【关键词】：隧道工程，盾构姿态，自动测量，系统开发
1引言
盾构机姿态实时正确测定，是隧道顺利推进和确保工程质量的前提，其重要性不言而喻。在盾构机自动化程度越来越高的今天，甚至日掘进量超过二十米，可想而知，测量工作的压力是相当大的。这不仅要求精度高，不出错；还必须速度快，对工作面交叉影响尽可能小。因此，为了能够在隧道施工过程中及时准确给出方向偏差，并予以指导纠偏，国内外均有研制的精密自动导向系统用于隧道工程中，对工程起到了很好的保证作用。
1.1国内使用简况
国内隧道施工中测量盾构机姿态所采用的自动监测系统有：德国VMT公司的SLS—T方向引导系统；英国的ZED系统；日本TOKIMEC的TMG—32B（陀螺仪）方向检测装置等等。所采用的设备都是由国外进口来的。据了解，目前有些地铁工程中（如广州、南京）在用SLS—T系统，应用效果尚好。
总的来看，工程中使用自动系统的较少。究其原因：一是设备费或租赁费较昂贵；二是对使用者要求高，普通技术人员不易掌握；三是有些系统的操作和维护较人工方法复杂，在精度可靠性上要辅助其它方法来保证。
1.2国外系统简况
国外现有系统其依据的测量原理，是把盾构机各个姿态量（包括：坐标量—X.Y.Z，方位偏角、坡度差、轴向转角）分别进行测定，准确性和时效性受系统构架原理和测量方法限制，其系统或者很复杂而降低了系统的运行稳定性，加大了投入的成本，或者精度偏低，或者功能不足，需配合其他手段才能完成。
国外生产的盾构设备一般备有可选各自成套的测量与控制系统，作业方式主要以单点测距定位、辅以激光方向指向接收靶来检测横向与垂向偏移量的形式为主。另外要有纵、横两个精密测倾仪辅助[7]。有些（日本）盾构机厂商提供的测控装置中包括陀螺定向仪，采用角度与距离积分的计算方法[1][2]，对较长距离和较长时间推进后的盾构机方位进行校核，但精度偏低，对推进只起到有限的参考作用。
2系统开发思路与功能特点
2.1开发思路
基于对已有同类系统优缺点的分析，为达到更好的实用效果，我们就此从新进行整体设计，理论原理和方法同过去有所不同，主要体现在：其一，系统运行不采用直接激光指向接收靶的引导方式，而是根据测点精确坐标值来对盾构机刚体进行独立解算，计算盾构姿态元素的精确值，摈弃以往积分推算方法，防止误差积累；其二，选用具有自主开发功能的高精度全自动化的测量机器人，测量过程达到完全自动化和计算机智能控制；其三，在理论上将平面加高程的传统概念，按空间向量归算，在理论上以三维向量表达，简化测量设置方式和计算过程。
目前全站仪具备了过去所没有的自动搜索、自动瞄准、自动测量等多种高级功能，还具有再开发的能力，这为我们得以找到另外的测量盾构机姿态的方法，提供了思路上和技术上的新途径。
系统开发着眼于克服传统测控方式的缺点，提高观测可靠性和测量的及时性，减少时间占用，最大限度降低人工测量劳动强度，避免大的偏差出现，有利于盾构施工进度，提高施工质量，在总体上提高盾构法隧道施工水平。系统设计上改进其他方式的缺点，在盾构推进过程中无需人工干预，实现全自动盾构姿态测量。
2.2原理与功能特点
盾构机能够按照设计线路正确推进，其前提是及时测量、得到其准确的空间位置和姿态方向，并以此为依据来控制盾构机的推进，及时进行纠正。系统功能特点与以往方式不同，主要表现在：
(1)独特的同步跟进方式：本系统采用同步跟进测量方式，较好克服了随着掘进面推进测点越来越远造成的观测困难和不便。
(2)免除辅助传感器设备，六要素一次给出（六自由度）。
(3)三维向量导线计算：系统充分利用测量机器人(LeicaTCA全站仪)的已有功能，直接测量点的三维坐标（X，Y，Z）,采用新算方法——“空间向量”进行严密的姿态要素求解。
(4)运行稳定精度高：能充分满足隧道工程施工对精度控制的要求以及对运行稳定性的要求。
(5)适用性强：能耐高低温，适于条件较差的施工环境中的正常运行（温度变化大，湿度高，有震动的施工环境）。
图1系统主信息界面示意
系统连续跟踪测定当前盾构机的三维空间位置、姿态，和设计轴线进行比较获得偏差信息。在计算机屏幕上显示的主要信息如图一所示。包括：盾构机两端（切口中心和盾尾中心）的水平偏差和垂直偏差及盾构机刚体三个姿态转角：1)盾购机水平方向偏转角（方位角偏差）、2)盾构机轴向旋转角、3)盾构机纵向坡度差（倾斜角差），以及测量时间和盾构机切口的当前里程，并显示盾构机切口所处位置的线路设计要素。
2.3运行流程
系统采用跟踪式全自动全站仪（测量机器人），在计算机的遥控下完成盾构实时姿态跟踪测量。测量方式如图二所示：由固定在吊篮（或隧道壁）上的一台自动全站仪[T2]和固定于隧道内的一个后视点Ba，组成支导线的基准点与基准线。按连续导线形式沿盾构推进方向，向前延伸传递给在同步跟进的车架顶上安置的另一台自动全站仪[T1]及棱镜，由测站[T1]测量安置于盾构机内的固定点{P1}、{P2}、{P3}，得到三点的坐标。盾构机本体上只设定三个目标测点。该方式能较好地解决激光指向式测量系统的痼疾——对曲线段推进时基准站设置与变迁频繁的问题。
2.4刚体原理
盾构机体作为刚体，理论上不难理解，刚体上三个不共线的点唯一地确定其空间位置与姿态。由三测点的实时坐标值，按向量归算方法（另文），解算得出盾构机特征点坐标与姿态角度精确值。即通过三维向量归算直接求得盾构机切口和盾尾特征部位中心点O1和O2当前的三维坐标（X01、Y01、Z01和X02、Y02、Z02）。同时根据里程得到设计所对应的理论值，两者比较得出偏差量。
2.5系统初始化操作
系统初始化包括四项内容：
1)设置盾构机目标测点和后视基准点；
2)固定站和动态站上全站仪安置；
3)盾构控制室内计算机与全站仪通讯缆连接；
4)系统运行初态数据测定和输入。
在固定站[T2]换位时，相关的初态数据须重测重设，而其他几项只在首次安装时完成即可。
F1键启动系统。固定的[T2]全站仪后视隧道壁上的Ba后视点（棱镜）进行系统的测量定向。[T2]和安装于盾构机车架顶上的[T1]全站仪（随车架整体移动）以及固定于盾构机内的测量目标（反射镜）P1、P2、P3构成支导线进行导线自动测量。
2.6运行操作与控制
本系统在两个测站点[T1]、[T2]安装自动全站仪，由通信线与计算机连接，除计算机“开”与“关”外，运行中无须人员操作和干予，计算机启动后直接进入自动测量状态界面，当系统周而复始连续循环运行时，能够智能分析工作状态来调整循环周期（延迟时间），直到命令停止测量或退出。
3系统软件与设备构成
3.1软件开发依据的基础
测量要素获得是系统工作的基础，选用瑞士Leica公司TCA自动全站仪（测量机器人）及相应的配件，构成运行硬件基础框架。基于TCA自动全站仪系列的接口软件GeoCom和空间向量理论及定位计算方法，实现即时空间定位，这在设计原理上不同于现有同类系统。系统通过启动自动测量运行程序，让IPC机和通讯设备遥控全站仪自动进行测量，完成全部跟踪跟进测量任务。
3.2系统硬件组成的五个部分
■全自动全站仪
测量主机采用瑞士徕卡公司的TCA1800自动测量全站仪，它是目前同类仪器中性能最完善可靠的仪器之一。TCA1800的测角精度为±1”、测距精度为1mm+2ppm；仪器可以在同视场范围内安装二个棱镜并实现精密测量，使观测点设置自由灵活，大大提高了系统测量的精度。
■测量附属设备
包括棱镜和反射片等。
■自动整平基座
德国原装设备，纠平范围大(10o48’)，反应快速灵敏(±32”)。
■工业计算机
系统控制采用日本的CONTECIPCRT/L600S计算机，它能在震动状态、5。~50。C及80%相对湿度环境中正常运行，工矿环境下能够防尘、防震、防潮。其配置如下：
——Pentiun(r)-MMX233HZ处理器
——32M内存
——10G硬盘或更高
——3.5英寸软驱
——SuperVGA1024*768液晶显示器
——PC/AT（101/102键）键盘接口
——标准PS/2鼠标接口
——8串口多功能卡（内置于计算机扩展槽）
■双向通讯（全站仪D计算机）设备
系统长距离双向数据通讯设备采用国内先进的元器件，性能优良，使得本系统通讯距离允许长达1000米（通常200米以内即满足系统使用要求），故障率较国外同类系统低得多，约减少90％以上。通讯原理如图三所示。
3.3系统硬件组成简单的优势
从设备构成可知，系统不使用陀螺仪，也不必配装激光发射接收装置，并舍去其他许多系统所依赖的传感设备或测倾仪设备，从而最大限度地简化了系统构成，系统简化提高了其健壮性，系统实现最简和最优。
带来上述优点的原因，在于机器人良好的性能和高精度以及定位原理上直接采用三维框架，通过在计算理论和方法上突破过去传统方式的框框，使之能够高精度直接给出盾构机上任意（特征）点的三维坐标（X，Y，Z）以及三个方向的（偏转）角度（α，β，γ），这样在盾构机定位定向中，即使是结构复杂的盾构机也能够简单地同时确定任意多个特征点。比如DOT式双圆盾构需解决双轴中心线位或其他盾构更多轴心、以及铰接式变角等问题，可通过向量和坐标转换计算解出而不必增加必要观测。
由此可知，本构架组成系统的硬件部件少，运行更加可靠，较其他形式的姿态测量方式优点明显。实际上本系统的最大特点就是由测量点的坐标直接解算来直接给定测量对象（刚体）的空间姿态。
另外特别说明一点：本系统由两台仪器联测时，每次测量都从隧道基准导线点开始，测量运行过程中每点和每条边在检验通过之后才进行下步。得到的姿态结果均相互独立，无累积计算，故系统求解计算中无累计性误差存在。因此，每次结果之间可以相互起到检核作用，从而避免产生人为的或系统数据的运行错误。这种每次直接给出独立盾构机姿态六要素（X，Y，Z，α，β，γ）的测算模式，在同类系统中是首次采用。
冗余观测能够避免差错，也是提高精度的有效方法。最短可设置每三分钟测定一次盾构机姿态，由此产生足量冗余，不仅确保了结果的准确，也保证了提供指导信息的及时性，同时替代了隧道不良环境中的人工作业，改善了盾构隧道施工信息化中的一个重要但较薄弱的环节。
4工程应用及结论
4.1工程应用
上海市共和新路高架工程中山北路站～延长路站区间盾构推进工程，本系统在该隧道的盾构掘进中成功应用，实现实时自动测量，通过了贯通检验。该工程包括上行线和下行线二条隧道，单线全长1267米。每条隧道包含15段平曲线（直线、缓和曲线、圆曲线）和17段竖曲线（坡度线、圆曲线），线型复杂。
盾构姿态自动监测系统于2001年12月11日至2002年3月7日在盾构推进施工中调试应用。首先在下行线（里程SK15+804～SK16+103）安装自动监测系统，调试获得成功，由于下行线推进前方遇到灌注桩障碍被迫停工，自动监测系统转移安装到上行线的盾构推进施工中使用，直到上行线于2002年3月7日准确贯通，取得满意结果。
4.2系统运行结果精度分析
盾构机非推进状态的实测数据精度估计分析
通过实验调试和施工运行引导推进表明，系统在盾构推进过程中连续跟踪测量盾构机姿态运行状况良好。测量一次大约2~3分钟。在“停止”状态测得数据中，里程是不变的，此时的偏差变化，直接反映出系统在低度干扰状态下的内符合稳定性，其数据——偏差量用来指导盾构机的掘进和纠偏。盾构不推进所测定盾构机偏差的较差<±1cm，盾构推进时测定盾构机偏差的误差<±2cm。表三中和人工测量的结果对比，考虑对盾构机特征点预置是独立操作的，从而存在的不共点误差，由此推估测量结果和人工测量是一致的，在盾构机贯通进洞时得到验证。
4.3开发与应用小结
经数据随机抽样统计计算得出中误差（表一、表二）表明：以两倍中误差为限值，盾构机停止和推进两种状态偏差结果的中误差均小于±20毫米，满足规范要求。
为了检核盾构姿态自动监测系统的实测精度，仍采用常规的人工测量方法，测定切口和盾尾的水平偏差和垂直偏差，并与同里程的自动测量记录相比较（表三），求得二者的较差()。由于二者各自确定的切口中心点O1和盾尾中心点O2不一致偏差约为2cm，所以各自测定的偏差不是相对于同一中心点的，即二者之间先期存在着系统性差值。
通过工程实用运行，对多种困难条件适应性检验，系统表现出良好的性能：
1)实时性——系统自动测量反映当前盾构机空间(六自由度)状态；
2)动态性——系统自动跟踪跟进，较好解决了弯道转向问题；
3)简易性——系统结构简单合理，操作和维护方便，易于推广使用；
4)快速性——系统测量一次仅需约两分钟；
5)准确性——结果准确精度高，满足规范要求，在各种工况状态都小于±20毫米；
6)稳定性——适应震动潮湿的地下隧道环境，系统可以长期连续运行。
本系统已成功用于上海市复兴东路越江隧道?11.22米大型泥水平衡盾构推进中。我们相信对于结构简单，运行稳定，精确度高，维护方便的盾构姿态自动监测系统，在盾构施工中将发挥其应有作用。
[参考文献]
[1]隧道工程，上海科学技术出版社，1999年7月，刘建航主编
[2]地铁一号线工程，上海科学技术出版社，1999年7月，刘建航主编
[3]TPS1000经纬仪定位系统使用手册，Leica仪器有限公司
[4]盾构姿态自动监测系统研究与开发报告，2002年4月，上海市政二公司
[5]杭州湾交通通道数据信息管理系统设计与开发，华东公路，1998.3，岳秀平
[6]GeoCOMReferenceManualVersion2.20，LeicaAG，CH-9435Heerbrugg(Switzerland)
1．1建设过程监督项目部重点对资金使用、工程质量、生产安全、工程进度等情况进行监督检查，确保项目建设规范、有序、快速推进，确保资金安全和投资效益。同时接受有关部门的监督检查，对审计、检查中发现的问题及时整改。
1．2工程监理工程建设监理是有效控制工程建设进度、质量、投资，促进工程顺利实施的重要措施。通过招标确定具有相应资质的监理单位，依法签订工程监理合同，明确监理范围、监理权力和监理职责，并报项目主管单位备案。监理单位依据相应规章组建项目监理机构，设置项目总监理工程师，按照建设项目性质设置与项目相适应的专业监理人员并持证实际到位监理。现场建设管理机构负责项目建设现场管理工作，监理机构依据合同负责协调勘察、设计、施工等单位，确保工程质量、工程进度、工程投资和安全生产，实现项目建设总体目标。
1．3质量、安全管理工程质量实行项目法人全面负责，监理单位控制、设计和施工单位保证、政府部门监督、项目部具体负责的质量管理体制。项目部对项目负直接管理责任，具体负责质量管理工作。按照有关规定建立质量管理制度，建立健全质量保证体系，落实工程质量责任制，签订质量管理责任状。对项目严格实行项目法人责任制、招标投标制、建设监理制和合同管理制的工程管理制度。开工前组织做好施工图设计、设计技术交底和工程项目划分等工作，施工过程中对工程质量进行全过程跟踪检查，工程完工后负责工程档案的归档并组织申报完工、竣工验收。主动接受质监机构对工程质量的监督检查，对检查出的问题，及时督促有关单位按要求整改并反馈情况，工程完工后，配合质监机构完成工程质量鉴定。对严重违规的施工、监理单位，项目部有权终止合同或向项目法人提出终止合同建议。督促监理单位加强原材料、半成品及成品的抽检工作，严禁不合格材料进入施工现场，加强砂浆、混凝土的施工配比检查，做到标准统一，称量准确。认真执行隐患排查和专项治理制度，对施工中发现的一切质量问题和质量缺陷，及时进行处理，加强事前和事中控制，彻底消除质量隐患。项目安全生产管理，坚持“安全第一、预防为主、综合治理”的方针，建立健全“政府领导、部门监管、企业负责、群众参与、社会支持”的工作机制。项目法人对安全生产负总责，认真落实各参建单位安全生产责任，防止质量和安全事故发生。项目部对安全生产具体负责，贯彻实施安全生产法律、法规、规章和政策。会同与工程建设有关的单位定期研究、部署防范重特大事故发生的措施和方案，协调解决安全生产工作中的重大问题。组织实施、监督检查安全生产责任制的落实，指导参建单位的安全生产工作。分析预测安全生产形势，统计安全事故，定期上报安全生产信息。加强重点部位、关键环节和重要时段的安全生产日常监督检查，加强事故隐患排查治理。对发生的安全生产事故，按照事故原因未查清不放过、责任人员未受到处理不放过、事故责任人和周围群众没有受到教育不放过、事故整改措施未落实不放过的原则处理。增强风险意识，建立风险管理和应急管理机制，有效预防和妥善应对突发事件，减少灾害损失。完善突发事件报告、预警制度，配备应急救援物料和通信设施，加强预警预报和应急演练，坚决杜绝重特大安全事故发生。发生安全事故，项目部接到事故报告后，按照有关规定及时向指挥部报告，并启动相应级别的安全生产事故应急预案，组织开展救援工作，救援过后组织开展安全事故调查处理工作。
1．4合同、资金管理在招标资格审查的基础上，项目部对对方当事人的主体资格、资质能力、履约能力进一步核实。不得与投标文件明显不符的组织签订合同，不得与不能独立承担民事责任的组织签订合同，也不能与法人单位签订与该单位履约能力明显不符的合同。合同签订前，项目部认真组织合同洽谈，商定合同条款，起草文本。工程建设或设备购置合同在项目部审查的基础上，由指挥部进行必要的专业审查后方可签订。负责做好合同交底，履行合同中规定的职责。与合同有关的补充协议及合同履行中有关的会议纪要、往来信函、书面签证、文书等为合同的组成部分，由专人保管。合同管理采用项目部保管正本，指挥部备案副本的方式。合同履行过程中，项目部要审查和监督工程项目各类合同的履行情况，收集、记录、管理与合同有关的协议、函件等资料。严格按照工程项目批复的投资进行管理和投资控制，在验工计价和合同支付等关键环节采取三级复核制度，严禁提前支付或不留保证金，以免给后续合同的执行造成影响、导致资金流失或失去合同执行主动权，增加合同风险。严格执行设计变更审批有关规定，有重大设计变更时，必须报原审批部门批准后方可实施。如出现不能或者不能完全履行时，应采取紧急措施，将损失减少到最低程度。需要变更或解除合同的，按法律规定的程序进行，项目部无法解决时，及时向指挥部汇报。建立健全保障工程款及农民工工资支付的长效机制，有效防止工程拖欠工程款和农民工工资现象的发生。对勘察、设计、施工、监理等单位原因造成工程量、单价、总价等严重偏离时，根据合同约定及有关规定进行处理。建设资金根据建设项目、建设进度由云南省水文水资源局下拨昭通水文分局，实行分级管理，分级负责。云南省水文水资源局作为项目法人，局长对建设资金的管理使用负全面责任;昭通水文分局局长受项目法人代表授权，对辖区内项目建设资金的使用管理负主要责任，并对项目法人代表负责。昭通水文分局必要时按建设项目、建设进度，上报用款计划至云南省水文水资源局，作为拨款依据。做好建设资金的预算、决算、监督和绩效分析工作，按合同约定、工程进度、监理签证及时支付工程款。土建工程价款结算时，预留不少于工程价款结算总额的5%工程质量保证金;设备经云南省水文水资源局统一招标后，昭通水文分局根据设备采购合同支付设备款，并做好设备验收工作。控制费用性支出，合理、有效使用建设资金，保证工程项目建设的顺利进行。定期向云南省水文水资源局报送资金使用情况报表，编报建设项目投资效益分析报告。
1．2．5档案管理档案管理贯穿于工程前期准备、实施、竣工验收全过程，包括建设、勘察设计、施工、监理等参建单位在工程实施全过程中形成的具有保存价值的文字、图表、声像等不同形式的历史记录。项目部设立档案库房，落实专职档案人员，认真做好档案的收集、整理、归档、保管工作，加强对各参建单位归档工作的监督、检查和指导。档案验收应在项目竣工验收前进行，未进行档案验收或档案验收不合格的，不得通过项目的竣工验收。
1．3工程验收指挥部应切实加强对工程建设项目的验收管理，未经验收或验收不合格的，不得交付使用或进行后续工程的施工。项目验收按验收主持单位性质不同分为法人验收和政府验收两类。法人验收是由指挥部、项目部组织进行的验收，包括分部工程验收、单位工程验收和合同工程完工验收。当合同工程仅包含一个单位工程时，将单位工程验收与合同工程完工验收一并进行，但应当同时满足相应的验收条件。政府验收是由云南省水利厅主持的验收，包括专项验收和竣工验收。
1．3．1法人验收工程建设完成分部工程、单位工程、合同工程后，应当及时组织法人验收。验收按照基础设施、技术装备与服务系统3部分进行。分部工程验收由监理工程师主持，验收工作组由项目部、监理、勘察设计、施工等单位代表组成，指挥部派代表参加分部工程验收会议。项目部在分部工程验收通过之日起10个工作日内将验收质量结论和相关资料报指挥部核备。单位工程具备验收条件时，项目部向指挥部提出验收申请报告，指挥部经审查具备验收条件的，在15个工作日内决定是否验收。单位工程验收前，指挥部委托具有相应资质的工程质量检测单位对工程质量进行抽样检测。单位工程验收由项目部主持，验收工作组由项目部、监理、勘察设计、施工等单位代表组成，必要时，邀请有关专家和昭通市水利局参加。指挥部派代表参加单位工程验收会议，质监机构派员列席验收会议。单位工程验收成果在验收通过之日起30个工作日内交指挥部备案或分送有关单位。合同工程具备验收条件时，施工单位应当向项目部提出验收申请报告，项目部审查同意后，应当及时将合同工程完工验收申请报告报送指挥部，指挥部经审查具备验收条件的，应当及时安排时间组织验收。合同工程完工验收由指挥部主持，验收工作组由指挥部、项目部、勘察设计、监理、施工、主要设备制造(供应)商等单位代表组成，质监机构派员列席会议。合同工程完工验收成果自验收通过之日起30个工作日内，由指挥部发送有关单位，并报云南省水利厅备案。水文技术装备均应满足相关测验规范规定的精度要求，技术装备购置通过招标采购后，应当及时进行验收。技术装备验收由指挥部会同项目部主持，验收工作组由指挥部、项目部、监理、主要设备制造(供应)商等单位及聘请的专家代表组成，质监机构派员列席会议。技术装备验收成果自通过验收之日起30个工作日内，由指挥部发送有关单位，并报云南省水利厅备案。服务系统建设完成后，应进行6个月的试运行。考核、检查各类站点的功能，系统的畅通率，完成数据收集、发送和数据处理所需时间，防雷、防灾能力，设备的技术性能、可靠性、测量准确度。解决存在的问题，培训和提高管理人员的管理、维修能力，完成运行管理工作条例的制定和运行考核后方可进行验收。服务系统验收由指挥部主持，验收工作组由指挥部、项目部、监理、主要设备制造(供应)商、系统研发商等单位及聘请的专家代表组成。服务系统验收成果自通过验收之日起30个工作日内，由指挥部发送有关单位，并报云南省水利厅备案。
1．3．2政府验收工程竣工验收前，应当进行专项验收，专项验收成果是竣工验收成果的重要组成部分。专项验收包括工程档案验收、环境保护验收和水土保持验收等。竣工验收应当在工程建设项目全部完成，并满足一定运行条件后1a内进行。工程具备验收条件时，指挥部应当及时向云南省水利厅提出竣工验收申请。竣工验收由云南省水利厅主持，竣工验收委员会由云南省水利厅、云南省水文水资源局、昭通市水利局、质监机构、昭通水文分局等的代表和专家组成。指挥部、设计、监理、施工和主要设备制造(供应)商等参建单位派代表参加竣工验收，负责解答验收委员会提出的问题，并作为被验收单位代表在验收鉴定书上签字。竣工验收鉴定书自通过之日起30个工作日内，由云南省水利厅发送有关单位。
1．3．3工程移交及验收遗留问题处理合同工程通过验收后，项目部与施工单位应尽快办理工程交接工作，交接过程要有完整的文字记录和双方交接负责人签字。在办理工程交接手续的同时，施工单位向指挥部递交工程质量保修书，工程质量保修期应当自通过合同工程完工验收之日开始计算。施工单位递交了工程质量保修书、提交有关工程资料后，指挥部应在30个工作日内向施工单位颁发合同工程完工证书。合同工程通过验收后，指挥部应当及时将工程移交给昭通水文分局管理，移交包括工程实体和工程档案资料。移交应办理移交手续，应有完整的文字记录，并有双方法定代表人签字。指挥部、项目部应当按照验收鉴定书、合同约定的要求，督促相关单位在规定时间内完成验收遗留问题的处理工作。验收遗留问题处理完成后，指挥部、项目部应当组织验收，形成验收成果文件，报送验收主持单位。
1．4运行管理工程建成后，项目部要加强运行管理。做好试运行工作，确保水文信息采集传输的稳定性和可靠性;明确管理职责，切实加强运行维护;积极争取落实水文设施设备运行维护经费，确保昭通市中小河流水文监测系统建成后的正常运行;切实做好昭通市中小河流水文监测信息的报送工作，充分发挥建设成效。
2结语
本设计是基于大区域农田土壤监测的实际需要进行设计的。系统主要由传感器节点、协调器、WCDMA终端、上位机监测中心等部分组成。系统采用太阳能电池供电方式，使用蓄电池存储电能，通过太阳能电源控制模块为各节点提供所需电能，维持系统的正常运行。传感器组采集土壤温度、湿度、pH值和电导率数据，发送给以CC2530模块为核心的ZigBee无线传感网络终端节点的模数转换接口，终端节点将采集到的数据发送给协调器;协调器通过RS232串口通信与WCDMA终端连接，将轮流采集到的各传感节点数据发送给WCDMA终端;WCD-MA终端通过3G无线通信网络将数据实时发送到远程监测中心，监测中心对收到的数据进行处理、显示并进行Web;外网用户可通过互联网实时访问。
2系统硬件设计
2．1终端节点硬件设计
终端节点是组成无线传感网络的基本单元，用于采集各采集点土壤参数信息，并将数据通过无线发送给协调器。
2．1．1传感器模块
土壤温度决定作物生长环境，土壤水分是作物水分的主要来源，土壤pH值反映土壤酸碱程度，土壤电导率反映了土壤压实度、黏土层深度及水分保持能力等。本设计选择在大区域农田种植中对农作物生长影响较大的温度、湿度、pH值及电导率4个参数进行监测，选取的传感器如图3所示。1)温度传感器:选用Dallas公司推出的数字式防水封装的DS18B20温度传感器，采用不锈钢外壳封装，防水防潮输出数字信号，无需进行AD转换，大大提高了系统的抗干扰性;工作电压3．0～5．5V，测量温度范围为－55～+125℃，在－10～+85℃范围内，精度为±0．5℃。2)湿度传感器:选用SMTS－II－50型土壤湿度传感器，4～20mA输出，响应速度快，性能可靠，平均电流小于10mA，功耗低;抽真空灌封，密封性极好，耐土壤中酸碱盐的腐蚀，适用于各种土质。3)pH值传感器:选用上海陆基公司的土壤pH值传感器，输出4～20mA;测量范围为0～14pH，零电位pH值为7±0．25pH，斜率≥95%;功耗低，抗干扰性能较强，耐腐蚀性好。4)电导率传感器:选用上海陆基公司E－113－02－t型电导率传感器，电导范围10～2000μs/cm，适合各种土质;分辨率为1μs/cm，5～35℃内温度自动补偿;耐腐蚀好，适合长期进行土壤测量。
2．1．2CC2530模块
农田土壤监测节点选用TI公司的高性能CC2530芯片作为射频模块，采集并传送土壤数据。CC2530应用了业界领先的Z－StackTM协议栈，提供了一套解决ZigBee网络的完整方案。CC2530集成了RF前端、高灵敏度的接收器、8kBRAM、可编程Flash及101dB的链路质量，输出功率最高可达4．5dBm，包括定时器、5通道的DMA、8通道12位ADC、AES安全协处理器、21个通用I/O引脚和2个串行通信协议UART等。CC2530适用于对功耗要求严格的系统。
2．2嵌入式网关硬件设计
嵌入式网关的主要工作是接收各终端节点采集到的土壤参数并通过WCDMA发送给远程监测中心。嵌入式网关主要由协调器及DTU无线通信模块两部分组成。
2．2．1协调器模块
协调器部分仍然选用TI公司的CC2530芯片，与终端节点共同构成ZigBee网络，底板比终端节点只增加了串口通信部分。
2．2．2DTU无线通信模块
无线通信系统主要由DTU组成，是一种可以使用2G/3G/4G网络进行远程数据传输的终端设备。综合考虑成本和实用性，本设计采用通过第三代移动通信WCDMA上网方式的DTU，其内部集成了高性能ARMCortex－M332RISC内核STM32F107处理器和WCDMA联通3G模块，支持1900M/1800M/900M/850M工作频段;内嵌TCP/IP协议栈，数据无线透明传输;采用低功耗电源监控技术，值守电流小于2mA;采用软件和电路双重滤波，稳定可靠。
2．3电源模块设计
系统采用太阳能电池为终端节点和嵌入式网关供电。电源模块主要包括:蓄电池、太阳能电池板和太阳能控制器3个部分。蓄电池选用12V7．5AH免维护铅酸蓄电池;太阳能电池板选用功率20W，工作电压18V的单晶硅太阳能电池板。太阳能控制器选用额定充电/负载电流均为10A，12V/24V充电电压自动识别的DL－12/24－10a系列控制器，内置充放电智能控制技术。
3软件设计
3．1终端节点软件设计
终端节点的主要任务是负责大区域农田土壤参数的采集与数据的无线传输。ZigBee协议实现数据的短距离无线传输，终端节点在ZigBee协议中属于半功能节点，不支持路由功能，只能与上层的路由器、协调器节点进行通信，负责向上一层节点传输土壤数据。
3．2嵌入式网关软件设计
嵌入式网关节点的软件设计由两部分组成，分别为协调器接收土壤参数和WCDMA远程发送土壤数据。工作时，需要先给DTU无线通信终端设备安装联通3G手机卡，并将DTU和PC机通过RS232相连对其波特率、中心IP、端口号及SIM卡号等参数进行配置，配置软件界面。
3．3远程监测中心软件设计
远程监测管理中心界面采用LabVIEW图形化软件进行设计。其主要实现的功能如下:1)多通道农田土壤参数采集功能。设置了多个数据采集通道，可实时采集大区域农田土壤的温度、湿度、pH值及电导率4个参数。2)报警功能。设置土壤参数上下限，远程监测中心会相应的给出报警信号。3)通过LabVIEW的Web功能，外网用户可通过互联网进行实时访问。
4测试与结果分析
考虑到农田土壤的特性，为了在监测区域内得到全面、准确、实时的有效数据，对传感器节点的布置进行了合理的优化。选取的试验田为长宽均为200m的矩形区域，分成4块长宽均为100m的区域，每块农田4个终端节点数值取均值后通过汇聚节点发送给协调器，后期可根据大区域农田实际需求灵活对其进行扩展。系统设置安装完成后，给整个系统上电1min后，观察协调器和终端节点，看到绿色组网LED亮，可以判定系统组网成功。打开位于监测中心的上位机软件对系统功能和稳定性进行测试。上位机软件以人性化的方式向用户显示采集到的参数，并具有人员登录、参数设置、历史数据查询等功能，可以通过选项卡切换不同区域农田的土壤参数。监测界面既可以数值方式显示温度、湿度、pH值和电导率数值，也可以绘制参数的变化曲线。经过与标准仪器比较，各参数误差均小于3%，满足农业监测精度要求，达到预期设计标准。通过LabVIEW软件的Web工具，将软件进行Web。经测试，外网用户能通过互联网随时随地进行访问。
5结论
该层用来建立包传输机制和实现媒体访问控制，MOAP系统中仅存在一个主设备，其他皆为从设备。主设备与从设备之间可以建立通信，从设备与从设备之间不能进行通信。本规范定义由主设备传输至从设备的数据包称为下行数据包，简称下行包；由从设备传输至主设备的数据包称为上行数据包，简称上行包[1]。
2应用层
应用层由LL（ILowerLayerInterface，低层访问接口）和OAS（ObjectAccessStandard，对象访问规范）两个实体组成。基于MOAP协议的数据包传输仿真为验证MOAP协议的时效性，这里用NS2(NetworkSimu-lator)仿真软件来模拟MOAP通信协议中数据包的传输过程及数据包传输的时延。仿真实验场景设置如下：假设桥梁测点网络监测区域为300m*300m的正方形中，其测点总数为20个。根据目标模型在测量区域内生成目标轨迹，设置每个节点vmax为50m/s，amax=10m/s2，1=50，2=100，场景持续50s，流量的固定码率(ConstantsBitRate，cbr）为1Mbit/s，协议采用的是MOAP通信协议。
3基于MOAP协议的无线桥梁监测系统示例
3.1监测点传感器的设置
某跨桥的总长为500m，其跨径布置为90+2×160+90m，由三个T型桥柱组成对称结构。在各跨箱梁根部支点截面、L/4截面和L/2截面，设置桥梁监测测点，埋设应力和位移传感器，以测试箱梁和墩身结构的实际应力和应变[2]。该桥梁的测点中包括14个应变测点和6个位移测点，总共20个测点。其布置示意图如图2所示。
3.2上位机软件界面
桥梁监测数据采集系统采用MFC库，使用VS2010作为开发工具，C++作为开发语言进行开发，综合利用MFC提供的各种通信方法来实现系统的功能。主界面如图3所示。无线桥梁监测系统设备配套的上位机处理软件，用于在上位机上对传感器进行动静态数据采集和处理，并为进一步分析提供数据。软件界面主要包括以下几块：（1）菜单工具栏：位于界面的最上面，提供菜单和工具按钮快捷操作，主要包括配置操作、网络操作、静态采集、动态采集等；（2）网络结构：位于界面的左边，以“桥梁—采集点—节点”三级展开的模式给出无线传感网络的拓扑结构，图中给出了20个节点的网络配置结构；（3）采集控制：位于界面的右边，提供相关控制操作，图中主要标出开始动态采集命令行；（4）状态栏：界面最下边，在进行网络通信的时候，任务栏将显示当前通信状态和进度。
3.3MOAP协议数据包传输实例
以下以在桥梁监测数据采集系统中动态采集为例，对其数据包进行解析。给出监测数据包为：发送包：34054100640000000000002ee09597接收包：0405410101e67f对发送包的分析如下：数据链路层中的数据包中控制字34转化为二进制为00110100，001代表当前版本的默认号，1代表是下行包，0100与从设备收到数据包中的地址进行比较，与自身地址一致时才可响应该消息；05代表采集器的唯一编号；41代表执行的是动态操作的指令；数据域中第一个0064对应的十进制是0100代表的是采样率，第二个0064代表是实时同步采样率；00002ee0中2ee0代表的是采样时间和采样次数的积，转化为十进制后为12000次，则代表动态采集12000个数据；9597代表CRC校验。从数据包的传输过程中可以看出：（1）应用层数据包在传输的过程中加一个字节的指令，该指令可以判断上位机中所发的命令；（2）数据链路层数据包在应用层数据包中加上控制字、地址和循环冗余校验。控制字主要是用来判断是上传还是下发指令，还包括是否是广播通信；地址用来说明具体是给哪个具体的硬件下发指令；（3）物理层主要负责透明传输原始比特流。
4结语
1.1基于ARM的嵌入式控制器
嵌入式控制器一般是由ARM9处理器、SDRAM、FLASH、电源及复位模块、人机接口LCD触摸屏及相关电路组成。笔者选用的S3C2440处理器，是SAMSUNG公司开发的一款基于ARM9内核的微处理器。S3C2440是基于ARM920T内核，0.13UmComs标准单元和存储单元复合体。它的特点是功耗低、简单、稳定、功能强大、性价比相对高，并且还具有丰富的扩展功能接口，便于构建电路，如图3所示。嵌入式控制器作为数据信息收集处理的主节点，通过SPI总线与ZigBee模块通信，用于和无线传感器节点进行数据传输，该ZigBee模块作为ZigBee网络协调器负责整个网络的组建和给加入节点分配地址；嵌入式控制器通过UART串口与GPRS模块通信，用于接入Internet网络实现数据上传web服务器，同时可以接入GSM网络，实现手机信息收发功能。在传感器节点发来的数据存在温湿度异常时，启动报警信号。嵌入式控制器上植入linux操作系统、驱动程序和监控程序，系统启动后依次加载各种驱动程序，并运行监控程序，
1.2基于Internet的远程在线客户访问服务平台
数据管理级远程综合服务平台基于B/S（Browser/Sever），形成所谓前端Browser浏览器、中间层应用程序（Application）、后端数据库（Database）的3层3-Tier结构。主要事务逻辑在服务器端（Server）实现，极少部分事务逻辑在前端（Browser）实现，用户工作界面是通过www浏览器来实现。实现不同的用户，从各自的所在地点，以各自的接入方式（比如Internet/Intranet，LAN，WAN等）访问和操作共同的数据库。从而简化客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的工作量，节省了用户的总体成本，同时它还能有效地保护数据平台嵌入式控制器软件结构图和管理访问权限，服务器数据库也很安全。
2温湿度监控系统在设施温室的应用
2.1设施蔬菜温室中温湿度监控设备的应用
所选温室为天津应用广泛的温室之一，覆盖范围广，此设备是一套集温湿度为一体的无线网络监控设备，有着监控点分布广泛、实时收发数据的特点，用户可根据自身需要设定收发间隔，可广泛应用在大棚生产、温室生产、特殊环境监测等。即使遇到恶劣天气，信号收发功能也能清楚地接收监控设备的信号，实用性和适用性都符合天津现阶段的要求，在农户应用中口碑很好，而且设备占用空间小，在温室本来就有限的面积内，有着良好的空间优势。操作简单，只要简单培训，农户就可以上手，不需要专业的知识背景，界面人性化设计，可语音报数，提供良好的服务功能。
2.2设施食用菌温室中温湿度监控设备的应用
天津市北辰区下河头食用菌种植专业合作社是以工业化厂房为标准规模的大型食用菌种植基地，主要以生产白灵菇为主，其他食用菌为辅，现占地面积3.3hm2，共建5个大型的工厂化车间。在已开发的温湿度监控器基础上可以增加光照和二氧化碳传感器，实现温室内温度、湿度、光照、二氧化碳、氧气的实时数据在远程电脑端显示，实现温室环境因子监控的阈值报警功能，实现3个温室的统一监测管理平台等实用功能的专业性管理系统。可有效地节约管理资源，提高业务产能，规避操作风险。
3小结与讨论
1．1节能改造措施该大楼经过20多年的使用，存在办公环境差，外立面效果为脏、乱;存在结构、消防安全隐患;室内舒适性差，建筑能耗高;生产流线不合理;部分建筑设备及建筑构件老化及超过使用年限等问题。这次改造采用的技术主要有:遮阳、通风等被动式节能技术;外窗改造优先的围护结构改造技术;以人为本高能效的空调系统改造技术;高效节能的供水系统改造技术;切合实际的供配电和照明系统改造技术;光伏发电可再生能源利用系统;智能可控的空调集中系统及能耗监测系统。由于原来的屋面为架空预制钢筋砼隔热板，开裂老化严重，防水年限过期。外墙是钢筋混凝土框架结构+粘土多孔砖，外窗是铝合金框普通玻璃推拉窗，没有外遮阳措施，且气密性、水密性差。这次护结构节能改造，采用倒置式防水屋面进行防水层改造，采用40厚挤塑聚苯板敷设保温隔热层，进行了局部屋顶绿化，并增加太阳能光伏板。建筑外墙基本不变，减少南向带型窗面积，增设窗间墙。改动墙体部分采用自保温墙体蒸压加气混凝土砌块。南向窗台部分加胶粉聚苯颗粒保温砂浆增强内保温。减少南向外墙面积，控制窗墙比。南、北、东、西向外窗更换为普通铝合金框中空玻璃。结合建筑外立面增设外遮阳，沿街北、西、部分南向外墙立面增设固定翼型遮阳百叶，沿街东向外墙立面增设电动式固定翼型遮阳百叶。通风设计结合内装修平面调整，通过室内办公空间分隔和家具排列顺应和引导自然通风，合理组织通风线路。供配电方面重新对供配电容量、敷设电缆、供配电线路保护和保护电器的选择性配合等参数进行核算;低压配电室、层分配电箱尽量设在负荷中心;低压配电室设集中无功补偿和“电容器+电抗器”组合的无源滤波治理措施。结合屋面节能改造，安装总容量50KWp的屋顶太阳能光伏建筑一体化组件，供配电系统结合屋顶50KWp太阳能光伏发电进行配电。照明部分因为原有照明系传统照明灯具，采用电感整流器，无照明自控系统。现在选用发光效率高的光源、灯具效率高的灯具及能耗等级高的镇流器，如办公室均采用T5细管径荧光灯和格栅灯盘，选用能耗低的电子整流器;公共部位采用光控和时间控制等相结合的智能控制方式，根据照度、人员活动区域自动控制照明。另外办公区照明结合办公功能和自然采光，合理采用分区、分组、集中和分散方式来安排照明;采用一般照明和局部照明相结合;采用合理的灯具安装方式;在满足安装高度及美观需求前提下，尽可能降低灯具的安装高度。供水方面原来一层生活用水由市政管网直接供水，二层以上由合用水箱上行下给供水;埋地合用水池、合用水箱、镀锌钢管给水管材不能满足卫生需求;无水表计量装置。现利用市政压力直接供水的层数提至三层;四层以上由屋面生活水箱供水，并根据季节和用水状况采用市政压力之二组补水或加压泵补水;水箱改用不锈钢材质，给水管材改为卫生、综合造价低的管材;增加了水表计量装置;增设了水池、水箱超高水位报警功能;并增加了直饮水系统，为办公人员提供了健康、安全的饮水条件。空调原来是分体空调，无新风系统;室外机设置在临近外墙，显得比较凌乱。改造采用分区VRV+部分新风系统;VRV变冷媒新风机组采用高效能的变频一拖多空调系统，能效4．2以上;利用冷热交换机组，利用排风的余冷(热)量来预冷(热)室外新风;室外机组集中屋面，不影响外墙整体效果。另外还设置了相应的建筑智能化系统，建立和利用福建省能耗监测系统展示平台，对节能改造系统集成展示。
1．2节能改造后节能改造后，对各部门的房间格局进行了重新设计，集体办公区主要以大开间为主，并将分体式空调改造为中央空调。改造后各楼层北楼和南楼的年总能耗、人均能耗及单位面积能耗统计如表1．4、表1．5所示。分析计算改造后各楼层单位面积年能耗量如表1．6所示。为了更直观的对比改造前后各楼层单位面积年能耗量，以柱状图的形式表示如图1．1所示。
2数据及效益分析
该办公楼节能改造项目已于2013年完成，经数据对比、分析和计算，改造后建筑节能率可达到50．17%。其中，供水系统改造后，由于采用节水型卫生器具及减压控流等技术措施，每年可节水约为0．2万吨，节水率约为22．5%。供配电与照明系统改造后，同比预期每年可节省3．2万kWh电量，屋顶50kWp太阳能光伏发电系统每年可发电约4．5万kWh。暖通专业节能改造后，一方面因建筑围护改造，隔热保温性能提高，设备配置的负荷容量降低了8%左右，空调系统的运行费用降低，另一方面，大楼改造前空调采用分体空调，效率低下，设备的能效比仅为2．6～2．7kw/kw，采用能效高的VRV空调系统后，制冷COP值达4．2kw/kw，IPLV值为5．4kw/kw。核算改造前空调年耗电量约45万kWh，改造后空调年耗电量仅约为25万kWh，改造前后空调年耗电节省量约18．13万kWh。总计年节约的电能，按发电煤耗计算，共能节省65．3吨标煤，实现减排161．4吨CO2，削减4．9吨SO2等。由此可见，本办公建筑的节能改造措施是有效和可行的。特别是，本既有建筑节能改造，采用的技术和方案基本上都是常规技术，除增加屋顶50kWp太阳能光伏发电系统外，改造所花费的投资也是正常的需求投资，但采用这些技术的理念都是先进和最适宜的。改造取得了节能的效果外，外立面有了焕然一新的现代建筑风格，室内办公环境极大改善，舒适性提高，生产流线合理、建筑设备使用便捷、安全。
3能耗监测系统
改造前，该建筑物没有安装能耗监测和分析系统，所以各分项能耗和总能耗只能通过人工统计和估算得出，不仅费时费力，而且由于部门之间的差异和不同时段工作时间长短的不同，导致所得能耗统计数据与实际能耗有一定的偏差，准确性不高。改造后，该建筑物引进了能耗监测和分项计量系统，系统如图1．2所示。该系统分为现场监控层、通讯管理层和监控主站层。现场监控层由多功能电能仪表组成，分别就地安装在各自的配电箱上，并以现场总线形式接入通讯管理层，介质采用屏蔽双绞线，主要完成测量、电量参数等相关信号采集上传等功能;通讯管理层主要由通讯管理机组成，其主要任务是数据的处理、存放、调配，通信规约的转换，各个区间的通信衔接以及对本地系统状态的监视等;监控主站层由监控主机、UPS、数据服务器、WEB服务器，分项计量及能耗监测系统应用软件组成。监控主站层通过以太网与通讯管理层相连，实时采集现场监控层的监控数据，可完成包括能耗数据采集、能耗分项计量、能耗区域管理、能耗设备管理、能效数据分析评估、系统优化策略、节能潜力评估、能效信息和用户定制等若干系统功能。能耗监测平台能够简化人工抄表及统计的烦琐工序，只要各仪表根据标准接入采集网络，监控中心就能定时、定点地获取相关数据。通过在平台上简单的设置及操作即可对各建筑数据统一管理。而且数据采集设备采用的是系统开发商自主研发的控制代码，不需操作系统支持，不被网络病毒侵害，能够免受外界网络攻击。另外，要求采集设备能保证断电一定时间内数据不丢失，或通讯异常时，设备能保存重要数据，通讯恢复后向监控中心断点续传重要数据。
4结语
关键词：塔式起重机信息融合单片机状态监测
目前在国产塔机上仅配置了力矩限制器、位置限制、速度限制器等装置，其原理是当被监测参数超过某限制值时断电报警，实际上是一种安全保护装置，其缺点是：
（1）不能实进监测塔机的运行参数，因而不能将塔机的运行状态及进显示给司机，以便及时调整。
（2）运行参数的监测基一是单独进行，不能在计算机统一管理下对诸多参数实施同步监测，协调处理，综合判断。
（3）这些保护装置长期使用后其自身的可靠性大大降低，是旦失灵，司机又无法知道。
多传感器信息融合是80年代国外军事和机器人领域率先提出来的一项高新技术，其基本原理是充分利用多个传感器资源，对观测到的有关同一目标的信息进行合理支配和使用，把多个传感器在空间或时间上的冗余或互补信息依据某种准则进行组合，以获得对被观测目标的综合的最佳估计。与单一传感器系统相比，多传感器信息融合系统具有以下优点：
（1）信息量大。大量的信息的融合和综合能减小系统的不确定性，从而提高精度。
（2）很好的容错性。在传感器有误差或失效的情况下，也能有较高的可靠性。
（3）能获得单个传感器无法感知的特征信息。
我们针对目前国内塔机运行参数监测仪器的不足，并考虑到塔机运行状态的识别以及故障诊断的需要，利用了塔机的结构特点，在不改变塔机结构和不增加许多辅助装置的前提下，研制了基于信息融合和单片机技术的塔机运行关态监测系统。
1系统组成
图1是自繁荣昌盛式塔机的结构简图，塔机工作时的运行部分主要有起升机构1（见图2），回转机构2（见图3）和小车变幅机构3（见图4）。
图2起升机构
1.电动机2.联轴器3.制动器4.减速器5.卷筒6.吊钩7.滑轮组8.离合器9.拉力传感器10.光电传感器11.导向轮
图2中，安装在滑轮组7上的拉力传感器9将起重量G转换成电信号后送到A/D转换器与单片机接口（见图5）；导向轮11的转角变化能反映起重物G的起吊位置和速度，光电传感器10能将导向轮11的转角变化检测出来并转换成电信号送到单片机INT0引角（见图5）。
图3中，电动机1通过减速器3和小齿轮4驱动回转支承装置5中的大齿轮回转，带动上部旋转，小齿轮4的转角变化能反映塔机的回转角度和速度的变化，电涡流传感器6能把小齿轮4的角度变化检测出并变换成电信号送到单片机P3.0引脚（见图5）。
1.电动机2.制动器3.少齿行星传动减速器4.小齿轮5.回转支承装置6.电涡流传感器
图4中，变幅小车状有电涡流传感器3，当变幅小车在塔机吊臂上行走时，电流传感器能检测到吊臂上等间隔布置的腹杆数并送到单片机INT1引脚（见图5）。
1.起升卷扬2.塔机吊臂3.电涡流传感器4.小车牵引卷扬5.变幅小车6.吊臂复杆
2系统工作原理
2.1起重理G检测
将拉力传感器串接在定滑轮吊绳固定端的适当位置，由动态应变仪交吊重转换为电压信号，然后由A/D转换器进行转换，从而测量起吊的重量，当重量超过额定置时，保护装置动作并发出报警信号。
2.2变幅小车位置L及瞬间速度V1检测
在变幅小车上安全电涡流传感器（见图4），传感器与吊臂上的腹杆垂直。小车运行时，当电涡流传感器经过腹杆时会产生一负脉冲，通过对脉冲进行计数及任意两个脉冲之间的时间差进行定进，可计算出小车的瞬时位置及速度（吊臂上任意两腹杆间的距离是相等的）。如图5所示，将电涡流传感器输出信号与89C52的INT1相连，对该引角上的脉冲进行计数，可获得小车通过腹杆的个数，由T1引脚对任意两个脉冲的时间间隔进行定时，可检测出小车经过两个腹杆所用的时间，由P1.4、P1.5引脚检测小车向前有向后运动。当小车速度超过最大允许值时，保护装置动作，并发出报警信号。
小车位置L1=L0±n×S,小车速度V1=(L1-L0)/Δt
式中L1——本次脉冲小车位置，L0——上次脉冲小车位置，n——脉冲个数，S——两腹杆间的距离，Δt——两个脉冲间的时间距离。
2.3吊重位置H及速度V2检测
将图2中导向轮轴上安装一圆盘，在圆盘上加工出若干个小孔，光电传感器与圆盘垂直，当塔机起长时，每当小孔转到与传感器相对的位置，都会产生一个脉冲。由脉冲的个数及任意两个脉冲之间的时间间隔，可计算出起升位置及速度。当起升速度超限时，保护装置动作并发出报警信号。检测进，由P1.1、P1.2检测重物运动方向，由INT0检测脉冲个数，由T0对任意两个脉冲的时间间隔进行定时，见图5。
起吊位置H1=H0±n×l
式中H1——本次脉冲重物位置，H0——上次脉冲重物位置，l——每经过一个脉冲重物运动的距离起吊速度V2=(H1-H0)/Δt式中Δt——两个脉冲间的时间间隔。
2.4动态力矩M检测
当小车的位置及吊重检测出来后，运行时的力矩为M=L×G。
将运行时的动态力矩实进地显示给司机，并与该位置时的额定力矩相比较，可控制小车的运动。当力矩超限时保护装置动作，并发出报警信号。
2.5塔机回转角度α、回转速度V3检测
在回转机构的小齿轮上安装一电涡传感器，塔机回转时，小齿轮每转过一个齿都会产生一个脉冲，通过对脉冲计数及任意两个脉冲时间间隔进行定时，可计算出塔臂回转角度和速度。当回转速度超限时，保护装置动作，并发出报警信号。
由P1.3、P1.7检测塔机的回转方向，由P3.0对脉冲进行计数要可得到回转角度，由T2对脉冲之间的时间间隔进行定时，可计算出回转的速度。
回转角度α1=α0±n×β，回转速度V3=(α1-α0）×r/Δt
式中α1——本次回转角度，α0——上次回转角度，n——回转齿数，β——每回转一齿对就的角度，r——回转半径。
3基于多参数信息状态的监测原理
我们研制的监测系统是一种电子显示监测系统是一种电子显示监近系统，客观存在通过塔机实际工作时所产生的信号和预先储存的安全工作数值进行比较，达到报警保护目的。如图6所示，塔机要作时，当起重量，工作幅度，小车运行速度等参数接近安全工作数值时，系统发出报警信号，正常工作时，安不断地在司机室显示上述各项监测数值。
4结语
本系统已完成试验开发阶段，正时一步完善，推向实用，它的主要特点是：
（1）能在一个显示屏上随时监测到反映塔机运行状态的多种运行参数：起重量，起重力矩，起升速度及位置，小车变幅位置及速度，塔臂回转角度及速度等。
（2）当被监测参数超过设定限值时，可报警或断电停机；并能自动记录起重朵出现意外的运行参数状态。
关键词：汽轮机；监测；保护系统
1汽轮机监测保护系统概述
汽轮机热工监视和保护系统以及由其所组成的信号报警系统和保护控制系统，是保护汽轮机安全运行的重要设备。随着机组容量的增大，汽轮机安全监视和保护就显得更加重要，同时对汽轮机的安全监视和保护装置动作的准确性和可靠性也提出了更高的要求。原有及早期设计的保护系统大多为继电器及硬件逻辑搭接的，可靠性较差，维护量较大。汽轮机振动及监控保护系统是为了监视汽轮机在运行过程中主轴和轴承的振动状况及大轴弯曲而设计的，它由振动监视组件，速度监视组件和偏心监视组件三部分组成，每个部分可由用户的需要提供若干组件，以完成用户需要监视的测点。其中监视振动组件和偏心监视组件配涡流传感器，用来监视主轴的振动状况，涡流传感器的输出信号大小为－4—-20V，它是一个含有直流分量的交流信号，速度监视组件配电磁式传感器，用来监视轴瓦的振动情况。
2汽轮机监测保护系统监视组件
振动监视组件是以单片机为核心研制的，为了对输入信号进行有效的处理，要求所选用的CPU速度快，集成度高，指令系统简单，根据目前世界上在线控制发展的趋势和市场上提供的产品，监视组件选用8098单片机。8098单片机为准16位单片机，外接芯片简单，具有16位处理速度，典型指令的执行时间为2μs，它的主要特性：十六位中央处理器；具有高效的指令系统；集成了采样保持器和四路十位A/D转换器；具有高速输入口HSI，高速输出口HSO和脉宽调制输出PWM；具有监视定时器，可以在产生软硬件故障时，使系统复位，恢复CPU工作。监视保护系统的设计方法和步骤分为：系统总体设计，硬件设计，软件设计。它是指根据测量系统的功能要求和技术特性，反复进行系统构思，综合考虑硬件和软件的特点，原则：能用软件实现的就不用硬件，但值得一提的是软件会占用CPU的时间。为了缩短研制周期，尽可能利用熟悉的机型或利用现有的资料进行改进和移值，并采用可利用的软硬件资源，然后根据系统的要求增加所需要的功能，在完全满足系统功能的同时，为提高系统工作的可靠性和稳定性，还必须充分考虑到系统的抗干扰能力。
3汽轮机监测保护系统的硬件设计
主要是指单片机的选择和功能扩展，传感器的选择，I/O口的选择，通道的配置，人机对话设备的配置。振动监视组件由三个相互联系的部分组成，分别是显示板模块，主板模块，继电器板模块。矢量监视组件原理图如下：
模拟通道设计：
8098内有一个脉冲宽度调置器PWM可用来完成数字信号至模拟信号的转换。我们将PWM用于产生键相输入比较电路的界限电压。同时8098单片机的HSO也可以软件编程构成脉冲调宽输出，我们利用HSO.0、HSO.1构成两路脉冲调宽输出,用于通频振幅及1信频振幅模拟量输出.脉冲调宽输出信号TTL电平的调制脉冲,经CD4053缓冲电平变换.使信号振幅变为0－5V，再经过RC滤波，得到直流电压信号，再经过一级同相跟随，实现阻抗变换，得到要求的0－2.5V或1－5V的直流电压信号输出，其输出阻抗R0=0.电压信号经V/I转换，便可得到0－10mA或4－20mA电流输出。显示接口：
显示接口采用8279芯片，可直接与8098单片机相连，其工作方式可通过编程设定。接口电路采用了通用的可编程键盘，显示器接口器件8279，它是键盘显示控件的专用器件，与单片机接口简单方便，其工作方式可通过编程设置。8279的监测输入线RL0－RL7工作再选通输入方式，可输入8个拨动开关信号，以选择该系统的工作方式。
I/O通道扩展：
8098单片机本身只有32根I/O线，其中16根作为系统地址、数据总线，8根HIS/HSO线，4根模拟量输入线，还有4根多功能线，可用作TXD、RXD以及外中断输入、脉宽调制输出，这些I/O口各有用途，监视组件为了进行参数设定及响应系统监视组件信号，必须进行I/O功能扩展。当单片机提供的I/O接口不够用时，需要扩展I/O接口以实现TSI功能。8098有四个端口即p0、p2、p3、p4，共32根I/O线，监视保护系统设计时，p0一部分作为模拟量输入线；p2一部分作为串行口，另有一部分作为脉冲宽度调制输出；p3作为数据总线和地址总线低八位复用；p4的一部分提供地址总线的高八位。I/O通道扩展电路：一种以8155作为接口，另一种以8255作为接口。接口主要有8155，8255，8279，EPROM选用的是2764，掉电保护用的是EPROM2864。8155和8255是作为普通的输入和输出口使用的，它们主要用于设定开关状态的输入及报警状态的输出。8279是显示接口，用来控制显示器的显示，监控保护系统显示部分采用的是由128根发光二极管组成的两根光柱，每根光柱对应一根通道。8279的回扫线RL0－RL7用作选通输入方式。
4汽轮机监测保护系统的软件设计
主要是应用软件的设计。根据系统功能要求设计。在设计应用软件时，必须考虑到单片机的指令系统和软件功能，并与硬件统筹考虑。单片机的系统开发，其软件设计不可能相对于硬件而独立，其软件总要与硬件结合在一起，实现要求的功能。当应用系统总体方案一经审定，硬件系统设定基本定型，大量的工作将是软件系统的程序设计与调试。振动监视组件软件的设计采用模块编程法，模块法的优点是把一个较为复杂的程序化为编制和装配几个比较简单的程序，使程序设计容易实现。由于块与块之间具有一定的独立性，如果其程序模块需要修改或变动时，将只影响模块内部程序，而对其它程序模块的影响很小，或基本没影响就很方便，它主要由下面几个部分组成：标准的自检程序模块；采样以及通道计算程序模块；设定值调整程序模块，报警程序模块。
自检程序模块：该模块检查系统的电源电压是否正常，系统将以故障码的形式提示用户：系统电源出现故障，并指出哪一路电源处于故障状态。系统得自检功能由上电自检，循环自检和用户请求自检三部分组成。在自检过程中，系统解除所有形式的保护。如果自检过程中发现故障，那么监视保护系统一直处于自检状态，直至用户排除了故障为止。
采样及通道值计算程序模块：本程序模块首先对监视保护系统处于的状态进行判断，这些状态是指监视保护系统是否处于通道旁路和危险旁路，如果监视保护系统某一通道处于旁路状态，那么解除继电器报警，系统正常灯熄，旁路灯亮，同时通道指示值为0。如果监视保护系统某一通道没有被旁路，则启动该通道的A/D转换，随后将采集的数字信号进行滤波，计算得到通道值。模拟量输出通道输出代表该通道值的标准电流值0－10mA.DC或4－20mA.DC。
设定值调整程序模块：设定值包括警告设定值和危险设定值两个，它存放在EPROM2864中，即使断电，存放在其中的值也不会丢失，显示面板上的“警告”或“危险”键按下，棒状光柱上将显示警告或危险设定值，如果要对设定值进行调整，还需要按下主线路板上的设定开关，再按下面板上的“警告”或“危险”键，最好按下系统监视面板上的“?”或“?”，即可对设定值调整。在软件中，当设置点调整后，AF标志置零，程序根据AF标志判断是否需要将条调整值重新写入2864。
报警程序模块：如果两通道的测量值之差即差值超过警告或危险设定值，那么监视保护系统将处于警告或危险状态，这时显示面板上的警告或危险报警灯亮，同时将驱动警告或危险继电器，如果处于危险旁路状态，那么仅仅是两个通道的危险灯亮而危险继电器则不动作。如果监视组件处于通电抑制状态，那么将解除所有形式的报警。
显示程序模块：显示程序模块执行显示双通道的测量值、报警值以及四种故障代码。在8098内部RAM中，开设一个具有16个寄存器单元缓冲区，如80H-8FH。将缓冲区对半分成两部分，每一部分的寄存单元寄存一个通道的显示代码。将显示代码送到8279的显示缓冲区，8279可以自动扫描显示。
中断程序模块：T1的溢出周期作为输出脉冲信号的宽度，改变HSO高低电平的触发时间就可以改变方波的占空比，从而改变输出电流大小。
“大型汽轮发电机组性能监测分析与故障诊断软件系统”在仿真机上运行，能对仿真机运行工况进行监视，也能通过实时数据库与实际机组的计算机联网，对实际运行机组工作状况进行监测和分析等。
参考文献
［1］周桐，徐健学.汽轮机转子裂纹的时频域诊断研究［J］.动力工程，2002，（9）.
［2］刘峻华，黄树红，陆继东．汽轮机故障诊断技术的发展与展望［J］.汽轮机技术．2004，（12）.
［3］陆颂元，张跃进，童小忠.机组群振动状态实时监测故障诊断网络和远程传输系统技术研究［J］.中国电力，2005，（3）.
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