基于静力水准的房屋倾斜实时监测系统研究

王吉

摘要：本文以静力水准为测量手段，介绍了一套利用差异沉降来计算房屋倾斜的远程实时监测系统。系统在整架构上分为采集层、服务层以及展示层，通过RS485、TCP/IP以及WebSocket协议在仪器与用户之间传输数据和指令。最后，通过系统在房屋纠偏加固项目中的实际应用，进一步验证本系统是一种稳定、可靠的实时倾斜监测系统。

关键词：静力水准；倾斜测量；实时监测

1引言

对于房屋进行倾斜监测是建筑施工当中非常重要的一项工作。传统的监测一般采用水准仪或者经纬仪，通过测量建筑物的垂直度或者房屋断面的相对高差来计算倾斜变化。这些方法需要人工操作，实时性较差，无法满足更高观测频率的监测需求。

2监测手段

2.1静力水准

静力水准仪作为一种高精密液位测量系统，其原理是在同一重力场下，连通管的液面高度最终总是能够保持一致的高度。通过静力水准，可以测量两点之间的相对高程差异[4]。

假设在A、B两点处各有一台静力水准设备，通过计算AB两点之间的高程差异，除以二点之间的水平距离，即可得到建筑在该断面上的倾斜率：

①

2.2精度预估

根据《建筑变形测量规范》中3.2“建筑的地基变形允许值”中的规定：多层和高层建筑物的整体倾斜，倾斜允许值为2‰，取其1/20，也就是0.1‰，作为本次系统倾斜测量的目标精度[1]。

在本系统中，使用的静力水准设备精度如下表所示：

表1静力水准相关参数

由此可知，单台仪器静力水准采集精度在0.2mm左右，根据误差传播定律[3]，两点差异沉降的观测误差约为：0.2mm*=0.29mm，因此，若断面距离

②

即可满足倾斜测量的精度要求。在实际房屋监测中，房屋断面大于2.9m的条件几乎总是得以满足，因此，静力水准可以用于房屋倾斜沉降监测，精度能够满足规范要求。

3实时监测系统构成

3.1系统框架

自动化监测系统的框架分为三个部分：

1.采集端：工业控制电脑和静力水准设备；

2.服务端：数据接受、处理、存储、发布模块；

3.展示端：网页程序或手机APP。

整体框架如下图所示：

3.2采集端

采集端由一台可以联网的工控机和若干台串联的静力水准设备组成，其拓扑结构为总线方式：工控机为主机、静力水准设备为从机。

系统主要功能有：

1.数据采集：工控机搭载专门编写的数据采集程序，通过RS485串口，基于Modbus协议，与静力水准仪器进行通信；

2.数据离线缓存：传统的实时采集程序一般使用DTU/RTU模块直接将数据发往服务器，此类模式在信号不佳或离线情况下往往丢失数据。而使用专门开发的工控机程序，通过本地数据库对采集的数据进行缓存，在通信不畅的时候保存数据，等待网络恢复之后再传至远程服务器，既保证了数据的连贯性，又保证了数据的完整性；

3.TCP长接连：根据系统的设计目标，监测应可以随时随地进行。为了能够实时测量，需要工控机保持与服务器的连接，时刻准备接受命令，因此必须维护一个同服务器的TCP连接，定时发送心跳到服务器，保持该连接不中断，并在掉线后自动恢复该连接；

4.定时测量：工控机可以设置从某时刻起，以固定的时间间隔进行倾斜测量观测，保证观测频率满足监测需求；

5.实时互操作：工控机在长连接的基础之上，接收并响应来自服务器的指令，并实时将响应结果返回至服务器。

图1自动倾斜监测系统整体框架

3.3服务端

服务端是整个业务的核心，一方面它接收来自工控机的数据，实时处理、储存；另一方面，它需要将处理好的结果发布到用户网页上，使用户能实时查看当前的监测数据。

服务端由工控机实时通讯、数据处理与发布、客户端通信等模块组成。

3.3.1工控机通讯

服务器为了与采集端的工控机进行实时通讯，需要建立一个TCPServer，并自定义一套基于JSON的文本协议（JSONBasedProtocol）。

在本系统中，需要实现的具体协议类型有：

1.开始测量（StartSurvey））：工控机开始测量所有的静力水准设备；

2.设置定时间隔（SetInterval）：工控机设置观测时间间隔或自动触发测量的时刻；

3.刷新配置（ReloadConfig）：在更改、增加、替换、删除静力水准设备或测量配置后，触发工控机接收最新的配置信息；

4.测量完成（SurveyComplete）：在完成测量之后，工控机需要发送一个通知到服务器，以告知测量结束，方便终端用户及时查看最新的测量数据。

3.3.2数据处理

工控机在完成测量之后，会将该组观测数据发送至服务器，服务器则按照配对好的断面关系，依照○1式进行倾斜计算，并生成持久化结果。数据处理模块的主要构成有：

1.RESTAPI：通过暴露WebHTTPAPI给工控机，使工控机能够上传数据至数据库中，API是数据的源头和入口；

2.异常值剔除：静力水准在测量中由于液面的蒸发、瞬时的抖动或者其他干扰，不可避免的存在异常值，因此需要对数据进行粗差剔除。如何正确的区分异常值和实际变形数据是程序稳定和正常的关键。本系统中，对于一次测量，应用的剔除标准为：

A.大于最近24小时内的该点测量值的3倍中误差以上的[2]；

B.且与位置临近点相比，二者差值的中误差在3倍中误差以上的；

3.倾斜计算：按照差异沉降与断面距离，计算实际的倾斜率以及与初始值相比的累积差异变形；

4.数据储存：将计算结果存入数据库，并提供API供后续查询；

5.报警触发：如果计算结果超出预警或警戒值，应发送邮件通知作业人员和项目经理。

一个完整的HTTP管道图为：

图2数据处理的HTTP管道

3.3.3网页通讯

服务器不仅需要维护工控机的实时信息，还需要同当前访问系统的用户进行实时通讯，并播报测量状态与数据。本系统搭建了一套WebSocketServer，对网页用户的操作进行实时通讯，同样基于JSON实现了开始测量、设置定时、测量完成等协议的通讯。

3.3.4消息队列

系统使用消息队列来完成实时通讯模块的功能。实时通讯模块衔接工控机通讯的TCPServer与终端用户的WebSocketServer，是数据流通的纽带和桥梁。利用消息队列，TCPServer和WebSocketServer无需知道对方的存在，只需跟消息队列通信即可收发数据：

1.TCPServer接收到工控机消息，发送至消息队列

2.消息队列发布TCPServer消息

3.WebSocketServer订阅该消息，当消息来临时发送至网页用户。

其通讯架构可以如下图所示：

图3基于消息队列的实时通讯架构

通过消息队列，对TCPServer和WebSocketServer进行衔接，一方面使工控机和网页能够相互通信，另一方面解耦了彼此之间的依赖，使得系统更加稳健且易于扩展。

3.4展示端

传统的监测系统，往往是桌面端程序，当频繁更新时，需要每位用户进行升级，不利于程序的分发和使用。而利用HTML5技术，程序运行在浏览器中，可以做到每次程序更新只需要发布一次，用户始终运行的是最新版程序，网页界面如下图：

图4房屋倾斜实时监测系统界面截图

展示端是用户交互的入口和数据的载体，主要实现三个功能：

1.点位平面布置图：利用GIS技术对断面和房屋的平面图进行绘制和展示；

2.数据查看与查询：利用JavaScript图表展示当前时刻的倾斜和差异沉降数据及历史数据；

3.实时控制测量：利用WebSocket技术，将用户的指令通过实时消息模块传到工控机并将工控机的反馈指令播报给当前网页用户。

4实际工程应用

4.1工程背景

以某房屋基础加固工程为例，需要对10#进行基础加固，沉降资料显示，该楼在加固前的8个月内，沉降阶段变形为2.23～8.66mm，总倾斜率约0.3～3.6‰之间，需要对其进行沉降监测和倾斜监测。

4.2测点布置

项目拟在10#楼东、西单元主楼结构布置14个监测点，布点图如下图所示：

图510#楼静力水准点位布置图

布设监测点应满足如下要求：

1.观测点安装在可以反映施工期间主楼结构变形的侧墙结构体上[6]；

2.观测点尽量按照南北、东西同断面布设；

3.观测点布设不影响被测量体的结构性能，不影响正常施工；

4.工控机采集设备安装在通信信号良好区域。

点位布设结束后，根据设计图纸量测每个断面的横截距，配置到每组断面上。按照15分钟的间隔采集数据，根据采集到的静力水准数据，按照公式○1，对断面的差异沉降和倾斜进行计算，如有报警，实时通知施工现场，暂停施工并分析原因。

4.3数据分析

对于10#楼，取2017-12-30至2018-03-16的76天内的人工水准仪和静力水准的沉降数据进行对比，限于篇幅，仅列出在断面1、断面2处的对比图，如下所示：

图6断面1人工与静力水准差异沉降对比曲线

图7断面2人工与静力水准差异沉降对比曲线

图6、图7显示，自动化和人工对比数据在趋势上和数值上均吻合较好。

对于所有的南北长断面（长度大于9米的断面），截止到2018-03-16日，人工和自动化采集数据的差异（单位mm）列于表8。该表显现两类数据的总体吻合程度为86.1%。对其计算相关系数为97.28%，二者相关性显著。

表22017-12-30至2018-03-16人工与静力水准差异沉降结果对比

5结论

本文利用静力水准测量进行房屋倾斜监测，搭建了一套房屋倾斜实时测量系统，该系统有如下特点：

1.利用静力水准计算差异沉降，利用数据差分技术，很大程度上消除了由液面、温度、环境等因素带来的静力水准测量误差[5]；

2.采集端程序具备数据缓存功能，可以离线保存数据，即便在无网络条件下也能进行数据采集、测量和存储；

3.基于JSON自定义了一套操作指令，在线环境下通过远程操控工控机可实现实时数据采集、测量和存储；

4.利用TCP、消息队列、WebSocket建立了一套实时数据流，可实现测量数据的工控机实时采集和网页同步展示，更加适应高频度的监测需求。

此外，在后续开发中，以此系统框架为基础，通过在工控机端解析其他设备的RS485传输协议，还可接入更多类型的传感器，实时监控多类型数据指标，扩展系统的通用性。

参考文献：

[1]JGJ8-2016建筑变形测量规范[S].中国建筑工业出版社，2016

[2]黄声享，尹晖，蒋征.变形监测数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2015-07

[3]武汉大学测量平差学科组.误差理论与测量平差基础[M].武汉：武汉大学出版社，2002

[4]戴加东，王艳玲，禇伟洪.静力水准自动化监测系统在某工程中的应用[J].工程勘察，2009-05

[5]付和宽.地铁隧道内静力水准观测的精度分析[J].现代测绘，2011-01

[6]赵蕾.厂房结构变形实时监测及安全预警系统研究[D].浙江工业大学，2015-06

[7]Mozilla.Web开发技术指南[EB/OL].https：//developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web