CN109253718A - 隧道变形自动化监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道变形自动化监测系统、方法和装置，系统包括第一测站点、第二测站点、第一基准点、第二基准点、连接点和服务器，服务器分别与第一测站点和第二测站点通信连接；第一测站点分别监测获取第一基准点和连接点的第一观测数据并发送至服务器；第二测站点分别监测获取第二基准点和连接点的第二观测数据并发送至服务器；服务器根据接收的第一观测数据和第二观测数据，以及预存的第一基准点和第二基准点的三维坐标，解算获取第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，和连接点的三维坐标。上述隧道变形自动化监测系统，有效扩大了两个测站点之间可实现的布设距离，解决了地铁隧道大变形区域监测网点布设困难的问题。

Description

隧道变形自动化监测系统和方法

技术领域

本发明涉及隧道监测技术领域，特别是涉及一种隧道变形自动化监测系统、方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质。

背景技术

随着地铁线路逐渐成网，影响既有线路结构安全的施工越来越多：首先新建线路不可避免需要穿越既有运营地铁线路；其次地铁保护区内的外部工程施工逐步增多。为保证地铁隧道结构安全，确保正常运营，施工影响期间需要对隧道结构进行实时变形监测；自动化监测系统可以通过隧道中设置的测站点设备实现对隧道中易变形区域观测点的观测定位和形变监测。

而由于外部工程的结构型式越来越复杂，工程规模越来越大，地铁隧道受外部施工影响的区域(变形区)也越来越大。受地铁隧道环境制约，单台测站点设备的可观测范围有限，当单台测站点设备不能覆盖整个变形区时，需要采用多台测站点设备联测的自动化监测方法。

现有的隧道监测技术，一般是通过隧道中分段分布的各个测站点实现对隧道中各个易变形区域观测点的观测定位和形变计算，相邻测站点之间需要通过相互观测以统一坐标系，然而每台测站点设备的可观测范围有限，超出可观测范围限值会导致相邻测站点之间无法相互观测，在狭长或者大变形区域隧道的测站点其可观测范围还会大大减少，导致两个测站点之间的布设距离受限制，相应的布设完整个隧道需要的测站点增多，大大增加了隧道监测系统的运行成本。

发明内容

基于此，有必要针对现有的隧道监测技术中相邻两个测站点之间的布设距离限值小的技术问题，提供一种隧道变形自动化监测系统、方法和装置，通过本发明实施例提供的隧道变形自动化监测系统和方法，可以降低布设相同隧道所需的测站点数，从而降低隧道内测站点的布设成本，解决地铁隧道大变形区域监测网点布设困难的问题，提高狭长结构体内的变形监测精度。

一种隧道变形自动化监测系统，包括第一测站点、第二测站点、第一基准点、第二基准点、连接点和服务器，服务器分别与第一测站点和第二测站点通信连接；其中，第一测站点和第二测站点相隔预设距离设置于隧道中；第一基准点设置于第一测站点的有效观测范围内；第二基准点设置于第二测站点的有效观测范围内；连接点设置于第一测站点和第二测站点之间的隧道变形区域中；

在对隧道变形区域中的连接点进行监测的过程中，第一测站点分别监测获取第一基准点和连接点的第一观测数据并发送至服务器；第二测站点分别监测获取第二基准点和连接点的第二观测数据并发送至服务器；服务器根据接收的第一观测数据和第二观测数据，以及服务器中预存的第一基准点和第二基准点的三维坐标，解算获取第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标。

基于如上隧道变形自动化监测系统，还提供一种隧道变形自动化监测方法，包括步骤：

服务器与第一测站点、第二测站点建立通讯，远程发送观测指令至第一测站点和第二测站点；

接收第一测站点的第一观测数据，和第二测站点的第二观测数据；其中，第一观测数据包括第一测站点监测获取的第一基准点的观测值和连接点的观测值；第二观测数据包括第二测站点监测获取的第二基准点的观测值和连接点的观测值；联合接收的第一观测数据和第二观测数据，建立误差方程式；根据误差方程式，以及预存的第一基准点和第二基准点的三维坐标，解算获取第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标；根据解算获取的连接点的三维坐标，以及预存的连接点的初始三维坐标，确定连接点的变形量。

一种隧道变形自动化监测装置，包括：

观测数据接收模块，用于接收第一测站点的第一观测数据，和第二测站点的第二观测数据；其中，第一观测数据包括第一测站点监测获取的第一基准点的观测值和连接点的观测值；第二观测数据包括第二测站点监测获取的第二基准点的观测值和连接点的观测值；

误差方程式建立模块，用于联合接收的第一观测数据和第二观测数据，建立误差方程式；

解算模块，用于根据误差方程式，以及预存的第一基准点和第二基准点的三维坐标，解算获取第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标；

变形量确定模块，用于根据解算获取的连接点的三维坐标以及定向角，以及预存的连接点的初始三维坐标以及定向角，确定连接点的变形量。

上述隧道变形自动化监测系统、方法和装置，通过第一测站点和第二测站点观测同一连接点的观测值，联合第一测站点和第二测站点分别观测附近基准点的观测值，解算得到第一测站点和第二测站点的三维坐标和定向角，以及连接点的三维坐标，根据解算获取的连接点的三维坐标，以及预存的连接点的初始三维坐标，确定连接点的变形量。第一测站点和第二测站点之间的距离只需满足该连接点分别位于第一测站点和第二测站点各自的有效监测范围即可，测站间不需要通视，从而有效扩大了第一测站点和第二测站点之间可以实现的布设距离，第一测站点和第二测站点之间的连接点既作为联立第一测站点和第二测站点坐标的中间节点，还同时作为监测变形区域的变形量的观测点，使得隧道内监测网点布设更灵活高效，可以降低布设相同隧道所需的测站点数，从而降低隧道内测站点的布设成本，解决了地铁隧道大变形区域监测网点布设困难的问题。提高了狭长结构体内的变形监测精度。

附图说明

图1为一个实施例中隧道变形自动化监测系统的结构示意图；

图2为另一个实施例中隧道变形自动化监测系统的结构示意图；

图3为一个实施例中为在第一测站点和第二测站点的中间布设一对连接点的监测网形结构示意图；

图4为在第一测站点和第二测站点的中间相距100米布设2对连接点的监测网形结构示意图；

图5为在第一测站点和第二测站点的中间相距100米范围内均匀布设3对连接点的监测网形结构示意图；

图6为在第一测站点和第二测站点的中间相距100米范围内均匀布设4对连接点的监测网形结构示意图；

图7为在第一测站点和第二测站点的中间相距50米范围内布设3对连接点的监测网形结构示意图；

图8为另一个实施例中隧道变形自动化监测系统的结构示意图；

图9为一个实施例中隧道变形自动化监测方法的流程示意图；

图10为一个实施例中解算获取第一测站点、第二测站点和连接点的三维坐标以及定向角步骤的流程示意图；

图11为一个实施例中解算获取第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角步骤的流程示意图；

图12为一个应用实例中隧道变形自动化监测系统的结构示意图；

图13为一个实施例中隧道变形自动化监测装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种隧道变形自动化监测系统，包括第一测站点110、第二测站点120、第一基准点111、第二基准点121、连接点130和服务器140，服务器140分别与第一测站点110和第二测站点120通信连接；其中，第一测站点110和第二测站点120相隔预设距离设置于隧道101中；第一基准点111设置于第一测站点110的有效观测范围内；第二基准点121设置于第二测站点120的有效观测范围内；连接点130设置于第一测站点110和第二测站点120之间的隧道变形区域中；服务器140可以用独立的服务器140或者是多个服务器140组成的服务器140集群来实现。

在对隧道变形区域中的连接点130进行监测的过程中，第一测站点110分别监测获取第一基准点111和连接点130的第一观测数据并发送至服务器140；第二测站点120分别监测获取第二基准点121和连接点130的第二观测数据并发送至服务器140；服务器140根据接收的第一观测数据和第二观测数据，以及服务器140中预存的第一基准点111和第二基准点121的三维坐标，解算获取第一测站点110和第二测站点120的三维坐标以及定向角，以及连接点130的三维坐标。

其中，第一测站点110和第二测站点120均可以是具有对特定位点进行观测，得到观测数据的观测设备，例如可以是全站仪等；第一基准点111、第二基准点121和连接点130均可以是能够被观测设备观测的部件，例如可以是棱镜，或者其它便于被观测的部件等。

现有的隧道101监测系统，一般是相邻两个测站点之间通过相互观测取得的观测值，联合两个测站点分别观测附近基准点的观测值，解算得到两个测站点的三维坐标和定向角。继而通过测站点对隧道变形区的观测点观测以测算隧道变形区观测点的变形量。两个测站点之间的距离不能超出两个测站点各自的有效监测范围，因而每两个测站点之间的布设距离较小，导致隧道101内监测网点布设的难度和成本提高。

本申请的上述隧道变形自动化监测系统，在第一测站点110和第二测站点120之间设置连接点130，通过第一测站点110和第二测站点120观测同一连接点130的观测值，联合第一测站点110和第二测站点120分别观测附近基准点的观测值，解算得到第一测站点110和第二测站点120的三维坐标和定向角以及连接点130的三维坐标。第一测站点110和第二测站点120之间的距离只需满足该连接点130分别位于第一测站点110和第二测站点120各自的有效监测范围即可，从而有效扩大了第一测站点110和第二测站点120之间可以实现的布设距离，使得隧道101内监测网点布设更灵活高效，可以降低布设相同隧道101所需的测站点数，从而降低隧道101内测站点的布设成本。解决了地铁隧道101大变形区域监测网点布设困难的问题，提高了狭长结构体内的变形监测精度。

以第一测站点110和第二测站点120为全站仪，且在某狭长隧道的预设区域单台全站仪的有效监测范围为距离该全站仪100米内为例，现有的隧道101监测系统在某狭长隧道的预设区域中相邻两台全站仪之间距离不得大于100米，而本申请的隧道变形自动化监测系统，可以通过在相邻两台全站仪之间设置一个或多个连接点130，例如在相邻两台全站仪连线中点设置连接点130，相邻两台全站仪通过观测同一连接点130得到的观测值联立方程以统一坐标系，相邻两台全站仪之间的距离满足该连接点130位于该两台全站仪各自的有效监测范围之内即可，使得在某狭长隧道的预设区域中相邻两台全站仪之间距离理论上可以扩大至200米。

本申请实施例的隧道变形自动化监测系统，其测站点设备(例如全站仪)与服务器的通信连接可以通过多种方式实现。在隧道内电信运营商的数据信号良好的情况下，可以采用无线数传终端(Data Transfer unit，DTU)实现服务器与测站点设备的通讯。测站点设备的数据线与DTU连接，通过2/3/4G无线网络连接到服务器。在隧道内无电信运营商的数据信号或信号质量较差，信号质量良好的位置距离测站点设备较远(超过RS232的有效传输距离)的情况下，可通过“光纤+DTU”的方式实现远距离通讯，即在全站仪和DTU之间连接光电信号转换模块及光纤，将RS232传输模式的电信号转换为光信号，由光纤传输至信号质量良好的位置，再将光信号转换为电信号，由DTU通过2/3/4G无线网络连接到服务器，从而实现服务器与测站点设备的通讯。在隧道内无电信运营商的数据信号或信号质量较差，信号质量良好的位置距离测站点设备较远(超过RS232的有效传输距离)的情况下，亦可通过“RS485总线+DTU”的方式实现长距离通讯。即在全站仪和DTU之间连接RS232转RS485模块及双绞线，将RS232传输模式转换为RS485传输模式，由双绞线传输至信号质量良好的位置，再将RS485传输模式转换为RS232传输模式，由DTU通过2/3/4G无线网络连接到服务器，从而实现服务器与测站点设备的通讯。在隧道内无电信运营商的数据信号或信号质量较差，信号质量良好的位置距离测站点设备较远(超过RS232的有效传输距离)或受外部作业影响范围大，需采用多测站联合测量的情况下，可通过“LoRa模块”和“ZigBee+DTU”的方式实现远距离通讯。通过以上多套基于物联网技术的远程监测设备系统接入方案，可为不同网络状态下实施自动化监测提供完善通讯方案，快速搭建自动化监测系统；解决了无网络信号区域自动化监测通讯问题，提高了监测系统搭建效率。

在本申请实施例的隧道变形自动化监测系统中，第一测站点110和第二测站点120的数量可以根据隧道变形区的长度设置，在隧道变形区长度较长，仅在隧道变形区设置第一测站点110和第二测站点120不能满足监测需要时，如图2所示，可以在第一测站点110和第二测站点120之间再增加中间测站点170设置，其中第一测站点观测范围内需设有一组(一组可以为一个或多个)第一基准点111，第二测站点观测范围内需设有一组第二基准点121，而中间测站点170周围则可以不再设置基准点，中间测站点170之间通过设置的连接点130进行联测。第一测站点110侧的第一基准点111的数量，第二测站点120侧的第二基准点121的数量，以及第一测站点110和第二测站点120之间的连接点130数量，在满足对第一测站点110和第二测站点120的定位需求的前提下，均可以根据实际需要设置；其中，基准点可以以成对的方式设置，一对基准点可以分别对应设置于隧道101结构某位置的上部和下部；同理地，连接点130也可以以成对的方式设置，一对基准点也可以分别对应设置于隧道101结构某位置的上部和下部。

其中，第一测站点110和第二测站点120之间的连接点130数量以及布设位置的设置，会对形成的监测网的监测数据精准度造成影响，如图3～图7所示，为5种监测网形的布设结构示意图，图3～图7中第一测站点110和第二测站点120之间的间距以150米为示例；其中，图3为在第一测站点110和第二测站点120的中间布设一对连接点130的监测网形结构示意图；图4为在第一测站点110和第二测站点120的中间相距100米布设2对连接点130的监测网形结构示意图；图5为在第一测站点110和第二测站点120的中间相距100米范围内均匀布设3对连接点130的监测网形结构示意图；图6为在第一测站点110和第二测站点120的中间相距100米范围内均匀布设4对连接点130的监测网形结构示意图；图7为在第一测站点110和第二测站点120的中间相距50米范围内布设3对连接点130的监测网形结构示意图；对上述5种监测网形监测精度的试验数据表如下表1所示。

表1 5种监测网形监测精度的试验数据表

试验结果表明，在上述5种监测网形中，第一测站点110与第二测站点120相隔150米距离设置，且第一测站点110与第二测站点120之间布设有三对连接点130且三对连接点130在50米范围内均匀分布时，网形强度满足变形监测要求，既保证了精度，又顾及了布网的经济性。

在一个实施例中，如图8所示，隧道变形自动化监测系统还包括：第一变形点150和第二变形点160；第一变形点150设置于第一测站点110的有效观测范围内，第二变形点160设置于第二测站点120的有效观测范围内，且第一变形点150和第二变形点160设置于隧道变形区域中；第一测站点110监测获取第一变形点150的第一变形点观测数据并发送至服务器140，第二测站点120分别监测获取第二变形点160的第二变形点观测数据并发送至服务器140；

在服务器140解算获取了第一测站点110和第二测站点120的三维坐标以及定向角之后，服务器140根据解算获取的第一测站点110和第二测站点120的三维坐标以及定向角，以及接收的第一变形点观测数据和第二变形点观测数据，计算第一变形点150的三维坐标和第二变形点160的三维坐标；服务器140根据解算获取的第一变形点150的三维坐标和第二变形点160的三维坐标，以及预存的第一变形点150的初始三维坐标和第二变形点160的初始三维坐标，确定第一变形点150的变形量和第二变形点160的变形量。

其中，第一变形点150和第二变形点160的数量均可以具有一个或多个，具体的数量可以根据隧道变形自动化监测的实际需求设置。

上述实施例的技术方案，在隧道的变形区域中还可以根据需要设置有一个或多个第一变形点150和第二变形点160，通过对第一变形点150和第二变形点160的三维坐标定位观测，获取所需的隧道变形区域不同位点的变形量数据。

在一个实施例中，第一基准点111设置于第一测站点110远离隧道变形区域一侧的稳定隧道101结构上；第二基准点121设置于第二测站点120远离隧道变形区域一侧的稳定隧道101结构上。基准点的上一周期测算记录的三维坐标和方向角，可以用作当前周期解算测站点和连接点的起算数据依据。在本实施例的技术方案中，将第一基准点111和第二基准点121设置于相对稳定的隧道101结构上，能够使得第一基准点111和第二基准点121的测算数据更加稳定，可以提升解算得到的测站点和连接点的三维坐标的准确性。

在一个实施例中，第一测站点110和第二测站点120均为全站仪；第一基准点111和第二基准点121均为单面棱镜，连接点130为双面棱镜。第一基准点111的单面棱镜的反光面朝向第一测站点110设置，第二基准点121的单面棱镜的反光面朝向第二测站点120设置，连接点130的双面棱镜的其中一个反光面朝向第一测站点110设置，另一个反光面朝向第二测站点120设置，在本实施例中，将第一基准点111和第二基准点121采用单面棱镜，连接点130采用双面棱镜，相对于设置两个单面棱镜作为一个连接点130，设置单个双面棱镜作为一个连接点130可以消除两个单面棱镜之间的位置偏差，提升定位准确性，此外，连接点130在作为两个第一测站点110和第二测站点120之间衔接统一坐标系的中间节点之外，还可以作为监测隧道变形区域变形量的观测点，有效降低隧道101内监测网络的布设成本和布设难度。

在一个实施例中，基于如上任意一个实施例的隧道变形自动化监测系统，还提供一种隧道变形自动化监测方法，本实施例的隧道变形自动化监测方法以应用于监测系统中的服务器上为例，如图9所示，可以包括步骤：

S910，接收第一测站点的第一观测数据，和第二测站点的第二观测数据；其中，第一观测数据包括第一测站点监测获取的第一基准点的观测值和连接点的观测值；第二观测数据包括第二测站点监测获取的第二基准点的观测值和连接点的观测值；

其中，观测值可以包括方向观测值、天顶距观测值和斜距观测值。

S920，联合接收的第一观测数据和第二观测数据，建立误差方程式；

S930，根据误差方程式，以及预存的第一基准点和第二基准点的三维坐标，解算获取第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标；

S940，根据解算获取的连接点的三维坐标，以及预存的连接点的初始三维坐标，确定连接点的变形量。

上述隧道变形自动化监测方法，第一测站点和第二测站点之间设置有连接点，通过第一测站点和第二测站点观测同一连接点的观测值，联合第一测站点和第二测站点分别观测附近基准点的观测值，解算得到第一测站点和第二测站点的三维坐标和定向角，以及连接点的三维坐标，根据解算获取的连接点的三维坐标，以及预存的连接点的初始三维坐标，确定连接点的变形量。第一测站点和第二测站点之间的距离只需满足该连接点分别位于第一测站点和第二测站点各自的有效监测范围即可，从而有效扩大了第一测站点和第二测站点之间可以实现的布设距离，第一测站点和第二测站点之间的连接点既作为联立第一测站点和第二测站点坐标的中间节点，还同时作为监测变形区域的变形量的观测点，使得隧道内监测网点布设更灵活高效，可以降低布设相同隧道所需的测站点数，从而降低隧道内测站点的布设成本，解决了地铁隧道大变形区域监测网点布设困难的问题。提高了狭长结构体内的变形监测精度。

在一个实施例中，如图10所示，S930中根据误差方程式，以及预存的第一基准点和第二基准点的三维坐标，解算获取第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标之后，还包括：

S950，接收第一测站点的第一变形点观测数据，和第二测站点的第二变形点观测数据；其中，第一变形点观测数据包括第一测站点监测获取的第一变形点的观测值；第二变形点观测数据包括第二测站点监测获取的第二变形点的观测值；

S960，根据解算获取的第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及第一变形点观测数据和第二变形点观测数据，计算第一变形点的三维坐标和第二变形点的三维坐标；

S970，根据解算获取的第一变形点的三维坐标和第二变形点的三维坐标，以及预存的所述第一变形点的初始三维坐标和第二变形点的初始三维坐标，确定所述第一变形点的变形量和第二变形点的变形量。

本发明实施例的隧道变形自动化监测系统中，其对应的隧道变形自动化监测方法中对监测网的解算可以通过多种不同的解算方式实现。当基准点设在变形区外的稳定位置，而测站点设在变形区内时，即基准点可以视为固定点时，可采用经典平差模型进行变形监测网的解算，每期观测后首先根据基准点观测值解算本期测站点三维坐标及定向角，然后利用测站点坐标及定向角计算监测点本期三维坐标。当地铁隧道变形区域较大，致使测站点与基准点均位于欠稳定区域时，可以采用自由网平差模型进行测站点三维坐标解算，其中，当测站点与基准点均为不稳定点时，可以使用秩亏自由网经典平差模型进行测站点三维坐标解算，而当测站点与基准点中某些点与其他点相比相对稳定时，例如基准点相对于测站点更稳定的情况时，可采用自由网拟稳平差模型进行测站点三维坐标解算。

对于自由网拟稳平差模型进行测站点三维坐标解算的情况，在一个实施例中，如图11所示，S930根据误差方程式，以及预存的第一基准点和第二基准点的三维坐标，解算获取第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标，可以包括以下步骤：

S931，获取对误差方程式解算的上一次数迭代解算的解以及上一次数迭代解算的权；

S932，依照预先构建的等价权函数，计算得到当前次数的等价权；

S933，以当前次数的等价权替代上一次数迭代解算的权，对误差方程式进行当前次数的迭代解算，得到当前次数迭代解算的解以及对应的当前次数迭代解算的权；

S934，当当前次数迭代解算的解与上一次数迭代解算的解之间的差值小于预设的迭代收敛精度值时，根据当前次数迭代解算的解确定第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标。

此外，当当前次数迭代解算的解与上一次数迭代解算的解之间的差值未小于预设的迭代收敛精度值时，则可以跳转至下一次数的迭代解算周期，并重复上述步骤S931、S932和S933。

上述实施例的技术方案，在利用自由网拟稳平差模型对监测网络节点进行解算定位的基础上，进一步通过等价权函数对权的替代，自动探测并剔除不稳定基准点对解算结果的影响，从而提高了变形监测结果的准确性。

其中，等价权函数为具有探测并剔除不稳定基准点数据作用的函数，在一个实施例中，等价权函数如下式所示：

其中，

其中，r_jj＝(Q_wP)_jj，且

上述各个公式中，。

为第k+1次迭代的等价权，i、j表示观测值排序，N为总观测个数，M为必要观测个数，P_ij为第i个观测值与第j个观测值的相关观测初始权，P_jj为第j个观测值的初始权，为第j个观测值第k次迭代的改正数，r_jj为第j个观测值的多余观测分量，为第k次迭代的中误差，为第j个观测值第k次迭代的标准化残差，k为迭代次数，且k为正整数，k₀为分位参数，k₁为淘汰点参数。

其中，k₀和k₁均为常数，k₀和k₁的取值可以根据实际需要设置，例如k₀可以在2.5～3.5范围内取值，和k₁可以在3.5～4.5范围内取值，为使观测值中的粗差得到较好的监控，可以要求监测网的平均多余观测分量r_a＝R/N在0.4以上，其中R为多余观测个数，N为总观测个数，顾及到r_jj可能较小的情况，取r_a＝0.3。相应地，令则当k_x在1.5～2.0范围内时，认为观测值中可能含有粗差，对这部分观测值采取降权处理；当k_x在2.0～2.5范围内时，则认为观测值中含有粗差，对这部分观测值淘汰。

本申请上述实施例的等价权函数，D_j是标准化残差，对观测值中的粗差具有较强的抗差能力，由于D_j受观测空间和设计空间的共同影响，因此由上述实施例的等价权函数构造的相关观测抗差估计模型对观测空间的误差和设计空间的不完善性均具有较好的抗差性及改善作用；根据权的定义和拟稳估计原理，当先验单位权中误差的取值不同时，虽然不会影响到残差、观测值平差值及参数估值等，但对验后单位权中误差有影响，而D_j中的权元素项可消除这种影响。此外，现有的抗差模型的抗差效果，一般会受到先验单位权中误差的影响，即当先验单位权中误差取不同值时，抗差效果不同，有时甚至失去抗差作用，而本申请上述实施例的等价权函数以D_j定义的等价权函数，则不会出现这种现象，具有更好的抗差效果。

应该理解的是，虽然上述实施例中的各个步骤按照编号依次排列，但是这些步骤并不是必然按照编号的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，上述实施例的步骤中至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

为了使本申请实施例的隧道变形自动化监测系统和方法的技术方案更加清晰，下面以一个具体的应用实例进行阐述说明：

如图12所示，为一个应用实例的隧道变形自动化监测系统，图12中，狭长地铁隧道1201一侧有建筑施工区域1202中正在进行建筑施工，由于建筑施工的进行，导致与建筑施工区域相邻的地铁隧道部分区域易发生变形，这部分区域即为隧道变形区域，而与建筑施工区域1202相隔较远的地铁隧道两端区域受施工影响较小，为隧道稳定区域。本应用实例的隧道变形自动化监测系统，设置于该狭长地铁隧道1201中，包括设置于狭长地铁隧道1201一端的第一测站点110，设置于第一测站点110同一端隧道稳定区域内的2对第一基准点111，设置于靠近第一测站点110一侧的分布于隧道变形区域内的四对变形点150，设置于狭长地铁隧道1201另一端的第二测站点120，设置于第二测站点120同一端隧道稳定区域内的2对第二基准点121，设置于靠近第二测站点120一侧的分布于隧道变形区域内的四对变形点160，以及设置于第一测站点110与第二测站点120之间的三对连接点130；第一测站点110与第二测站点120均分别与服务器140通信连接；其中，第一测站点110与第二测站点120相隔约150米设置，三对连接点130在第一测站点110与第二测站点120之间中间约50米范围内均匀分布。

本应用实例的隧道变形自动化监测方法，以应用于图12所示的隧道变形自动化监测系统上为例，可以包括如下步骤：

(1)服务器发送监测启动指令至第一测站点和第二测站点；

(2)第一测站点从服务器调取上一周期的各个第一基准点三维坐标，以及各个连接点的三维坐标，以及各个变形点的三维坐标，以上一周期的第一基准点三维坐标为依据，搜寻到各个第一基准点并观测得到各个第一基准点的观测值；以上一周期的连接点的三维坐标为依据，搜寻到各个连接点并观测得到各个连接点的观测值；以上一周期的变形点的三维坐标为依据，搜寻到各个变形点并观测得到各个变形点的观测值；得到包括各个第一基准点的观测值和各个连接点的观测值的第一观测数据；得到包括各个变形点的观测值的第一变形点观测数据，发送第一观测数据和第一变形点观测数据至服务器；

第二测站点分别从服务器调取上一周期的各个第二基准点三维坐标，以及各个连接点的三维坐标，以及各个变形点的三维坐标，以上一周期的第二基准点三维坐标为依据，搜寻到各个第二基准点并观测得到各个第二基准点的观测值；以上一周期的连接点的三维坐标为依据，搜寻到各个连接点并观测得到各个连接点的观测值；以上一周期的变形点的三维坐标为依据，搜寻到各个变形点并观测得到各个变形点的观测值；得到包括各个第二基准点的观测值和各个连接点的观测值的第二观测数据；得到包括各个变形点的观测值的第二变形点观测数据，发送第二观测数据和第二变形点观测数据至服务器；

(3)服务器联合接收的第一观测数据和第二观测数据，建立误差方程式；

具体地，每个基准点或每个连接点的观测值分别包括一组方向观测值、天顶距观测值和斜距观测值，对应的可以得到一组方向观测方程、天顶距观测方程和斜距观测方程；联立第一测站点监测的各个第一基准点和连接点的方向观测方程、天顶距观测方程和斜距观测方程，以及第二测站点监测的各个第二基准点和连接点的方向观测方程、天顶距观测方程和斜距观测方程，即可建立误差方程式。

当有p个测站点(包括第一测站点或者第二测站点)，m个连接点和n个基准点时，观测值个数为3(n+2m)，必要观测数为4p+3m，多余观测数为3n-4p，误差方程式如下：

上式中,V为观测值改正数向量，B为误差方程系数阵，为未知数改正数向量，l为误差方程常数项向量。

其中，以图11中的隧道变形自动化监测系统为例，则对应的p＝4，m＝6，n＝4。

(4)服务器按拟稳平差方法对误差方程式进行第k次(k＝1、2、3……N,N为正整数)迭代解算，得到第k次迭代解算的解和权，包括：

上述误差方程式缩略表示为：

对上述误差方程式解算得到的解的公式为：

上式中：

其中，G为附加重心基准阵，为第k次迭代解算的等价权，l^(k)为第k次迭代的常数项，L为原始观测值向量，为第k-1次迭代解算的未知数向量；

其中，第k＝1次迭代解算的权P为观测值的初始权阵。

(5)服务器计算等价权所需的参数包括：

且

其中，

式中，E为单位矩阵；

(6)服务器计算第k+1次等价权包括：

等价权函数为：

上式中，k₀称为分位参数，k₁称为淘汰点；

其中，k₀＝2.5～3.5，k₁＝3.5～4.5。

(7)服务器以替代跳转至按步骤S620求解公式进行第k+1次迭代；

(8)服务器重复(4)-(7)的步骤，直至前后两次迭代计算的参数估值之差满足迭代收敛精度所需的数值时，停止迭代计算；

(9)服务器迭代停止时进行精度评定，包括：

式中，

(10)服务器获取停止迭代计算时的解，根据该解确定所述第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标；

(11)服务器将本周期解算得到的各个连接点的三维坐标减去记录的各个连接点的初始三维坐标，得到本周期各个连接点的变形量。

(12)服务器根据解算获取的第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及接收的各个第一变形点观测数据和各个第二变形点观测数据，计算各个第一变形点的三维坐标和各个第二变形点的三维坐标；

(13)服务器将本周期解算获取的各个第一变形点的三维坐标减去预存的各个第一变形点的初始三维坐标，得到各个第一变形点的变形量；将本周期解算获取的各个第二变形点的三维坐标减去预存的各个第二变形点的初始三维坐标，得到本周期各个第二变形点的变形量。

上述应用实例的隧道变形自动化监测系统和方法，在隧道变形自动化监测基准网解算中利用设计的等价权函数进行拟稳平差抗差数据处理，可自动探测并剔除不稳定基准点对变形监测结果的影响，提高了变形监测结果的可靠性和准确性。

在一个实施例中，如图13所示，提供了一种隧道变形自动化监测装置1200，包括：

观测数据接收模块1310，用于接收第一测站点的第一观测数据，和第二测站点的第二观测数据；其中，第一观测数据包括第一测站点监测获取的第一基准点的观测值和连接点的观测值；第二观测数据包括第二测站点监测获取的第二基准点的观测值和连接点的观测值；

误差方程式建立模块1320，用于联合接收的第一观测数据和第二观测数据，建立误差方程式；

解算模块1330，用于根据误差方程式，以及预存的第一基准点和第二基准点的三维坐标，解算获取第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标；

变形量确定模块1340，用于根据解算获取的连接点的三维坐标以及定向角，以及预存的连接点的初始三维坐标以及定向角，确定连接点的变形量。

在一个实施例中，隧道变形自动化监测装置1300还包括：

变形点观测数据接收模块，用于接收第一测站点的第一变形点观测数据，和第二测站点的第二变形点观测数据；其中，第一变形点观测数据包括第一测站点监测获取的第一变形点的观测值；第二变形点观测数据包括第二测站点监测获取的第二变形点的观测值；

变形点三维坐标定位模块，用于根据解算获取的第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及第一变形点观测数据和第二变形点观测数据，计算第一变形点的三维坐标和第二变形点的三维坐标；

变形点变形量获取模块，用于根据解算获取的第一变形点的三维坐标和第二变形点的三维坐标，以及预存的所述第一变形点的初始三维坐标和第二变形点的初始三维坐标，确定所述第一变形点的变形量和第二变形点的变形量。

在一个实施例中，解算定位模块1330进一步用于：

获取对误差方程式解算的上一次数迭代解算的解以及上一次数迭代解算的权；依照预先构建的等价权函数，计算得到当前次数的等价权；以当前次数的等价权替代上一次数迭代解算的权，对误差方程式进行当前次数的迭代解算，得到当前次数迭代解算的解以及对应的当前次数迭代解算的权；当当前次数迭代解算的解与上一次数迭代解算的解之间的差值小于预设的迭代收敛精度值时，根据当前次数迭代解算的解确定第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标。

在一个实施例中，解算定位模块1330进一步用于计算等价权函数如下式所示：

其中，

其中，r_jj＝(Q_wP)_jj，且

上述各个公式中，为第k+1次迭代的等价权，i、j表示观测值排序，N为总观测个数，M为必要观测个数，P_ij为第i个观测值与第j个观测值的相关观测初始权，P_jj为第j个观测值的初始权，为第j个观测值第k次迭代的改正数，r_jj为第j个观测值的多余观测分量，为第k次迭代的中误差，为第j个观测值第k次迭代的标准化残差，k为迭代次数，且k为正整数，k₀为分位参数，k₁为淘汰点参数。

关于隧道变形自动化监测装置的具体限定可以参见上文中对于隧道变形自动化监测方法的限定，在此不再赘述。上述隧道变形自动化监测装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

本发明的隧道变形自动化监测装置与本发明的隧道变形自动化监测方法一一对应，在上述隧道变形自动化监测方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于隧道变形自动化监测装置的实施例中，特此声明。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现步骤：接收第一测站点的第一观测数据，和第二测站点的第二观测数据；其中，第一观测数据包括第一测站点监测获取的第一基准点的观测值和连接点的观测值；第二观测数据包括第二测站点监测获取的第二基准点的观测值和连接点的观测值；联合接收的第一观测数据和第二观测数据，建立误差方程式；根据误差方程式，以及预存的第一基准点和第二基准点的三维坐标，解算获取第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标；根据解算获取的连接点的三维坐标，以及预存的连接点的初始三维坐标，确定连接点的变形量。

本发明实施例所提供的一种计算机设备，其计算机可执行指令不限于如上所述的隧道变形自动化监测方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的隧道变形自动化监测方法中的相关操作，且具备相应的功能和有益效果。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现步骤：接收第一测站点的第一观测数据，和第二测站点的第二观测数据；其中，第一观测数据包括第一测站点监测获取的第一基准点的观测值和连接点的观测值；第二观测数据包括第二测站点监测获取的第二基准点的观测值和连接点的观测值；联合接收的第一观测数据和第二观测数据，建立误差方程式；根据误差方程式，以及预存的第一基准点和第二基准点的三维坐标，解算获取第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标；根据解算获取的连接点的三维坐标，以及预存的连接点的初始三维坐标，确定连接点的变形量。

本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上所述的隧道变形自动化监测方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的隧道变形自动化监测方法中的相关操作，且具备相应的功能和有益效果。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可查询存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种隧道变形自动化监测系统，其特征在于，包括：

第一测站点、第二测站点、第一基准点、第二基准点、连接点和服务器，所述服务器分别与第一测站点和第二测站点通信连接；

所述第一测站点和第二测站点相隔预设距离设置于隧道中；

所述第一基准点设置于所述第一测站点的有效观测范围内；所述第二基准点设置于所述第二测站点的有效观测范围内；

所述连接点设置于第一测站点和第二测站点之间的隧道变形区域中；

所述第一测站点分别监测获取第一基准点、连接点的第一观测数据并发送至服务器；所述第二测站点分别监测获取第二基准点和连接点的第二观测数据并发送至服务器；

所述服务器根据接收的所述第一观测数据和第二观测数据，以及服务器中预存的所述第一基准点和第二基准点的三维坐标，解算获取第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标。

2.根据权利要求1所述的隧道变形自动化监测系统，其特征在于，还包括：第一变形点和第二变形点；

所述第一变形点设置于所述第一测站点的有效观测范围内，所述第二变形点设置于所述第二测站点的有效观测范围内，且所述第一变形点和第二变形点设置于隧道变形区域中；

所述第一测站点分别监测获取第一变形点的第一变形点观测数据并发送至服务器；所述第二测站点分别监测获取第二变形点的第二变形点观测数据并发送至服务器；

所述服务器根据解算获取的第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及接收的第一变形点观测数据和第二变形点观测数据，计算第一变形点的三维坐标和第二变形点的三维坐标；

所述服务器根据解算获取的第一变形点的三维坐标和第二变形点的三维坐标，以及预存的所述第一变形点的初始三维坐标和第二变形点的初始三维坐标，确定所述第一变形点的变形量和第二变形点的变形量。

3.根据权利要求1所述的隧道变形自动化监测系统，其特征在于，所述第一基准点设置于所述第一测站点远离隧道变形区域一侧的稳定隧道结构上；所述第二基准点设置于所述第二测站点远离隧道变形区域一侧的稳定隧道结构上。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的隧道变形自动化监测系统，其特征在于，所述第一测站点和第二测站点均为全站仪；所述第一基准点和第二基准点均为单面棱镜，所述连接点为双面棱镜。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的隧道变形自动化监测系统，其特征在于，所述第一测站点与第二测站点相隔150米距离设置；第一测站点与第二测站点之间布设有三对连接点且三对连接点在50米范围内均匀分布。

6.一种隧道变形自动化监测方法，基于权利要求1至5任意一项所述隧道变形自动化监测系统，其特征在于，包括：

接收第一测站点的第一观测数据，和第二测站点的第二观测数据；其中，第一观测数据包括第一测站点监测获取的第一基准点的观测值和连接点的观测值；第二观测数据包括第二测站点监测获取的第二基准点的观测值和连接点的观测值；

联合接收的所述第一观测数据和第二观测数据，建立误差方程式；

根据所述误差方程式，以及预存的所述第一基准点和第二基准点的三维坐标，解算获取第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标；

根据解算获取的连接点的三维坐标，以及预存的所述连接点的初始三维坐标，确定所述连接点的变形量。

7.根据权利要求6所述的隧道变形自动化监测方法，其特征在于，还包括：

接收第一测站点的第一变形点观测数据，和第二测站点的第二变形点观测数据；其中，第一变形点观测数据包括第一测站点监测获取的第一变形点的观测值；第二变形点观测数据包括第二测站点监测获取的第二变形点的观测值；

根据解算获取的第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及第一变形点观测数据和第二变形点观测数据，计算第一变形点的三维坐标和第二变形点的三维坐标；

根据解算获取的第一变形点的三维坐标和第二变形点的三维坐标，以及预存的所述第一变形点的初始三维坐标和第二变形点的初始三维坐标，确定所述第一变形点的变形量和第二变形点的变形量。

8.根据权利要求6所述的隧道变形自动化监测方法，其特征在于，所述根据所述误差方程式，以及预存的所述第一基准点和第二基准点的三维坐标，解算获取第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标，包括：

获取对所述误差方程式解算的上一次数迭代解算的解以及上一次数迭代解算的权；

依照预先构建的等价权函数，计算得到当前次数的等价权；

以所述当前次数的等价权替代上一次数迭代解算的权，对所述误差方程式进行当前次数的迭代解算，得到当前次数迭代解算的解以及对应的当前次数迭代解算的权；

当当前次数迭代解算的解与上一次数迭代解算的解之间的差值小于预设的迭代收敛精度值时，根据所述当前次数迭代解算的解确定所述第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标。

9.根据权利要求8所述的隧道变形自动化监测方法，其特征在于，所述等价权函数如下式所示：

其中，

其中，r_jj＝(Q_wP)_jj，且

上述各个公式中，为第k+1次迭代的等价权，i、j表示观测值排序，N为总观测个数，M为必要观测个数，P_ij为第i个观测值与第j个观测值的相关观测初始权，P_jj为第j个观测值的初始权，为第j个观测值第k次迭代的改正数，r_jj为第j个观测值的多余观测分量，为第k次迭代的中误差，为第j个观测值第k次迭代的标准化残差，k为迭代次数，且k为正整数，k₀为分位参数，k₁为淘汰点参数。

10.一种隧道变形自动化监测装置，其特征在于，包括：

观测数据接收模块，用于接收第一测站点的第一观测数据，和第二测站点的第二观测数据；其中，第一观测数据包括第一测站点监测获取的第一基准点的观测值和连接点的观测值；第二观测数据包括第二测站点监测获取的第二基准点的观测值和连接点的观测值；

误差方程式建立模块，用于联合接收的所述第一观测数据和第二观测数据，建立误差方程式；

解算模块，用于根据所述误差方程式，以及预存的所述第一基准点和第二基准点的三维坐标，解算获取第一测站点和第二测站点的三维坐标以及定向角，以及连接点的三维坐标；

变形量确定模块，用于根据解算获取的连接点的三维坐标，以及预存的所述连接点的初始三维坐标，确定所述连接点的变形量。