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1、变形监测与数据处理第九章 自动化监测技术Date1中南大学测绘与国土信息工程系主要内容概述 自动化监测系统设计 通用分布式测量控制单元（ MCU）原理及应用 安全监测自动化系统设计示例第九章 自动化监测技术Date2中南大学测绘与国土信息工程系1 概述 第九章 自动化监测技术变形监测与数据处理Date3中南大学测绘与国土信息工程系概述自动化监测技术是20世纪60年代发展起来的 一种全新的监测技术，它是随着计算机技术、 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
2、，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1节 概述Date4中南大学测绘与国土信息工程系一般规定（1）（1）数据采集功能。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 。 （2）掉电保护功能。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
3、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。 （3）自检、自诊断功能。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。第1节 概述Date5中南大学测绘与国土信息工程系（4）现场网络数据通讯和远程通讯功能。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。 （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。一般规定（2）第1节 概述Date6中南大学测绘与国土信息工程系（6）数据管理功能。对监测数据应采用数据 库技术进行有效的管理，并编制相
4、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。 一般规定（3）第1节 概述Date7中南大学测绘与国土信息工程系性能要求（1）（1）采样时间应有一定的限制，具体时间可 根据工程实际情况确定。通常对某个项目的巡 测时应小于30分钟，对单个测点的采样时间 应小于3分钟。 （2）测量的周期可根据工程的实际需要调
5、整 ，在特殊情况下，可实现加测、补测等。 （3）自动化监测系统应建立监控室，用于对 整个系统的控制和数据管理。监控室的温度一 般应保持在2030，湿度保持不大于 85%。第1节 概述Date8中南大学测绘与国土信息工程系性能要求（2）（4）系统可采用交流电作为工作电源，其 工作电压为220V。 （5）系统应有较高的可靠性，系统的故障 率应低于5%，并能稳定可靠地工作。 （6）数据采集装置的测量精度应满足有关 规范和工程实际需要的要求，因此，应在精 度、量程、稳定性、可靠性等方面选择合适 的数据采集装置。第1节 概述Date9中南大学测绘与国土信息工程系2 自动化监测系统设计 第九章 自动化监测
6、技术变形监测与数据处理Date10中南大学测绘与国土信息工程系设计原则（1）（1）适应性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2节 自动化监测系统设计Date11中南大学测绘与国土信息工程系（3）准确性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
7、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 ，设备的故障率应很低，长期稳定性好，可靠性 高，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。设计原则（2）第2节 自动化监测系统设计Date12中南大学测绘与国土信息工程系（5）开放性和通用性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
8、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。设计原则（3）第2节 自动化监测系统设计Date13中南大学测绘与国土信息工程系设计方案监测系统的布置设计是安全监测设计的主要内容，由于 自动化监测系统不仅测读快，测读及时，能够做到相关 量同步测读，能够胜任多测点、密测次的要求，提供在 时间上和空间上更为连续的信息，而且测读准确性和可 靠性高，因此，应普遍使用监测自动化系统。 但是，监测自动化系统较为昂贵，对环境条件要求也比 较高，因此，自动化系统的测点设置应以满足监测工程 安全运行需要为主，纯粹为施工服
9、务及为科学研究而设 置的测点，原则上不纳入自动化系统。 经多年的研制和开发，自动化监测系统的布置形成三大 基本形式：集中式监测系统、分布式监测系统和混合式 监测系统。 第2节 自动化监测系统设计Date14中南大学测绘与国土信息工程系集中式（1）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。 在这种系统中，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。 所有采集器都集中在主机附近，由主机存储 和管理各个采集器数据。采集器通过集线箱实 现选点，如直接选点则可靠性较差。 第2节 自动化监测
10、系统设计Date15中南大学测绘与国土信息工程系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。集中式（2）第2节 自动化监测系统设计Date16中南大学测绘与国土信息工程系集中式监测系统结构示意图第2节 自动化监测系统设计Date17中南大学测绘与国土信息工程系分布式（1）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； 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
11、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。第2节 自动化监测系统设计Date18中南大学测绘与国土信息工程系测控单元还可以接收来自监测计算机的控制 命令，将本身的工作状况以及传感器的工作状 况发送给监测计算机，由操作员做出分析判断 以及时排除系统中硬件设备的故障。因此，虽 然系统设备的类型与集中式无大的差别，但是 由于测控单元与集中式结构中的测控单元相比 有了本质的变化，且系统中数据传输多为数字 量信号，使得分布式系统在诸如测量精度、速 度、可靠性和可扩展性上比集中式系统有了显 著提高。 分布式（2）第2节 自动化监测系统设计Dat
12、e19中南大学测绘与国土信息工程系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。分布式（3）第2节 自动化监测系统设计Date20中南大学测绘与国土信息工程系分布式监测系统结构示意图第2节 自动化监测系统设计第2节 自动化监测系统设计Date21中南大学测绘与国土信息工程系混合式（1）混合式是
13、介于集中式和分布式之间的一种采 集方式。它具有分布式布置的外型，而采用集 中方式进行采集的系统。 设置在仪器附近的遥控转换箱类似于MCU， 汇集其周围的仪器信号，但不具有MCU的 A/D转换和数据暂存功能，故其结构比MCU 简单。 转换箱仅是将仪器的模拟信号汇集于一条总 线之中，然后传到监控室进行集中测量和A/D 转换，然后将数字量送入计算机进行存储处理 。第2节 自动化监测系统设计Date22中南大学测绘与国土信息工程系混合式数据采集方式中转换箱只能起汇集周 围仪器信号的作用，此种方式关键问题是既经 济又可靠地解决了模拟量长距离传输技术； 目前国内传输距离一般在1000m2000m内 ，模拟
14、量传输距离一般不能大于2000m，与 分布式比较，造价可省约1/3左右。 由于转换箱结构简单，维修方便，在恶劣气 候条件下，比MCU产生的故障路率低，所以 此种方式适应于大规模、测点数量多，相对集 中的监控系统。 混合式（2）第2节 自动化监测系统设计Date23中南大学测绘与国土信息工程系网络集成式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，它在现今的企业 管理控制一体化的应用需求中已经发挥着巨大的作用 。 网络集成式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，一个简单控制系统的信号传递需历经从 现场到控制
15、室，再从控制室到现场的往返专线传递过 程。 随着网络信息化和安全性的提高，接入Internet 的管 理层可以为远方的专家和上级管理部门提供远程观测 分析建筑物安全状况的手段，提高安全状况分析的效 率。 第2节 自动化监测系统设计Date24中南大学测绘与国土信息工程系网络集成式监测系统结构示意图第2节 自动化监测系统设计Date25中南大学测绘与国土信息工程系系统组成电缆监测系统的不同部位和不同仪器需要联接不 同规格的电缆。 电缆选型和敷设是确保监测仪器和系统正常 运行的基础，因此，必须予以足够的重视。 电缆选型要充分了解电缆结构及信号传输和 工作环境对电缆的要求，并根据实际情况进行 试验分
16、析。 电缆敷设要注意对每一个环节进行严格的质 量控制，避开不利的区域。第2节 自动化监测系统设计Date26中南大学测绘与国土信息工程系传感器是感应建筑物变形、渗流、应力、温度等各 种物理量的仪器设备，它将测量到的模拟量、数字 量、脉冲量、状态量等信号输送到采集站。 传感器种类可分为：电阻式、电感式、电容式、振 弦式、调频式、压阻式、变压器式、电位器式等。 土木工程监测中常用的传感器包括渗压计、渗流量 计、垂线仪、倾斜仪、测缝计、锚杆应力计、钢筋 计、应变计、温度计等各种仪器。 应选择其中对监控工程安全起重要作用且人工观测 又不能满足要求的关键测点纳人自动化观测系统。 所有纳入自动化系统的仪器，都应预先经过现场观 测值可靠性鉴定，证明其工作性态正常。系统组成传感器第2节 自动化监测系统设计Date27中南大学测绘与国土信息工程系采集站由测控单元组成，并根据仪器分布情况决定其布置，一般设在 较集中的仪器测点附近。 采集站根据确定的观测参数、计划和顺序进行实际测量、计算和存储 ，并有自检、自动诊
