自动化监测技术与监测资料的整编课件

第第6、7章章 自动化监测技术与自动化监测技术与监测资料的整编监测资料的整编测量工程与装备系测量工程与装备系本次课主要内容本次课主要内容l自动化监测系统设计自动化监测系统设计l监测自动化系统设计示例监测自动化系统设计示例l监测资料的整编监测资料的整编l监测数据的预处理监测数据的预处理1.1.自动化监测系统的设计自动化监测系统的设计概述：概述：自动化监测技术是从自动化监测技术是从2020世纪世纪6060年代起，随着计算年代起，随着计算机技术、网络通讯技术的发展而发展起来的。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自动化监测的三种形式：第一种是数据处理自动化，俗称化，俗称“后自动化后自动化”；第二种是实现数据采集；第二种是实现数据采集自动化，俗称自动化，俗称“前自动化前自动化”；第三种是实现在线；第三种是实现在线自动采集数据，离线资料分析，俗称自动采集数据，离线资料分析，俗称“全自动化全自动化”。自动化监测主要包括数据采集的自动化、数据传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。动化等内容。自动化监测系统的功能：自动化监测系统的功能：（1 1）数据采集功能。）数据采集功能。1.1.自动化监测系统的设计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。命令进行选点、巡回检测和定时检测。现现场场的的数数据据采采集集装装置置应应有有储储存存器器和和掉掉电电保保护护模模块块，能能暂暂存存已已经经采采集集的的数数据据，并并在在掉掉电电情情况况下下不不丢丢失失数数据据。系系统统应应设设有有备备用用电电源源，在在断断电电情情况况下下，系系统统应应能能自自动动切切换换，并并继继续续工工作作一一段段时时间间，具具体体持持续续工工作作时间应根据工程的具体要求确定，一般应在时间应根据工程的具体要求确定，一般应在3 3天以上。天以上。（2 2）掉电保护功能。）掉电保护功能。自动化监测系统的功能：自动化监测系统的功能：1.1.自动化监测系统的设计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。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。形式，对于远程通讯一般采用因特网和微波方式。（3 3）自检、自诊断功能。）自检、自诊断功能。（4 4）现场网络数据通讯和远程通讯功能。）现场网络数据通讯和远程通讯功能。（5 5）防雷和抗干扰功能。）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。雷一般应进行专门的设计。（6 6）数据管理功能。）数据管理功能。自动化监测系统的功能：自动化监测系统的功能：1.1.自动化监测系统的设计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。证数据的安全，系统应具有数据备份功能。（7 7）数据分析功能。）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。进一步的分析。设计原则：设计原则：（1 1）适应性）适应性 1.1.自动化监测系统的设计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入自动化监测系统中，技术成熟的项目优先实现自动化。自动化。（2 2）经济性）经济性 系统建设的造价应经济、合理，采用性价比高的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，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。便于管理、维护和节约经费。设计原则：设计原则：（3 3）准确性）准确性1.1.自动化监测系统的设计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。要求，在更换零部件时不影响数据的连续性。（4 4）可靠性）可靠性监测设备选型应优先考虑选用技术先进、成熟、通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、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。具有备用的人工观测手段。（5 5）开放性和通用性）开放性和通用性设计原则：设计原则：1.1.自动化监测系统的设计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。感器。系统应易于操作，人机界面友好。（6 6）统一性）统一性数据采集系统和信息管理系统应相互兼容，即使采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。统一管理。自动化监测系统的布置形式：自动化监测系统的布置形式：1.1.自动化监测系统的设计自动化监测系统的设计集中式监测系统集中式监测系统分布式监测系统分布式监测系统混合式监测系统混合式监测系统集中式监测系统：集中式监测系统：1.1.自动化监测系统的设计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。到采集器的一端进行集中观测。采集器采集器集中式监测系统：集中式监测系统：1.1.自动化监测系统的设计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，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。中有几种传感器，就有几个子系统和几条总线。采集器采集器集中式监测系统：集中式监测系统：1.1.自动化监测系统的设计自动化监测系统的设计采集器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，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。高，技术复杂，电缆用量大，维护不便。v根据不同监测任务需要而埋设的各类传感器通过一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；的测控单元；v由测控单元按照采集程序的控制将监测数据转换、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。做深入分析和处理。分布式监测系统：分布式监测系统：1.1.自动化监测系统的设计自动化监测系统的设计分布式数据采集分布式数据采集系统通常由监测系统通常由监测计算机、测控单计算机、测控单元和传感器组成元和传感器组成v分布式系统是把数据采集工作分散到靠近较多传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感器的采集站(测控单元测控单元)来完成，然后将所测数来完成，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。传感器进行控制测量。分布式监测系统：分布式监测系统：1.1.自动化监测系统的设计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，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。件多，投资相对较大。网络集成式结构是对分布式结构在开放性和标准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、数字信号混合了分布式结构系统中模拟、数字信号混合分布式监测系统：分布式监测系统：1.1.自动化监测系统的设计自动化监测系统的设计雅安滑坡监测示范工程雅安滑坡监测示范工程2.2.自动化监测系统示例自动化监测系统示例第一古滑体第一古滑体第二古滑体第二古滑体GPS点点蠕变体蠕变体雅安峡口滑坡位于四川雅安峡口滑坡位于四川雅安北陇西乡境内，陇雅安北陇西乡境内，陇西河中游峡谷东岸。滑西河中游峡谷东岸。滑体物质为古崩塌堆积物。体物质为古崩塌堆积物。该地区是古滑坡区，复该地区是古滑坡区，复活体长活体长500m500m，宽，宽300m300m，呈东西方向，偏南约呈东西方向，偏南约25.525.5。雅安滑坡监测示范工程雅安滑坡监测示范工程2.2.自动化监测系统示例自动化监测系统示例滑坡体监测包括整体变形监测、内滑坡体监测包括整体变形监测、内应力应变监测、外部环境监测如降应力应变监测、外部环境监测如降雨量、地下水位监测等。雨量、地下水位监测等。整体变形采用整体变形采用GPSGPS定期复测的方式进行。定期复测的方式进行。l基准点基准点2 2个，位于滑坡体东、北两侧个，位于滑坡体东、北两侧的基岩上。的基岩上。l滑坡体上供布设了监测点滑坡体上供布设了监测点1515个，均个，均采用强制对中装置。采用强制对中装置。l沿滑坡剖面布设测斜仪、裂缝计沿滑坡剖面布设测斜仪、裂缝计5 5组，组，雨量计、地下水位计雨量计、地下水位计3 3组。组。2.2.自动化监测系统示例自动化监测系统示例滑坡远程监测系统分为滑坡远程监测系统分为“野外信息野外信息采集及发送系统采集及发送系统”，“北斗卫星导航北斗卫星导航定位系统定位系统”和和“地质灾害监测管理中地质灾害监测管理中心心”三大组成部分。三大组成部分。数据采集系统数据采集系统 监测中心监测中心 北斗通信系北斗通信系统统实时监测系统构成实时监测系统构成“北斗卫星导航定位系统北斗卫星导航定位系统”在在监测系统中承担传输数据的任务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，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，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。统发送反馈信息及控制指令。电池组电池组电电池池组组UPS采集仪电源采集仪电源传感器数字采集仪传感器数字采集仪工工控控机机电源电源卫星通讯机卫星通讯机显示器显示器雨量计数字采集仪雨量计数字采集仪位移传感器位移传感器水水位位、水水温传感器温传感器雨量计雨量计卫星天线卫星天线AC：220V电源2.2.自动化监测系统示例自动化监测系统示例监控站设备清单：监控站设备清单：（1 1）、）、“北斗一号北斗一号”卫星通卫星通讯机讯机（2 2）、工控机）、工控机（3 3）、）、UPSUPS（4 4）、数字采集仪）、数字采集仪（5 5）、传感器供电电源）、传感器供电电源（6 6）、设备机箱架）、设备机箱架（7 7）、雨量计数字采集箱）、雨量计数字采集箱（8 8）、传感器品种：）、传感器品种：雨量计、水位、水温计、位雨量计、水位、水温计、位移计移计（9 9）、天线支架）、天线支架（1010）、避雷装置）、避雷装置2.2.自动化监测系统示例自动化监测系统示例2.2.自动化监测系统示例自动化监测系统示例直直 流流电源电源卫卫 通通 接接收机收机微机微机显示器显示器键盘键盘AC 220V电源接线板电源接线板鼠标鼠标接收机天线接收机天线数据线接数据线接COM1概述概述欲使变形观测起到监视建筑物安全运营和充分发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。资料整编和资料分析。3.3.监测资料的整编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。供资料和归档保存。一般规定（一般规定（土石坝安全监测资料整编规范土石坝安全监测资料整编规范）v监测资料整编包括平时资料整理与定期资料编印。监测资料整编包括平时资料整理与定期资料编印。3.3.监测资料的整编监测资料的整编平时资料整理工作的主要内容：平时资料整理工作的主要内容：（1 1）适时检查各观测项目原始观测数据和巡视检）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、查记录的正确性、准确性和完整性。如有漏测、误读误读(记记)或异常，应及时补或异常，应及时补(复复)测、确认或更测、确认或更正。正。（2 2）及时进行各观测物理量的计）及时进行各观测物理量的计(换换)算，填写数算，填写数据记录表格。据记录表格。一般规定（一般规定（土石坝安全监测资料整编规范土石坝安全监测资料整编规范）v监测资料整编包括平时资料整理与定期资料编印。监测资料整编包括平时资料整理与定期资料编印。3.3.监测资料的整编监测资料的整编平时资料整理工作的主要内容：平时资料整理工作的主要内容：（3 3）随时点绘观测物理量过程线图，考察和判断）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，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，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。应及时上报主管部门。（4 4）随时整理巡视检查记录）随时整理巡视检查记录(含摄像资料含摄像资料)，补充，补充或修正有关监测系统及观测设施的变动或检验、或修正有关监测系统及观测设施的变动或检验、校校(引引)测情况，以及各种考证图、表等，确保测情况，以及各种考证图、表等，确保资料的衔接与连续性。资料的衔接与连续性。定期资料编印工作的主要内容：定期资料编印工作的主要内容：（1 1）汇集工程的基本概况、监测系统布置和各项考证资料，）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。以及各次巡检资料和有关报告、文件等。3.3.监测资料的整编监测资料的整编水平位移观测工作基点考证表水平位移观测工作基点考证表定期资料编印工作的主要内容：定期资料编印工作的主要内容：（2 2）在平时资料整理基础上，对整编时段内的各项观测物）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，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。一般不宜删改，应加注说明，提醒读者注意。3.3.监测资料的整编监测资料的整编 水平位移量统计表水平位移量统计表定期资料编印工作的主要内容：定期资料编印工作的主要内容：（3 3）绘制能表示各观测物理量在时间和空间上的分布特征）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。图，以及有关因素的相关关系图。3.3.监测资料的整编监测资料的整编水平位移测值过程线水平位移测值过程线定期资料编印工作的主要内容：定期资料编印工作的主要内容：（4 4）分析各观测物理量的变化规律及其对工程安）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全的影响，并对影响工程安全的问题提出运行和处理意见。和处理意见。（5 5）对上述资料进行全面复核、汇编，并附以整）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。编说明后，刊印成册，建档保存。3.3.监测资料的整编监测资料的整编主要工作主要工作v监测物理量的转换监测物理量的转换v监测数据的粗差检验监测数据的粗差检验v系统误差的检验系统误差的检验 4.4.监测数据的预处理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，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。在计算分析之前，必须对实测资料进行预处理。3准则准则 对于观测数据序列对于观测数据序列描述该序列数据的变化特征为描述该序列数据的变化特征为若若时，则认为时，则认为是奇异值，应予以舍弃。是奇异值，应予以舍弃。4.4.监测数据的预处理监测数据的预处理粗差检验粗差检验统计检验法统计检验法 假设以前的测值子样为：假设以前的测值子样为：本次测值为：本次测值为：则可求得样本的均值和方差为：则可求得样本的均值和方差为：当当时，则认为测值无粗差，否则，认为测时，则认为测值无粗差，否则，认为测值异常。值异常。4.4.监测数据的预处理监测数据的预处理粗差检验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。观测值作为同一母体的子样。关联分析法关联分析法 假设有测点与，其观测值分别为假设有测点与，其观测值分别为与与它们的关系可用下列多项式数学模型描述：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为：用最小二乘法求得其估值，并可求出回归中误差为：4.4.监测数据的预处理监测数据的预处理粗差检验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。数据是否异常。系统误差检验系统误差检验4.4.监测数据的预处理监测数据的预处理U U检验法检验法将测值序列，特别是建筑物发生较大事件、监测系统更新将测值序列，特别是建筑物发生较大事件、监测系统更新改造或出现故障等作为分界点，将测值序列分为两组或若改造或出现故障等作为分界点，将测值序列分为两组或若干组，并设干组，并设 Y1 N（1，12），），Y2 N（2，22），选择），选择统计量：统计量：当当|U|U/2，则存在系统误差。否则，不存在系统误差。，则存在系统误差。否则，不存在系统误差。若观测资料存在系统误差，则在资料分析时，应设法消除系统若观测资料存在系统误差，则在资料分析时，应设法消除系统误差的影响。误差的影响。该方法适用于测值系列较长，且建筑物的时效变形已基本收敛该方法适用于测值系列较长，且建筑物的时效变形已基本收敛的情况。因为，在时效变形显著时，时效变形和系统误差将难的情况。因为，在时效变形显著时，时效变形和系统误差将难以分辨。以分辨。作业作业1 1、监测资料整编的主要内容。、监测资料整编的主要内容。2 2、监测数据预处理的内容。、监测数据预处理的内容。3 3、监测数据粗差检验的方法。、监测数据粗差检验的方法。4 4、根据假设检验理论，说明监测数、根据假设检验理论，说明监测数据系统误差据系统误差U U检验法的依据。检验法的依据。叙述：叙述：