CN118049975A - 一种城市综合管廊基坑监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种城市综合管廊基坑监测系统，包括检测测量装置、标靶以及上位机软件，检测测量装置为多个，多个检测测量装置均固定在管廊基坑边一侧，且沿管廊基坑长度方向依次分布，用以向管廊基坑边另一侧发射激光，标靶的数量为多个且固定在管廊基坑边的另一侧，用以反射检测测量装置发射出的激光，标靶为反射片，上位机软件用以控制检测测量装置进行数据的采集。通过在管廊基坑边两侧分别固定多个检测测量装置和多个标靶，检测测量装置发出激光，标靶对检测测量装置发射出的激光进行反射，通过激光测距模块换算出基坑距离，根据测量的数值计算出基坑边的真实差值，无需人工用全站仪水准仪监测，测量更加方便且精度更高。

Description

一种城市综合管廊基坑监测系统

技术领域

本发明涉及综合管廊基坑监测技术领域，具体为一种城市综合管廊基坑监测系统。

背景技术

城市综合管廊是将电力、通信、给水、燃气和热力等各种不同的管线，共同敷设在一个地下空间中的市政管道的设置方案，也是一个利用城市地下空间建造的集约化的隧道空间，它将分散独立埋设在地下或架空的各种市政管线或公用管线部分或全部汇集到该隧道空间，并留有增设余地，同时设置专门的检修口、吊装口、监测和控制系统，并进行统一规划、统一设计、统一建设，实施共同维护和集中管理。

随着城市化的发展进程，综合管廊将成为城市最基础的市政设施，长度会越来越长，容纳的管线也会越来越多，目前的城市综合管廊的选址绝大部分都在城市道理的下方，城市管廊的开挖，基本都是又长又深，宽度在10m左右，其开挖势必引起周边房屋的受力变化，而目前的对综合管廊的基坑监测，还停留在人工用全站仪水准仪监测阶段，由于道路旁边还需通车，根据测量学原理，全站仪在测量夹角很小的测点时，精度很差，故而，提出一种城市综合管廊基坑监测系统以解决上述问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供了一种城市综合管廊基坑监测装置及系统，具备测量方便且精度高的优点，解决了目前的对综合管廊的基坑监测，还停留在人工用全站仪水准仪监测阶段，由于道路旁边还需通车，根据测量学原理，全站仪在测量夹角很小的测点时，精度很差的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种城市综合管廊基坑监测系统，包括：

检测测量装置，所述检测测量装置为多个，多个所述检测测量装置均固定在管廊基坑边一侧，且沿管廊基坑长度方向依次分布，用以向管廊基坑边另一侧发射激光；

标靶，所述标靶的数量为多个且固定在管廊基坑边的另一侧，用以反射检测测量装置发射出的激光；

上位机软件，所述上位机软件用以控制检测测量装置进行数据的采集。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述检测测量装置包括：

激光发射器，所述激光发射器用以发射出激光；

4G通讯模块，用以实现激光发射器与上位机软件之间的通信；

电机，所述电机设置在激光发射器的下方，用以驱动激光发射器旋转角度；

激光测距模块，用以通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出距离；

RS485通讯模块，用以对采集的数据进行传输；

MCU模块，用以对整个系统进行控制；

实时时钟电路，用以控制电机运行时间；

云台控制电路，用以控制电机的运行；

电源电路，用以给整个系统供电。

进一步，所述激光测距模块是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出距离的，其换算公式为：d=ct/2，测距方法为相位测距法，通过测量连续调制的光波在待测距离上往返传播所发生的相位变化，间接测量时间t，第一次测量时得到的距离值D₀设置为初始值，之后每一次测量值为D_i，基坑边的变化量为D_i-D₀=Δ_i，Δ_i越小则基坑安全，数值越大，基坑越不安全。

进一步，所述上位机软件通过TCP的方式下发采集指令给到4G通讯模块，4G通讯模块透传给到MCU模块，MCU模块发送指令给到云台控制电路，云台控制电路驱动电机旋转到一个角度，电机旋转角度通过实时时钟电路控制电机运行时间来达到旋转角度的目的。

进一步，所述标靶为反射片，多个所述标靶沿管廊基坑长度方向依次分布，多个所述标靶中位于最左侧以及最右侧的三个标靶分别位于管廊基坑的终点外和起点外。

在本发明的另一个方面，提供一种城市综合管廊基坑监测方法，包括以下步骤：

（1）在管廊基坑边一侧固定多个检测测量装置，多个所述检测测量装置沿管廊基坑长度方向依次分布，在管廊基坑边的另一侧固定多个标靶，多个标靶沿管廊基坑长度方向依次分布，并确保在基坑外每一端有3个标靶，同时，位于基坑左侧的三个标靶以及位于基坑右侧的三个标靶能分别被第一个检测测量装置C1和最后一个检测测量装置Cn测量到，每两个检测测量装置至少有一个共同的测量标靶；

（2）上位机软件通过TCP的方式下发采集指令给到4G模块，4G模块透传给到MCU模块，MCU模块发送指令给到检测测量装置使其发出激光，激光打在另一侧基坑边的标靶，标靶对检测测量装置发射出的激光进行反射，通过激光测距模块换算出基坑距离；

（3）上位机软件通过TCP的方式下发采集指令给到4G模块，4G模块透传给到MCU模块，MCU模块发送指令给到云台控制电路，云台控制电路驱动电机旋转到一个角度，调节检测测量装置激光发射的角度，确保检测测量装置可对准不同的标靶发射激光；

（4）根据测量的数值计算出基坑边的真实差值。

进一步的，根据测量的数值计算出基坑边的真实差值包括一下步骤：

（1）设第一个检测测量装置C1的初始坐标（x_c1，y_c2），最后一个检测测量装置Cn的初始坐标为（x_cn,y_cn），基坑外6个标靶的的坐标为B1（x_b1，y_b1）...B6(x_b6,y_b6)，6个基坑外的标靶在基坑外，因此标靶不会发生变化，坐标也不会变化；

（2）根据上位机记录的每个测距到每个标靶之间的角度值和测距测量出来的距离，可以从基坑外三个标靶的坐标反算出C1和Cn的坐标值，C1检测测量装置和C2检测测量装置测量共同的标靶，可得到C2的坐标，以此类推，实现每个检测测量装置的坐标传递，当传递到Cn检测测量装置时，此时的传递坐标Cn′（xcn′，ycn′）和用B4、B5、B6算出来的Cn坐标存在不一致，所以需要对两个坐标的差值进行修正，以此对所有检测测量装置坐标进行修正，达到相邻两个检测测量装置测量同一个标靶坐标一致的效果；

（3）由于存在观测误差，测量所得的Cn点坐标（x_cn,y_cn）与C点已知坐标（x_cn′，y_cn′）不一致，将会产生纵、横坐标增量闭合差f_x，f_y，即：f_x=x_cn-x_cn′,f_y=y_cn-y_cn′，导线全长闭合差f为：

导线全长相对闭合差为：

计算得出的整条测量线路的精度指标，如果k不大于千分之二，则可用下面的公式继续计算，如果达不到，则需继续测量Cn′，直到满足精度指标为止；

带i个装置的纵横坐标增量改正值计算公式为：

第i点的改正后坐标，等于观测值/>与改正数/>之和；

用改正后的坐标，测量标靶，得出的差值，即为基坑边的真实差值。

与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：

该城市综合管廊基坑监测系统，通过在管廊基坑边两侧分别固定多个检测测量装置和多个标靶，上位机软件通过TCP的方式下发采集指令给到4G模块，4G模块透传给到MCU模块，MCU模块发送指令给到检测测量装置使其发出激光，激光打在另一侧基坑边的标靶，标靶对检测测量装置发射出的激光进行反射，通过激光测距模块换算出基坑距离，根据测量的数值计算出基坑边的真实差值，整个过程无需人工用全站仪水准仪监测，测量更加方便且精度更高。

附图说明

图1为本发明现场安装示意图；

图2为本发明各模块连接示意图；

图3为本发明的流程示意图；

图4为本发明中反射片的示意图；

图5为本发明多台监测测量装置安装后的现场示意图；

图6为本发明多台监测测量装置以及多个标靶安装后的现场示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

请参阅图1-6，在本发明的第一个方面，提出一种城市综合管廊基坑监测系统，包括检测测量装置、标靶以及上位机软件，检测测量装置为多个，多个检测测量装置均固定在管廊基坑边一侧，且沿管廊基坑长度方向依次分布，用以向管廊基坑边另一侧发射激光，标靶的数量为多个且固定在管廊基坑边的另一侧，用以反射检测测量装置发射出的激光，标靶为反射片，上位机软件用以控制检测测量装置进行数据的采集。

其中，检测测量装置包括激光发射器、4G通讯模块、电机、激光测距模块、RS485通讯模块、MCU模块、实时时钟电路、云台控制电路以及电源电路。

激光发射器用以发射出激光，4G通讯模块用以实现激光发射器与上位机软件之间的通信，电机设置在激光发射器的下方，用以驱动激光发射器旋转角度，激光测距模块用以通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出距离，RS485通讯模块用以对采集的数据进行传输，MCU模块用以对整个系统进行控制，实时时钟电路用以控制电机运行时间，云台控制电路用以控制电机的运行，电源电路用以给整个系统供电。

激光测距模块是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出距离的，其换算公式为：d=ct/2，测距方法为相位测距法，通过测量连续调制的光波在待测距离上往返传播所发生的相位变化，间接测量时间t，第一次测量时得到的距离值D₀设置为初始值，之后每一次测量值为D_i，基坑边的变化量为D_i-D₀=Δ_i，Δ_i越小则基坑安全，数值越大，基坑越不安全。

测量时，上位机软件通过TCP的方式下发采集指令给到4G通讯模块，4G通讯模块透传给到MCU模块，MCU模块发送指令给到云台控制电路，云台控制电路驱动电机旋转到一个角度，电机旋转角度通过实时时钟电路控制电机运行时间来达到旋转角度的目的，如电机旋转1周的时间为T，则1度的旋转时间为T/360，假如一个测距仪能测量n个标靶，则上位机软件需依次下发n条采集指令获得n个标靶数据，同时需下发n条驱动电机运行的数据，使得测距模块旋转n个角度，以此获得n个测量数据，当上位机下发电机旋转的指令时，过了T秒之后（旋转一周的时间），上位机再下发测距模块采集指令，以此确保云台是旋转到标靶位置之后，才发射出激光。

多个标靶沿管廊基坑长度方向依次分布，由于综合管廊很长，因此一条综合管廊需要布设多个监测装置，监测装置会出现同时测量一个标靶的情况，此时同一标靶的不同监测装置的变化量Δ_i会出现不一样的情况，因此需要对监测方法进行修正，即位于基坑左侧的三个标靶以及位于基坑右侧的三个标靶能分别被第一个检测测量装置C1和最后一个检测测量装置Cn测量到，每两个检测测量装置至少有一个共同的测量标靶。

基于此，在本发明的另一个方面，提供了一种采用上述系统进行城市综合管廊基坑进行监测的方法，包括以下步骤：

（1）在管廊基坑边一侧固定多个检测测量装置，多个检测测量装置沿管廊基坑长度方向依次分布，在管廊基坑边的另一侧固定多个标靶，多个标靶沿管廊基坑长度方向依次分布，并确保在基坑外每一端有3个标靶，同时，位于基坑左侧的三个标靶以及位于基坑右侧的三个标靶能分别被第一个检测测量装置C1和最后一个检测测量装置Cn测量到，每两个检测测量装置至少有一个共同的测量标靶；

（2）上位机软件通过TCP的方式下发采集指令给到4G模块，4G模块透传给到MCU模块，MCU模块发送指令给到检测测量装置使其发出激光，激光打在另一侧基坑边的标靶，标靶对检测测量装置发射出的激光进行反射，通过激光测距模块换算出基坑距离；

（3）上位机软件通过TCP的方式下发采集指令给到4G模块，4G模块透传给到MCU模块，MCU模块发送指令给到云台控制电路，云台控制电路驱动电机旋转到一个角度，调节检测测量装置激光发射的角度，确保检测测量装置可对准不同的标靶发射激光；

（4）根据测量的数值计算出基坑边的真实差值。

其中，根据测量的数值计算出基坑边的真实差值包括一下步骤：

（1）设第一个检测测量装置C1的初始坐标（x_c1，y_c2），最后一个检测测量装置Cn的初始坐标为（x_cn,y_cn），基坑外6个标靶的的坐标为B1（x_b1，y_b1）...B6(x_b6,y_b6)，6个基坑外的标靶在基坑外，因此标靶不会发生变化，坐标也不会变化；

（2）根据上位机记录的每个测距到每个标靶之间的角度值和测距测量出来的距离，可以从基坑外三个标靶的坐标反算出C1和Cn的坐标值，C1检测测量装置和C2检测测量装置测量共同的标靶，可得到C2的坐标，以此类推，实现每个检测测量装置的坐标传递，当传递到Cn检测测量装置时，此时的传递坐标Cn′（xcn′，ycn′）和用B4、B5、B6算出来的Cn坐标存在不一致，所以需要对两个坐标的差值进行修正，以此对所有检测测量装置坐标进行修正，达到相邻两个检测测量装置测量同一个标靶坐标一致的效果；

（3）由于存在观测误差，测量所得的Cn点坐标（x_cn,y_cn）与C点已知坐标（x_cn′，y_cn′）不一致，将会产生纵、横坐标增量闭合差f_x，f_y，即：f_x=x_cn-x_cn′,f_y=y_cn-y_cn′，导线全长闭合差f为：

导线全长相对闭合差为：

计算得出的整条测量线路的精度指标，如果k不大于千分之二，则可用下面的公式继续计算，如果达不到，则需继续测量Cn′，直到满足精度指标为止；

带i个装置的纵横坐标增量改正值计算公式为：

第i点的改正后坐标，等于观测值/>与改正数/>之和；

用改正后的坐标，测量标靶，得出的差值，即为基坑边的真实差值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种城市综合管廊基坑监测系统，其特征在于，包括：

检测测量装置，所述检测测量装置为多个，多个所述检测测量装置均固定在管廊基坑边一侧，且沿管廊基坑长度方向依次分布，用以向管廊基坑边另一侧发射激光；

标靶，所述标靶的数量为多个且固定在管廊基坑边的另一侧，用以反射检测测量装置发射出的激光；

上位机软件，所述上位机软件用以控制检测测量装置进行数据的采集。

2.根据权利要求1所述的一种城市综合管廊基坑监测系统，其特征在于，所述检测测量装置包括：

激光发射器，所述激光发射器用以发射出激光；

4G通讯模块，用以实现激光发射器与上位机软件之间的通信；

电机，所述电机设置在激光发射器的下方，用以驱动激光发射器旋转角度；

激光测距模块，用以通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出距离；

RS485通讯模块，用以对采集的数据进行传输；

MCU模块，用以对整个系统进行控制；

实时时钟电路，用以控制电机运行时间；

云台控制电路，用以控制电机的运行；

电源电路，用以给整个系统供电。

3.根据权利要求2所述的一种城市综合管廊基坑监测系统，其特征在于，所述激光测距模块是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出距离的，其换算公式为：d=ct/2，测距方法为相位测距法，通过测量连续调制的光波在待测距离上往返传播所发生的相位变化，间接测量时间t，第一次测量时得到的距离值D₀设置为初始值，之后每一次测量值为D_i，基坑边的变化量为D_i-D₀=Δ_i，Δ_i越小则基坑安全，数值越大，基坑越不安全。

4.根据权利要求2所述的一种城市综合管廊基坑监测系统，其特征在于，所述上位机软件通过TCP的方式下发采集指令给到4G通讯模块，4G通讯模块透传给到MCU模块，MCU模块发送指令给到云台控制电路，云台控制电路驱动电机旋转到一个角度，电机旋转角度通过实时时钟电路控制电机运行时间来达到旋转角度的目的。

5.根据权利要求2、3或4所述的一种城市综合管廊基坑监测系统，其特征在于，所述标靶为反射片，多个所述标靶沿管廊基坑长度方向依次分布，多个所述标靶中位于最左侧以及最右侧的三个标靶分别位于管廊基坑的终点外和起点外。

6.一种城市综合管廊基坑监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在管廊基坑边一侧固定多个检测测量装置，多个所述检测测量装置沿管廊基坑长度方向依次分布，在管廊基坑边的另一侧固定多个标靶，多个标靶沿管廊基坑长度方向依次分布，并确保在基坑外每一端有3个标靶，同时，位于基坑左侧的三个标靶以及位于基坑右侧的三个标靶能分别被第一个检测测量装置C1和最后一个检测测量装置Cn测量到，每两个检测测量装置至少有一个共同的测量标靶；

（2）上位机软件通过TCP的方式下发采集指令给到4G模块，4G模块透传给到MCU模块，MCU模块发送指令给到检测测量装置使其发出激光，激光打在另一侧基坑边的标靶，标靶对检测测量装置发射出的激光进行反射，通过激光测距模块换算出基坑距离；

（3）上位机软件通过TCP的方式下发采集指令给到4G模块，4G模块透传给到MCU模块，MCU模块发送指令给到云台控制电路，云台控制电路驱动电机旋转到一个角度，调节检测测量装置激光发射的角度，确保检测测量装置可对准不同的标靶发射激光；

（4）根据测量的数值计算出基坑边的真实差值。

7.根据权利要求6所述的一种城市综合管廊基坑监测方法，其特征在于，根据测量的数值计算出基坑边的真实差值包括一下步骤：

（1）设第一个检测测量装置C1的初始坐标（x_c1，y_c2），最后一个检测测量装置Cn的初始坐标为（x_cn,y_cn），基坑外6个标靶的的坐标为B1（x_b1，y_b1）...B6(x_b6,y_b6)，6个基坑外的标靶在基坑外，因此标靶不会发生变化，坐标也不会变化；

（2）根据上位机记录的每个测距到每个标靶之间的角度值和测距测量出来的距离，可以从基坑外三个标靶的坐标反算出C1和Cn的坐标值，C1检测测量装置和C2检测测量装置测量共同的标靶，可得到C2的坐标，以此类推，实现每个检测测量装置的坐标传递，当传递到Cn检测测量装置时，此时的传递坐标Cn′（xcn′，ycn′）和用B4、B5、B6算出来的Cn坐标存在不一致，所以需要对两个坐标的差值进行修正，以此对所有检测测量装置坐标进行修正，达到相邻两个检测测量装置测量同一个标靶坐标一致的效果；

（3）由于存在观测误差，测量所得的Cn点坐标（x_cn,y_cn）与C点已知坐标（x_cn′，y_cn′）不一致，将会产生纵、横坐标增量闭合差f_x，f_y，即：f_x=x_cn-x_cn′,f_y=y_cn-y_cn′，导线全长闭合差f为：

导线全长相对闭合差为：

计算得出的整条测量线路的精度指标，如果k不大于千分之二，则可用下面的公式继续计算，如果达不到，则需继续测量Cn′，直到满足精度指标为止；

带i个装置的纵横坐标增量改正值计算公式为：

第i点的改正后坐标，等于观测值/>与改正数/>之和；

用改正后的坐标，测量标靶，得出的差值，即为基坑边的真实差值。