測(cè)量機(jī)器人邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在平朔礦區(qū)的應(yīng)用

1、測(cè)量機(jī)器人邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在平朔礦區(qū)的應(yīng)用李靜濤 焦?jié)烧?田滿成 馬彥輝中煤平朔集團(tuán)有限公司煤質(zhì)地測(cè)部 山西 朔州 036000摘 要: 介紹了平朔公司邊坡監(jiān)測(cè)機(jī)器人的硬件組成、工作原理及數(shù)據(jù)處理方法，為提高實(shí)際監(jiān)測(cè)精度所采取的措施，總結(jié)了系統(tǒng)建成以來地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)情況。以平朔公司兩處井口邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，實(shí)際測(cè)算了兩套機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度，測(cè)量機(jī)器人實(shí)測(cè)精度滿足工程測(cè)量規(guī)范滑坡監(jiān)測(cè)精度要求。關(guān)鍵詞:邊坡監(jiān)測(cè)；高精度；測(cè)量機(jī)器人；預(yù)警預(yù)報(bào)Application of Survey Robot Slope Monitoring System in Pingshuo Coal MiningJin

2、gtao Li,Zezhen Jiao,Mancheng Tian,Yanhui MaChinacoal Pingshuo group Co.,Itd Shuozhou,036000 ChinaAbstract: The hardware, operating principle and date processing methods was introduced of survey robot in Pingshuo, and measures were taken to improve monitoring actually accuracy, the situation of geolo

3、gical hazard warning was summed up since the system was built. Two wellhead slope monitoring data of Pingshuo Company was used to calculate the actually accuracy of two robot monitoring system. The result showed that survey robots measured precision met the accuracy requirements of landslide monitor

4、ing from the engineering survey criterion.Keywords: Slope monitoring, precision, survey robot, warning and forecast引言平朔公司采用露井協(xié)采方式采煤，井工礦井口坐落于露天開采形成的礦坑底部，四周為露天礦礦幫邊坡和排土形成的邊坡。邊坡長(zhǎng)時(shí)間裸露，受風(fēng)吹、日曬、雨水沖刷等自然營(yíng)力的影響1，坡體表層巖體結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度降低，存在局部邊坡塌滑的可能，嚴(yán)重威脅邊坡底部的工業(yè)廣場(chǎng)、井口及井工開采的作業(yè)人員和大量生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行，因此在井口邊坡建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)意義重大。傳統(tǒng)的露天礦坡監(jiān)測(cè)方法存在耗時(shí)

5、耗力，觀測(cè)結(jié)果易受氣候和地形地貌等條件的影響等缺點(diǎn)，很難達(dá)到及時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警的目的2。本文應(yīng)用了測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)井口邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)算。1 測(cè)量機(jī)器人邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1.1監(jiān)測(cè)原理平朔公司采用的測(cè)量機(jī)器人型號(hào)為徠卡TCA20O3和TM30，是瑞士徠卡測(cè)公司推出的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)跟蹤型全站儀，該儀器能連續(xù)或定時(shí)對(duì)多個(gè)合作目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、照準(zhǔn)、測(cè)角、測(cè)距和三維坐標(biāo)測(cè)定。測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化程度高，能全天候工作，尤其適應(yīng)于露天礦邊坡的實(shí)時(shí)變形觀測(cè)。1.2硬件組成1、測(cè)站，測(cè)站點(diǎn)用來安置測(cè)量機(jī)器人，要求測(cè)站點(diǎn)選擇在穩(wěn)定區(qū)域或相對(duì)較穩(wěn)定區(qū)域，能夠和監(jiān)測(cè)區(qū)域通視，測(cè)量機(jī)器人安置于

6、有較深基礎(chǔ)的水泥墩臺(tái)上，放置在監(jiān)測(cè)房?jī)?nèi)，監(jiān)測(cè)房上方安裝有GPS監(jiān)測(cè)站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)站點(diǎn)的位移變化3，測(cè)站設(shè)備連接示意圖見圖1。圖1 測(cè)站點(diǎn)連接示意圖2、后視點(diǎn)，后視點(diǎn)應(yīng)選擇在穩(wěn)定區(qū)域或較穩(wěn)定區(qū)域，后視點(diǎn)棱鏡安裝在水泥墩臺(tái)上，同時(shí)上方安置GPS觀測(cè)站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)后視點(diǎn)坐標(biāo)變化4。3、棱鏡點(diǎn)，棱鏡點(diǎn)安置于監(jiān)測(cè)區(qū)域，根據(jù)監(jiān)測(cè)需要和現(xiàn)場(chǎng)地形，約50米布設(shè)一個(gè)，棱鏡點(diǎn)朝向測(cè)站方向。4、數(shù)據(jù)處理中心，計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)軟件通過通訊電纜控制測(cè)量機(jī)器人作全自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)，并將觀測(cè)結(jié)果傳輸、存儲(chǔ)和處理、計(jì)算機(jī)可直接放置在基站上，但若要進(jìn)行長(zhǎng)期的無(wú)人值守監(jiān)測(cè)，則應(yīng)在方便之處建立專用機(jī)房5。1.3監(jiān)測(cè)流程1、監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)置：設(shè)置測(cè)

7、量工作進(jìn)行時(shí)的基本參數(shù)，如測(cè)量坐標(biāo)系、數(shù)據(jù)單位以及計(jì)算機(jī)與全站儀之間的通訊參數(shù)等，這是自動(dòng)測(cè)量工作之前的初步工作，系統(tǒng)將按照用戶的設(shè)置來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和通訊等操作。2、初始化全站儀：根據(jù)用戶在參數(shù)設(shè)置中設(shè)置的計(jì)算機(jī)與全站儀之間的通訊參數(shù)來對(duì)全站儀進(jìn)行初始化，將控制電腦中設(shè)置的參數(shù)與儀器中的參數(shù)對(duì)應(yīng)起來，以便能夠進(jìn)行通訊，保證命令的傳輸和通訊的順暢。3、初測(cè)學(xué)習(xí)：通過對(duì)目標(biāo)點(diǎn)，包括基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)的首次觀測(cè)，存儲(chǔ)其概略位置，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)便作為以后自動(dòng)觀測(cè)的依據(jù)，即搜索目標(biāo)點(diǎn)的大體位置。4、自動(dòng)觀測(cè)：這個(gè)模塊是程序的主模塊，系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置的定時(shí)器和點(diǎn)組及他們之間的連接關(guān)系，來確定某一時(shí)刻觀測(cè)哪些點(diǎn)，同時(shí)將觀

8、測(cè)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來，并進(jìn)行相應(yīng)的差分處理6。5、數(shù)據(jù)處理：根據(jù)己知的基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)和觀測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)來計(jì)算改正系數(shù)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，得到觀測(cè)點(diǎn)的或然三維坐標(biāo)，與第一期的相比較得出的差值即為觀測(cè)點(diǎn)的變形量。6、輸出結(jié)果：根據(jù)用戶的要求輸出觀測(cè)結(jié)果或者數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果。1.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理在VB環(huán)境下通過配置驅(qū)動(dòng)(Microsoft ActiveX Data Object 2.6 Library)實(shí)現(xiàn)與SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的連接來提取數(shù)據(jù)。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理包括去粗差、求均值、差值，計(jì)算任意時(shí)間段內(nèi)的累積形變量。2 提高實(shí)際監(jiān)測(cè)精度2.1定期更新測(cè)站及后視點(diǎn)坐標(biāo)由于受地形變化影響，測(cè)量機(jī)器人測(cè)站點(diǎn)及后視點(diǎn)

9、坐標(biāo)存在變形，通過對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，定期更新測(cè)站及后視點(diǎn)坐標(biāo)可以提高測(cè)量機(jī)器人數(shù)據(jù)精度。在Geomos中，通過配置菜單中的Point Editor更改測(cè)站及后視點(diǎn)的坐標(biāo)。2.2對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分組管理根據(jù)測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)棱鏡點(diǎn)變形位移量的大小及分布特點(diǎn)，對(duì)棱鏡監(jiān)測(cè)點(diǎn)分組管理，設(shè)置不同的監(jiān)測(cè)周期，對(duì)變形區(qū)域的棱鏡點(diǎn)組加密監(jiān)測(cè)。在Geomos中，通過配置菜單中的Point Group Editor實(shí)現(xiàn)對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分組管理。2.3監(jiān)測(cè)周期的設(shè)定以測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)棱鏡點(diǎn)分組為基礎(chǔ)，縮短變形較大的點(diǎn)組的測(cè)量周期，多次測(cè)量。在Geomos中，通過配置菜單中的Measurement Cycle Edi

10、tor設(shè)置各監(jiān)測(cè)點(diǎn)組的起始時(shí)間、間隔時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，完成監(jiān)測(cè)周期的設(shè)定。3 預(yù)警預(yù)報(bào)情況2013年7月初，受持續(xù)降雨影響，井口邊坡西部蠕滑區(qū)及西幫中部變形速率增大，兩處變形區(qū)域的具體位置見圖2。蠕滑區(qū)位置西幫中部變形區(qū)圖2 變形區(qū)位置圖7月18日，蠕滑區(qū)和西幫中部均出現(xiàn)坍塌、裂縫，如圖3所示。7月底，兩處變形區(qū)棱鏡點(diǎn)變形速率減小。7月份蠕滑區(qū)棱鏡監(jiān)測(cè)點(diǎn)xz-02點(diǎn)累計(jì)向東位移76cm，向南位移9cm，下沉77cm；中部變形區(qū)C4-05點(diǎn)累計(jì)向東位移70cm，向南位移45cm，下沉158cm。圖3 現(xiàn)場(chǎng)裂縫圖4 實(shí)際監(jiān)測(cè)精度測(cè)算4.1測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)誤差在測(cè)量機(jī)器人測(cè)站為原點(diǎn)、垂直方向?yàn)閆軸、水平

11、為X Y平面的右手空間直角坐標(biāo)系下，利用空間極坐標(biāo)定位原理求各監(jiān)測(cè)棱鏡點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)（X，Y，Z）,見式(1)。 式（1）式中，、分別為測(cè)量機(jī)器人實(shí)測(cè)水平角和垂直角；s為斜距；k為大氣折光系數(shù)；R是地球曲率半徑。Z的第二項(xiàng)是球氣差的影響，當(dāng)距離較短時(shí)，該項(xiàng)可忽略。根據(jù)誤差傳播定律，棱鏡監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)分量精度指標(biāo)分別為： 式（2）式中，、分別為測(cè)量機(jī)器人實(shí)測(cè)水平角和垂直角；ms為測(cè)距中誤差；m、m為測(cè)角中誤差；s為儀器至測(cè)點(diǎn)的距離。平朔礦區(qū)TCA2003測(cè)量機(jī)器人測(cè)距固定誤差為1mm，比例誤差為1×10-6，測(cè)角精度為0.5。忽略球氣差影響，選取該監(jiān)測(cè)區(qū)域最大監(jiān)測(cè)角度和距離，用=36.3

12、84°，=16.342°，s=302.188m代入式（2）,得：mX=0.89mm，mY=0.81mm，mZ=0.76mm。TM30測(cè)量機(jī)器人測(cè)距固定誤差為0.6mm，比例誤差為1×10-6，測(cè)角精度為0.5。忽略球氣差影響, 選取該監(jiān)測(cè)區(qū)域最大監(jiān)測(cè)角度和距離，用=127.799°，=-5.387°，s =733.600m代入式（2），得：mX=1.45mm，mY=1.19mm，mZ=1.77mm。4.2邊坡監(jiān)測(cè)精度要求根據(jù)國(guó)家工程測(cè)量規(guī)范2012邊坡監(jiān)測(cè)精度，見表1，平朔礦區(qū)測(cè)量機(jī)器人邊坡監(jiān)測(cè)區(qū)域的邊坡均為土質(zhì)邊坡，因此水平位移監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位中誤

13、差為12mm，垂直位移監(jiān)測(cè)的高程中誤差為10mm。 表1 滑坡監(jiān)測(cè)的精度要求（工程測(cè)量規(guī)范2012） 單位：mm類型水平位移監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位中誤差垂直位移監(jiān)測(cè)的高程中誤差地表裂縫的觀測(cè)中誤差巖質(zhì)滑坡63.00.5土質(zhì)滑坡121054.3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度評(píng)定指標(biāo)中誤差亦稱“標(biāo)準(zhǔn)差”，作為一組真誤差的代表值，它雖不等于真誤差，但中誤差的大小反映了該組觀測(cè)值精度的高低，對(duì)一組測(cè)量中的特大或特小誤差反映非常敏感，能夠很好地反映出測(cè)量結(jié)果波動(dòng)大小7。本文選取中誤差來測(cè)算實(shí)際監(jiān)測(cè)精度，按照觀測(cè)值的改正值計(jì)算中誤差，公式如下：其中，m表示中誤差；v表示觀測(cè)值的改正值。4.4測(cè)量機(jī)器人實(shí)測(cè)精度4.4.1 TCA2003

14、測(cè)量機(jī)器人實(shí)際監(jiān)測(cè)精度選取TCA2003測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)較為穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)來計(jì)算TCA2003測(cè)量機(jī)器人的實(shí)測(cè)精度，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)距離由近到遠(yuǎn)分布適中。表2為具有代表性的6個(gè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及平面、高程中誤差。表2 TCA2003測(cè)量機(jī)器人實(shí)測(cè)精度表點(diǎn)名實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)誤差(mm)水平角(°)垂直角(°)距離(m)mx(東坐標(biāo))my(北坐標(biāo))mz(高程)J2_C2_0313.220-0.085132.824 2.028 3.798 1.679 J2_C5_0531.98011.480141.808 1.770 1.618 1.406 J2_C4_1133.3074.905250.

15、309 3.144 2.839 2.114 J2_C1_0720.220-2.456278.042 2.791 3.569 2.033 J2_C3_1130.8052.059299.723 6.245 4.915 2.234 J2_C5_1336.3845.964302.188 3.904 2.482 2.231 從上表可以看出，徠卡TCA2003測(cè)量機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中水平監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中誤差為6mm，垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中誤差為2mm，在工程測(cè)量規(guī)范的滑坡監(jiān)測(cè)精度要求之內(nèi)，滿足日常邊坡監(jiān)測(cè)需要。4.4.2 TM30測(cè)量機(jī)器人實(shí)際監(jiān)測(cè)精度同樣在TM30監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)選取較穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)來計(jì)算TM30實(shí)測(cè)精

16、度，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)距離由近到遠(yuǎn)分布適中。表3為具有代表性的6個(gè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及平面、高程中誤差。表3 TM30測(cè)量機(jī)器人實(shí)測(cè)精度表點(diǎn)名實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)誤差(mm)水平角(°)垂直角(°)距離(m)mx(東坐標(biāo))my(北坐標(biāo))mz(高程)JD_BACK274.587 -5.387303.001 1.453 1.638 1.752 JD_C4_0374.879 0.869 481.811 2.936 2.153 1.738 JD_C6_0353.898 5.186 500.616 6.554 2.304 7.755 JD_C6_0669.756-4.729598.088 3.278 2

17、.813 2.570 JD_C1_07111.225 -3.251666.591 3.733 1.687 2.701 JD_C1_11127.7992.817733.6004.431 2.369 2.789 從上表可以看出：徠卡TM30測(cè)量機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中水平及垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中誤差均為7mm，在工程測(cè)量規(guī)范的滑坡監(jiān)測(cè)精度要求之內(nèi)，滿足日常邊坡監(jiān)測(cè)需要。5 結(jié)論本文介紹了平朔公司邊坡監(jiān)測(cè)機(jī)器人的硬件組成、工作原理、數(shù)據(jù)處理方法以及日常工作中為提高實(shí)際監(jiān)測(cè)精度所采取的措施，總結(jié)了系統(tǒng)建成以來地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)情況，說明邊坡監(jiān)測(cè)機(jī)器人能夠真實(shí)反映露天礦邊坡的真實(shí)變形，及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)邊坡地質(zhì)災(zāi)害。利用平朔公司兩處井口邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算了兩套機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)精度，計(jì)算結(jié)果證明兩種機(jī)器人具有較高的監(jiān)測(cè)精度,實(shí)測(cè)精度均滿足工程測(cè)量規(guī)范滑坡監(jiān)測(cè)的精度要求，可以在露天礦邊坡監(jiān)測(cè)中推廣應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：1 王寧.露井聯(lián)采邊坡變形發(fā)展影響因素分析D.青島:青島理工大學(xué),2012：21-232 崔政權(quán),李寧.邊坡工程理論與實(shí)踐最新發(fā)展M.北京:中國(guó)水利電力出版社,1999:14-253 梅文勝.測(cè)量機(jī)器人在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究J.大壩與安全,2002(5):33-354 陳永奇.監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)處理M.北京:測(cè)繪出版