流仪器通过有线或无线的方式，由计算机软件对自动化全站仪进行智能 化控制，并能满足

31、长时间无人值守、连续运行不死机，对系统软 件的编程技术提出很高的要求，确保系统软件长期运行的稳定性、可靠性。成熟稳定的远程计算机自动控制全站仪的技巧与方法监控计算机因停电等原因的“一键”重启，监测系统软件自 动恢复运行。,3.SubMoS性能特点,3.2 无人值守24小时连续运行系统集成的数据采集设备都是自动化、智能化的电子产品，不但稳 定可靠，而且支持软件控制。因此整个系统在计算机专业监测软件 的控制下，按事先设定好的定时器，周期性定时启动系统，实现全 天候24小时无人职守自动化采集数据与处理。,3.SubMoS性能特点,3.2 实时三维同步监测SubMoS系统可以实时同步获取三维坐标，克服

32、了传统方法平面位移与垂直位移分离监测的不足，确保了点位变形分析的时效性。,3.SubMoS性能特点,3.3 可显示任一指定方向的位移信息在地铁隧道变形监测中，人们总是关心与隧道中心 线平行或垂直方向的结构变形情况。但是地铁隧道 中心线时常随线路转弯而变化，因此在不同的监测 断面，SubMoS允许输入隧道线路转弯信息而输出 指定方向的位移变形量。,3.SubMoS性能特点,3.4 手机短信实时报警（可选）如果系统运行出现异常，或监测点位位移超出预警值等，系统会给指定的手机号码发送报警信息，以便系统管理人员及时响应与处理。,4.SubMoS系统组成,系统软件SubMoS 自动化全站仪 通信与供电系统（可选遥控电源开关）各种目标棱镜,5.总 结,SubMoS专门为地铁结构变形监测而开发，用于地铁、隧道结构变形自动化监测，具备独特优势。历史悠久：始于上世纪90年代末，与世界同步发展 独门绝技：独创差分、自适应技术，监测技术国际领先 本地服务：世界级技术、国内品牌、无障碍贴心服务强强合作，为国内地铁变形监测用户提供最专业系统解决方案！,谢 谢！,郑州辰维科技股份有限公司,