本发明涉及建设工程监测领域，具体涉及一种变形监测综合系统及其使用方法。
背景技术：
随着国家基础设施建设的推进，地铁、铁路、公路隧道、城市过江隧道、输油管线、水利管线等工程安全监测的需求逐步增多，监测的要求也逐渐提高。在建设工程的施工和运营过程中，尤其是地下工程、大型建筑物，都需要进行有效的变形监测。在施工早期，已经发生了30%左右的变形，这就迫切需要尽可能早的建立变形监测数据分析机制。
目前，现有技术中仍然存在采用钢尺、收敛计等传统工具进行变形监测，这些方法虽然原理简单、易学易用，但是这些方法过多的耗费时间，且方式落后、精度偏低，与自动化、智能化的目标大相径庭。随着技术的发展，人们逐步采用全站仪、三维激光扫描仪等设备进行变形监测，这些设备价格较为昂贵，且对使用环境要求较高。
专利cn202074964u公开了一种隧道收敛激光系统，该系统通过控制线缆连接测量按钮进行测量；但是该系统需要安装与激光发射装置对应的靶点。专利cn101458069b公开了一种隧道围岩变形监测方法及其检测系统，该系统通过稳定围岩上的激光器监测不稳定围岩上的光敏信号监测器；但是该系统需要设置安装与激光发射装置对应的光敏信号监测器。
鉴于被监测的部位往往是变形较大的不稳定位置，因此，无论是在这些位置安装靶点，还是安装光敏信号监测器，都容易受到破坏。破坏后原来的位置并不容易恢复，或者说根本没办法准确恢复，会给监测工作带来麻烦。
目前现有技术中的监测方式，要么采用现场记录数据，事后整理的方式，或者采用测绘设备进行当期数据的存储，事后将数据导出到电脑中进行处理。即，监测方式没有实现自动化、智能化，监测工作过多的依靠人的经验和人力。
技术实现要素：
为了克服上述缺陷，本发明采用如下的技术方案：
一种变形监测综合系统，其特征在于：所述系统包括中央处理器、显示设备、通讯设备、电源，以及若干监测装置。
所述中央处理器为整个系统的核心部件，至少包括数据处理单元、预警单元。所述数据处理单元，用于处理监测装置采集的数据。所述预警单元，用于根据数据处理单元的处理结果，产生相应的预警信号，通过显示设备显示，并作用于根据需要而设置的报警单元。
作为一种选择，与所述中央处理器的预警单元相对应的，在监测装置上设置有声光报警单元。作为一种选择，所述显示设备为显示屏幕。
所述监测装置为多个，根据需要设置在相应的位置上。
所述监测装置包括角度传感器、激光测距仪、二维调节装置、无线信号收发器、数据采集与控制器、连接线缆、支架、电源。
所述角度传感器包括角度度盘和角度数据采集装置。所述角度传感器用于获取激光线束的出射角度，即激光线束在竖直面上与水平线的夹角。
所述激光测距仪获取监测装置与监测点之间的距离。
所述二维调节装置用于调节监测装置在水平方向上的平整度和竖直方向的垂直度。作为一种选择，所述二维调节装置包括水平调节装置和竖直调节装置，所述水平调节装置用于调节监测装置在水平方向的平整度，所述竖直调节装置用于调节监测装置在竖直方向上的垂直度。经过调节，所述激光测距仪的激光线束出射方向是在竖直平面内的。经过调节，所述角度传感器的零度方向是在水平方向上的。
所述监测装置包括旋转轴，所述激光测距仪绕着旋转轴做旋转运动。所述旋转运动是在竖直面内进行的。
所述无线信号收发器用于将角度信息和距离信息传递给中央处理器。同时被传递的信息还可以包括测量时刻。作为一种选择，无线信号收发器根据需要可以替换为线缆（传输）。
所述数据采集与控制器，用于控制角度传感器和激光测距仪按照时间间隔或者采样时间进行数据采集，并将数据通过无线信号收发器（或其他数据传输通道）发送给中央处理器。
所述连接线缆用于将“数据采集与控制器”和角度传感器、激光测距仪、无线信号收发器等连接。
所述电源为数据采集与控制器、角度传感器、激光测距仪、无线信号收发器等设备供电，并通过连接线缆连接。
作为一种选择，所述监测装置还包括补光灯，所述补光灯能够根据采集数据时的照明情况，自动的进行照明，所述照明用光照强度根据环境亮度而定。
所述监测装置的主体结构通过支架安装于测量位置，所述主体结构包括一个连接底座。所述连接底座包括下部、中部和上部。
所述连接底座的下部固定连接到支架，作为一种选择，所述连接方式可以为螺纹，如支架包括外螺纹，连接底座下部包括与支架上的外螺纹相适配的内螺纹。
进一步的，在连接底座上部设置有激光测距仪、角度传感器、无线信号收发器、数据采集与控制器。所述激光测距仪可以在竖直方向上进行自由转动，所述转动由电机驱动。所述激光测距仪的转动角度被角度传感器记录。
水平调节装置和竖直调节装置构成了二维调节装置。所述水平调节装置为设置在所述连接底座中部的的三个旋转螺钉，以及设置在连接底座上部的圆水准气泡，用于对监测装置进行水平调节。通过调节三个旋转螺钉，使得圆水准气泡处于中央，此时，连接底座上部为水平状态。所述竖直调节装置为设置在激光测距仪上的横水准管气泡，用于对监测装置进行垂直调节。通过调节横水准管气泡，当气泡处于横水准管中央时，所述激光测距仪的出射方向为水平方向。完成横水准管气泡调节后，角度传感器记住此时的角度盘位置，并定义为“零度”。
上述监测装置的调平工作也可以由电子安平部件完成。监测装置完成自动安平之后，由数据采集与控制器通过电机驱动激光测距仪从零度开始采集距离，并且测量时刻、测量角度、测量距离被记录下来，形成数据组（tij，cj,lj）,并通过无线信号收发器传输到中央处理器。其中i监测装置编码，j表示采集时刻序号编码。cj的理论角度范围为0°-180°。所述电机驱动激光测距仪按照一定的角度间隔进行采样，所述电机的工作模式由中央处理器设置，并由数据采集与控制器操控完成。上述记录的数据中，以角度传感器采集的实际角度为准。
所述角度传感器通过角度度盘和角度数据采集装置来记录激光测距仪的出射角度。
进一步的，所述支架整体呈杆状，包括依次连接的固定端、杆部，以及连接端；所述支架通过“爪”形的固定端将其固定在混凝土壁之中，所述混凝土壁是现场浇筑而成，“爪”形的固定端牢固的结合到混凝土壁之中。所述杆部为圆柱状的杆子。所述支架由防腐、防锈金属制成。所述连接端表面为外螺纹。所述连接端靠近外缘的位置为倒角。所述倒角为一圈斜形，为了便于外螺纹上拧螺母，也便于保护盖能够比较方便的扣到连接端上。
所述支架包括配套的保护盖。所述保护盖为u形，u形端口内侧为倒角，所述倒角内低外高，端口表面向内倾斜。所述u形保护盖内壁为具有弹性的内软膜，所述内软膜与连接端的外螺纹相适配（接触，且大小合适）。所述u形保护盖外壁为一层具有弹性的外软膜，所述内/外软膜为高分子材料组成，具有高韧性，且防水防腐。
所述保护盖底部具有若干通孔，通孔能够将u形盖内的气体导出，是保护盖能够顺利扣上连接端的前提。
一种变形监测综合系统的使用方法，采用前述实施例任何之一所述的变形监测综合系统，其特征在于包括如下的步骤：
（1）设备安装；
在监控室内安装中央处理器、显示设备、通讯设备、电源；在施工现场安装若干监测装置。施工初期，在对开挖面进行混凝土加固时，将支架的“爪”形固定端固定在混凝土内，支架杆部露出来，并用保护盖对连接端进行保护。安装后，所述支架杆部的轴线方向与该断面处的法线方向一致。
所述监测装置的数量根据施工需要进行设置。
（2）设备调试；
经过一段时间的稳固，支架所在位置处的混凝土固结。此时，进行设备调试。取下连接端的保护盖，将连接底座的通过其下部的连接结构连接到支架连接端。所述连接结构可以是螺纹。
调节水平调节装置，使得圆水准气泡居中，此时连接底座表面水平。
调节设置在激光测距仪出射方向上的水准管气泡，使其居中，此时，激光测距仪的出射方向与水平线零度一致。此时，角度传感器记录激光测距仪的位置，并记录该位置为零度方向。随着激光测距仪接受电机驱动而在竖直面内转动，角度传感器将会记录激光测距仪的位置，即0-180°，该角度为激光测距仪与初始水平线的夹角。
（3）变形监测；
通过中央处理器设置数据采集的初始时刻和采样时间间隔、采样角度间隔，中央处理器的指令被数据采集与控制器接收，数据采集与控制器控制电机驱动激光测距仪的旋转。
某时刻，激光测距仪旋转到某角度后，激光出射，返回距离信息，此时，角度传感器获取激光测距仪的实际角度信息，数据采集与控制器获得上述信息（时刻信息，角度信息，距离信息），并通过无线信号收发器传输到中央处理器。
多个位置的监测装置，分别获得多个时刻的监测数据，所述数据均传输给中央处理器。
（4）数据处理与分析；
中央处理器对数据进行整理，通过拟合，获取测量断面的轮廓数据；
将多期轮廓数据进行比对分析，获取变形结果；
（5）将中央处理器的分析结果输出。
进一步的，所述步骤（4）包括如下的步骤：
（4.1）所述测量装置获取了角度和距离信息，即（θ，ｒ）类似于极坐标的表示方式，根据每一期数据，拟合出断面曲线；n期测量则一共拟合出n个断面曲线；
（4.2）按照一点的角度间隔取点，将当期断面曲线与上期断面曲线做差，差值为距离r的差值，计算一系列的δr，将δr分别与第一阈值进行比较，得到超出第一阈值的位置，同时标记δr最大的一个或多个位置；
按照设置，选取一组重要的点位，计算每个点位的位移变形速度，计算公式为δr除以监测时间间隔，同时计算一组点位的平均位移变形速度；
（4.3）按照一点的角度间隔取点，将当期断面曲线与首期断面曲线做差，差值为距离r的差值，计算一系列的δr，将δr分别与第二阈值进行比较，得到超出第二阈值的位置，同时标记δr最大的一个或多个位置；
按照设置，选取一组重要的点位，计算每个点位的位移变形速度，计算公式为δr除以监测时间间隔，同时计算一组点位的平均位移变形速度；
（4.4）根据步骤（4.2）、（4.3）的计算结果，以及点位的角度，计算变形的：水平分量
（4.5）根据上述数据处理结果，对重点部位进行监测和分析，研究变形原因，以及采取相应防护措施。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.全程自动化，减小工作量和体力劳动量，减小对人的依赖，且提高了系统的稳定性。
2.全程智能化，在自动化测量的基础上，智能化的进行数据分析、处理和上报，是智能化的系统。
3.改变了传统的点对点的测量方式，免去了监测点设置的过程，破解了监测点固定与维护的难题，使得监测工作更加自如。
4.建立了极坐标的监测数据记录和处理方式，并且将该方式与传统的方式进行换算，是变形监测领域一种全新的记录和处理方式。
5.本发明的系统和方法，更加注重整体性计算工程的变形情况，是科学的、合理的。相对于以往少数点的监测而言，更加的准确和科学。
6.本发明的系统和方法具有自动整平和自动补光灯功能，进一步提高了精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。限于篇幅，本发明中未具体展开描述的部分，均采用现有技术。
图1为本发明的变形监测综合系统的组成示意图。
图2为本发明的支架示意图。
图3为本发明的支架保护盖示意图。
图4为本发明的监测装置连接示意图。
附图标记：变形监测综合系统-1，中央处理器-2，显示设备-3，通讯设备-4，电源-5，监测装置-6，混凝土壁20，固定端21，杆部22，连接端23，外螺纹24，倒角-25、27，保护盖26，内软膜28，外软膜29，通孔-30，角度传感器-602，激光测距仪-603，二维调节装置-604，无线信号收发器-605，数据采集与控制器-606，支架-607。
具体实施方式
以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明提供的系统及其工作方法。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a，单独存在a和b两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
实施例一
本实施例主要介绍本发明的一种变形监测综合系统的构成。
如附图1所示，一种变形监测综合系统1，其特征在于：所述系统包括中央处理器2、显示设备3、通讯设备4、电源5，以及若干监测装置6。
所述中央处理器2为整个系统的核心部件，至少包括数据处理单元、预警单元。所述数据处理单元，用于处理监测装置采集的数据。所述预警单元，用于根据数据处理单元的处理结果，产生相应的预警信号，通过显示设备3显示，并作用于根据需要而设置的报警单元。
作为一种选择，与所述中央处理器2的预警单元相对应的，在监测装置6上设置有声光报警单元。作为一种选择，所述显示设备3为显示屏幕。
所述监测装置6为多个，根据需要设置在相应的位置上。
如附图2所示，所述监测装置包括角度传感器602、激光测距仪603、二维调节装置604、无线信号收发器605、数据采集与控制器606、连接线缆、支架607、电源。
所述角度传感器602包括角度度盘和角度数据采集装置。所述角度传感器602用于获取激光测距仪603的激光线束的出射角度，即激光线束在竖直面上与水平线的夹角。
所述激光测距仪603获取监测装置与监测点之间的距离。
所述二维调节装置用于调节监测装置在水平方向上的平整度和竖直方向的垂直度。作为一种选择，所述二维调节装置包括水平调节装置和竖直调节装置，所述水平调节装置用于调节监测装置在水平方向的平整度，所述竖直调节装置用于调节监测装置在竖直方向上的垂直度。经过调节，所述激光测距仪的激光线束出射方向是在竖直平面内的。经过调节，所述角度传感器的零度方向是在水平方向上的。
所述监测装置包括旋转轴，所述激光测距仪603绕着旋转轴做旋转运动。所述旋转运动是在竖直面内进行的。
所述无线信号收发器用于将角度信息和距离信息传递给中央处理器。同时被传递的信息还可以包括测量时刻。作为一种选择，无线信号收发器根据需要可以替换为线缆（传输）。
所述数据采集与控制器，用于控制角度传感器和激光测距仪按照时间间隔或者采样时间进行数据采集，并将数据通过无线信号收发器（或其他数据传输通道）发送给中央处理器。
所述连接线缆用于将“数据采集与控制器”和角度传感器、激光测距仪、无线信号收发器等连接。
所述电源为数据采集与控制器、角度传感器、激光测距仪、无线信号收发器等设备供电，并通过连接线缆连接。
作为一种选择，所述监测装置还包括补光灯，所述补光灯能够根据采集数据时的照明情况，自动的进行照明，所述照明用光照强度根据环境亮度而定。
上述的系统，尤其适合地下工程的断面测量，尤其是地铁、涵洞、隧道等。
实施例二
本实施例是在前述实施例一的基础上进行的，主要介绍本发明的一种变形监测综合系统的监测装置的具体实施方式。
如附图2所示，所述监测装置的主体结构通过支架安装于测量位置，所述主体结构包括一个连接底座。所述连接底座包括下部、中部和上部。
所述连接底座的下部固定连接到支架，作为一种选择，所述连接方式可以为螺纹，如支架包括外螺纹，连接底座下部包括与支架上的外螺纹相适配的内螺纹。
如附图2所示，在连接底座上部设置有激光测距仪、角度传感器、无线信号收发器、数据采集与控制器。所述激光测距仪可以在竖直方向上（竖直面内）进行自由转动，所述转动由电机驱动。所述激光测距仪的转动角度被角度传感器记录。
水平调节装置和竖直调节装置构成了二维调节装置。
所述水平调节装置为设置在所述连接底座中部的三个旋转螺钉，以及设置在连接底座上部的圆水准器，用于对监测装置进行水平调节。通过调节三个旋转螺钉，使得圆水准器的气泡处于中央，此时，连接底座上部为水平状态。
所述竖直调节装置为设置在激光测距仪上的横水准管，用于对监测装置进行垂直调节。通过调节横水准管，当气泡处于横水准管中央时，所述激光测距仪的出射方向为水平方向。完成横水准管气泡调节后，角度传感器记住此时的角度盘位置，并定义为“零度”。
上述监测装置的调平工作也可以由电子安平部件完成。监测装置完成自动安平之后，由数据采集与控制器通过电机驱动激光测距仪从零度开始采集距离，并且测量时刻、测量角度、测量距离被记录下来，形成数据组（tij，cj,lj）,并通过无线信号收发器传输到中央处理器。其中i监测装置编码，j表示采集时刻序号编码。cj的理论角度范围为0°-180°。所述电机驱动激光测距仪按照一定的角度间隔进行采样，所述电机的工作模式由中央处理器设置，并由数据采集与控制器操控完成。上述记录的数据中，以角度传感器采集的实际角度为准。
所述角度传感器通过角度度盘和角度数据采集装置来记录激光测距仪的出射角度。
实施例三
本实施例是在前述实施例一或二的基础上进行的，主要介绍本发明的一种变形监测综合系统的支架结构。
结合附图3可知，所述支架607整体呈杆状，包括依次连接的固定端21、杆部22，以及连接端23；所述支架通过“爪”形的固定端21将其固定在混凝土壁20之中，所述混凝土壁是现场浇筑而成，“爪”形的固定端21牢固的结合到混凝土壁20之中。所述杆部22为圆柱状的杆子。所述支架由防腐、防锈金属制成。所述连接端23表面为外螺纹24。所述连接端23靠近外缘的位置为倒角25。所述倒角25为一圈斜形，为了便于外螺纹上拧螺母，也便于保护盖能够比较方便的扣到连接端23上。
如附图4所示，所述支架包括配套的保护盖26。所述保护盖26为u形，u形端口内侧为倒角27，所述倒角27内低外高，端口表面向内倾斜。所述u形保护盖内壁为具有弹性的内软膜28，所述内软膜28与连接端23的外螺纹24相适配（接触，且大小合适）。所述u形保护盖外壁为一层具有弹性的外软膜29，所述内/外软膜为高分子材料组成，具有高韧性，且防水防腐。
所述内软膜28能够有效的保护外螺纹24，且能够让保护盖26和连接端23之间形成一定的紧胀力，使得保护盖26对连接端23进行有效的临时保护（尤其是支架安装期间，以及施工期间）。所述外软膜29能够有效的保护盖体，能够减小撞击带来的损伤，也能够减小变形。更为重要的一点，在施工环境下，常常有泥土和混凝土覆盖到设备到保护盖表面，当表面是“软”的时候，可以通过轻轻拍打的方式让保护盖表面的泥土和混凝土覆盖物轻松脱落，从而达到清除污垢的目的。
所述保护盖26底部具有若干通孔30，通孔30能够将u形盖内的气体导出，是保护盖26能够顺利扣上连接端23的前提。
实施例四
本实施例是在前述实施例任何之一或任何组合的基础上进行的，主要介绍本发明的一种变形监测综合系统的使用方法。本实施例以地下工程为例，如隧道施工中隧道断面变形监测为例。
一种变形监测综合系统的使用方法，采用前述实施例任何之一所述的变形监测综合系统，其特征在于包括如下的步骤：
（3）设备安装；
在监控室内安装中央处理器、显示设备、通讯设备、电源；在施工现场安装若干监测装置。施工初期，在对开挖面进行混凝土加固时，将支架的“爪”形固定端固定在混凝土内，支架杆部露出来，并用保护盖对连接端进行保护。安装后，所述支架杆部的轴线方向与该断面处的法线方向一致。
所述监测装置的数量根据施工、监测需要进行设置。
（4）设备调试；
经过一段时间的稳固，支架所在位置处的混凝土固结。此时，进行设备调试。取下连接端的保护盖，将连接底座的通过其下部的连接结构连接到支架连接端。所述连接结构可以是螺纹。
调节水平调节装置，使得圆水准器的圆水准气泡居中，此时连接底座表面水平。
调节设置在激光测距仪出射方向上的水准管气泡，使其居中，此时，激光测距仪的出射方向与水平线零度一致。此时，角度传感器记录激光测距仪的角度位置，并记录该位置为零度方向。随着激光测距仪接受电机驱动而在竖直面内转动，角度传感器将会记录激光测距仪的角度位置，即0-180°，该角度为激光测距仪与初始水平线的夹角。
（3）变形监测；
通过中央处理器设置数据采集的初始时刻和采样时间间隔、采样角度间隔，中央处理器的指令被数据采集与控制器接收，数据采集与控制器控制电机驱动激光测距仪的旋转。
某时刻，激光测距仪旋转到某角度后，激光出射，返回距离信息，此时，角度传感器获取激光测距仪的实际角度信息，数据采集与控制器获得上述信息（时刻信息，角度信息，距离信息），并通过无线信号收发器传输到中央处理器。
多个位置的监测装置，分别获得多个时刻的监测数据，所述数据均传输给中央处理器。
（4）数据处理与分析；
中央处理器对数据进行整理，通过拟合，获取测量断面的轮廓数据；
将多期轮廓数据进行比对分析，获取变形结果；
（5）将中央处理器的分析结果输出；数据处理单元根据需要生成相应的预警信号，并通过显示设备显示，必要时通过报警单元进行报警。
实施例五
本实施例是在前述实施例任何之一或任何组合的基础上进行的，一种变形监测综合系统的使用方法，其特征在于：所述步骤（4）包括如下的步骤：
（4.1）所述监测装置获取了角度和距离信息，即（θ，ｒ）类似于极坐标的表示方式，根据每一期数据，拟合出断面曲线；n期测量则一共拟合出n个断面曲线；每个监测装置均获得数据并拟合；
（4.2）按照一点的角度间隔取点，将当期断面曲线与上期断面曲线做差，差值为距离r的差值，计算一系列的δr，将δr分别与第一阈值进行比较，得到超出第一阈值的位置，同时标记δr最大的一个或多个位置；
按照设置，选取一组重要的点位，计算每个点位的位移变形速度，计算公式为δr除以监测时间间隔，同时计算一组点位的平均位移变形速度；
（4.3）按照一点的角度间隔取点，将当期断面曲线与首期断面曲线做差，差值为距离r的差值，计算一系列的δr，将δr分别与第二阈值进行比较，得到超出第二阈值的位置，同时标记δr最大的一个或多个位置；
按照设置，选取一组重要的点位，计算每个点位的位移变形速度，计算公式为δr除以监测时间间隔，同时计算一组点位的平均位移变形速度；
（4.4）根据步骤（4.2）、（4.3）的计算结果，以及点位的角度，计算变形的：水平分量
（4.5）根据上述数据处理结果，对重点部位进行监测和分析，研究变形原因，以及采取相应防护措施。
如上所述，可较好地实现本发明。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本发明的保护范围内。本发明中未进行特殊说明或限定的部分，均采用现有技术实施。