CN107449393A - 一种城市轨道交通隧道变形监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市轨道交通隧道变形监测系统及方法，该系统包括基准点棱镜、多个监测点棱镜和布设在测区工作基点的测量机器人，以及数据处理模块；该方法包括步骤：一、数据采集；二、数据传输及数据调制；三、基准点棱镜三维坐标重心化；四、构建布尔沙转换模型获取基准点棱镜三维坐标重心化后的尺度因子、旋转矩阵和平移矩阵；五、布尔沙转换模型的等价转换；六、根据误差方程获取待求解的七参数矩阵；七、根据平差最小二乘原理求解七参数矩阵；八、评估七参数矩阵的有效性；九、各期监测点棱镜三维坐标向首期监测点棱镜三维坐标转换；十、数据预警。本发明实时、精确地对城市轨道交通隧道变形监控，及时准确的反馈预警信息，满足施工需求。

Description

一种城市轨道交通隧道变形监测系统及方法

技术领域

本发明属于隧道变形监测技术领域，具体涉及一种城市轨道交通隧道变形监测系统及方法。

背景技术

城市轨道交通隧道变形是指其结构的水平位移和垂直位移，这种变形超过正常范围时，直接影响城市轨道交通隧道运营安全，甚至造成城市轨道交通隧道的损毁。传统方法选用测距仪和经纬仪进行施测，大多都是人工观测和记录，对操作人员的技能和经验要求相当高，容易产生人为粗差,已跟不上现在快节奏、低成本的发展趋势；GPS具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的特点，是传统测绘技术的革命性发展成果，在变形监测网的应用上已取得许多试验研究成果，但在城市轨道交通隧道存在卫星信号被遮挡问题，其监测精度和可靠性不高或无法进行监测。

由上述内容可知，采用目前的监测系统和方法进行城市轨道交通隧道变形监测时，不仅操作复杂，效率极低，不能满足施工需求；而且检测数据与实际值有所偏离，检测精度低，检测数据准确度较低，测量结果误差较大，不能满足精确需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种城市轨道交通隧道变形监测系统，其实时、精确地对城市轨道交通隧道变形监控，及时准确的反馈预警信息，满足施工需求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种城市轨道交通隧道变形监测系统，其特征在于：包括布设在位于隧道变形区两端的非变形区的基准点棱镜、多个布设在位于隧道变形区的监测点棱镜和布设在测区工作基点用于测量所述监测点棱镜坐标变化的测量机器人，以及布设在城市轨道交通监控室内且与所述测量机器人通信的数据处理模块；所述测量机器人上集成有测量机器人控制器以及均与测量机器人控制器连接用于采集环境参数的环境探测器、用于向棱镜发射并接收无线探测信号的无线探测模块，无线探测模块由无线发射模块和用于接收无线发射模块反射信号的无线接收模块组成，测量机器人控制器通过数据传输模块和调制解调器与数据处理模块进行通信，数据处理模块上连接有用于存储所述监测点棱镜坐标变化阈值的存储器和用于提示所述监测点棱镜坐标变化超界的预警模块，以及用于向工作人员传输预警信息的无线终端和有线终端。

上述的一种城市轨道交通隧道变形监测系统，其特征在于：所述环境探测器包括感应所述测量机器人所处环境温湿度数据的温湿度传感器和测量所述测量机器人所处环境气压值的气压计。

上述的一种城市轨道交通隧道变形监测系统，其特征在于：所述无线终端为手机移动终端，有线终端为工控机终端。

上述的一种城市轨道交通隧道变形监测系统，其特征在于：所述数据传输模块为有线数据传输模块或无线数据传输模块。

上述的一种城市轨道交通隧道变形监测系统，其特征在于：所述有线数据传输模块为传输光纤，所述无线数据传输模块为3G移动网络数据通讯模块或GPRS。

上述的一种城市轨道交通隧道变形监测系统，其特征在于：所述测量机器人上还集成有为测量机器人控制器供电的稳压电源。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理的城市轨道交通隧道变形监测的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、数据采集：测量机器人在测区工作基点中部，通过测量机器人控制器驱动无线发射模块工作，以T为间隔周期向隧道变形区两端非变形区的基准点棱镜和隧道变形区的监测点棱镜发送无线探测信号，基准点棱镜和监测点棱镜信号反射，由无线接收模块以T为间隔周期连续接收N期基准点棱镜和监测点棱镜信号反射信号并传输给测量机器人控制器，其中，N为不小于2的正整数；

步骤二、数据传输及数据调制：测量机器人控制器通过数据传输模块以有线或无线数据传输方式将获取的数据传输至调制解调器中进行坐标转换，获取N期基准点棱镜和各监测点棱镜三维坐标，并将N期基准点棱镜和各监测点棱镜三维坐标数据以有线或无线数据传输方式传输至数据处理模块；

步骤三、基准点棱镜三维坐标重心化：根据公式计算N期基准点棱镜三维坐标的重心化坐标[X₀ Y₀ Z₀]^T，其中，n为每期基准点棱镜数量且n≥3，[X_i,j Y_i,j Z_i,j]^T为调制解调器获取的第i期第j个基准点棱镜三维坐标，i＝1,...,N，j＝1,...,n；

步骤四、构建布尔沙转换模型获取基准点棱镜三维坐标重心化后的尺度因子m、旋转矩阵R和平移矩阵[ΔX ΔY ΔZ]^T，其中，[X_1,j Y_1,jZ_1,j]^T为调制解调器获取的首期第j个基准点棱镜在三维坐标系O-X₁Y₁Z₁下的三维坐标，[X_2,jY_2,j Z_2,j]^T为调制解调器获取的第2期第j个基准点棱镜在三维坐标系O-Z₂Y₂Z₂下的三维坐标，旋转矩阵R_X为X轴旋转矩阵且R_Y为Y轴旋转矩阵且R_Z为Z轴旋转矩阵且ε_X为三维坐标系O-X₁Y₁Z₁的X轴与三维坐标系O-Z₂Y₂Z₂的X轴之间的旋转角且ε_X→0，ε_Y为三维坐标系O-X₁Y₁Z₁的Y轴与三维坐标系O-Z₂Y₂Z₂的Y轴之间的旋转角且ε_Y→0，ε_Z为三维坐标系O-X₁Y₁Z₁的Z轴与三维坐标系O-Z₂Y₂Z₂的Z轴之间的旋转角且ε_Z→0，

步骤五、布尔沙转换模型的等价转换：

将等价转换为

步骤六、根据误差方程

计算n个基准点棱镜三维坐标重心化后的尺度因子m、旋转矩阵R和平移矩阵[ΔXΔY ΔZ]^T，其中，为第2期n个基准点棱镜与首期n个基准点棱镜的观测误差且可缩写成V，误差方程可缩写成为由平移矩阵[ΔX ΔY ΔZ]^T、尺度因子m以及三维坐标系O-X₁Y₁Z₁与三维坐标系O-Z₂Y₂Z₂的X轴之间的旋转角ε_X、Y轴之间的旋转角ε_Y和Z轴之间的旋转角ε_Z组成待求解的七参数矩阵，B为的系数矩阵且

步骤七、根据平差最小二乘原理对误差方程求解，得到其中，P为等权的单位权阵；

步骤八、根据单位权中误差评估七参数矩阵的有效性，当μ≤μ₀时，七参数矩阵的有效，其中，r为自由度且r＝3n-7，μ₀为单位权中误差阈值；

步骤九、根据布尔沙转换模型将调制解调器获取的位于三维坐标系O-X_iY_iZ_i下的第i期第k个监测点棱镜三维坐标[x_i,k y_i,k z_i,k]^T转换至首期监测点棱镜三维坐标所在的三维坐标系O-X₁Y₁Z₁下，得到第i期第k个监测点棱镜的三维转换坐标k为监测点棱镜的编号；

步骤十、数据预警：根据公式计算水平方向和垂直方向上第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜之间的累计变形误差其中，Δx_i,k为第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜的水平x方向上的累计变形误差，Δy_i,k为第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜的水平y方向上的累计变形误差，Δz_i,k为第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜的垂直方向上的累计变形误差；数据处理模块根据公式判断水平方向和垂直方向上第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜之间的累计变形误差是否超过存储器中预先存储对应的x方向形变阈值δ_x、y方向形变阈值δ_y或z方向形变阈值δ_z，当中任意一个成立，则通过数据处理模块驱动预警模块预警提示城市轨道交通隧道变形危险信号，同时通过无线终端或有线终端传达城市轨道交通隧道变形危险信号。

上述的方法，其特征在于：所述T为30min～60min。

上述的方法，其特征在于：步骤十中的数据预警，数据处理模块还根据公式判断水平方向和垂直方向上第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜之间的累计变形速率是否超过存储器中预先存储对应的x方向变形速率阈值d_x、y方向变形速率阈值d_y或z方向变形速率阈值d_z，当中任意一个成立，则通过数据处理模块驱动预警模块预警提示城市轨道交通隧道变形危险信号，同时通过无线终端或有线终端传达城市轨道交通隧道变形危险信号。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用的变形监测系统，通过将测量机器人布设在测区工作基点，采用测量机器人无线探测位于隧道变形区两端的非变形区的基准点棱镜和位于隧道变形区的监测点棱镜，数据发送和数据接收实现方便，能够快速获取棱镜坐标，数据获取精度高，避免人工测量带来的人为误差，便于推广使用。

2、本发明采用的变形监测系统，通过设置环境探测器便于采集隧道当前环境信息，综合环境信息考虑数据处理结果，可舍弃恶劣环境下测量的数据，避免引入的测量误差。

3、本发明采用的变形监测系统，通过无线终端和有线终端双重数据传输确保测量机器人采集的数据实时向监测人员传输，同时设置预警模块预警隧道水平方向和垂直方向的变形，使用效果好。

4、本发明采用的变形监测方法，步骤简单，通过将基准点棱镜三维坐标重心化，提高变形测量的精度，采用布尔沙转换模型获取尺度因子、旋转矩阵和平移矩阵简化后的七参数矩阵，通过七参数矩阵计算监测点棱镜三维坐标，将计算的各期的监测点棱镜三维坐标转换至首期监测点棱镜三维坐标所在的三维坐标系下，便于获取累计变形误差，预警隧道变形，便于推广使用。

综上所述，本发明设计新颖合理，设计合理且成本低，使用操作简便，能实时、准确地对城市轨道交通隧道变形监控，且检测结果准确，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明变形监测系统的电路原理框图。

图2为本发明变形监测系统中棱镜的布设位置关系示意图。

图3为本发明变形监测方法的流程框图。

附图标记说明:

1—温湿度传感器； 2—气压计； 3—无线探测模块；

3-1—无线发射模块； 3-2—无线接收模块； 5—测量机器人控制器；

6—数据传输模块； 7—调制解调器； 8—数据处理模块；

9—无线终端； 10—有线终端； 11—预警模块。

具体实施方式

如图1所示的一种城市轨道交通隧道变形监测系统，包括布设在位于隧道变形区两端的非变形区的基准点棱镜、多个布设在位于隧道变形区的监测点棱镜和布设在测区工作基点用于测量所述监测点棱镜坐标变化的测量机器人，以及布设在城市轨道交通监控室内且与所述测量机器人通信的数据处理模块8；所述测量机器人上集成有测量机器人控制器5以及均与测量机器人控制器5连接用于采集环境参数的环境探测器、用于向棱镜发射并接收无线探测信号的无线探测模块3，无线探测模块3由无线发射模块3-1和用于接收无线发射模块3-1反射信号的无线接收模块3-2组成，测量机器人控制器5通过数据传输模块6和调制解调器7与数据处理模块8进行通信，数据处理模块8上连接有用于存储所述监测点棱镜坐标变化阈值的存储器12和用于提示所述监测点棱镜坐标变化超界的预警模块11，以及用于向工作人员传输预警信息的无线终端9和有线终端10。

需要说明的是，通过将测量机器人布设在测区工作基点，采用测量机器人探测位于隧道变形区两端的非变形区的基准点棱镜和位于隧道变形区的监测点棱镜坐标，测量机器人移动方便，测量机器人上安装的无线探测模块3是为了便于测量机器人无线发送和接收数据，数据发送和数据接收实现方便，能够快速获取棱镜坐标，数据获取精度高，避免人工测量带来的人为误差，位于隧道变形区两端的非变形区的基准点棱镜是为了给每期探测的数据建立一个标准参考便于计算位于隧道变形区的监测点棱镜位置是否移动，设置与所述测量机器人通信的数据处理模块8的目的是将测量机器人控制器5获取的无线电波信号转换为坐标信息，便于坐标转换获取变形量；所述测量机器人上集成有环境探测器的目的是便于采集隧道当前环境信息，综合环境信息考虑数据处理结果，可舍弃恶劣环境下测量的数据，避免引入的测量误差；数据处理模块8上连接存储器12是为了存储隧道变形阈值和环境参数阈值，当环境探测器采集的现场环境参数超过环境参数阈值时，说明现场环境恶劣，此时测量机器人探测的数据会因为环境参数存在偏差，应及时纠正或舍弃环境恶劣情况下的测量参数；数据处理模块8上连接无线终端9和有线终端10的目的是实现双重数据传输，确保测量机器人采集的数据实时向监测人员传输，同时设置预警模块11预警隧道水平方向和垂直方向的变形，使用效果好。

本实施例中，所述环境探测器包括感应所述测量机器人所处环境温湿度数据的温湿度传感器1和测量所述测量机器人所处环境气压值的气压计2。

需要说明的是，根据实际测量经验可知，环境温湿度数据和环境气压值对测量机器人探测的棱镜无线电波信号影响较大，因此，环境探测器包括温湿度传感器1和气压计2。

本实施例中，所述无线终端9为手机移动终端，有线终端10为工控机终端。

需要说明的是，手机移动终端具有移动方便，位置任意的优点，不限定测量人员的位置，数据处理模块8与手机移动终端通信，及时告知测量人员测量结果，工控机终端具有位置固定，数据传输稳定的优点，工作人员可根据工控机终端随时查看测量结果，避免手机移动终端的无线信号失效或信号不稳定带来的预警延误的问题。

本实施例中，所述数据传输模块6为有线数据传输模块或无线数据传输模块。

需要说明的是，数据传输模块6可采用有线数据传输模块或无线数据传输模块，通过有线数据传输模块避免数据丢失，优选的有线数据传输模块为传输光纤，通过无线数据传输模块避免拉线带来的繁琐，实际隧道环境无线信号微弱，可采用多个中继器进行信号放大，优选的无线数据传输模块为3G移动网络数据通讯模块或GPRS。

本实施例中，所述有线数据传输模块为传输光纤，所述无线数据传输模块为3G移动网络数据通讯模块或GPRS。

本实施例中，所述测量机器人上还集成有为测量机器人控制器5供电的稳压电源。

如图3所示的一种城市轨道交通隧道变形监测的方法，包括以下步骤：

步骤一、数据采集：测量机器人在测区工作基点中部，通过测量机器人控制器5驱动无线发射模块3-1工作，以T为间隔周期向隧道变形区两端非变形区的基准点棱镜和隧道变形区的监测点棱镜发送无线探测信号，基准点棱镜和监测点棱镜信号反射，由无线接收模块3-2以T为间隔周期连续接收N期基准点棱镜和监测点棱镜信号反射信号并传输给测量机器人控制器5，其中，N为不小于2的正整数；

本实施例中，所述T为30min～60min。

需要说明的是，如图2所示，在隧道变形区两端非变形区布设多个的基准点棱镜P₀，在隧道变形区上布设多个监测点棱镜P₁，测量机器人设置在测区工作基点中部，测量机器人上安装无线探测模块3用于向基准点棱镜P₀和监测点棱镜P₁同时发送无线信号，并且接受基准点棱镜P₀和监测点棱镜P₁反射回来的无线信号。

步骤二、数据传输及数据调制：测量机器人控制器5通过数据传输模块6以有线或无线数据传输方式将获取的数据传输至调制解调器7中进行坐标转换，获取N期基准点棱镜和各监测点棱镜三维坐标，并将N期基准点棱镜和各监测点棱镜三维坐标数据以有线或无线数据传输方式传输至数据处理模块8；

步骤三、基准点棱镜三维坐标重心化：根据公式计算N期基准点棱镜三维坐标的重心化坐标[X₀ Y₀ Z₀]^T，其中，n为每期基准点棱镜数量且n≥3，[X_i,j Y_i,j Z_i,j]^T为调制解调器7获取的第i期第j个基准点棱镜三维坐标，i＝1,...,N，j＝1,...,n；

需要说明的是，每一期的基准点棱镜三维坐标和对应期的监测点棱镜三维坐标位于同一坐标系中，当隧道发生变形时，相应的坐标系也发生旋转，对基准点棱镜三维坐标重心化的目的是减少坐标系发生旋转时带来的位移偏差，提高布尔沙转换模型中尺度因子、旋转矩阵和平移矩阵的精度。

步骤四、构建布尔沙转换模型获取基准点棱镜三维坐标重心化后的尺度因子m、旋转矩阵R和平移矩阵[ΔX ΔY ΔZ]^T，其中，[X_1,j Y_1,jZ_1,j]^T为调制解调器7获取的首期第j个基准点棱镜在三维坐标系O-X₁Y₁Z₁下的三维坐标，[X_2,jY_2,j Z_2,j]^T为调制解调器7获取的第2期第j个基准点棱镜在三维坐标系O-Z₂Y₂Z₂下的三维坐标，旋转矩阵R_X为X轴旋转矩阵且R_Y为Y轴旋转矩阵且R_Z为Z轴旋转矩阵且ε_X为三维坐标系O-X₁Y₁Z₁的X轴与三维坐标系O-Z₂Y₂Z₂的X轴之间的旋转角且ε_X→0，ε_Y为三维坐标系O-X₁Y₁Z₁的Y轴与三维坐标系O-Z₂Y₂Z₂的Y轴之间的旋转角且ε_Y→0，ε_Z为三维坐标系O-X₁Y₁Z₁的Z轴与三维坐标系O-Z₂Y₂Z₂的Z轴之间的旋转角且ε_Z→0，

需要说明的是，实际每期间隔30min～60min测量一次棱镜坐标计算隧道变形量时，隧道变形带来的基准点棱镜旋转角度极小，因此，可将尺度因子m、旋转矩阵R和平移矩阵[ΔX ΔY ΔZ]^T组成的13个未知数化简为包括平移矩阵[ΔX ΔY ΔZ]^T、尺度因子m以及三维坐标系O-X₁Y₁Z₁与三维坐标系O-Z₂Y₂Z₂的X轴之间的旋转角ε_X、Y轴之间的旋转角ε_Y和Z轴之间的旋转角ε_Z组成的7个未知数，由于每个基准点棱镜获取的三维坐标均可获取3个方程，因此，求解7个未知数至少需要每期3个基准点棱镜P₀，3个基准点棱镜P₀可列9个方程，满足7个未知数的需求。

步骤五、布尔沙转换模型的等价转换：

将等价转换为

步骤六、根据误差方程

计算n个基准点棱镜三维坐标重心化后的尺度因子m、旋转矩阵R和平移矩阵[ΔXΔY ΔZ]^T，其中，为第2期n个基准点棱镜与首期n个基准点棱镜的观测误差且可缩写成V，误差方程可缩写成为由平移矩阵[ΔX ΔY ΔZ]^T、尺度因子m以及三维坐标系O-X₁Y₁Z₁与三维坐标系O-Z₂Y₂Z₂的X轴之间的旋转角ε_X、Y轴之间的旋转角ε_Y和Z轴之间的旋转角ε_Z组成待求解的七参数矩阵，B为的系数矩阵且

步骤七、根据平差最小二乘原理对误差方程求解，得到其中，P为等权的单位权阵；

步骤八、根据单位权中误差评估七参数矩阵的有效性，当μ≤μ₀时，七参数矩阵的有效，其中，r为自由度且r＝3n-7，μ₀为单位权中误差阈值；

需要说明的是，根据单位权中误差判断七参数矩阵的有效性，若七参数矩阵的有效性极低或无效，可通过增加基准点棱镜P₀数量，进而增加自由度，进而降低单位权中误差，基准点棱镜P₀数量越多，精度越高，单位权中误差越小，但是计算复杂度越高，实际可根据单位权中误差阈值选取合适的基准点棱镜P₀数量。

步骤九、根据布尔沙转换模型将调制解调器7获取的位于三维坐标系O-X_iY_iZ_i下的第i期第k个监测点棱镜三维坐标[x_i,k y_i,k z_i,k]^T转换至首期监测点棱镜三维坐标所在的三维坐标系O-X₁Y₁Z₁下，得到第i期第k个监测点棱镜的三维转换坐标k为监测点棱镜的编号；

需要说明的是，根据求解的七参数矩阵对监测点棱镜三维坐标进行坐标系转换，将各期监测点棱镜三维坐标向首期监测点棱镜三维坐标转换，实现各期监测点棱镜三维坐标共坐标系，便于后期计算累计变形误差。

步骤十、数据预警：根据公式计算水平方向和垂直方向上第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜之间的累计变形误差其中，Δx_i,k为第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜的水平x方向上的累计变形误差，Δy_i,k为第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜的水平y方向上的累计变形误差，Δz_i,k为第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜的垂直方向上的累计变形误差；数据处理模块8根据公式判断水平方向和垂直方向上第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜之间的累计变形误差是否超过存储器12中预先存储对应的x方向形变阈值δ_x、y方向形变阈值δ_y或z方向形变阈值δ_z，当中任意一个成立，则通过数据处理模块8驱动预警模块11预警提示城市轨道交通隧道变形危险信号，同时通过无线终端9或有线终端10传达城市轨道交通隧道变形危险信号。

本实施例中，步骤十中的数据预警，数据处理模块8还根据公式判断水平方向和垂直方向上第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜之间的累计变形速率是否超过存储器12中预先存储对应的x方向变形速率阈值d_x、y方向变形速率阈值d_y或z方向变形速率阈值d_z，当中任意一个成立，则通过数据处理模块8驱动预警模块11预警提示城市轨道交通隧道变形危险信号，同时通过无线终端9或有线终端10传达城市轨道交通隧道变形危险信号。

需要说明的是，当第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜之间的累计变形误差均未超过其形变阈值时，若第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜之间的累计变形误差在累计时间上获得的变形速率中任意一个变形速率超过其变形速率阈值时，同样属于异常情况，测量人员需进行异常信息分析并进行现场排查，尽早处理异常情况，避免危险的发生。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种城市轨道交通隧道变形监测系统，其特征在于：包括布设在位于隧道变形区两端的非变形区的基准点棱镜、多个布设在位于隧道变形区的监测点棱镜和布设在测区工作基点用于测量所述监测点棱镜坐标变化的测量机器人，以及布设在城市轨道交通监控室内且与所述测量机器人通信的数据处理模块(8)；所述测量机器人上集成有测量机器人控制器(5)以及均与测量机器人控制器(5)连接用于采集环境参数的环境探测器、用于向棱镜发射并接收无线探测信号的无线探测模块(3)，无线探测模块(3)由无线发射模块(3-1)和用于接收无线发射模块(3-1)反射信号的无线接收模块(3-2)组成，测量机器人控制器(5)通过数据传输模块(6)和调制解调器(7)与数据处理模块(8)进行通信，数据处理模块(8)上连接有用于存储所述监测点棱镜坐标变化阈值的存储器(12)和用于提示所述监测点棱镜坐标变化超界的预警模块(11)，以及用于向工作人员传输预警信息的无线终端(9)和有线终端(10)。

2.按照权利要求1所述的一种城市轨道交通隧道变形监测系统，其特征在于：所述环境探测器包括感应所述测量机器人所处环境温湿度数据的温湿度传感器(1)和测量所述测量机器人所处环境气压值的气压计(2)。

3.按照权利要求1所述的一种城市轨道交通隧道变形监测系统，其特征在于：所述无线终端(9)为手机移动终端，有线终端(10)为工控机终端。

4.按照权利要求1所述的一种城市轨道交通隧道变形监测系统，其特征在于：所述数据传输模块(6)为有线数据传输模块或无线数据传输模块。

5.按照权利要求4所述的一种城市轨道交通隧道变形监测系统，其特征在于：所述有线数据传输模块为传输光纤，所述无线数据传输模块为3G移动网络数据通讯模块或GPRS。

6.按照权利要求1所述的一种城市轨道交通隧道变形监测系统，其特征在于：所述测量机器人上还集成有为测量机器人控制器(5)供电的稳压电源。

7.一种利用如权利要求1所述系统进行城市轨道交通隧道变形监测的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、数据采集：测量机器人在测区工作基点中部，通过测量机器人控制器(5)驱动无线发射模块(3-1)工作，以T为间隔周期向隧道变形区两端非变形区的基准点棱镜和隧道变形区的监测点棱镜发送无线探测信号，基准点棱镜和监测点棱镜信号反射，由无线接收模块(3-2)以T为间隔周期连续接收N期基准点棱镜和监测点棱镜信号反射信号并传输给测量机器人控制器(5)，其中，N为不小于2的正整数；

步骤二、数据传输及数据调制：测量机器人控制器(5)通过数据传输模块(6)以有线或无线数据传输方式将获取的数据传输至调制解调器(7)中进行坐标转换，获取N期基准点棱镜和各监测点棱镜三维坐标，并将N期基准点棱镜和各监测点棱镜三维坐标数据以有线或无线数据传输方式传输至数据处理模块(8)；

步骤三、基准点棱镜三维坐标重心化：根据公式计算N期基准点棱镜三维坐标的重心化坐标[X₀ Y₀ Z₀]^T，其中，n为每期基准点棱镜数量且n≥3，[X_i,j Y_i,jZ_i,j]^T为调制解调器(7)获取的第i期第j个基准点棱镜三维坐标，i＝1,...,N，j＝1,...,n；

步骤四、构建布尔沙转换模型获取基准点棱镜三维坐标重心化后的尺度因子m、旋转矩阵R和平移矩阵[ΔX ΔY ΔZ]^T，其中，[X_1,j Y_1,j Z_1,j]^T为调制解调器(7)获取的首期第j个基准点棱镜在三维坐标系O-X₁Y₁Z₁下的三维坐标，[X_2,jY_2,j Z_2,j]^T为调制解调器(7)获取的第2期第j个基准点棱镜在三维坐标系O-Z₂Y₂Z₂下的三维坐标，旋转矩阵R_X为X轴旋转矩阵且R_Y为Y轴旋转矩阵且R_Z为Z轴旋转矩阵且ε_X为三维坐标系O-X₁Y₁Z₁的X轴与三维坐标系O-Z₂Y₂Z₂的X轴之间的旋转角且ε_X→0，ε_Y为三维坐标系O-X₁Y₁Z₁的Y轴与三维坐标系O-Z₂Y₂Z₂的Y轴之间的旋转角且ε_Y→0，ε_Z为三维坐标系O-X₁Y₁Z₁的Z轴与三维坐标系O-Z₂Y₂Z₂的Z轴之间的旋转角且

步骤五、布尔沙转换模型的等价转换：

将等价转换为

步骤六、根据误差方程

计算n个基准点棱镜三维坐标重心化后的尺度因子m、旋转矩阵R和平移矩阵[ΔX ΔYΔZ]^T，其中，为第2期n个基准点棱镜与首期n个基准点棱镜的观测误差且可缩写成V，误差方程可缩写成 为由平移矩阵[ΔX ΔY ΔZ]^T、尺度因子m以及三维坐标系O-X₁Y₁Z₁与三维坐标系O-Z₂Y₂Z₂的X轴之间的旋转角ε_X、Y轴之间的旋转角ε_Y和Z轴之间的旋转角ε_Z组成待求解的七参数矩阵，B为的系数矩阵且

步骤七、根据平差最小二乘原理对误差方程求解，得到其中，P为等权的单位权阵；

步骤八、根据单位权中误差评估七参数矩阵的有效性，当μ≤μ₀时，七参数矩阵的有效，其中，r为自由度且r＝3n-7，μ₀为单位权中误差阈值；

步骤九、根据布尔沙转换模型将调制解调器(7)获取的位于三维坐标系O-X_iY_iZ_i下的第i期第k个监测点棱镜三维坐标[x_i,k y_i,k z_i,k]^T转换至首期监测点棱镜三维坐标所在的三维坐标系O-X₁Y₁Z₁下，得到第i期第k个监测点棱镜的三维转换坐标k为监测点棱镜的编号；

步骤十、数据预警：根据公式计算水平方向和垂直方向上第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜之间的累计变形误差其中，Δx_i,k为第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜的水平x方向上的累计变形误差，Δy_i,k为第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜的水平y方向上的累计变形误差，Δz_i,k为第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜的垂直方向上的累计变形误差；数据处理模块(8)根据公式判断水平方向和垂直方向上第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜之间的累计变形误差是否超过存储器(12)中预先存储对应的x方向形变阈值δ_x、y方向形变阈值δ_y或z方向形变阈值δ_z，当中任意一个成立，则通过数据处理模块(8)驱动预警模块(11)预警提示城市轨道交通隧道变形危险信号，同时通过无线终端(9)或有线终端(10)传达城市轨道交通隧道变形危险信号。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：所述T为30min～60min。

9.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤十中的数据预警，数据处理模块(8)还根据公式判断水平方向和垂直方向上第i期第k个监测点棱镜与首期第k个监测点棱镜之间的累计变形速率是否超过存储器(12)中预先存储对应的x方向变形速率阈值d_x、y方向变形速率阈值d_y或z方向变形速率阈值d_z，当中任意一个成立，则通过数据处理模块(8)驱动预警模块(11)预警提示城市轨道交通隧道变形危险信号，同时通过无线终端(9)或有线终端(10)传达城市轨道交通隧道变形危险信号。