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摘要：测量机器人具有高智能、高精度、高效率的特点，特别适合应用在劳动强度大、测量区域危险的工程。文章研究的隧道变形监测预警系统基于测量机器人与网络传输技术，通过测量机器人对隧道进行变形监测，并且将监测的数据通过网络传输技术实时传回预警系统，同时通过预警系统对数据实时储存、计算分析，判定隧道的监测对象是否安全，如超出预警值就通过系统的预警功能模块进行声音预警和手机短信预警以便隧道相关的管理人员及时的对险情做出反应。
关键词：测量机器人；隧道；变形监测系统；预警
中图分类号：U45文献标识码： A
随着我国公路、铁路、水电工程等建设的发展，隧道作为这些工程的重要组成部分也取得长足的发展,隧道的建设也日益增加，其安全与否成为建设工程的关键。隧道的安全也无论在施工期间还是在运营期间都要对其隧道进行变形监测, 以确保主体结构以及周边环境的安全。如何在复杂的环境中保证隧道的正常施工与运营, 是一个十分重要而又现实的问题。
施工期间的隧道监测内容主要包括周边建筑物监测、地表监测、洞内监测（周边收敛、拱顶沉降、锚杆轴力、围岩内部位移、围岩压力、衬砌应力和钢支撑内力监测）。隧道监测是新奥法的重要部分，在隧道施工中，通过对隧道围岩动态的量测，掌握围岩动态和支护结构的工作状态，利用量测结果调整设计支护参数，指导施工；通过量测预见事故和险情，以便及时采取措施防止事故发生。运营期间的隧道监测内容主要包括区间隧道沉降、区间隧道水平位移、区间隧道内部应力等。对其监测能够掌握隧道运营情况，保障隧道运营期间的安全。
不管施工期间隧道还是运营期间的隧道，其监测的特点是：监测项目多、线路长、测点多、观测频繁、数据量大, 给监测数据管理、分析等带来了繁琐的工作,以手工为主作业模式效率低下，从而需要的监测技术人员也比较多。传统的作业方式在运营的隧道中运用更是困难, 主要是测量人员进入隧道工作非常危险,给运营隧道的测量带来很多不便。须有一种简便高效、无人值守、自动的动态监测方法将监测数据实时的发送到实时运行的监测系统计算机终端，对数据进行高效的管理、计算分析、预警辅助决策。对提高隧道的安全管理水平具有重要的现实意义。
1系统架构
基于测量机器人的隧道变形监测预警系统的架构必须有以下优势，才能够满足用户的要求。
(1)远程无人测量、实时量测：系统安装调试后，可以24小时自动进行测量，实时返回数据。同时可以远程自由设置测量起止时间、测量周期等。
(2)差分解算、精度高：系统设置多种测量模式可选，既有传统后方交会、极坐标测量模式。根据不同现场条件选择，确保测量精度。
(3)支持多台设备：即可以同时控制多台设备同时工作；支持定制升级，满足更多设备接入。
(4)报表定制：按照相关规范输出原始观测数据报表，也可按照客戶要求可定制成果报表。更便于客户成果提交。
(5)支持监测功能扩展：软件在支持测量机器人接入的同时，也支持隧道内部监测的钢筋计、多点位移计等的接入，实现同步监控。
(6)维护方便：软件使用不需要专用指定电脑，即使监控电脑崩溃，换另外一台电脑安装软件作为监控机即可。避免因为软件许可问题造成工程延误。
1.1系统的组成
监测预警系统由五部分组成：测量机器人、监测站、控制计算机房、基准点和变形点组成。远程计算机通过因特网控制远程GPRS模块,可远程监视和控制监测系统的运行。系统在无需操作人员干预条件下,实现自动观测、记录、处理、存储、变形趋势图绘制、变形量报表编制和变形趋势显示、超限及时预警等功能。监测预警系统的组成示意图如图1所示：
图1 监测预警系统的组成示意图
1.2硬件构成
(1)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。根据精度要求，用户可以选用相应级别的测量机器人，如TS30全站仪，其静态测角精度为±0．5”，距离测量精度（棱镜）：精密，0.6mm+1 ppm/一般为7s；标准，1mm+1 ppm/一般为2.4s。测程为：反射贴片（60mm×60mm）250m,360°棱镜1500m，圆棱镜3500m。距离测量精度（无棱镜）为2mm+2 ppm/一般为3s，,测程为1000m。测量机器人在隧道中的应用如图2所示。
图2 机器人隧道布置图
(2)无线通讯模块。
要实现通过控制中心控制测量机器人采集数据，必须在两者之间建立可靠的通讯链路。通过Internet建立的通讯链路可分为有线方式和无线方式：有线方式是在测量机器人端连接一个调制解调器，然后通过网线或光纤。无线方式利用信号发射器进行蓝牙传输。
1.3软件构成
(1)测量机器人机载软件
多测回测角软件是建立高等级三角网、导线（网）以及大型构筑物和建筑物形变监测网时的主要观测手段。这些观测具有观测目标多、测回数多、精度要求高等特点，人工观测费时费力，作业效率难以提高。机载软件提供了高效、便捷的自动化测量，大大提高了工作效率，降低了劳动强度，同时满足了内、外业数据一体化、规范化的作业要求，充分显示了该机载软件的先进性、可靠性与经济性。
(2)预警软件
预警软件是整个系统非常重要的组成部分，它具有海量空间储存，能够实时的将传输来的数据进行管理、分析，管理人员在设置预警阀值，当通过计算得到数据超过阀值，软件自动进行预警。同时软件还具有数据查询、修改、删除功能以及将处理后的结果生成报表和绘制成图形的功能。由于自动化监测的特殊性，控制中心必须具备24小时全天候值守，要求软件实时释放内存，运行稳定，但是目前的测量机器人后处理软件在预警功能方面还比较欠缺。
2预警软件
2.1软件架构及功能
本软件是采用VB结合sql server 2000编
程开发，其系统的整体构架如图3所示。
图3 软件架构图
软件的结构主要是：数据库、数据管理与处理模块、预警模块、其他模块。模块具有如下功能：
数据库：是用于存储数据，并且方便数据的管理和调用，用户可以对数据库进行新建、删除、修改、备份、恢复等管理。
数据管理与处理模块：是把机器人传回的原始数据进行读取和存储入数据库，用户可以对数据进行添加、删除、修改等管理。数据的处理是从数据库调用数据进行数据的运算，得到结果：基站位移变化数据，图表生成，是否预警，报表的生成等。
预警功能模块：用户首先对预警值进行设置，选择预警的三种方式方式（软件声音预警、现场声音预警、手机短信预警），系统通过预警设置自动选择预警的方式。
其他模块：包括查看图表、报表、原始数据、后处理数据等。
2.2预警软件实现
软件运行主界面如下图所示
2.3预警功能模块
预警功能是本软件最核心的功能之一，这个功能关系到能否及时将险情传达给管理人员，使得管理员能够有充裕的时间来处置险情。同时预警方式的多样化和人性化也很重要。
(1)预警阀值的设置
隧道量测变形的预警阀值是的设置一般是满足《建筑变形测量规范》、《公路隧道设计规范》、《工程测量规范》的同时结合工程自身的实际情况（工程质量、施工进度、技术措施以及经济情况等因素）来确定。预警阀值一般来说分为三个等级，比如：竖向位移一级预警阀值、竖向位移二级预警阀值、竖向位移三级预警阀值，其中一级预警级别最高，三级最低。等级的划分是为了让管理人员有缓冲的时间。
(2)预警的方式
预警的方式可以分为三类：软件声音预警、现场声音预警、手机短信预警。
软件声音预警是当超出预警阀值以后，系统自动播放已经准备好的声音源，提醒软件控制中心的值守人员有危险情况。
现场声音预警是将预警直接连接到隧道里面的扬声装置，提醒隧道的工作人员隧道发生险情赶紧采取措施，不需要等待控制中心的管理人员分析、上报再下达指令，从而尽快报警节约时间。
手机短信预警是将险情以手机短信的方式发送给管理人员，当管理人员不在控制中心的时候还是可以随时通过手机短信了解隧道的变形预警情况。这一功能对于运营中的隧道尤其适用，运营中的隧道相对相对来说比较稳定，管理人员相对也少，及时的短信提醒将最大程度减少信息的遗漏，见图4和图5。
图4 预警画面
图5 手机接收预警短信
3结论与展望
3.1结论
本系统针对隧道建设以及运营后的特点，充
分利用了测量机器人测量精度高，无需人工值守的优势。在此基础上利用后处理软件对隧道的变形数据进行读取、管理，通过对数据的处理分析得到数据处理表、图表、报表，并在此基础上通过设定的预警阀值来判断是否预警，预警的手段多样。同时对于内部的锚杆轴力、喷射混凝土应力、钢支撑内力、围岩压力、围岩位移也可以通过数据线连接电脑实时监测。本系统的运用不仅提高了工作效率，也使得隧道危险区域及运营隧道的监测人员的安全得到了保障。
3.2展望
本系统涉及的内容还很多，包括结合隧道环境及特点监控点的合理布设，后处理数据精度控制理论分析以及预警对于由外部振动、车辆撞击、人为因素等引起的偶然误差的判断，系统的稳定性研究，软件的优化等方面。每一个细节都关系到工程实际是否能稳定，高效的利用。本系统后处理软件是基于windows平台，其优点是平台稳定性好，使用普及，缺点是占用的空间位置较大，可移动性差。目前对于手机操作平台不论是苹果手机操作系统(ios)或者安卓手机操作系统（Android）都的应用也趋于成熟，手机的硬件也越来越强大，不管是处理器、闪存、内存都可以和电脑媲美。如果能开发出手机版本的监控软件，利用网络实时移动掌握变形数据，无需繁杂的机房，无需监控人员值守，更加会提高工作
效率。
参 考 文 献
[1]卫建东，包欢，徐忠阳，等．基于多台测量机器人的监测网络系统[J]．測绘学院学报，2005，22(2)：154-156．
[2]潘国斌，曾广然，吴森阳.基于GPS与GIS的土石坝自动化监测预警系统研究[J].长江科学院院报，2013，30(09)：110-113.
[3]王齐林. 地铁施工中广州中信广场沉降观测[J]. 地理空间信息, 2003, (5). [4]高改萍, 等.测量机器人变形监测自动化系统[J].人民长江, 2005, (3) .
[5]梅文胜，张正碌，郭际明.测量机器人变形监测软件系统研究[J].武汉大学学报.信息科学版.2002,27(02).
[6] 岳建平, 田林亚.变形监测技术与应用[M ] .北京:国防工业出版社, 2006.
[7] 张加颖, 等.基于TCA2003全站仪的变形监测系统的研究[ J ] .中国矿业, 2005, (3) .
关键词：测量机器人；隧道；变形监测系统；预警
中图分类号：U45文献标识码： A
随着我国公路、铁路、水电工程等建设的发展，隧道作为这些工程的重要组成部分也取得长足的发展,隧道的建设也日益增加，其安全与否成为建设工程的关键。隧道的安全也无论在施工期间还是在运营期间都要对其隧道进行变形监测, 以确保主体结构以及周边环境的安全。如何在复杂的环境中保证隧道的正常施工与运营, 是一个十分重要而又现实的问题。
施工期间的隧道监测内容主要包括周边建筑物监测、地表监测、洞内监测（周边收敛、拱顶沉降、锚杆轴力、围岩内部位移、围岩压力、衬砌应力和钢支撑内力监测）。隧道监测是新奥法的重要部分，在隧道施工中，通过对隧道围岩动态的量测，掌握围岩动态和支护结构的工作状态，利用量测结果调整设计支护参数，指导施工；通过量测预见事故和险情，以便及时采取措施防止事故发生。运营期间的隧道监测内容主要包括区间隧道沉降、区间隧道水平位移、区间隧道内部应力等。对其监测能够掌握隧道运营情况，保障隧道运营期间的安全。
不管施工期间隧道还是运营期间的隧道，其监测的特点是：监测项目多、线路长、测点多、观测频繁、数据量大, 给监测数据管理、分析等带来了繁琐的工作,以手工为主作业模式效率低下，从而需要的监测技术人员也比较多。传统的作业方式在运营的隧道中运用更是困难, 主要是测量人员进入隧道工作非常危险,给运营隧道的测量带来很多不便。须有一种简便高效、无人值守、自动的动态监测方法将监测数据实时的发送到实时运行的监测系统计算机终端，对数据进行高效的管理、计算分析、预警辅助决策。对提高隧道的安全管理水平具有重要的现实意义。
1系统架构
基于测量机器人的隧道变形监测预警系统的架构必须有以下优势，才能够满足用户的要求。
(1)远程无人测量、实时量测：系统安装调试后，可以24小时自动进行测量，实时返回数据。同时可以远程自由设置测量起止时间、测量周期等。
(2)差分解算、精度高：系统设置多种测量模式可选，既有传统后方交会、极坐标测量模式。根据不同现场条件选择，确保测量精度。
(3)支持多台设备：即可以同时控制多台设备同时工作；支持定制升级，满足更多设备接入。
(4)报表定制：按照相关规范输出原始观测数据报表，也可按照客戶要求可定制成果报表。更便于客户成果提交。
(5)支持监测功能扩展：软件在支持测量机器人接入的同时，也支持隧道内部监测的钢筋计、多点位移计等的接入，实现同步监控。
(6)维护方便：软件使用不需要专用指定电脑，即使监控电脑崩溃，换另外一台电脑安装软件作为监控机即可。避免因为软件许可问题造成工程延误。
1.1系统的组成
监测预警系统由五部分组成：测量机器人、监测站、控制计算机房、基准点和变形点组成。远程计算机通过因特网控制远程GPRS模块,可远程监视和控制监测系统的运行。系统在无需操作人员干预条件下,实现自动观测、记录、处理、存储、变形趋势图绘制、变形量报表编制和变形趋势显示、超限及时预警等功能。监测预警系统的组成示意图如图1所示：
图1 监测预警系统的组成示意图
1.2硬件构成
(1)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。根据精度要求，用户可以选用相应级别的测量机器人，如TS30全站仪，其静态测角精度为±0．5”，距离测量精度（棱镜）：精密，0.6mm+1 ppm/一般为7s；标准，1mm+1 ppm/一般为2.4s。测程为：反射贴片（60mm×60mm）250m,360°棱镜1500m，圆棱镜3500m。距离测量精度（无棱镜）为2mm+2 ppm/一般为3s，,测程为1000m。测量机器人在隧道中的应用如图2所示。
图2 机器人隧道布置图
(2)无线通讯模块。
要实现通过控制中心控制测量机器人采集数据，必须在两者之间建立可靠的通讯链路。通过Internet建立的通讯链路可分为有线方式和无线方式：有线方式是在测量机器人端连接一个调制解调器，然后通过网线或光纤。无线方式利用信号发射器进行蓝牙传输。
1.3软件构成
(1)测量机器人机载软件
多测回测角软件是建立高等级三角网、导线（网）以及大型构筑物和建筑物形变监测网时的主要观测手段。这些观测具有观测目标多、测回数多、精度要求高等特点，人工观测费时费力，作业效率难以提高。机载软件提供了高效、便捷的自动化测量，大大提高了工作效率，降低了劳动强度，同时满足了内、外业数据一体化、规范化的作业要求，充分显示了该机载软件的先进性、可靠性与经济性。
(2)预警软件
预警软件是整个系统非常重要的组成部分，它具有海量空间储存，能够实时的将传输来的数据进行管理、分析，管理人员在设置预警阀值，当通过计算得到数据超过阀值，软件自动进行预警。同时软件还具有数据查询、修改、删除功能以及将处理后的结果生成报表和绘制成图形的功能。由于自动化监测的特殊性，控制中心必须具备24小时全天候值守，要求软件实时释放内存，运行稳定，但是目前的测量机器人后处理软件在预警功能方面还比较欠缺。
2预警软件
2.1软件架构及功能
本软件是采用VB结合sql server 2000编
程开发，其系统的整体构架如图3所示。
图3 软件架构图
软件的结构主要是：数据库、数据管理与处理模块、预警模块、其他模块。模块具有如下功能：
数据库：是用于存储数据，并且方便数据的管理和调用，用户可以对数据库进行新建、删除、修改、备份、恢复等管理。
数据管理与处理模块：是把机器人传回的原始数据进行读取和存储入数据库，用户可以对数据进行添加、删除、修改等管理。数据的处理是从数据库调用数据进行数据的运算，得到结果：基站位移变化数据，图表生成，是否预警，报表的生成等。
预警功能模块：用户首先对预警值进行设置，选择预警的三种方式方式（软件声音预警、现场声音预警、手机短信预警），系统通过预警设置自动选择预警的方式。
其他模块：包括查看图表、报表、原始数据、后处理数据等。
2.2预警软件实现
软件运行主界面如下图所示
2.3预警功能模块
预警功能是本软件最核心的功能之一，这个功能关系到能否及时将险情传达给管理人员，使得管理员能够有充裕的时间来处置险情。同时预警方式的多样化和人性化也很重要。
(1)预警阀值的设置
隧道量测变形的预警阀值是的设置一般是满足《建筑变形测量规范》、《公路隧道设计规范》、《工程测量规范》的同时结合工程自身的实际情况（工程质量、施工进度、技术措施以及经济情况等因素）来确定。预警阀值一般来说分为三个等级，比如：竖向位移一级预警阀值、竖向位移二级预警阀值、竖向位移三级预警阀值，其中一级预警级别最高，三级最低。等级的划分是为了让管理人员有缓冲的时间。
(2)预警的方式
预警的方式可以分为三类：软件声音预警、现场声音预警、手机短信预警。
软件声音预警是当超出预警阀值以后，系统自动播放已经准备好的声音源，提醒软件控制中心的值守人员有危险情况。
现场声音预警是将预警直接连接到隧道里面的扬声装置，提醒隧道的工作人员隧道发生险情赶紧采取措施，不需要等待控制中心的管理人员分析、上报再下达指令，从而尽快报警节约时间。
手机短信预警是将险情以手机短信的方式发送给管理人员，当管理人员不在控制中心的时候还是可以随时通过手机短信了解隧道的变形预警情况。这一功能对于运营中的隧道尤其适用，运营中的隧道相对相对来说比较稳定，管理人员相对也少，及时的短信提醒将最大程度减少信息的遗漏，见图4和图5。
图4 预警画面
图5 手机接收预警短信
3结论与展望
3.1结论
本系统针对隧道建设以及运营后的特点，充
分利用了测量机器人测量精度高，无需人工值守的优势。在此基础上利用后处理软件对隧道的变形数据进行读取、管理，通过对数据的处理分析得到数据处理表、图表、报表，并在此基础上通过设定的预警阀值来判断是否预警，预警的手段多样。同时对于内部的锚杆轴力、喷射混凝土应力、钢支撑内力、围岩压力、围岩位移也可以通过数据线连接电脑实时监测。本系统的运用不仅提高了工作效率，也使得隧道危险区域及运营隧道的监测人员的安全得到了保障。
3.2展望
本系统涉及的内容还很多，包括结合隧道环境及特点监控点的合理布设，后处理数据精度控制理论分析以及预警对于由外部振动、车辆撞击、人为因素等引起的偶然误差的判断，系统的稳定性研究，软件的优化等方面。每一个细节都关系到工程实际是否能稳定，高效的利用。本系统后处理软件是基于windows平台，其优点是平台稳定性好，使用普及，缺点是占用的空间位置较大，可移动性差。目前对于手机操作平台不论是苹果手机操作系统(ios)或者安卓手机操作系统（Android）都的应用也趋于成熟，手机的硬件也越来越强大，不管是处理器、闪存、内存都可以和电脑媲美。如果能开发出手机版本的监控软件，利用网络实时移动掌握变形数据，无需繁杂的机房，无需监控人员值守，更加会提高工作
效率。
参 考 文 献
[1]卫建东，包欢，徐忠阳，等．基于多台测量机器人的监测网络系统[J]．測绘学院学报，2005，22(2)：154-156．
[2]潘国斌，曾广然，吴森阳.基于GPS与GIS的土石坝自动化监测预警系统研究[J].长江科学院院报，2013，30(09)：110-113.
[3]王齐林. 地铁施工中广州中信广场沉降观测[J]. 地理空间信息, 2003, (5). [4]高改萍, 等.测量机器人变形监测自动化系统[J].人民长江, 2005, (3) .
[5]梅文胜，张正碌，郭际明.测量机器人变形监测软件系统研究[J].武汉大学学报.信息科学版.2002,27(02).
[6] 岳建平, 田林亚.变形监测技术与应用[M ] .北京:国防工业出版社, 2006.
[7] 张加颖, 等.基于TCA2003全站仪的变形监测系统的研究[ J ] .中国矿业, 2005, (3) .