自動化監(jiān)測系統(tǒng)與變形測量資料整理

自動化監(jiān)測系統(tǒng)與變形測量資料整理第一頁，共36頁。第6、7章

自動化監(jiān)測技術(shù)與

監(jiān)測資料的整編測量工程與裝備系第二頁，共36頁。本次課主要內(nèi)容自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計監(jiān)測自動化系統(tǒng)設(shè)計示例監(jiān)測資料的整編監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理第三頁，共36頁。1.自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計概述：自動化監(jiān)測技術(shù)是從20世紀60年代起，隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。自動化監(jiān)測的三種形式：第一種是數(shù)據(jù)處理自動化，俗稱“后自動化”；第二種是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集自動化，俗稱“前自動化”；第三種是實現(xiàn)在線自動采集數(shù)據(jù)，離線資料分析，俗稱“全自動化”。自動化監(jiān)測主要包括數(shù)據(jù)采集的自動化、數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣踊?、?shù)據(jù)管理的自動化和數(shù)據(jù)分析的自動化等內(nèi)容。第四頁，共36頁。自動化監(jiān)測系統(tǒng)的功能：（1）數(shù)據(jù)采集功能。1.自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計能自動采集各類傳感器的輸出信號，并把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；數(shù)據(jù)采集能適應(yīng)應(yīng)答式和自報式兩種方式，能按設(shè)計的方式自動進行定時測量，能接收命令進行選點、巡回檢測和定時檢測。現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集裝置應(yīng)有儲存器和掉電保護模塊，能暫存已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)，并在掉電情況下不丟失數(shù)據(jù)。系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有備用電源，在斷電情況下，系統(tǒng)應(yīng)能自動切換，并繼續(xù)工作一段時間，具體持續(xù)工作時間應(yīng)根據(jù)工程的具體要求確定，一般應(yīng)在3天以上。（2）掉電保護功能。第五頁，共36頁。自動化監(jiān)測系統(tǒng)的功能：1.自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計即對儀器自身的工作性態(tài)進行檢查，對發(fā)生故障的儀器應(yīng)自動報警。現(xiàn)場數(shù)據(jù)通訊一般采用電纜、光纖和無線傳輸?shù)刃问?，對于遠程通訊一般采用因特網(wǎng)和微波方式。（3）自檢、自診斷功能。（4）現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊和遠程通訊功能。（5）防雷和抗干擾功能。為保證系統(tǒng)的安全和正常運行，防止遭受雷擊和外界因素的干擾，系統(tǒng)應(yīng)具備本功能。系統(tǒng)的防雷一般應(yīng)進行專門的設(shè)計。第六頁，共36頁。（6）數(shù)據(jù)管理功能。自動化監(jiān)測系統(tǒng)的功能：1.自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計對監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行有效的管理，并編制相應(yīng)的管理系統(tǒng)軟件，對監(jiān)測數(shù)據(jù)實行查詢、修改、統(tǒng)計等操作，對數(shù)據(jù)異常及故障能進行顯示和報警。另外，為保證數(shù)據(jù)的安全，系統(tǒng)應(yīng)具有數(shù)據(jù)備份功能。（7）數(shù)據(jù)分析功能。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行及時的分析處理是自動化監(jiān)測的一個重要特征，是及時發(fā)現(xiàn)工程隱患的重要手段。一般的數(shù)據(jù)分析主要是判斷數(shù)據(jù)的正?；虍惓Ｌ卣鳎⒏鶕?jù)其異常特性作進一步的分析。第七頁，共36頁。設(shè)計原則：（1）適應(yīng)性

1.自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)建筑物所處的環(huán)境條件、建筑結(jié)構(gòu)和運行工況的不同，在設(shè)計監(jiān)測自動化系統(tǒng)時應(yīng)有較強的針對性。對于重點監(jiān)測項目和重要測點應(yīng)優(yōu)先納入自動化監(jiān)測系統(tǒng)中，技術(shù)成熟的項目優(yōu)先實現(xiàn)自動化。（2）經(jīng)濟性系統(tǒng)建設(shè)的造價應(yīng)經(jīng)濟、合理，采用性價比高的儀器設(shè)備；同時，應(yīng)盡可能考慮整套系統(tǒng)采用同一廠家的產(chǎn)品，以提高系統(tǒng)的兼容性、完整性，便于管理、維護和節(jié)約經(jīng)費。第八頁，共36頁。設(shè)計原則：（3）準確性1.自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)應(yīng)準確，精度滿足相關(guān)規(guī)范的要求，在更換零部件時不影響數(shù)據(jù)的連續(xù)性。（4）可靠性監(jiān)測設(shè)備選型應(yīng)優(yōu)先考慮選用技術(shù)先進、成熟、通過多個現(xiàn)場環(huán)境長期考核、質(zhì)量合格的產(chǎn)品，設(shè)備的故障率低，具有在雷電、高溫、高濕等惡劣環(huán)境下正常工作的長期可靠性，有良好的防雷、防濕、耐高溫等抗干擾能力。發(fā)生故障時能及時判斷、報警，并迅速排除。為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)可靠，系統(tǒng)應(yīng)具有備用的人工觀測手段。第九頁，共36頁。（5）開放性和通用性設(shè)計原則：1.自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)具有良好的開放性和兼容性。開放性是針對用戶開放系統(tǒng)總線標準、系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單元的程控命令和數(shù)據(jù)格式，以及接入的任何種類標準信號傳感器。系統(tǒng)應(yīng)易于操作，人機界面友好。（6）統(tǒng)一性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)應(yīng)相互兼容，即使采用不同的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，也應(yīng)能實現(xiàn)監(jiān)測信息的統(tǒng)一管理。第十頁，共36頁。自動化監(jiān)測系統(tǒng)的布置形式：1.自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計集中式監(jiān)測系統(tǒng)分布式監(jiān)測系統(tǒng)混合式監(jiān)測系統(tǒng)第十一頁，共36頁。集中式監(jiān)測系統(tǒng)：1.自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計集中式系統(tǒng)是將傳感器通過集線箱或直接連接到采集器的一端進行集中觀測。采集器第十二頁，共36頁。集中式監(jiān)測系統(tǒng)：1.自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計不同類型的傳感器要用不同的采集器控制測量，由一條總線連接，形成一個獨立的子系統(tǒng)。系統(tǒng)中有幾種傳感器，就有幾個子系統(tǒng)和幾條總線。采集器第十三頁，共36頁。集中式監(jiān)測系統(tǒng)：1.自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計采集器集中式監(jiān)測系統(tǒng)的高技術(shù)部件均集中在機房，工作環(huán)境好，便于管理，系統(tǒng)重復(fù)部件少，相對投資也較少，但系統(tǒng)傳輸?shù)氖悄M量，易受外界干擾，系統(tǒng)風(fēng)險集中，可靠性不高，技術(shù)復(fù)雜，電纜用量大，維護不便。第十四頁，共36頁。根據(jù)不同監(jiān)測任務(wù)需要而埋設(shè)的各類傳感器通過一定的通信介質(zhì)（一般為屏蔽電纜）接入布置其附近的測控單元；由測控單元按照采集程序的控制將監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、存儲并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠方的監(jiān)測計算機做深入分析和處理。分布式監(jiān)測系統(tǒng)：1.自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常由監(jiān)測計算機、測控單元和傳感器組成第十五頁，共36頁。分布式系統(tǒng)是把數(shù)據(jù)采集工作分散到靠近較多傳感器的采集站(測控單元)來完成，然后將所測數(shù)據(jù)傳送到主機。這種系統(tǒng)要求每個觀測現(xiàn)場的測控單元應(yīng)是多功能智能型儀器，能對各種類型的傳感器進行控制測量。分布式監(jiān)測系統(tǒng)：1.自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計分布式監(jiān)測系統(tǒng)傳輸?shù)氖菙?shù)字量，傳輸距離長，精度高，風(fēng)險分散，可靠性高，技術(shù)簡單，電纜用量小，布置靈活，觀測速度快，但系統(tǒng)重復(fù)部件多，投資相對較大。第十六頁，共36頁。網(wǎng)絡(luò)集成式結(jié)構(gòu)是對分布式結(jié)構(gòu)在開放性和標準化的方向上做出本質(zhì)改變的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，突破了分布式結(jié)構(gòu)中因?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)的封閉造成的缺陷，改變了分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中模擬、數(shù)字信號混合分布式監(jiān)測系統(tǒng)：1.自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計第十七頁，共36頁。雅安滑坡監(jiān)測示范工程2.自動化監(jiān)測系統(tǒng)示例第一古滑體第二古滑體GPS點蠕變體雅安峽口滑坡位于四川雅安北隴西鄉(xiāng)境內(nèi)，隴西河中游峽谷東岸?；w物質(zhì)為古崩塌堆積物。該地區(qū)是古滑坡區(qū)，復(fù)活體長500m，寬300m，呈東西方向，偏南約25.5°。第十八頁，共36頁。雅安滑坡監(jiān)測示范工程2.自動化監(jiān)測系統(tǒng)示例滑坡體監(jiān)測包括整體變形監(jiān)測、內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、外部環(huán)境監(jiān)測如降雨量、地下水位監(jiān)測等。整體變形采用GPS定期復(fù)測的方式進行?；鶞庶c2個，位于滑坡體東、北兩側(cè)的基巖上?；麦w上供布設(shè)了監(jiān)測點15個，均采用強制對中裝置。沿滑坡剖面布設(shè)測斜儀、裂縫計5組，雨量計、地下水位計3組。第十九頁，共36頁。2.自動化監(jiān)測系統(tǒng)示例滑坡遠程監(jiān)測系統(tǒng)分為“野外信息采集及發(fā)送系統(tǒng)”，“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”和“地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測管理中心”三大組成部分。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

監(jiān)測中心

北斗通信系統(tǒng)實時監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”在監(jiān)測系統(tǒng)中承擔(dān)傳輸數(shù)據(jù)的任務(wù)滑坡遠程監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程是，由野外信息采集系統(tǒng)采集特征地質(zhì)數(shù)據(jù)，由發(fā)送系統(tǒng)發(fā)送至北斗衛(wèi)星，應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的通信功能將數(shù)據(jù)發(fā)送至地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測管理中心，由監(jiān)測中心的監(jiān)測系統(tǒng)控制軟件對數(shù)據(jù)進行初步形式處理并存入數(shù)據(jù)庫，并通過北斗系統(tǒng)向野外系統(tǒng)發(fā)送反饋信息及控制指令。第二十頁，共36頁。電池組電池組UPS采集儀電源傳感器數(shù)字采集儀工控機電源衛(wèi)星通訊機顯示器雨量計數(shù)字采集儀位移傳感器水位、水溫傳感器雨量計衛(wèi)星天線AC：220V電源2.自動化監(jiān)測系統(tǒng)示例監(jiān)控站設(shè)備清單：（1）、“北斗一號”衛(wèi)星通訊機（2）、工控機（3）、UPS（4）、數(shù)字采集儀（5）、傳感器供電電源（6）、設(shè)備機箱架（7）、雨量計數(shù)字采集箱（8）、傳感器品種：雨量計、水位、水溫計、位移計（9）、天線支架（10）、避雷裝置第二十一頁，共36頁。2.自動化監(jiān)測系統(tǒng)示例第二十二頁，共36頁。2.自動化監(jiān)測系統(tǒng)示例直流電源衛(wèi)通接收機微機顯示器鍵盤AC220V電源接線板鼠標接收機天線數(shù)據(jù)線接COM1第二十三頁，共36頁。概述欲使變形觀測起到監(jiān)視建筑物安全運營和充分發(fā)揮工程效益的作用，除了進行現(xiàn)場觀測取得第一手資料外，還必須對監(jiān)測資料進行整理分析，包括：資料整編和資料分析。3.監(jiān)測資料的整編對觀測資料進行匯集、審核、整理、編排，使之集中、系統(tǒng)化、規(guī)格化和圖表化，并刊印成冊稱為觀測資料的整編。其目的是便于應(yīng)用分析，向需用單位提供資料和歸檔保存。第二十四頁，共36頁。一般規(guī)定（《土石壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)范》）監(jiān)測資料整編包括平時資料整理與定期資料編印。3.監(jiān)測資料的整編平時資料整理工作的主要內(nèi)容：（1）適時檢查各觀測項目原始觀測數(shù)據(jù)和巡視檢查記錄的正確性、準確性和完整性。如有漏測、誤讀(記)或異常，應(yīng)及時補(復(fù))測、確認或更正。（2）及時進行各觀測物理量的計(換)算，填寫數(shù)據(jù)記錄表格。第二十五頁，共36頁。一般規(guī)定（《土石壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)范》）監(jiān)測資料整編包括平時資料整理與定期資料編印。3.監(jiān)測資料的整編平時資料整理工作的主要內(nèi)容：（3）隨時點繪觀測物理量過程線圖，考察和判斷測值的變化趨勢。如有異常，應(yīng)及時分析原因，并備忘文字說明。原因不詳或影響工程安全時，應(yīng)及時上報主管部門。（4）隨時整理巡視檢查記錄(含攝像資料)，補充或修正有關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)及觀測設(shè)施的變動或檢驗、校(引)測情況，以及各種考證圖、表等，確保資料的銜接與連續(xù)性。第二十六頁，共36頁。定期資料編印工作的主要內(nèi)容：（1）匯集工程的基本概況、監(jiān)測系統(tǒng)布置和各項考證資料，以及各次巡檢資料和有關(guān)報告、文件等。3.監(jiān)測資料的整編水平位移觀測工作基點考證表編號型式規(guī)格埋設(shè)日期埋設(shè)位置基礎(chǔ)情況測定日期高程（m）備注年月日X(m)Y(m)年月日第二十七頁，共36頁。定期資料編印工作的主要內(nèi)容：（2）在平時資料整理基礎(chǔ)上，對整編時段內(nèi)的各項觀測物理量按時序進行列表統(tǒng)計和校對。此時如發(fā)現(xiàn)可疑數(shù)據(jù)，一般不宜刪改，應(yīng)加注說明，提醒讀者注意。3.監(jiān)測資料的整編

水平位移量統(tǒng)計表觀測日期歷時測點編號及其累積水平位移量月日天P1P2…Pn…本年總量本年內(nèi)特征值統(tǒng)計最大值測點號日期最小值測點號日期水平位移量較差備注水平位移正負號規(guī)定：向下游、向左岸為正；反之為負。本年總量為代數(shù)和。第二十八頁，共36頁。定期資料編印工作的主要內(nèi)容：（3）繪制能表示各觀測物理量在時間和空間上的分布特征圖，以及有關(guān)因素的相關(guān)關(guān)系圖。3.監(jiān)測資料的整編水平位移測值過程線第二十九頁，共36頁。定期資料編印工作的主要內(nèi)容：（4）分析各觀測物理量的變化規(guī)律及其對工程安全的影響，并對影響工程安全的問題提出運行和處理意見。（5）對上述資料進行全面復(fù)核、匯編，并附以整編說明后，刊印成冊，建檔保存。3.監(jiān)測資料的整編第三十頁，共36頁。主要工作監(jiān)測物理量的轉(zhuǎn)換監(jiān)測數(shù)據(jù)的粗差檢驗系統(tǒng)誤差的檢驗4.監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理監(jiān)測資料分析工作必須以準確可靠的監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，在計算分析之前，必須對實測資料進行預(yù)處理。第三十一頁，共36頁。3σ準則

對于觀測數(shù)據(jù)序列描述該序列數(shù)據(jù)的變化特征為若時，則認為是奇異值，應(yīng)予以舍棄。4.監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理粗差檢驗——第三十二頁，共36頁。統(tǒng)計檢驗法假設(shè)以前的測值子樣為：本次測值為：則可求得樣本的均值和方差為：當(dāng)時，則認為測值無粗差，否則，認為測值異常。4.監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理粗差檢驗——根據(jù)彈性力學(xué)理論，當(dāng)相同材料的建筑物在相同的荷載作用下，如果其結(jié)構(gòu)條件、材料性質(zhì)、地基性質(zhì)不變，則其變形量應(yīng)相同。根據(jù)以上事實，可取歷年同一季節(jié)、相同荷載的觀測值作為同一母體的子樣。第三十三頁，共36頁。關(guān)聯(lián)分析法假設(shè)有測點Ａ與Ｂ，其觀測值分別為與它們的關(guān)系可用下列多項式數(shù)學(xué)模型描述：

用最小二乘法求得其估值，并可求出回歸中誤差Ｓ為：4.監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理粗差檢驗——在變形監(jiān)測中，建筑物的水平位移、豎直位移等一般在同一部位布有多個測點，這些測點由于其所在地質(zhì)條件、荷載條件等都十分近似，其位移變化趨勢、位移量都有十分密切的聯(lián)系，因此可以利用這種相關(guān)性，來相互檢驗監(jiān)測數(shù)據(jù)是否異常。第三十四頁，共36頁。系統(tǒng)誤差檢驗——4.監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理U檢