天津市地球物理勘探中心 天津市 300170
摘要：新型测量技术应用范围广，城市轨道交通工程、隧道工程、地下采矿工程都需要利用该技术建立井上下统一的测量系统，保证地下工程按设计施工，确保贯通。传统方法是通过矿井定向和高程传递两种方式实现，为了解决传统方法投点、连接测量、高程传递分开进行，对测量条件要求较高且测量误差较大的问题，需要利用先进的测量技术和手段，开展自动化、高效率的测量方法研究。
关键词：双测量机器人；土石坝表面变形；自动化监测技术
引言
随着水利信息化建设的快速发展，自动化、信息化、智能化的大坝安全监测技术已成为大坝安全监测的重要发展方向。土石坝是世界大坝工程建设中应用最为广泛一种坝型，其表面变形监测是重要安全监测项目，表面变形监测是判断大坝安全状态的重要途径之一。水库大坝的表面变形监测一般采用人工观测，这种观测方法在观测场景、测量精度、观测量程等方面均具有明显短板。基于双测量机器人的土石坝智能变形监测成套技术实现了“无人值守”的现代水库管理模式。在保证观测精度的基础上，实现了大坝安全自动化监管，有效改善了大坝表面变形观测的难题。结合应用实例观测信息进行大坝表面变形智能变形监测分析与系统集成显得尤为重要。研究变形监测数据整编分析方法，进行数据库管理、数据误差修正、整理与计算、整编分析和数据发布，可实现测量机器人变形监测数据智能化分析，进而实现大坝安全分析，预测大坝变形趋势，进行预警报警，加强安全监管，可弥补工程管理信息化短板。
1双测量机器人观测系统
测量机器人（MeasurementRobot）是一种智能型电子全站仪，能自动进行搜索、跟踪、辨识和精确照准目标，并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息。在全站仪的基础上，智能型电子全站仪的研发集成了激光、精密机械、微型计算机、CCD传感器以及人工智能技术。在计算机控制下，机器人可自动识别目标、精确照准、自动记录测量数据，无接触自动遥测目标，且不受白天黑夜影响。目前主要测量机器人包括徕卡TM、TS系列，测角精度0.5″，测距精度为±（0.6+1ppm）mm。双测量机器人观测系统主要由基站、基准点、监测点组成，通过测量机器人、传输系统、控制系统、数据分析软件等系统来实现自动化监测。测量机器人基站由观测墩、测量机器人、观测房组成，布设在大坝左右岸稳定山体上。测量机器人架设于基点上，为坐标原点，要求基础稳定、通视条件良好，仪器标高固定。基准点位于变形区以外的稳固处，布设有观测墩和特制棱镜，与坝区基准点一起组成控制网，为系统数据处理提供基准。监测点分布在土石坝表面，反映监测目标的变形状态。监测点由观测墩、正对基站的棱镜、数字式温度计和气压计组成；根据工程实际和规范要求，较均匀地布设于变形体有代表性的横纵断面上。采用双测量机器人系统，通过两个测量机器人同时对向观测监测点的变形情况，并利用数值分析方法，减少观测误差。其中，垂直位移观测采用三角高程法，进行对向三角高程测量；水平位移观测采用极坐标法，进行对向极坐标测量。
2基于双测量机器人的土石坝表面变形自动化监测技术
2.1时序分析
时序分析主要是以分析时间序列的发展过程、方向和趋势，预测将来时域可能达到目标的方法，分析效应量随时间的变化规律和在空间分布上的特点。
（1）以相关历史资料数据为依据，区别不规则变动、循环变动、季节变动等不同时间的动势，特别是连续的长期动势，并整理绘出统计图。
（2）从系统原则出发，综合分析时间序列，反映因果联系及影响，分析各种作用力的综合作用。
（3）运用数学模型，如移动平均法、季节系数法、指数平滑法求出时间序列以及将来时态的各项预测值。时序分析适用以数据量化的时序系统，主要是以概率统计分析随时间变化的随机系统。
2.2相关性分析
相关性分析是通过分析效应量的主要影响因素及其定量关系和变化规律，以寻求效应量异常的主要原因，考察效应量与原因量相关关系的稳定性。为确定相关变量之间的关系，首先收集由时间、测值组成的成对数据，然后在直角坐标系上描述这些点，形成“散点图”。根据散点图，当自变量取某一值时，因变量对应为一概率分布。如果对于所有自变量取值的概率分布都相同，则说明因变量和自变量不存在相关关系，反之亦然。
2.3回归分析
回归分析主要是预报效应量的发展趋势并判断其是否影响工程的安全运行，并分析效应量观测值的特征值和异常值等。回归分析是确定两种或两种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法，分为一元回归和多元回归分析。
线性回归使用最佳的拟合直线（也就是回归线）在因变量Y和一个或多个自变量X之间建立一种关系。多元线性回归可表示为Y=a+b1X1+b2X2+e，其中a表示截距，b表示直线的斜率，e是误差项。多元线性回归可以根据给定的预测变量s来预测目标变量的值。
2.4专项分析
专项分析是根据工程需要和工程特性，针对建筑物的某一特性采取综合分析的一种方法，例如历次巡视检查对比分析、坝体浸润线分析、渗透坡降分析等，专项分析更加直观具体，针对性更强，能为后期的分析评价提供更有效的依据。如某水库2002，2006，2014年和2015年的典型监测断面浸润线的变化过程，通过对比分析其渗透坡降的变化趋势；分析某水库典型监测断面的实测浸润分布，对大坝安全有很重要的参考价值。
2.5系统实现
基于双测量机器人的土石坝智能变形监测技术在水库得到成功应用。在实现测量机器人信息集成的基础上，结合工程需要，采用了部分监测资料分析方法，完成了以安全监测资料整编分析为核心的业务信息系统研发。系统功能包括数据查询、数据整理、资料整编、时序分析、相关分析、回归分析和资料整编报告生成等功能。该系统可为管理人员提供简单易操作的专业整编分析功能。
系统采用Springboot后端框架，按照分布式SOA技术架构，以面向服务的组件模式，为管理单位提供在线的资料整编分析技术服务。利用业务信息系统的功能，通过对水库典型断面的分析发现，其上游高程82.5m马道、坝顶上游向和下游向、下游高程82.0m马道均有不同程度地下降，下降趋势较缓。
结语
充分利用测量机器人特点，基于三角高程法和极坐标法，进行双测量机器人对向观测，可实现大坝表面水平位移和垂直位移同步自动化观测，满足大坝安全监测自动化的发展要求，具有推广应用价值。双测量机器人对向三角高程测量，适应土石坝垂直位移观测，可有效地消除大气折光和地球曲率的影响，且可以达到二等水准测量的精度。双测量机器人极坐标水平位移观测，适应土石坝水平位移观测，可减弱或消除大气折光、气温、气压等共同误差，水平位移量中误差限值不超过±0.1mm。
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