CN102809374B - 一种铰接盾构机自动导向测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铰接盾构机自动导向测量方法及装置，其中方法包括1)新建一个数据库文件，然后执行步骤2)；2)将配置数据输入到步骤1)创建的数据库文件中，然后执行步骤3)；3)设置自动全站仪和盾构机PLC的控制配置参数，然后执行步骤4)；4)判断测量计算机与自动全站仪是否连接成功，若为是，执行步骤5)；若为否，则返回步骤3)，对自动全站仪的设置进行检核等步骤；其中装置包括自动全站仪、无线电台、测量计算机、目标棱镜、盾构机PLC。与现有技术相比，本发明具有运行稳定性好、测量精度高、自动化程度高、可视化程度高等优点。

Description

一种铰接盾构机自动导向测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种盾构测量方法及装置，尤其是涉及一种铰接盾构机自动导向测量方法及装置。

背景技术

为缓解城市地面交通的严重拥挤状态，世界上许多国家和地区的大型城市已经或正在修建地下铁道、越江或越海隧道。自上世纪八十年代始，上海的轨道交通建设得到了巨大的发展，建设规模越来越大。规划中的上海轨道交通路网共有22条线，总运营里程将达到880公里，而其中市区范围内的基本路网均由地下线路构成。目前，上海轨道交通一号线至十一号线(北段)已相继投入正式运营，十一(南段)、十二、十三、十六号线正在建设；现在上海已建成424公里轨道交通基本网络。接着，上海还将有多条地铁线路投入建设，从而形成一个国际型大都市所拥有的便捷的公共交通网。就全国范围而言，地铁工程建设方兴未艾，目前正在建设地铁工程的城市有北京、天津、广州、深圳、南京，无锡，武汉、重庆、沈阳、苏州、杭州、青岛、成都、西安、宁波等，而规划有轨道交通建设工程项目的城市已达二十六个之多，并且大多采用盾构法区间隧道建设工法。据不完全统计，我国今后二十年内，各类隧道所需投入的各类盾构机的总量将达到2000台之多。

世界上不少发达国家，如欧美一些国家和日本，较早地在地下隧道施工中应用了盾构掘进机，由此也带动了科研人员对盾构法施工中引发的各种问题进行深入的研究，大大推动了盾构法的完善和发展。随着自动控制的广泛应用，一些学者对盾构掘进的自动控制进行了研究。随着盾构机技术的发展，由手工操作到辅以计算机监控，机械化施工不断地得到发展和完善，盾构技术也日趋成熟。近年来，为了实现城市地下隧道施工的高效及安全性，盾构掘进机的自动化技术得到了发展。自动化技术应用于盾构法施工的目的之一就是使盾构机尽量准确地沿设计路线自动推进，保证尽量少的环境破坏，从而保证施工质量和安全，加快施工进度，节省人力、物力。自动测量法不仅具有人力投入少、测量频率高、对隧道掘进干扰小、测量速度快和数据处理及时等优点，而且还能够实时显示数据和模拟图像，所以该方法是盾构隧道测量技术的发展方向。很多国家也都投入了大量的人力物力在研究和改进该方法。

由于国外在这方面研究起步较早，也研究出一些产品(目前处于垄断阶段)，但国内工程中却很少采用国外自动系统，究其原因：一是费用太昂贵(单一套盾构姿态引导系统就要140万，而且只能采用指定的测量仪器及在指定的盾构机上用)；二是使用者素质要求较高，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，在精度可靠性上要其它方法辅助来保证；四国外系统不能解决铰接盾构的自动导向，即对铰接盾构无能为力；因此，目前在国内绝大多数隧道盾构施工中仍采用人工测量方法。

由于人工测量方法存在过多的人为因素且工作强度大，这就迫切需要开发拥有自主知识产权的自动测量系统，打破国外在这方面的垄断。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种运行稳定性好、测量精度高、自动化程度高、可视化程度高的铰接盾构机自动导向测量方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种铰接盾构机自动导向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)新建一个数据库文件，然后执行步骤2)；

2)将配置数据输入到步骤1)创建的数据库文件中，然后执行步骤3)；

3)设置自动全站仪和盾构机PLC的控制配置参数，然后执行步骤4)；

4)判断测量计算机与自动全站仪是否连接成功，若为是，执行步骤5)；若为否，则返回步骤3)，对自动全站仪的设置进行检核；

5)判断测量计算机与盾构机PLC是否连接成功，若为是，执行步骤6)；若为否，则返回步骤3)，对盾构机PLC的设置进行检核；

6)测量计算机对自动全站仪进行设站定位，然后执行步骤7)；

7)测量计算机利用自动全站仪依次测量三个目标棱镜，采集三个目标棱镜的空间坐标信息，然后执行步骤8)；

8)测量计算机根据设定的测量间隔自动对三个目标棱镜进行测量，然后执行9)；

9)测量计算机判断三个目标棱镜是否全都测到，若为否，返回步骤8)；若为是，执行步骤10)；

10)测量计算机从盾构机PLC读取最新的铰接千斤顶行程和角度数据，然后执行步骤11)；

11)测量计算机利用三个目标棱镜的坐标与铰接千斤顶行程和角度数据计算出盾构机首尾的三维坐标和姿态偏差，显示在测量计算机的界面上，然后执行步骤12)；

12)测量计算机将三个目标棱镜的坐标与方位角数据、铰接千斤顶行程和角度数据、盾构机首尾的三维坐标和姿态偏差保存至数据库中，返回步骤8)，进行下一轮的自动测量。

所述的步骤2)配置数据包括初始设定的三个目标棱镜与盾尾与铰接中心的坐标数据。

一种如权利要求1所述的铰接盾构机自动导向测量方法的装置，其特征在于，包括自动全站仪、无线电台、测量计算机、目标棱镜、盾构机PLC，所述的自动全站仪通过无线电台与测量计算机连接，所述的自动全站仪与目标棱镜连接，所述的测量计算机与盾构机PLC连接，所述的目标棱镜安装在盾构机上。

所述的自动全站仪通过RS232串口通讯线与无线电台连接。

所述的测量计算机通过RS232串口通讯线与无线电台连接。

所述的测量计算机通过RS232串口通讯线与盾构机PLC连接。

所述的目标棱镜设有三个，分别固定在盾构机上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)通过工程实际应用表明，在地铁隧道中采用本发明是方便、准确和可行的，可在无人值守情况下完成测量导向，完全能够取代人工测量。充分体现了盾构自动测量系统的可靠性和优越性；

2)运行稳定性好，操作方便、直观、安全、可靠；对盾构机姿态可进行快速跟踪测量，系统每次测量的时间不到一分钟；

3)测量精度高，在施工中，测定盾构机切口、盾尾的偏差精度达到厘米级精度；

4)自动化程度高，本发明从测量、计算到数据输出无人工干预，确保了输出成果的真实性。

5)盾构驾驶舱中的主控计算机与自动全站仪实现无线通讯；

6)可视化程度高，通过自动测量得到盾构姿态偏差，不仅方便盾构司机纠偏，而且其里程信息和偏差可实时传递到地面控制室，方便掌握施工进程，以及施工与周围环境的对应关系，便于管理；

7)可以在恶劣的施工环境中正常运行。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的硬件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

该发明技术通过集成数据采集、通讯技术、数据处理、可视化技术于一体，实现施工测量自动化。采用自动全站仪进行数据采集，无线电台进行数据通讯，实时测定三个目标棱镜的三维坐标；结合实时读取盾构PLC中的四个千斤顶行程与角度数据，解算出盾构首尾的三维坐标和姿态偏差；最后将盾构姿态偏差可视化，完成施工测量自动化。

如图1所示，本发明的测量方法包括以下步骤：

一种铰接盾构机自动导向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤401、新建一个数据库文件，里面包括各种数据表及字段，然后执行步骤402；

步骤402、将配置数据输入到步骤401创建的数据库文件中，配置数据包括初始设定的三个目标棱镜与盾尾与铰接中心的坐标数据，然后执行步骤403；

步骤403、设置自动全站仪和盾构机PLC的控制配置参数，然后执行步骤404；

步骤404、判断测量计算机与自动全站仪是否连接成功，若为是，执行步骤405；若为否，则返回步骤403，对自动全站仪的设置进行检核；

步骤405、判断测量计算机与盾构机PLC是否连接成功，若为是，执行步骤406；若为否，则返回步骤403，对盾构机PLC的设置进行检核；

步骤406、测量计算机对自动全站仪进行设站定位，然后执行步骤407；

步骤407、测量计算机利用自动全站仪依次测量三个目标棱镜，采集三个目标棱镜的空间坐标信息，然后执行步骤408；

步骤408、测量计算机根据设定的测量间隔自动对三个目标棱镜进行测量，然后执行409；

步骤409、测量计算机判断三个目标棱镜是否全都测到，若为否，返回步骤408；若为是，执行步骤410；

步骤410、测量计算机从盾构机PLC读取最新的铰接千斤顶行程和角度数据，然后执行步骤411；

步骤411、测量计算机利用三个目标棱镜的坐标与铰接千斤顶行程和角度数据计算出盾构机首尾的三维坐标和姿态偏差，显示在测量计算机的界面上，然后执行步骤412；

步骤412、测量计算机将三个目标棱镜的坐标与方位角数据、铰接千斤顶行程和角度数据、盾构机首尾的三维坐标和姿态偏差保存至数据库中，返回步骤408，进行下一轮的自动测量。

本发明采用自动全站仪作为数据采集传感器，实时测定固定于铰接上的三个目标棱镜的空间点位坐标和角度方位信息；根据三维直角坐标转换原理进行数据处理，先解算出盾尾与铰接中心的三维坐标，再结合实时从盾构机PLC读取的四个铰接千斤顶行程和角度数据，计算出盾首的三维坐标，与设计轴线对比，计算出铰接盾构首尾姿态偏差；最后将盾构姿态偏差刷新显示在界面上，完成施工测量自动化。

如图2所示，本发明的硬件结构包括自动全站仪3、无线电台2、测量计算机1、目标棱镜4、盾构机PLC5，所述的自动全站仪3通过无线电台2与测量计算机1连接，所述的自动全站仪3与目标棱镜4连接，所述的测量计算机1与盾构机PLC5连接，所述的目标棱镜4安装在盾构机上。所述的自动全站仪3通过RS232串口通讯线与无线电台2连接。所述的测量计算机1通过RS232串口通讯线与无线电台2连接。所述的测量计算机1通过RS232串口通讯线与盾构机PLC5连接。所述的目标棱镜4设有三个，分别固定在盾构机上。

因此，本发明研究复杂条件下工程测量与定位信息化技术，对复杂测量设备集成，研制自动测量及测量数据可视化管理系统，将测量数据库管理系统与复杂条件下自动测量技术的相结合，解决地铁施工中的测量速度、精度等技术难题，实现对工程施工进度、质量、安全的有效监控。

总之，地下工程投资大、施工复杂、对周围环境影响显著，对国民经济和大众生活具有重要影响，具有重要的社会、经济和战略意义。在我国，地下工程建设方兴未艾，尤其是地铁建设目前在我国的许多城市开展，地下工程建设将越来越多。由于地下施工的特殊性，其施工条件等往往较地面困难，并对贯通和引导具有很高的要求，其引导系统的自动化水平直接制约了施工的精度和进度。因此，本发明的成果可望提高地下施工引导自动化水平，对于我国包括地铁隧道在内的地下工程施工具有明显的理论意义和重要的实际应用价值。对此我们攻克了铰接盾构自动引导的这一难题，该项技术和方法已经在上海、苏州、杭州等多条地铁区间施工中得到成功应用。

Claims (6)

1.一种铰接盾构机自动导向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)新建一个数据库文件，然后执行步骤2)；

2)将配置数据输入到步骤1)创建的数据库文件中，然后执行步骤3)；

3)设置自动全站仪和盾构机PLC的控制配置参数，然后执行步骤4)；

4)判断测量计算机与自动全站仪是否连接成功，若为是，执行步骤5)；若为否，则返回步骤3)，对自动全站仪的设置进行检核；

5)判断测量计算机与盾构机PLC是否连接成功，若为是，执行步骤6)；若为否，则返回步骤3)，对盾构机PLC的设置进行检核；

6)测量计算机对自动全站仪进行设站定位，然后执行步骤7)；

7)测量计算机利用自动全站仪依次测量三个目标棱镜，采集三个目标棱镜的空间坐标信息，然后执行步骤8)；

8)测量计算机根据设定的测量间隔自动对三个目标棱镜进行测量，然后执行9)；

9)测量计算机判断三个目标棱镜是否全都测到，若为否，返回步骤8)；若为是，执行步骤10)；

10)测量计算机从盾构机PLC读取最新的铰接千斤顶行程和角度数据，然后执行步骤11)；

11)测量计算机利用三个目标棱镜的坐标与铰接千斤顶行程和角度数据计算出盾构机首尾的三维坐标和姿态偏差，显示在测量计算机的界面上，然后执行步骤12)；

12)测量计算机将三个目标棱镜的坐标与方位角数据、铰接千斤顶行程和角度数据、盾构机首尾的三维坐标和姿态偏差保存至数据库中，返回步骤8)，进行下一轮的自动测量；

所述的步骤2)配置数据包括初始设定的三个目标棱镜与盾尾与铰接中心的坐标数据。

2.一种如权利要求1所述的铰接盾构机自动导向测量方法的装置，其特征在于，包括自动全站仪、无线电台、测量计算机、目标棱镜、盾构机PLC，所述的自动全站仪通过无线电台与测量计算机连接，所述的自动全站仪与目标棱镜连接，所述的测量计算机与盾构机PLC连接，所述的目标棱镜安装在盾构机上。

3.根据权利要求2所述的一种铰接盾构机自动导向测量方法的装置，其特征在于，所述的自动全站仪通过RS232串口通讯线与无线电台连接。

4.根据权利要求2所述的一种铰接盾构机自动导向测量方法的装置，其特征在于，所述的测量计算机通过RS232串口通讯线与无线电台连接。

5.根据权利要求2所述的一种铰接盾构机自动导向测量方法的装置，其特征在于，所述的测量计算机通过RS232串口通讯线与盾构机PLC连接。

6.根据权利要求2所述的一种铰接盾构机自动导向测量方法的装置，其特征在于，所述的目标棱镜设有三个，分别固定在盾构机上。