测量机器人边坡监测系统在平朔矿区的应用

测量机器人边坡监测系统在平朔矿区的应用李静涛焦泽珍田满成马彦辉中煤平朔集团有限公司煤质地测部山西朔州036000摘要:介绍了平朔公司边坡监测机器人的硬件组成、工作原理及数据处理方法，为提高实际监测精度所采取的措施，总结了系统建成以来地质灾害预警预报情况。以平朔公司两处井口边坡监测数据为例，实际测算了两套机器人监测系统的监测精度，测量机器人实测精度满足工程测量规范滑坡监测精度要求。关键词:边坡监测；高精度；测量机器人；预警预报ApplicationofSurveyRobotSlopeMonitoringSysteminPingshuoCoalMiningJingtaoLi,ZezhenJiao,ManchengTian,YanhuiMaChinacoalPingshuogroupCo.,ItdShuozhou,036000ChinaAbstract:Thehardware,operatingprincipleanddateprocessingmethodswasintroducedofsurveyrobotinPingshuo,andmeasuresweretakentoimprovemonitoringactuallyaccuracy,thesituationofgeologicalhazardwarningwassummedupsincethesystemwasbuilt.TwowellheadslopemonitoringdataofPingshuoCompanywasusedtocalculatetheactuallyaccuracyoftworobotmonitoringsystem.Theresultshowedthatsurveyrobots’measuredprecisionmettheaccuracyrequirementsoflandslidemonitoringfromtheengineeringsurveycriterion.Keywords:Slopemonitoring,precision,surveyrobot,warningandforecast引言平朔公司采用露井协采方式采煤，井工矿井口坐落于露天开采形成的矿坑底部，四周为露天矿矿帮边坡和排土形成的边坡。边坡长时间裸露，受风吹、日晒、雨水冲刷等自然营力的影响[1]，坡体表层岩体结构松散、强度降低，存在局部边坡塌滑的可能，严重威胁边坡底部的工业广场、井口及井工开采的作业人员和大量生产设备的正常运行，因此在井口边坡建立监测系统意义重大。传统的露天矿坡监测方法存在耗时耗力，观测结果易受气候和地形地貌等条件的影响等缺点，很难达到及时监测预警的目的[2]。本文应用了测量机器人自动位移监测系统对井口边坡进行监测，并对监测数据精度进行了实际测算。1测量机器人边坡监测系统1.1监测原理平朔公司采用的测量机器人型号为徕卡TCA20O3和TM30，是瑞士徕卡测公司推出的马达驱动、自动跟踪型全站仪，该仪器能连续或定时对多个合作目标进行自动识别、照准、测角、测距和三维坐标测定。测量机器人自动化程度高，能全天候工作，尤其适应于露天矿边坡的实时变形观测。1.2硬件组成1、测站，测站点用来安置测量机器人，要求测站点选择在稳定区域或相对较稳定区域，能够和监测区域通视，测量机器人安置于有较深基础的水泥墩台上，放置在监测房内，监测房上方安装有GPS监测站，实时监测测站点的位移变化[3]，测站设备连接示意图见图1。图1测站点连接示意图2、后视点，后视点应选择在稳定区域或较稳定区域，后视点棱镜安装在水泥墩台上，同时上方安置GPS观测站，实时监测后视点坐标变化[4]。3、棱镜点，棱镜点安置于监测区域，根据监测需要和现场地形，约50米布设一个，棱镜点朝向测站方向。4、数据处理中心，计算机监测软件通过通讯电缆控制测量机器人作全自动变形监测，并将观测结果传输、存储和处理、计算机可直接放置在基站上，但若要进行长期的无人值守监测，则应在方便之处建立专用机房[5]。1.3监测流程1、监测参数设置：设置测量工作进行时的基本参数，如测量坐标系、数据单位以及计算机与全站仪之间的通讯参数等，这是自动测量工作之前的初步工作，系统将按照用户的设置来存储数据和通讯等操作。2、初始化全站仪：根据用户在参数设置中设置的计算机与全站仪之间的通讯参数来对全站仪进行初始化，将控制电脑中设置的参数与仪器中的参数对应起来，以便能够进行通讯，保证命令的传输和通讯的顺畅。3、初测学习：通过对目标点，包括基准点和变形点的首次观测，存储其概略位置，存储数据便作为以后自动观测的依据，即搜索目标点的大体位置。4、自动观测：这个模块是程序的主模块，系统根据用户设置的定时器和点组及他们之间的连接关系，来确定某一时刻观测哪些点，同时将观测的数据存储下来，并进行相应的差分处理[6]。5、数据处理：根据己知的基准点数据和观测的基准点数据来计算改正系数对观测数据进行改正，得到观测点的或然三维坐标，与第一期的相比较得出的差值即为观测点的变形量。6、输出结果：根据用户的要求输出观测结果或者数据处理后的结果。1.4数据存储及处理在VB环境下通过配置驱动(MicrosoftActiveXDataObject2.6Library)实现与SQL数据库的连接来提取数据。对监测数据进行数据处理包括去粗差、求均值、差值，计算任意时间段内的累积形变量。2提高实际监测精度2.1定期更新测站及后视点坐标由于受地形变化影响，测量机器人测站点及后视点坐标存在变形，通过对监测点GPS静态数据进行解算，定期更新测站及后视点坐标可以提高测量机器人数据精度。在Geomos中，通过配置菜单中的PointEditor更改测站及后视点的坐标。2.2对监测点进行分组管理根据测量机器人监测棱镜点变形位移量的大小及分布特点，对棱镜监测点分组管理，设置不同的监测周期，对变形区域的棱镜点组加密监测。在Geomos中，通过配置菜单中的PointGroupEditor实现对各监测点的分组管理。2.3监测周期的设定以测量机器人监测棱镜点分组为基础，缩短变形较大的点组的测量周期，多次测量。在Geomos中，通过配置菜单中的MeasurementCycleEditor设置各监测点组的起始时间、间隔时间和结束时间，完成监测周期的设定。3预警预报情况2013年7月初，受持续降雨影响，井口边坡西部蠕滑区及西帮中部变形速率增大，两处变形区域的具体位置见图2。图2变形区位置图7月18日，蠕滑区和西帮中部均出现坍塌、裂缝，如图3所示。7月底，两处变形区棱镜点变形速率减小。7月份蠕滑区棱镜监测点xz-02点累计向东位移76cm，向南位移9cm，下沉77cm；中部变形区C4-05点累计向东位移70cm，向南位移45cm，下沉158cm。图3现场裂缝图4实际监测精度测算4.1测量机器人系统误差在测量机器人测站为原点、垂直方向为Z轴、水平为XY平面的右手空间直角坐标系下，利用空间极坐标定位原理求各监测棱镜点的空间直角坐标（X，Y，Z）,见式(1)。coscossXsincossY式（1）221sinsRksZ式中，α、β分别为测量机器人实测水平角和垂直角；s为斜距；k为大气折光系数；R是地球曲率半径。Z的第二项是球气差的影响，当距离较短时，该项可忽略。根据误差传播定律，棱镜监测点坐标分量精度指标分别为：2222222cossincossincoscosmsmsmmsX蠕滑区位置西帮中部变形区2222222sinsincoscossincosmsmsmmsY式（2）222222222cossinksZmRsmsmm式中，α、β分别为测量机器人实测水平角和垂直角；ms为测距中误差；mα、mβ为测角中误差；s为仪器至测点的距离。平朔矿区TCA2003测量机器人测距固定误差为1mm，比例误差为1×10-6，测角精度为0.5″。忽略球气差影响，选取该监测区域最大监测角度和距离，用α=36.384°，β=16.342°，s=302.188m代入式（2）,得：mX=0.89mm，mY=0.81mm，mZ=0.76mm。TM30测量机器人测距固定误差为0.6mm，比例误差为1×10-6，测角精度为0.5″。忽略球气差影响,选取该监测区域最大监测角度和距离，用α=127.799°，β=-5.387°，s=733.600m代入式（2），得：mX=1.45mm，mY=1.19mm，mZ=1.77mm。4.2边坡监测精度要求根据国家工程测量规范2012边坡监测精度，见表1，平朔矿区测量机器人边坡监测区域的边坡均为土质边坡，因此水平位移监测的点位中误差为12mm，垂直位移监测的高程中误差为10mm。表1滑坡监测的精度要求（工程测量规范2012）单位：mm类型水平位移监测的点位中误差垂直位移监测的高程中误差地表裂缝的观测中误差岩质滑坡63.00.5土质滑坡121054.3监测数据精度评定指标中误差亦称“标准差”，作为一组真误差的代表值，它虽不等于真误差，但中误差的大小反映了该组观测值精度的高低，对一组测量中的特大或特小误差反映非常敏感，能够很好地反映出测量结果波动大小[7]。本文选取中误差来测算实际监测精度，按照观测值的改正值计算中误差，公式如下：1][nvvm其中，m表示中误差；v表示观测值的改正值。4.4测量机器人实测精度4.4.1TCA2003测量机器人实际监测精度选取TCA2003测量机器人监测区域内较为稳定的监测点数据来计算TCA2003测量机器人的实测精度，各监测点监测距离由近到远分布适中。表2为具有代表性的6个点的实测数据及平面、高程中误差。表2TCA2003测量机器人实测精度表点名实测值实测误差(mm)水平角(°)垂直角(°)距离(m)mx(东坐标)my(北坐标)mz(高程)J2_C2_0313.220-0.085132.8242.0283.7981.679J2_C5_0531.98011.480141.8081.7701.6181.406J2_C4_1133.3074.905250.3093.1442.8392.114J2_C1_0720.220-2.456278.0422.7913.5692.033J2_C3_1130.8052.059299.7236.2454.9152.234J2_C5_1336.3845.964302.1883.9042.4822.231从上表可以看出，徕卡TCA2003测量机器人在实际应用中水平监测点位中误差为6mm，垂直位移监测点位中误差为2mm，在工程测量规范的滑坡监测精度要求之内，满足日常边坡监测需要。4.4.2TM30测量机器人实际监测精度同样在TM30监测区域内选取较稳定的监测点数据来计算TM30实测精度，各监测点的监测距离由近到远分布适中。表3为具有代表性的6个点的实测数据及平面、高程中误差。表3TM30测量机器人实测精度表点名实测值实测误差(mm)水平角(°)垂直角(°)距离(m)mx(东坐标)my(北坐标)mz(高程)JD_BACK274.587-5.387303.0011.4531.6381.752JD_C4_0374.8790.869481.8112.9362.1531.738JD_C6_0353.8985.186500.6166.5542.3047.755JD_C6_0669.756-4.729598.0883.2782.8132.570JD_C1_07111.225-3.251666.5913.7331.6872.701JD_C1_11127.7992.817733.6004.4312.3692.789从上表可以看出：徕卡TM30测量机器人在实际应用中水平及垂直位移监测点位中误差均为7mm，在工程测量规范的滑坡监测精度要求之内，满足日常边坡监测需要。5结