自动化监测系统与变形测量资料整理

自动化监测系统与变形测量资料整理第一页，共36页。第6、7章

自动化监测技术与

监测资料的整编测量工程与装备系第二页，共36页。本次课主要内容自动化监测系统设计监测自动化系统设计示例监测资料的整编监测数据的预处理第三页，共36页。1.自动化监测系统的设计概述：自动化监测技术是从20世纪60年代起，随着计算机技术、网络通讯技术的发展而发展起来的。自动化监测的三种形式：第一种是数据处理自动化，俗称“后自动化”；第二种是实现数据采集自动化，俗称“前自动化”；第三种是实现在线自动采集数据，离线资料分析，俗称“全自动化”。自动化监测主要包括数据采集的自动化、数据传输的自动化、数据管理的自动化和数据分析的自动化等内容。第四页，共36页。自动化监测系统的功能：（1）数据采集功能。1.自动化监测系统的设计能自动采集各类传感器的输出信号，并把模拟量转换为数字量；数据采集能适应应答式和自报式两种方式，能按设计的方式自动进行定时测量，能接收命令进行选点、巡回检测和定时检测。现场的数据采集装置应有储存器和掉电保护模块，能暂存已经采集的数据，并在掉电情况下不丢失数据。系统应设有备用电源，在断电情况下，系统应能自动切换，并继续工作一段时间，具体持续工作时间应根据工程的具体要求确定，一般应在3天以上。（2）掉电保护功能。第五页，共36页。自动化监测系统的功能：1.自动化监测系统的设计即对仪器自身的工作性态进行检查，对发生故障的仪器应自动报警。现场数据通讯一般采用电缆、光纤和无线传输等形式，对于远程通讯一般采用因特网和微波方式。（3）自检、自诊断功能。（4）现场网络数据通讯和远程通讯功能。（5）防雷和抗干扰功能。为保证系统的安全和正常运行，防止遭受雷击和外界因素的干扰，系统应具备本功能。系统的防雷一般应进行专门的设计。第六页，共36页。（6）数据管理功能。自动化监测系统的功能：1.自动化监测系统的设计对监测数据应采用数据库技术进行有效的管理，并编制相应的管理系统软件，对监测数据实行查询、修改、统计等操作，对数据异常及故障能进行显示和报警。另外，为保证数据的安全，系统应具有数据备份功能。（7）数据分析功能。对监测数据进行及时的分析处理是自动化监测的一个重要特征，是及时发现工程隐患的重要手段。一般的数据分析主要是判断数据的正常或异常特征，并根据其异常特性作进一步的分析。第七页，共36页。设计原则：（1）适应性

1.自动化监测系统的设计根据建筑物所处的环境条件、建筑结构和运行工况的不同，在设计监测自动化系统时应有较强的针对性。对于重点监测项目和重要测点应优先纳入自动化监测系统中，技术成熟的项目优先实现自动化。（2）经济性系统建设的造价应经济、合理，采用性价比高的仪器设备；同时，应尽可能考虑整套系统采用同一厂家的产品，以提高系统的兼容性、完整性，便于管理、维护和节约经费。第八页，共36页。设计原则：（3）准确性1.自动化监测系统的设计系统的测量数据应准确，精度满足相关规范的要求，在更换零部件时不影响数据的连续性。（4）可靠性监测设备选型应优先考虑选用技术先进、成熟、通过多个现场环境长期考核、质量合格的产品，设备的故障率低，具有在雷电、高温、高湿等恶劣环境下正常工作的长期可靠性，有良好的防雷、防湿、耐高温等抗干扰能力。发生故障时能及时判断、报警，并迅速排除。为保证数据的连续可靠，系统应具有备用的人工观测手段。第九页，共36页。（5）开放性和通用性设计原则：1.自动化监测系统的设计系统应具有良好的开放性和兼容性。开放性是针对用户开放系统总线标准、系统数据采集单元的程控命令和数据格式，以及接入的任何种类标准信号传感器。系统应易于操作，人机界面友好。（6）统一性数据采集系统和信息管理系统应相互兼容，即使采用不同的数据采集子系统，也应能实现监测信息的统一管理。第十页，共36页。自动化监测系统的布置形式：1.自动化监测系统的设计集中式监测系统分布式监测系统混合式监测系统第十一页，共36页。集中式监测系统：1.自动化监测系统的设计集中式系统是将传感器通过集线箱或直接连接到采集器的一端进行集中观测。采集器第十二页，共36页。集中式监测系统：1.自动化监测系统的设计不同类型的传感器要用不同的采集器控制测量，由一条总线连接，形成一个独立的子系统。系统中有几种传感器，就有几个子系统和几条总线。采集器第十三页，共36页。集中式监测系统：1.自动化监测系统的设计采集器集中式监测系统的高技术部件均集中在机房，工作环境好，便于管理，系统重复部件少，相对投资也较少，但系统传输的是模拟量，易受外界干扰，系统风险集中，可靠性不高，技术复杂，电缆用量大，维护不便。第十四页，共36页。根据不同监测任务需要而埋设的各类传感器通过一定的通信介质（一般为屏蔽电缆）接入布置其附近的测控单元；由测控单元按照采集程序的控制将监测数据转换、存储并通过数据通信网络发送至远方的监测计算机做深入分析和处理。分布式监测系统：1.自动化监测系统的设计分布式数据采集系统通常由监测计算机、测控单元和传感器组成第十五页，共36页。分布式系统是把数据采集工作分散到靠近较多传感器的采集站(测控单元)来完成，然后将所测数据传送到主机。这种系统要求每个观测现场的测控单元应是多功能智能型仪器，能对各种类型的传感器进行控制测量。分布式监测系统：1.自动化监测系统的设计分布式监测系统传输的是数字量，传输距离长，精度高，风险分散，可靠性高，技术简单，电缆用量小，布置灵活，观测速度快，但系统重复部件多，投资相对较大。第十六页，共36页。网络集成式结构是对分布式结构在开放性和标准化的方向上做出本质改变的系统结构，突破了分布式结构中因专用网络的封闭造成的缺陷，改变了分布式结构系统中模拟、数字信号混合分布式监测系统：1.自动化监测系统的设计第十七页，共36页。雅安滑坡监测示范工程2.自动化监测系统示例第一古滑体第二古滑体GPS点蠕变体雅安峡口滑坡位于四川雅安北陇西乡境内，陇西河中游峡谷东岸。滑体物质为古崩塌堆积物。该地区是古滑坡区，复活体长500m，宽300m，呈东西方向，偏南约25.5°。第十八页，共36页。雅安滑坡监测示范工程2.自动化监测系统示例滑坡体监测包括整体变形监测、内应力应变监测、外部环境监测如降雨量、地下水位监测等。整体变形采用GPS定期复测的方式进行。基准点2个，位于滑坡体东、北两侧的基岩上。滑坡体上供布设了监测点15个，均采用强制对中装置。沿滑坡剖面布设测斜仪、裂缝计5组，雨量计、地下水位计3组。第十九页，共36页。2.自动化监测系统示例滑坡远程监测系统分为“野外信息采集及发送系统”，“北斗卫星导航定位系统”和“地质灾害监测管理中心”三大组成部分。

数据采集系统

监测中心

北斗通信系统实时监测系统构成“北斗卫星导航定位系统”在监测系统中承担传输数据的任务滑坡远程监测系统的工作流程是，由野外信息采集系统采集特征地质数据，由发送系统发送至北斗卫星，应用北斗卫星导航系统的通信功能将数据发送至地质灾害监测管理中心，由监测中心的监测系统控制软件对数据进行初步形式处理并存入数据库，并通过北斗系统向野外系统发送反馈信息及控制指令。第二十页，共36页。电池组电池组UPS采集仪电源传感器数字采集仪工控机电源卫星通讯机显示器雨量计数字采集仪位移传感器水位、水温传感器雨量计卫星天线AC：220V电源2.自动化监测系统示例监控站设备清单：（1）、“北斗一号”卫星通讯机（2）、工控机（3）、UPS（4）、数字采集仪（5）、传感器供电电源（6）、设备机箱架（7）、雨量计数字采集箱（8）、传感器品种：雨量计、水位、水温计、位移计（9）、天线支架（10）、避雷装置第二十一页，共36页。2.自动化监测系统示例第二十二页，共36页。2.自动化监测系统示例直流电源卫通接收机微机显示器键盘AC220V电源接线板鼠标接收机天线数据线接COM1第二十三页，共36页。概述欲使变形观测起到监视建筑物安全运营和充分发挥工程效益的作用，除了进行现场观测取得第一手资料外，还必须对监测资料进行整理分析，包括：资料整编和资料分析。3.监测资料的整编对观测资料进行汇集、审核、整理、编排，使之集中、系统化、规格化和图表化，并刊印成册称为观测资料的整编。其目的是便于应用分析，向需用单位提供资料和归档保存。第二十四页，共36页。一般规定（《土石坝安全监测资料整编规范》）监测资料整编包括平时资料整理与定期资料编印。3.监测资料的整编平时资料整理工作的主要内容：（1）适时检查各观测项目原始观测数据和巡视检查记录的正确性、准确性和完整性。如有漏测、误读(记)或异常，应及时补(复)测、确认或更正。（2）及时进行各观测物理量的计(换)算，填写数据记录表格。第二十五页，共36页。一般规定（《土石坝安全监测资料整编规范》）监测资料整编包括平时资料整理与定期资料编印。3.监测资料的整编平时资料整理工作的主要内容：（3）随时点绘观测物理量过程线图，考察和判断测值的变化趋势。如有异常，应及时分析原因，并备忘文字说明。原因不详或影响工程安全时，应及时上报主管部门。（4）随时整理巡视检查记录(含摄像资料)，补充或修正有关监测系统及观测设施的变动或检验、校(引)测情况，以及各种考证图、表等，确保资料的衔接与连续性。第二十六页，共36页。定期资料编印工作的主要内容：（1）汇集工程的基本概况、监测系统布置和各项考证资料，以及各次巡检资料和有关报告、文件等。3.监测资料的整编水平位移观测工作基点考证表编号型式规格埋设日期埋设位置基础情况测定日期高程（m）备注年月日X(m)Y(m)年月日第二十七页，共36页。定期资料编印工作的主要内容：（2）在平时资料整理基础上，对整编时段内的各项观测物理量按时序进行列表统计和校对。此时如发现可疑数据，一般不宜删改，应加注说明，提醒读者注意。3.监测资料的整编

水平位移量统计表观测日期历时测点编号及其累积水平位移量月日天P1P2…Pn…本年总量本年内特征值统计最大值测点号日期最小值测点号日期水平位移量较差备注水平位移正负号规定：向下游、向左岸为正；反之为负。本年总量为代数和。第二十八页，共36页。定期资料编印工作的主要内容：（3）绘制能表示各观测物理量在时间和空间上的分布特征图，以及有关因素的相关关系图。3.监测资料的整编水平位移测值过程线第二十九页，共36页。定期资料编印工作的主要内容：（4）分析各观测物理量的变化规律及其对工程安全的影响，并对影响工程安全的问题提出运行和处理意见。（5）对上述资料进行全面复核、汇编，并附以整编说明后，刊印成册，建档保存。3.监测资料的整编第三十页，共36页。主要工作监测物理量的转换监测数据的粗差检验系统误差的检验4.监测数据的预处理监测资料分析工作必须以准确可靠的监测资料为基础，在计算分析之前，必须对实测资料进行预处理。第三十一页，共36页。3σ准则

对于观测数据序列描述该序列数据的变化特征为若时，则认为是奇异值，应予以舍弃。4.监测数据的预处理粗差检验——第三十二页，共36页。统计检验法假设以前的测值子样为：本次测值为：则可求得样本的均值和方差为：当时，则认为测值无粗差，否则，认为测值异常。4.监测数据的预处理粗差检验——根据弹性力学理论，当相同材料的建筑物在相同的荷载作用下，如果其结构条件、材料性质、地基性质不变，则其变形量应相同。根据以上事实，可取历年同一季节、相同荷载的观测值作为同一母体的子样。第三十三页，共36页。关联分析法假设有测点Ａ与Ｂ，其观测值分别为与它们的关系可用下列多项式数学模型描述：

用最小二乘法求得其估值，并可求出回归中误差Ｓ为：4.监测数据的预处理粗差检验——在变形监测中，建筑物的水平位移、竖直位移等一般在同一部位布有多个测点，这些测点由于其所在地质条件、荷载条件等都十分近似，其位移变化趋势、位移量都有十分密切的联系，因此可以利用这种相关性，来相互检验监测数据是否异常。第三十四页，共36页。系统误差检验——4.监测数据的预处理U检