王華為 陳遠(yuǎn)矚 黃海龍

收稿日期：

2023-05-23

作者簡介：

王華為，男，工程師，碩士，主要從事安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究工作。E-mail：wiy8722423@163.com

引用格式：

王華為，陳遠(yuǎn)矚，黃海龍.多測站測量機(jī)器人智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

［J］.水利水電快報(bào)，2024，45（1）：109-115.

摘要：

利用測量機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)水利工程建筑物表面變形監(jiān)測的自動化，掌握大壩、邊坡、隧洞等的變形規(guī)律、破環(huán)機(jī)制和影響范圍。介紹了測量機(jī)器人的測量原理與發(fā)展應(yīng)用，設(shè)計(jì)了多測站測量機(jī)器人智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對測量機(jī)器人的自動控制、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)控與報(bào)表輸出，并可兼容極坐標(biāo)法、交會法、邊角網(wǎng)等多種觀測方式。同時(shí)，系統(tǒng)采用領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)更新升級速度。將該系統(tǒng)應(yīng)用于大壩、邊坡、隧洞等建筑物的表面變形自動化監(jiān)測中，結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，觀測缺失率低，成果精度高，具有準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、可靠性的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：

測量機(jī)器人； 多測站； 表面變形監(jiān)測； 智能管理系統(tǒng)； 領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計(jì)

中圖法分類號：P258

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.019

文章編號：1006-0081（2024）01-0109-07

0? 引? 言

在水利工程中，大壩、邊坡、隧洞等建筑物在荷載的長期作用下以及洪水、地震的惡劣環(huán)境因素影響下，結(jié)構(gòu)將逐漸老化、變形，存在發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。為了掌握大壩、邊坡、隧洞等的變形規(guī)律、破環(huán)機(jī)制和影響范圍，并通過變形數(shù)據(jù)表征和預(yù)警其安全狀態(tài)，需采用一定的監(jiān)測手段獲取準(zhǔn)確、即時(shí)、可靠的表面變形監(jiān)測成果。目前，較常用的監(jiān)測手段包括測量機(jī)器人監(jiān)測、GNSS監(jiān)測、視準(zhǔn)線、三維激光掃描等［1-2］。其中，測量機(jī)器人具有自動照準(zhǔn)、目標(biāo)識別、自動跟蹤等功能，且具有高精度的測角測距［3］，有利于實(shí)現(xiàn)高精度表面變形監(jiān)測自動化測量。

測量機(jī)器人的變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)工作在國內(nèi)外得到了廣泛的重視和研究。梅文勝等［3］研究了一套基于測量機(jī)器人有合作目標(biāo)的變形監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對一臺測量機(jī)器人的控制和采集，但僅能支持極坐標(biāo)法觀測；蔡乾廣［4］研究了一種多測站自動變形監(jiān)測系統(tǒng)，能夠同時(shí)控制多臺測量機(jī)器人，但該系統(tǒng)本質(zhì)上是通過控制各臺測量機(jī)器人采用極坐標(biāo)法各自監(jiān)測變形體的一部分，再將所有觀測數(shù)據(jù)匯總后統(tǒng)一計(jì)算，無法進(jìn)行平差計(jì)算；其他水利工程多采用瑞士徠卡（Leica）的測量機(jī)器人和配套的GeoMOS系列軟件，其支持多臺測量機(jī)器人的控制，但只能采用極坐標(biāo)法觀測和解算；其他廠家包括天寶（Trimble）、蘇州一光、南方測繪等研發(fā)的測量機(jī)器人變形監(jiān)測軟件也僅支持極坐標(biāo)法觀測，觀測流程不符合中國國家標(biāo)準(zhǔn)，成果精度也難以提升［4］。

在此背景下，建立一套能夠控制多臺測量機(jī)器人同時(shí)觀測、支持前方交會和邊角網(wǎng)等多種觀測方式、滿足規(guī)范測量要求、可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測表面變形情況的系統(tǒng)具有廣泛的運(yùn)用前景，能突破國外廠商的技術(shù)壁壘，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

1? 測量機(jī)器人測量原理

測量機(jī)器人（又稱全站儀）是一種內(nèi)置自動目標(biāo)識別（Automatic Target Recognition，ATR）功能的高技術(shù)測量儀器，能夠自動搜索測量目標(biāo)并測量距離、水平角和垂直角［5］。在變形監(jiān)測點(diǎn)上一般布設(shè)圓棱鏡或360°棱鏡，測量機(jī)器人通過自身坐標(biāo)與監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算其旋轉(zhuǎn)水平角和垂直角，驅(qū)動馬達(dá)使全站儀精確照準(zhǔn)棱鏡，然后發(fā)射激光由棱鏡反射后經(jīng)過儀器內(nèi)部的CCD傳感器接收、識別，根據(jù)反射回光的強(qiáng)度自動確定棱鏡中心位置后，即可獲取測站與監(jiān)測點(diǎn)間的距離、水平角、垂直角等數(shù)據(jù)［6］，再根據(jù)已知點(diǎn)坐標(biāo)使用極坐標(biāo)法［7］、間接平差等算法計(jì)算出各監(jiān)測點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

多臺測量機(jī)器人可以同時(shí)照準(zhǔn)同一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，即使用交會法觀測。交會法相比于極坐標(biāo)法，具有多余觀測條件，能夠使用平差算法來提高成果精度［8-9］。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1? 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)主要分為對象接入層、數(shù)據(jù)管理層、核心處理層與集中展示層。對象接入層主要包括多臺測量機(jī)器人、氣象傳感器、自動啟閉窗等硬件設(shè)備；數(shù)據(jù)管理層用于傳輸和存儲觀測數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)接口、控制接口與第三方系統(tǒng)進(jìn)行對接；核心處理層具有方案配置、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)處理、精度評定、報(bào)表管理等功能；集中展示層主要面向系統(tǒng)用戶，可視化展示觀測方案、成果數(shù)據(jù)、報(bào)表報(bào)告等。系統(tǒng)詳細(xì)總體架構(gòu)見圖1。

為符合工作基點(diǎn)組網(wǎng)觀測和變形測點(diǎn)交會觀測的要求，需要在每個(gè)設(shè)站點(diǎn)上架設(shè)測量機(jī)器人，并在測量機(jī)器人上同軸安裝棱鏡，同時(shí)在每個(gè)控制點(diǎn)和變形測點(diǎn)上安裝棱鏡；對象接入層中所有設(shè)備通過光纖、無線網(wǎng)絡(luò)等連接到監(jiān)測中心站，監(jiān)測中心站部署一臺工作站，安裝變形監(jiān)測智能管理系統(tǒng)，與對象接入層設(shè)備通過TCP/IP協(xié)議連接成為一個(gè)有機(jī)的整體。

2.2? 技術(shù)路線

該系統(tǒng)是一個(gè)基于B/S的Web系統(tǒng)，用戶使用瀏覽器輸入IP地址或網(wǎng)址即可訪問，具有一次部署、到處訪問的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用前后端分離的方式開發(fā)，前端界面采用Vue.js框架，后端采用.Net Core框架，可以部署在主流的Windows、Linux或國產(chǎn)麒麟操作系統(tǒng)上，并運(yùn)用EntityFramework持久化技術(shù)與數(shù)據(jù)庫無縫連接，支持MSSqlServer、MySql、Oracle等主流數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)采用“領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計(jì)”（Domain-Driven Design-Tackling Complexity in the Heart of Software）的設(shè)計(jì)思想，將復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯抽象為領(lǐng)域模型，確保了業(yè)務(wù)邏輯的邊界，并將其集中在一個(gè)模型中，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和耦合度，增加了系統(tǒng)的代碼可讀性與可維護(hù)性［10］；在系統(tǒng)需求頻繁變化時(shí)，能夠快速對某一業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行最小范圍的修改，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、快速更新升級的目的。

2.3? 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)主要功能包括基礎(chǔ)信息管理、觀測方案設(shè)置、采集控制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理、狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)管理等。

2.3.1? 基礎(chǔ)信息管理

基礎(chǔ)信息管理模塊用于監(jiān)測點(diǎn)、測站的基礎(chǔ)信息配置（圖2），以及坐標(biāo)配置、通訊參數(shù)等。基礎(chǔ)信息是關(guān)系到系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的重要數(shù)據(jù)，設(shè)置坐標(biāo)可保證測量機(jī)器人能夠自動照準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)，部分測站或監(jiān)測點(diǎn)作為穩(wěn)定的起算點(diǎn)，其坐標(biāo)是計(jì)算其他監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)的必要條件；通訊參數(shù)保證系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控測量機(jī)器人、氣象傳感器、自動啟閉窗等設(shè)備的通訊和工作狀態(tài)，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.3.2? 觀測方案設(shè)置

為了能夠兼容前方交會、后方交會、邊角網(wǎng)等各類觀測方法，系統(tǒng)采用觀測點(diǎn)組互相組合的方式設(shè)置觀測方案。一個(gè)觀測點(diǎn)組包含一個(gè)測量機(jī)器人、多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)與觀測方案，可以設(shè)置多個(gè)點(diǎn)組，實(shí)現(xiàn)多臺測量機(jī)器人同時(shí)觀測的目的，點(diǎn)組管理界面如圖3所示。

為滿足SL 52-2015《水利水電工程施工測量規(guī)范》、GB/T 16818-2008《短程光電測距規(guī)范》等國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對邊長、水平角、垂直角的測回?cái)?shù)和限差要求，觀測方案中，還可以按不同的精度等級配置不同的測回?cái)?shù)和限差值，如圖4所示。

2.3.3? 采集控制

瑞士徠卡公司針對該廠生產(chǎn)的TPS、TS、TM等系列測量機(jī)器人開發(fā)了GeoCOM接口技術(shù)。GeoCOM接口技術(shù)屬于點(diǎn)對點(diǎn)通訊協(xié)議，通信時(shí)由客戶機(jī)發(fā)送ASCII編碼指令，測量機(jī)器人接收指令，完成相應(yīng)動作后返回?cái)?shù)據(jù)［11］。通過集成GeoCOM接口，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對測量機(jī)器人的通訊、觀測、控制、狀態(tài)監(jiān)測等功能。GeoCOM接口的幾種典型命令如下：

（1） 向特定角度旋轉(zhuǎn)。

發(fā)送指令：%R1Q，9027：Hz，V，0，0，0。

返回?cái)?shù)據(jù)：%R1P，0，0：0。

其中，Hz為水平角，V為天頂距。

（2） 搜索目標(biāo)。

發(fā)送指令：%R1Q，9029：dHz，dV，0。

返回?cái)?shù)據(jù)：%R1P，0，0：0。

其中，dHz為水平方向搜索區(qū)域，dV為垂直方向搜索區(qū)域。

（3） 精確照準(zhǔn)。

發(fā)送指令：%R1Q，9037：dHz，dV，0。

返回?cái)?shù)據(jù)：%R1P，0，0：0。

其中，dHz為水平方向照準(zhǔn)區(qū)域，dV為垂直方向照準(zhǔn)區(qū)域。

（4） 測量距離和角度。

發(fā)送指令：%R1Q，17017：2。

返回?cái)?shù)據(jù)：%R1P，0，0：0，dh，dv，dd。

其中，dh為水平角，dv為天頂距，dd為距離。

（5） 切換盤左盤右。

發(fā)送指令：%R1Q，9028：0，0，0。

返回?cái)?shù)據(jù)：%R1P，0，0：0。

采集控制模塊能夠按照觀測方案設(shè)置的觀測頻次和觀測時(shí)間進(jìn)行定時(shí)周期觀測，觀測主要流程如圖5所示。觀測流程嚴(yán)格按照規(guī)范要求，具備多測回重復(fù)測量、超限重測等功能。

在發(fā)生地震、洪水等情況時(shí)，采集控制模塊可以控制測量機(jī)器人即時(shí)加密采集，見圖6，并提供對外加密觀測API接口，方便第三方平臺接入。

2.3.4? 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括預(yù)處理和平差計(jì)算兩部分，主要流程如圖7所示。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對觀測的原始測值處理，包括對水平角進(jìn)行測站平差，對邊長進(jìn)行氣象改正、歸算到標(biāo)心以及改算為平距等，預(yù)處理的質(zhì)量是決定最終平差精度的最重要因素之一。

預(yù)處理結(jié)束后，通過極坐標(biāo)法計(jì)算各監(jiān)測點(diǎn)概略坐標(biāo)，再分別建立邊角誤差方程式，利用經(jīng)典間接平差理論進(jìn)行平差計(jì)算，并計(jì)算點(diǎn)位中誤差、累積位移等成果，最終將上述原始測值、預(yù)處理后測值以及成果保存到數(shù)據(jù)庫中備查。

2.3.5? 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理模塊主要用于查詢、統(tǒng)計(jì)、審核、輸出監(jiān)測測值和成果，并繪制變形過程線圖等相關(guān)圖，也能夠按照報(bào)告模板自動生成監(jiān)測成果報(bào)告，見圖8。

2.3.6? 狀態(tài)監(jiān)控

測量機(jī)器人測站中集成了多種設(shè)備，包括測量機(jī)器人、氣象傳感器、監(jiān)控?cái)z像頭、自動啟閉窗、新風(fēng)系統(tǒng)、電子圍欄等，狀態(tài)監(jiān)控模塊能夠?qū)Ω黝愒O(shè)備的通訊狀態(tài)和工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷檢測，并顯示監(jiān)控?cái)z像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，見圖9。系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)測站設(shè)備的通訊狀態(tài)，智能判斷網(wǎng)絡(luò)故障位置，提醒運(yùn)維人員現(xiàn)場檢查。

2.3.7? 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊主要用于配置系統(tǒng)各模塊權(quán)限，查看觀測日志、數(shù)據(jù)處理日志、系統(tǒng)操作日志等，見圖10。

3? 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1? 監(jiān)測布置

以溪洛渡樞紐區(qū)邊坡的實(shí)際應(yīng)用為例，在溪洛渡樞紐區(qū)邊坡兩岸共布置10臺徠卡TM50測量機(jī)器人，如圖11所示。由于變形監(jiān)測區(qū)域較大，測站與測點(diǎn)間的邊長在600～2 700 m之間，難以在變形區(qū)域外選取穩(wěn)定點(diǎn)作為基準(zhǔn)，因此在變形區(qū)域內(nèi)選取3個(gè)測點(diǎn)作為起算點(diǎn)，并布置了3套倒垂線裝置，用于實(shí)時(shí)獲取坐標(biāo)變化量。

變形區(qū)域內(nèi)共布置變形監(jiān)測點(diǎn)140個(gè)，其中132個(gè)測點(diǎn)能同時(shí)被2～4臺測量機(jī)器人觀測，能夠使用平差模型計(jì)算；另外8個(gè)測點(diǎn)僅能被一臺測量機(jī)器人觀測，只能使用極坐標(biāo)法計(jì)算坐標(biāo)。

3.2? 系統(tǒng)運(yùn)行情況

系統(tǒng)從2021年12月開始運(yùn)行，共配置基準(zhǔn)網(wǎng)觀測和變形測點(diǎn)觀測兩個(gè)觀測方案?；鶞?zhǔn)網(wǎng)觀測方案是由10臺測量機(jī)器人互相組網(wǎng)觀測，通過3個(gè)倒垂線測點(diǎn)起算獲取10個(gè)測站的實(shí)時(shí)坐標(biāo)；變形測點(diǎn)觀測方案是以10個(gè)測站為工作基點(diǎn)，采用前方交會或極坐標(biāo)法觀測140個(gè)測點(diǎn)。兩個(gè)方案觀測頻次均為每天按一等觀測精度測量一次，觀測總時(shí)長約4 h。截至2023年3月，共獲得400多期數(shù)據(jù)，除極少部分測點(diǎn)因斷電、通訊、遮擋、泄洪等原因造成數(shù)據(jù)缺失率超過5%外，絕大部分測點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失率小于2%。

根據(jù)已有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，土質(zhì)邊坡測點(diǎn)最大點(diǎn)位中誤差±2.88 mm，巖質(zhì)邊坡測點(diǎn)最大點(diǎn)位中誤差±1.76 mm，成果精度較為理想，累積變形過程線較為平緩，如圖12所示；10臺測量機(jī)器人組網(wǎng)觀測成果點(diǎn)位中誤差除ZC-2外均能小于±2 mm，ZC-2測站由于網(wǎng)形較差，其點(diǎn)位中誤差略大于±2 mm（表1），可滿足樞紐區(qū)邊坡變形監(jiān)測的要求。

4? 結(jié)? 語

多測站測量機(jī)器人智能管理系統(tǒng)集成了GeoCOM接口，實(shí)現(xiàn)了對多臺測量機(jī)器人的控制，觀測流程完全滿足規(guī)范要求，能夠滿足4 km2范圍內(nèi)變形區(qū)域的自動監(jiān)測，其主要優(yōu)點(diǎn)如下。

（1） 創(chuàng)新性。相比于其他同類軟件，采用B/S架構(gòu)開發(fā)，能夠按照規(guī)范要求的流程和限差進(jìn)行觀測，支持極坐標(biāo)法、交會法等各種觀測方法，支持平差計(jì)算處理。

（2） 可擴(kuò)展性。采用“領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計(jì)”方法和前后端分離的方式搭建系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)各模塊間具有低耦合性，后臺采用標(biāo)準(zhǔn)API接口，可擴(kuò)展性高，在需求頻繁變化時(shí)能快速迭代、更新升級。

（3） 智能化。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了測量機(jī)器人的自動控制、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)展示等全鏈條管理，減少了人為干預(yù)出錯(cuò)的可能性，提高了觀測效率和自動化水平，節(jié)約了大量人工觀測成本，同時(shí)突破了國外軟件的技術(shù)壁壘，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)：

［1］? 李建川，張宇，史波.高邊坡變形監(jiān)測電磁波測距邊長氣象改正方法［J］.人民長江，2018，49（4）：56-60.

［2］? 羅興，吳士夫，戴永洪.多種測量方法在山洪災(zāi)害調(diào)查測量中的協(xié)同應(yīng)用［J］.水利水電快報(bào)，2016，37（7）：49-51.

［3］? 梅文勝，張正祿，郭際明，等.測量機(jī)器人變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2002，27（2）：165-171.

［4］? 蔡乾廣.多測站自動變形監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)［D］.青島：山東科技大學(xué)，2007.

［5］? 渠守尚，馬勇.測量機(jī)器人在小浪底大壩外部變形監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.測繪通報(bào)，2001（4）：35-37.

［6］? 郭際明，梅文勝，張正祿，等.測量機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成與精度研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2000，25（5）：421-425.

［7］? 楊明化，汪少青，高全.基于雙測量機(jī)器人的土石壩表面變形自動化監(jiān)測技術(shù)研究［J］.水利水電快報(bào)，2019，40（12）：46-49.

［8］? 龍華偉，翟超.空間前方交會法及其在測試技術(shù)中的應(yīng)用［J］.計(jì)測技術(shù)，2005，25（6）：51-54.

［9］? 劉大偉，吳敬文，盛青.自由設(shè)站法在水工建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用與分析［J］.水利水電快報(bào)，2019，40（10）：34-37.

［10］? 李引，袁峰.基于領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)模型［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2013，49（16）：1-8.

［11］? 陳磊，尹燕運(yùn).基于TS30測量機(jī)器人自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.巖土工程技術(shù)，2016（3）：109-112，128.

（編輯：唐湘茜，張? 爽）

Design and application of georobot intelligent management system for multi-station

WANG Huawei1，CHEN Yuanzhu1，HUANG Hailong2

（1.Changjiang Special Information Technology Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；? 2.China Three Gorges Construction Engineering Corporation，Beijing 101199，China）

Abstract：

With the technology of georobots，the automation of surface deformation monitoring，grasping the deformation laws，damage mechanisms and influence ranges of dams，slopes，tunnels，etc was achieved.The measurement principles and development applications of measurement robots were introduced，and a multi- station measurement robot intelligent management system was designed，which achieved automatic control，data processing，status monitoring，report output，and could compatible with various observation methods such as polar coordinate method，intersection method，and triangulateration network method.At the same time，the system adopted a domain-driven design concept to design the system architecture，reducing system complexity and improving system update and upgrade speed.The system was applicated in the automatic monitoring of surface deformation in buildings such as dams，slopes，and tunnels.The results showed that it operated well with low observation missing rates and high accuracy of results and had a high accuracy，real-time performance and reliability．

Key words：

georobot； multi-station； surface deformation monitoring； intelligent management system； domain-driven design