超高層建筑遠(yuǎn)程控制變形監(jiān)測系統(tǒng)摘要：隨著城市化進(jìn)程的加快,城市用地緊張。而高層建筑逐漸成為城市建筑中的重要組成部分。超高程建筑的安全監(jiān)測成為一個熱門話題，本文首先介紹了各種不同變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了超高層建筑遠(yuǎn)程控制變形監(jiān)測系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：超高層建筑；變形監(jiān)測；遠(yuǎn)程控制1變形監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方法對于監(jiān)測網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理屬于變形的幾何分析范疇，包括確定相對或絕對變形量的大小、幾何分布和變化規(guī)律。變形監(jiān)測網(wǎng)一般由參考網(wǎng)和相對網(wǎng)組成，對于監(jiān)測網(wǎng)周期觀測數(shù)據(jù)處理，主要是確定穩(wěn)定點，估計變形點相對于穩(wěn)定點（或基準(zhǔn)）的變形。對于零期和一期觀測，多采用秩虧自由網(wǎng)平差或擬穩(wěn)平差法做變形分析，一旦確定存在穩(wěn)定點，則仍以穩(wěn)定點為基準(zhǔn)進(jìn)行約束平差為宜。周期觀測點場穩(wěn)定性的統(tǒng)計檢驗與判別，通常采用平均間隙法和最大間隙法。對于監(jiān)測滑坡體的周期觀測網(wǎng)，在獲取到各期監(jiān)測點的位移值后，可采用聚類分析法進(jìn)行變形模式的拓樸約束識別，自動劃分變形塊體和估計各塊體的變形模型參數(shù)。[1]1.1回歸分析法取變形（稱效應(yīng)量，如各種位移值）為因變量，環(huán)境量（稱影響因子，如水壓、溫度等）為自變量，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計理論建立多元線性回歸模型，用逐步回歸法可得到效應(yīng)量與環(huán)境量之間的函數(shù)模型，用這種方法可做變形的物理解釋和變形預(yù)報。因為它是一種統(tǒng)計分析方法，需要效應(yīng)量和環(huán)境量具有較長且一致性較好的觀測值序列。在回歸分析法中，當(dāng)環(huán)境量之間相關(guān)性較大，可采用嶺回歸分析；如果考慮測點上有多個效應(yīng)量，如三向垂線坐標(biāo)儀、雙向引張線儀，二向、三向測縫計的觀測值序列，則可采用偏回歸模型，該模型具有多元線性回歸分析、相關(guān)分析和主成份分析的功能，在某些情況下優(yōu)于一般的逐步線性回歸模型。1.2時間序列分析法大壩變形觀測中，在測點上的許多效應(yīng)量如用垂線坐標(biāo)儀、引張線儀、真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、液體靜力水準(zhǔn)測量所獲取的觀測量都組成一個離散的隨機時間序列，因此，可以采用時間序列分析理論與方法，建立p階自回歸q階滑動平均模型ARMA（p、q）。一般認(rèn)為采用動態(tài)數(shù)據(jù)系統(tǒng)（DynamicDateSystem）法或趨勢函數(shù)模型+ARMA模型的組合建模法較好，前者把建模作為尋求隨機動態(tài)系統(tǒng)表達(dá)式的過程來處理，而后者是將非平穩(wěn)相關(guān)時序轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)時序，模型參數(shù)聚集了系統(tǒng)輸出的特征和狀態(tài)，可對變形進(jìn)行解釋和預(yù)報。若顧及粗差的影響，可引入穩(wěn)健時間序列分析法建模。對于小數(shù)據(jù)量的時間序列，可采用灰色系統(tǒng)理論建模，通過對原始數(shù)列采用累加生成法變成生成數(shù)列，可以減弱隨機性，增強規(guī)律性。在組合建模中，也可以通過建立灰微分方程提取變形的趨勢項。在時序分析中，一般是針對單測點，若顧及各測點間的相關(guān)性進(jìn)行多點的關(guān)聯(lián)變形分析，則可能取得更好的效果。1.3頻譜分析法對于具有周期性變化的變形時間序列（大壩的水平位移一般都具有周期性），可采用付立葉（Fourier）變換將時域信息轉(zhuǎn)到頻域進(jìn)行分析，通過計算各諧波頻率的振幅，找出最大振幅所對應(yīng)的主頻，可揭示變形的變化周期。若將測點的變形作為輸出，與測點有關(guān)的環(huán)境量作為輸入，通過對相干函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)和響應(yīng)譜函數(shù)進(jìn)行估計，可以分析輸入輸出之間的相關(guān)性，進(jìn)行變形的物理解釋，確定輸入的貢獻(xiàn)和影響變形的主要因子。1.4卡爾曼濾波法將變形體視為一個動態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)的狀態(tài)可用卡爾曼濾波模型即狀態(tài)方程和觀測方程描述，狀態(tài)方程中若含監(jiān)測點的位置、速率和加速率等狀態(tài)向量參數(shù)，則為典型的運動模型。這種模型特別適合滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)處理，也可用于靜態(tài)點場、似靜態(tài)點場（如變形監(jiān)測網(wǎng)）在各周期觀測中顯著性變形點的檢驗識別。該法的優(yōu)點是有嚴(yán)密的遞推算法，不需要保留使用過的觀測值序列，而且可把模型的參數(shù)估計和預(yù)報結(jié)合在一起。該法是一種變形的動態(tài)幾何分析方法。應(yīng)用時需注意初始狀態(tài)向量及其協(xié)方差陣以及動態(tài)噪聲向量協(xié)方差陣的確定，采用自適應(yīng)卡爾曼濾波可較好地解決后一問題。1.5有限元法有限元法是一種采用確定函數(shù)模型直接求解變形的具有先驗性質(zhì)的方法，屬于確定函數(shù)法，它不需要做任何變形監(jiān)測。將混凝土大壩按一定規(guī)則劃分為很多計算單元，根據(jù)材料的物理力學(xué)參數(shù)（如彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力以及容重等），建立荷載與變形之間的函數(shù)關(guān)系，在邊界條件下，通過解算有限元微分方程，可得到有限元結(jié)點上的變形。計算的變形值與單元劃分、函數(shù)模型和物理力學(xué)參數(shù)選取有關(guān)，假設(shè)性較大，同時，未考慮外界因子的隨機影響，因此，用該法所計算的變形僅作參考。如果計算的變形值與實測值有較大的差異，往往需要對模型和參數(shù)進(jìn)行修改并進(jìn)行迭代計算。若根據(jù)實測變形值采用確定性函數(shù)反求變形體材料的物理力學(xué)參數(shù)，則稱為反演分析法。反演分析法一般與有限元法聯(lián)合使用。1.6人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法大壩變形與影響因子之間是一種非線性、非確定性的復(fù)雜關(guān)系，模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法將生物特征用到工程中，用計算機解決大數(shù)據(jù)量情況下的學(xué)習(xí)、識別、控制和預(yù)報等問題，是新近發(fā)展起來的一種行之有效的方法，對于具有大量監(jiān)測資料的大壩安全分析與預(yù)報尤其適合。以影響因子作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，以變形量作為輸出層，中間為隱含層的三層反傳（backpropagation）模型（稱BP網(wǎng)絡(luò)模型）最為成熟，網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)（每層特別是隱含層的節(jié)點數(shù)確定）、反傳訓(xùn)練算法、初始權(quán)選取和權(quán)值調(diào)整、步長和動量系數(shù)選擇、訓(xùn)練樣本質(zhì)量、訓(xùn)練收斂標(biāo)準(zhǔn)等是重要的研究內(nèi)容。此外，將小波分析與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合預(yù)報方法，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)相結(jié)合建立大壩變形、預(yù)報的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)也極具應(yīng)用前景。1.7小波分析法小波理論作為多學(xué)科交叉的結(jié)晶在科研和工程中被廣為研討和應(yīng)用。小波變換被譽為“數(shù)學(xué)顯微鏡”，它能從時頻域的局部信號中有效地提取信息。利用離散小波變換對變形觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分解和重構(gòu)，可有效地分離誤差，能更好地反映局部變形特征和整體變形趨勢。與付里葉變換相似，小波變換能探測周期性的變形。將小波用于動態(tài)變形分析，可構(gòu)造基于小波多分辨卡爾曼濾波模型。將小波的多分辨分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)逼近能力相結(jié)合，建立小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合預(yù)報模型，可用于線性和非線性系統(tǒng)的變形預(yù)報。[2]2.高層變形監(jiān)測系統(tǒng)概述一個比較成熟的超高層建筑物遠(yuǎn)程控制變形監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備4個基本組成部分，分別是傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)（又可分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)）、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)（數(shù)據(jù)的存儲管理及部分曲線圖表）和預(yù)報預(yù)警子系統(tǒng)（包括分析顯示、安全評估及報表輸出部分），其組成結(jié)構(gòu)如下圖所示。超高層建筑遠(yuǎn)程控制變形監(jiān)測系統(tǒng)圖5.1圖5.1系統(tǒng)組成傳感器子系統(tǒng)1）傳感器子系統(tǒng)傳感器是變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的源頭，可將位移、傾斜、加速度、速度、溫度、氣壓等監(jiān)測量轉(zhuǎn)換成電信號輸出，負(fù)責(zé)感知外界環(huán)境變化和收集建筑體結(jié)構(gòu)效應(yīng)信息的任務(wù)，它們的性能和布設(shè)方法直接決定了監(jiān)測精準(zhǔn)性和全面性。適用于超高層建筑安全變形監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器子系統(tǒng)必須具備如下特性：a傳感器性能指標(biāo)滿足測量要求；b高可靠性和高耐久性；c與通信、采集等系統(tǒng)設(shè)施兼容，具有一定擴展性；d傳感器元件不影響施工及結(jié)構(gòu)性能。[3]2）數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)主要功能包括：a收集傳感器輸出的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行信號處理；b存儲采集到的數(shù)據(jù)；c把數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。子系統(tǒng)的組成包括硬件和軟件兩部分：硬件部分主要包括各類信號傳輸介質(zhì)、信號轉(zhuǎn)換裝置及信號中繼器設(shè)備等，常用的有電纜、光纖/Wi-Fi、RS232/RS485串口通信設(shè)備、數(shù)模轉(zhuǎn)換（A/D）卡、數(shù)據(jù)采集儀、工控機等，對于這些部分的設(shè)計出了滿足正常使用，還應(yīng)考慮性價比的原則；軟件部分主要為串口通信程序，可以通過指令的形式遠(yuǎn)程操控各類傳感器，并實時獲取其測量數(shù)據(jù)并返回結(jié)果，功能是集成并處理數(shù)據(jù)，將各種數(shù)據(jù)恓有條理有重點地反饋給監(jiān)測人員，并通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。另外值得一提的是，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要連續(xù)不間斷的供電保障，因此需要布設(shè)專門的輸電線路及安裝UPS電源設(shè)備。在變形監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集一般分為自動采集和人工采集兩種方式，并且自動采集方式承擔(dān)了大部分的數(shù)據(jù)采集工作。所謂的自動采集是指由各類傳感器組成的自動實時采集系統(tǒng)，當(dāng)傳感器采集系統(tǒng)無法正常工作或者需要進(jìn)行某些人工監(jiān)測作業(yè)（如沉降監(jiān)測）時，則系統(tǒng)切換人工采集模式。在自動采集方式中，各類型傳感器能將位移、加速度、速度、應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等監(jiān)測數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成可以進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸?shù)碾娮有盘?，以用戶自定義的時間間隔不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行工作，并將采集到的數(shù)據(jù)存入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。在人工采集方式下，可以將數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)預(yù)留的人工數(shù)據(jù)輸入接口，按照規(guī)范格式輸入到系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫中。遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)的采集需要Internet/Intranet幫助，通過網(wǎng)絡(luò)可以將系統(tǒng)內(nèi)的所有傳感器采集數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理工作、現(xiàn)場非實時的數(shù)據(jù)分析工作和健康診斷工作交與遠(yuǎn)程服務(wù)器終端進(jìn)行。這種工作模式，有利于研究人員和工程用戶隨時了解現(xiàn)場系統(tǒng)的運作情況及相關(guān)參數(shù)的變化，根據(jù)變化在客戶機上向控制端發(fā)出指令對系統(tǒng)的運作做相應(yīng)的調(diào)整，這樣不僅提高了數(shù)據(jù)信息應(yīng)用的效率，也達(dá)到了遠(yuǎn)程控制的目的。[4]3） 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中的主要功能就是實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效存儲和管理，包括數(shù)據(jù)修改、刪除、查詢、備份等操作。變形監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的性能直接影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與高效性。監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息由項目信息、用戶信息及監(jiān)測數(shù)據(jù)信息等構(gòu)成。項目信息由系統(tǒng)人機交互接口通過人工輸入的方式輸入到數(shù)據(jù)庫中。同樣，在創(chuàng)建管理用戶的過程中，用戶信息自動的被保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。而數(shù)據(jù)庫中最為重要的監(jiān)測數(shù)據(jù)是通過數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)由傳感器端自動采集、上傳而獲得。數(shù)據(jù)庫按存儲方式的不同分為集中式數(shù)據(jù)集合分布式數(shù)據(jù)庫。顧名思義，前者即是把數(shù)據(jù)集中在一起然后進(jìn)行統(tǒng)一管理；后者的數(shù)據(jù)分布各個網(wǎng)絡(luò)結(jié)點上，因此數(shù)據(jù)的處理任務(wù)由局部處理機來完成。前者的優(yōu)點是減少了數(shù)據(jù)之間的冗余和不一致性，缺點是由于系統(tǒng)相當(dāng)龐大造成操作復(fù)雜、資源開銷大、處理不同領(lǐng)域問題時表現(xiàn)出的笨拙性及信道的擁堵現(xiàn)象；后者的優(yōu)點是響應(yīng)速度快、經(jīng)濟靈活、負(fù)荷分散均衡、可擴展性好幾偶然故障的全局影響性小等，缺點是通信開銷大、安全性和保密難控制、存取結(jié)構(gòu)復(fù)雜及系統(tǒng)故障率高等。4） 預(yù)報預(yù)警子系統(tǒng)預(yù)報預(yù)警子系統(tǒng)的功能體現(xiàn)在兩個方面，一方面是數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)的分析預(yù)測、分析曲線等圖表的繪制與顯示；另一方面是依據(jù)相關(guān)理論及科學(xué)研究，準(zhǔn)確、客觀地評價超高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和正常使用的性能，生成報表、給出建議，為超高層建筑的維護(hù)與管理提供決策依據(jù)，必要時發(fā)出預(yù)警以保證人員的生命財產(chǎn)安全。數(shù)據(jù)分析的方法主要動力指紋分析法、模型修正法語系統(tǒng)識別法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法、小波變換等，而目前在超高層建筑中應(yīng)用較為廣泛的為前兩種方法?？煽慷壤碚撌悄壳捌毡檫m用于結(jié)構(gòu)安全性評估的方法，安全評定的內(nèi)容包括正常使用狀態(tài)評定和極限承載力狀態(tài)評定?？煽慷葦?shù)據(jù)分析可分為實時分析和事后分析兩種模式，實時分析主要以及時預(yù)警為目的，事后分析主要以精確預(yù)報和科學(xué)研究為目的。在實時分析模式下，各類傳感器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器后，數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)隨即開始工作。首先從返回的測量信息里判斷外界環(huán)境的穩(wěn)定性，儀器的穩(wěn)定性，并根據(jù)基本的參數(shù)資料和評判識別準(zhǔn)則，對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值標(biāo)識、突變值標(biāo)識以及趨勢性變化識別，以判斷測量數(shù)據(jù)是否符合用戶定義的要求等，不合理的數(shù)據(jù)將進(jìn)行重新采集。最后將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)存入測量數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫中。在事后分析模式下，根據(jù)用戶需要應(yīng)用相關(guān)算法對原始數(shù)據(jù)（或預(yù)處理后數(shù)據(jù)）進(jìn)行處理，得到比較精確、可靠的建筑物變化數(shù)據(jù)。此外，在兩種模式下經(jīng)過分析后的數(shù)據(jù)，均可在該子系統(tǒng)中以曲線圖的形式展現(xiàn)出來，供相關(guān)人員使用。報表輸出部分的功能是將原始觀測數(shù)據(jù)及其分析成果經(jīng)過編輯、審查、論證環(huán)節(jié)，按照用戶要求的格式，以規(guī)范化圖表相結(jié)合的形式輸出成報表文件，并可以將最終成果做成紙質(zhì)檔案及電子檔案發(fā)送給用戶。實時預(yù)警部分的主要功能是建立預(yù)報模型，根據(jù)已經(jīng)觀測到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行計算分析，并對可能會發(fā)生的某些突發(fā)情況進(jìn)行預(yù)警。預(yù)警結(jié)果通過短信、e-mail等現(xiàn)代通訊手段實時提供給相關(guān)的技術(shù)人員及管理人員，以便及時處理這些信息。預(yù)警子系統(tǒng)也將這些結(jié)果自動存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，以便相關(guān)人員日后進(jìn)行查找、分析與參考。[5]2．1系統(tǒng)物理框架本遠(yuǎn)程控制變形監(jiān)測系統(tǒng)，以具體的超高層建筑結(jié)構(gòu)體為基本適用對象，將現(xiàn)代的結(jié)構(gòu)理論、分析預(yù)報理論、信號處理、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、各類傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理、軟件開發(fā)及硬件研制與搭建等集為一體，把土木工程、數(shù)理統(tǒng)計、計算機等學(xué)科交叉融合在一起，能夠遠(yuǎn)程實時動態(tài)監(jiān)測超高層建筑在外界環(huán)境因素作用下的變形效應(yīng)，為安全施工提供指導(dǎo)性信息，為結(jié)構(gòu)的安全評定的提供科學(xué)依據(jù)，從而保證建筑體的健康狀態(tài)，延長建筑體的壽命。本課題搭建的系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)整體框架由三大部分組成。第一是設(shè)備的主體部分：本文根據(jù)實際的項目需要選擇了四個傳感器或者測量設(shè)備，分為測量機器人（TM30）、電子傾斜儀（NIVEL220）、激光投點圖像位移計（CMOS）及氣象計；第二為本地監(jiān)測部分，本地的連接主要是有線傳輸，如USB、R232或R485等比較短的線纜，適用于現(xiàn)場監(jiān)測；第三為遠(yuǎn)程控制部分，主要依靠網(wǎng)絡(luò)適配器模塊，將監(jiān)測設(shè)備連入局域網(wǎng)，進(jìn)而實現(xiàn)遠(yuǎn)程連接與控制。本課題系統(tǒng)實現(xiàn)了串口通信、自動化控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)簡單處理、部分變形曲線顯示及簡單的分析報告等功能。[6]2.2系統(tǒng)軟件功能框架系統(tǒng)軟件功能的設(shè)計與實現(xiàn)，以選擇的監(jiān)測設(shè)備為基礎(chǔ)，以項目監(jiān)測要求為指導(dǎo)，以滿足工程的基本要求為方針。系統(tǒng)的開發(fā)工具為MicrosoftVisual2010，開發(fā)環(huán)境為.NetFramework3.5，編程語言為Csharp，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫本系統(tǒng)中選擇了SQLite，還涉及其它方面的軟件環(huán)境，如Csharp界面設(shè)計組件DevComponents.DotNetBar2.dll、MicrosoftOffice下的Excel等。根據(jù)本人實際完成的工作，系統(tǒng)軟件功能框架如圖5.4。本系統(tǒng)的功能主要是數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)的存儲和預(yù)處理、數(shù)據(jù)的分析及變形圖標(biāo)的可視化。系統(tǒng)中設(shè)計的四種測量儀器分別是，傾斜儀、圖像位移計、測量機器人和氣象計。根據(jù)需要每個設(shè)備的功能模塊并不一致，如每個測量設(shè)備都有項目文件管理、相關(guān)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)實時動態(tài)顯示及數(shù)據(jù)存儲功能，而后期的數(shù)據(jù)分析及顯示的功能只存在與除傾斜儀的三個測量設(shè)備中；每個測量設(shè)備功能獨立性較大，功能相關(guān)性較弱。因此有待進(jìn)一步的改進(jìn)、提升與擴展，如數(shù)據(jù)融合管理、可靠的安全健康狀況評估等。2.3系統(tǒng)功能模塊的實現(xiàn)本章節(jié)對系統(tǒng)的功能模塊進(jìn)行具體的介紹：先對系統(tǒng)的主界面進(jìn)行簡單介紹，主界面呈現(xiàn)了系統(tǒng)的基本功能，而后對三個測量子系統(tǒng)的功能進(jìn)行詳細(xì)介紹。2.3.1主界面超高層建筑遠(yuǎn)程控制變形監(jiān)測系統(tǒng)主要包括文件、監(jiān)測類型、數(shù)據(jù)管理、安排評估四大模塊。監(jiān)測類型模塊是主要的功能模塊，根據(jù)監(jiān)測的效應(yīng)量選擇使用的設(shè)備類型：全站儀、傾斜儀、圖像位移計、氣象計。有待完善的模塊為數(shù)據(jù)管理和安全評估模塊，下面重點介紹全站儀監(jiān)測子系統(tǒng)、傾斜儀監(jiān)測子系統(tǒng)和圖像位移計監(jiān)測子系統(tǒng)，該三個測量子系統(tǒng)是應(yīng)廣州東塔項目需求專門研發(fā)的，能夠滿足專項測量需求。它們有如下共同特點：提供了高效、便捷的自動化測量，大大提高了工作效率，降低了勞動強度；可實現(xiàn)全天候測量，為加快施工速度創(chuàng)造良好條件；同時滿足了內(nèi)、外業(yè)數(shù)據(jù)一體化、規(guī)范化的作業(yè)要求，充分顯示系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性與經(jīng)濟性；實時數(shù)據(jù)處理，該軟件檢測系統(tǒng)不僅可以自動完成數(shù)據(jù)采集功能，而且可以實時對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過圖形實時顯示，大大提高了作業(yè)效率，也對作業(yè)人員提供更加可靠的判斷依據(jù)；容錯性高，可以在程序編寫界面實時對儀器進(jìn)行控制和調(diào)試，便于軟件的維護(hù)，開發(fā)人員在編寫該軟件時，對程序異常情況處理較好，使得本軟件的容錯性較高，可以有效避免軟件崩潰。全站儀監(jiān)測子系統(tǒng)全站儀測量子系統(tǒng)硬件部分由一臺或多臺具有GeoCOM開發(fā)環(huán)境的徠卡測量機器人和PC機組成。主要功能是能夠滿足結(jié)構(gòu)監(jiān)測點多周期、多測回重復(fù)觀測的需求并實時顯示各監(jiān)測點的運動軌跡圖。該子系統(tǒng)的主要特點：限差設(shè)置靈活，可以是國家測量規(guī)范中的限差，也可以根據(jù)具體的需求自定義設(shè)置各項限差；自動觀測，完成學(xué)習(xí)測量后儀器可以自動尋找目標(biāo)，對目標(biāo)進(jìn)行自動照準(zhǔn)，完成多測回測量并對測量數(shù)據(jù)實時檢查保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，超限后可以自動處理或報警；數(shù)據(jù)管理穩(wěn)定，數(shù)據(jù)管理部分采用SQlite數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)導(dǎo)出穩(wěn)定可靠，與傳統(tǒng)的文件管理方式相比，更一步提高了軟件的性能；軟件開始面板顯示了該軟件的主菜單，菜單具體功能如下：（1） 項目管理：主要是對項目管理，包括新建項目、打開項目、刪除項目及程序退出功能；（2） 參數(shù)配置：主要是配置測量參數(shù)，包括通訊參數(shù)、測站設(shè)置和限差設(shè)置。（3） 數(shù)據(jù)采集：包括學(xué)習(xí)測量、任務(wù)配置和自動測量三部分。學(xué)習(xí)測量是初始測量，需要操作人員輸入監(jiān)測點點名等信息并進(jìn)行首次測量，自動測量時在學(xué)習(xí)測量的基礎(chǔ)上完成自動化監(jiān)測工作。（4） 數(shù)據(jù)管理：主要是完成監(jiān)測點運動軌跡的圖形顯示和觀測值數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。（5） 幫助：主要是軟件的相關(guān)信息。1）自動化監(jiān)測流程按照子系統(tǒng)的功能，對全站儀監(jiān)測子系統(tǒng)操作流程進(jìn)行簡單介紹。首先，新建一個工程項目，通過設(shè)置PC機與儀器的通訊串口參數(shù)連通全站儀，并在測站定向后設(shè)定水平角、豎直角及距離測量的限差；然后，對監(jiān)測目標(biāo)進(jìn)行學(xué)習(xí)測量，即在最初的半個測回，人工依次粗略照準(zhǔn)各個目標(biāo)點，依次對各點進(jìn)行測量，并保存學(xué)習(xí)測量數(shù)據(jù)；最后，根據(jù)任務(wù)配置，全站儀會按照配置完成自動化監(jiān)測任務(wù)。[7]數(shù)據(jù)管理在SQLite數(shù)據(jù)庫管理下，使數(shù)據(jù)能夠結(jié)構(gòu)化存儲，同時具有部分圖表繪制的功能，主要是監(jiān)測點多期成果的一個變形曲線圖和各監(jiān)測點的變化軌跡圖，如圖5.8所示。為方便原始數(shù)據(jù)的打印和不同層次的需求，該子系統(tǒng)還添加并實現(xiàn)了觀測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫形式到傳統(tǒng)觀測手簿的轉(zhuǎn)換功能，導(dǎo)出的觀測手簿為excel.xls格式。圖像位移計子系統(tǒng)1)系統(tǒng)研發(fā)介紹鑒于該子系統(tǒng)包括硬件部分都是自研的，有必要先對其構(gòu)成、原理等進(jìn)行簡單介紹。本系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件部分包括垂準(zhǔn)儀(激光發(fā)射器)、激光接收靶、標(biāo)定板及CCD圖像傳感器、圖像采集卡等；軟件部分包括相機標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析等。圖中A部分是硬件設(shè)計的核心部分，具有構(gòu)思靈巧、原理簡單、結(jié)構(gòu)精巧、可行性和實用性強等特點。數(shù)據(jù)采集前，接收靶位置被標(biāo)定板取代，以便對相機進(jìn)行標(biāo)定。工作原理垂準(zhǔn)儀或投點儀向上垂直發(fā)射激光束(激光束形狀一般有兩種：單點型和環(huán)珊型)，安置在相應(yīng)位置的精密接收儀經(jīng)整平后將投射的激光束成像在內(nèi)部固定位置的接收靶上，位于接收靶上面相對位置固定的圖像傳感器對其拍攝獲取激光束圖像，經(jīng)過光電數(shù)模等轉(zhuǎn)換將圖像信號送入數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡對其進(jìn)行調(diào)理、采集、緩存，并通過USB2.0接口將數(shù)據(jù)輸送到計算機；軟件系統(tǒng)在計算機在程序控制下實時對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運算，獲取激光束中心實時位置，并通過用戶界面控件實時顯示投點位置的坐標(biāo)及其變化情況；最后根據(jù)實時位移數(shù)據(jù)及后處理數(shù)據(jù)綜合分析接收儀安置位置相對于垂準(zhǔn)儀安置位置的運動狀態(tài)，并作出判斷和修正意見。[8]核心算法及技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)采集的核心算法是一種自適應(yīng)閾值激光光斑中心定位方法，該方法基于自適應(yīng)閾值圖像二值化方法，然后提取二值化后的激光光斑邊緣，最后利用最小二乘橢圓擬合法確定激光光斑的中心坐標(biāo)，具體流程如圖5.11所示。經(jīng)實驗驗證，本系統(tǒng)測量技術(shù)指標(biāo)如下：a測量范圍：Y方向90mm,X方向90mm；b測量精度：±0.2mm；c分辨率：0.08mm；d采集速率：24次/s。2）功能介紹該子系統(tǒng)的主要功能是完成對超高層建筑體不同樓層段間的撓度變化進(jìn)行監(jiān)測，實時顯示各監(jiān)測點的周日擺動軌跡圖，并探討其周日變化規(guī)律，為平面控制網(wǎng)點的豎向傳遞提供改正數(shù)據(jù)，控制施工質(zhì)量，提高建筑體的垂直度。該子系統(tǒng)的主要特點有：創(chuàng)新性高，該系統(tǒng)的硬件及軟件部分都是根據(jù)項目需求及現(xiàn)場環(huán)境特點自研開發(fā)的；實用性強，設(shè)備構(gòu)造簡單，費用低，可批量生產(chǎn)以適應(yīng)超高層建筑大量涌現(xiàn)的需要；光斑提取方法靈活，根據(jù)具體情況（包括光斑形狀與成像效果），可以人工的選擇光環(huán)光環(huán)中心提取法和重心法；數(shù)據(jù)獲取安全可靠，當(dāng)光斑被遮擋超過一定的時間,自動報警，提示工作人員及時處理。（1）主菜單：菜單具體功能如下：文件：主要針對項目管理，包括新建項目、打開項目、保存項目及關(guān)閉（程序退出功能）。數(shù)據(jù)采集：主要是實時采集數(shù)據(jù)，包括視頻顯示、點位實時變化、相機控制及測量方式選擇及控制功能。數(shù)據(jù)分析：主要是數(shù)據(jù)后處理，包括讀取數(shù)據(jù)、粗差剔除、曲線擬合及展點功能。當(dāng)前數(shù)據(jù)擬合方法為多項式擬合，展點即顯示撓度二維變化曲線。相機標(biāo)定：主要是利用直接線性變換方法，求取相機的各項參數(shù)。視圖：主要是對界面的可視化控件排列方式的控制，包括水平和豎直兩種排列顯示方式。幫助：主要是軟件的相關(guān)信息。收起/展開：對工具欄進(jìn)行折疊展開控制（2）用戶窗口視頻和工程信息：相機實時拍攝的動態(tài)影像屬性項：當(dāng)前項目的相關(guān)信息中間區(qū)域：顯示監(jiān)測點的坐標(biāo)變化信息或整體變化曲線1）在線監(jiān)測流程按照子系統(tǒng)的功能，對全站儀監(jiān)測子系統(tǒng)操作流程進(jìn)行簡單介紹：首先，將制作好的標(biāo)定靶放入接收儀中，進(jìn)行相機標(biāo)定；然后，用接收靶換掉標(biāo)定靶，打開激光投點儀，并調(diào)整位置使得激光環(huán)珊能夠成像接收靶的適當(dāng)位置；之后選擇激光類型，設(shè)定相機參數(shù)，使得圖像盡量清晰且提取光斑中心的精度最高；最后，設(shè)定監(jiān)測頻率，進(jìn)行在線監(jiān)測。2）數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析模塊，屬于數(shù)據(jù)后處理部分。分析前，先讀取數(shù)據(jù)庫中采集的源數(shù)據(jù)，然后預(yù)處理、擬合并將繪制效果曲線；在分析過程中，分析報告的部分參數(shù)，如擬合精度、撓度變化量或橢圓擬合參數(shù)等，以文字形式描述在界面中。傾斜儀監(jiān)測子系統(tǒng)傾斜測量子系統(tǒng)硬件部分由一臺或多臺NIVEL220雙軸高精度傾斜儀和PC機組成，通過R485信號總線與PC機相連。傾斜測量系統(tǒng)主要功能是對結(jié)構(gòu)的傾斜情況進(jìn)行連續(xù)的實時監(jiān)測，記錄個樓層上儀器的數(shù)據(jù)，輸出大樓與垂直軸線偏移的X軸和Y軸值，并能夠使監(jiān)測值實時動態(tài)的顯示出來，為模版安裝定位提供測量基準(zhǔn)；傾斜值依據(jù)相關(guān)理論轉(zhuǎn)化為撓度值，可與圖像位移計子系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果作相互對比。該子系統(tǒng)的特點主要有：測量頻率較高，可達(dá)3HZ；測量效率高、累積誤差小等。[9]1）超高層建筑撓度變化監(jiān)測原理將角位移轉(zhuǎn)化為（水平）位移，僅當(dāng)結(jié)構(gòu)的撓曲形狀已知時才有可能。對于單

一的框架結(jié)構(gòu)，是容易做到的。圖5.12(A)顯示了位移和由測斜儀測量的傾斜角之間的關(guān)系：位移D二H?tanA，其中H為傾斜儀安置處建筑物的高度，A為監(jiān)測的傾斜角，而實際上建筑體傾斜并不是線性，而是一條曲線，那么實際的位移d與D之間存在差異。利用微積分原理，經(jīng)簡化后可以得到一種近似計算［17］。如圖5.12(B)所示，其中S為塔體偏移的相對位移，AH為檢測建筑體的相對高度，H和H分別為檢測點的高度，AH可以分為n段(n為傾斜儀個數(shù))，假設(shè)每12段的長為Li，而且每段Li所對應(yīng)的傾斜角度為d9(i=1,2,...,n)，即所檢測塔體的i傾斜位移為：s=lxd0+Lxd0+...+Lxd0+...Lxd0(i<n)。再次簡化模型，1 1 2 2 iinn測站i與i+1之間的相對水平位移按下式計算：Ad=0.5?(AO+A0)?(H-H)式中：A9為測站i的角位移，以弧度為單位。i+1 i i+1 i+1i iH為測站i的高程(米)。iABH1H2ABH1H2圖2.8傾斜儀監(jiān)測撓度原理圖2)系統(tǒng)簡介傾斜測量子系統(tǒng)采用的通信接口是R485,最多可連接32臺同一系列的傾斜儀，在超高層建筑的傾斜監(jiān)測應(yīng)用中，往往需要多臺儀器。如需實現(xiàn)多臺傾斜儀同時監(jiān)測且進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和控制，就要實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能。在無線通信網(wǎng)絡(luò)信號比較好的情況，本實驗平臺采徠卡NIVEL220電子傾斜儀，用R485轉(zhuǎn)R232串口轉(zhuǎn)換器與ZigBee設(shè)備