CN109669425B - 一种城市管道施工现场组对控制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于管道工程领域，涉及一种城市管道施工现场组对控制的方法。为解决施工现场缺乏快速准确的管道组对控制方法的问题，该方法采用空间点测量设备进行现场测量，获得真实现场测量数据。通过WIFI无线通信将数据传输到PC端，并对测量数据快速计算，得出准确的弯头角度及位姿、过渡管尺寸及管口形状。再将过渡管管口外圆绘制成二维展开图并打印出来，为指导过渡管切割提供现场指导。本发明简化了测量过程，提高了管道组对的工作效率，因而具有很高的实用价值和良好的市场应用前景。

Description

一种城市管道施工现场组对控制的方法
技术领域
本发明属于管道工程领域，涉及一种城市管道施工现场组对控制的方法。
背景技术
在城市管道工程建设中，待连接管道多会交叉，交叉连接处通过弯头、过渡管连接作业是管道全部贯通形成整体的重要环节。其中大口径管道连接施工受限条件较多，环境、地形、地质土壤状况以及气候等都是制约施工的重要因素，诸多因素导致已下沟管道的在位状态和设计图纸存在一定的偏差，致使现有管道轴线与连接弯头的轴线不重合，过渡管直口切割不能满足组对要求，需要对过渡管斜切，当斜切尺寸不准确或者现场切割方法不完备时，可能需要反复修改甚至重新切割。管道的连接需要相对精确的数据，仅参考施工图纸不能够满足精度的要求，需要一种基于现场测量数据的组对控制方法。
针对弯管角度，传统简单测量方法是：在转角处沿现有两管道轴线方向各拉一条线，两条线的交叉点就是管道转角的中心点，用量角器或活动角尺测量两条线的夹角，就是管道弯头的角度。该方法偶然误差大，测量精度低。基于现场测量数据拟合出空间圆柱中心轴线，再计算其夹角进而确定弯头角度的方法能有效避免偶然测量误差，提高测量精度。
圆柱拟合方法，CHAPERON T,GOULETTE F.Extracting cylinders in full 3Ddata using a random sampling method and the Gaussian image:2001 InternationalFall Workshop Vision,Modeling,and Visualization(VMV 2001),Stuttgart,Germany,2001[C].等人采用随机抽样和高斯图像方法提取全三维数据的柱面。施贵刚,秦世伟,潘国荣,等.基于遗传算法的空间柱面拟合[J].同济大学学报(自然科学版),2010.等基于遗传算法对三维空间柱面拟合。张益泽,王解先.初值任意选取的圆柱面拟合方法[J].工程勘察,2012(01):77-80.中对圆度误差方程进行适当的变换，使得平差过程中参数的初值可以任意选取。
过渡管切割方面，KITAHARATYYTY.Calculation Approach Of Optimum CuttingSurfaces Of Extra Length Of Pipe Spools:Asme Pressure Vessels&PipingConference,2013[C].等人考虑到施工现场切割工作的易操作性，提出三种切割过渡管的方式，1)每个端面垂直切割；2)一个是垂直切割，另一个是斜切；3)每个端面都是斜切。该方法给出了过渡管切割量的分配方法，未给出现场切割控制方法，切割后的过渡管能否准确的进行安装组对无法保证。吴迪.给水管道施工中大口径钢管碰接方法[J].给水排水,2004(10):86-88.等总结出用“三角法”钢管碰接方法，在管端修口后将其同方向划分若干个等距分隔点，选取基准点对另一管端进行放射性测量，用“三角法”进行下料，确定碰接管段的空间位置，来达到管道碰接的目的。该方法前提要对现有管道进行修口量计算与修口操作，且无法解决空间异面相交的情况。
目前管道施工组对方法主要采用人工拉线方式，该方法具有测量偶然误差大，弯头角度和位姿不准确，过渡管切割后需要反复修整甚至重新切割，耗时且费料等缺点，其进度与质量严重影响整个工程工期进展和工期效益。
发明内容
为解决现有城市管道施工现场组对控制方法效率低和精度差的难题，本发明提出了一种用于城市大口径管道施工现场组对控制的方法，采用非接触测量设备(如全站仪)获取现有管道空间点真实三维坐标，并构建圆柱参数模型；基于管壁上测量点坐标，采用雅可比迭代算法和圆柱参数模型进行拟合，得到现有管道的空间方程，进而确定弯头角度及位姿；基于管口上测量点坐标，采用雅可比迭代算法和空间平面方程进行拟合，得到过渡管两端连接的管口方程，将两平面进行统一坐标系变换，确定过渡管的尺寸以及绘制管口外圆二维展开图，为过渡管切割提供依据。
本发明的技术方案：
一种城市管道施工现场组对控制的方法，步骤如下：
(1)利用空间坐标测量设备获取现有管道管壁和管口上测量点的三维坐标；测量点在管壁和管口上均为均匀分布；
(2)依据空间圆柱面到中心轴线距离约束关系，构建圆柱参数模型；
(3)基于现有管道管壁上的测量点坐标，采用雅可比迭代算法和圆柱参数模型进行拟合，迭代优化得到特征参数，包括圆柱轴线方向向量、端面与轴线交点坐标以及圆柱半径，将特征参数带入圆柱轴线方程，计算出弯头角度；通过建立圆柱轴线空间投影面，计算现有管道轴线空间相交和空间异面两种情况的弯头空间摆放位姿；
(4)基于现有管道管口的测量点坐标，采用雅可比迭代算法和空间平面方程进行拟合，迭代优化得到现有管道管口的平面方程参数；利用弯头中心、角度以及长度确定弯头管口的平面方程参数；建立过渡管坐标系，将现有管道管口和弯头管口的平面方程进行统一坐标系转换，计算过渡管的尺寸及管口形状；
(5)过渡管管口上与现有管道管口上测量点相对应的点作为参考点，选取一个参考点作为过渡管切割的入刀点，将步骤(4)中得到的过渡管的管口外圆形状展开成二维图形并打印，再将其缠绕在过渡管上用以标记过渡管的切割轨迹，作为过渡管现场切割的指导方法；将切割完的过渡管安装在现有管道弯头之间，完成管道组对控制。
进一步，步骤(1)中，将空间坐标测量设备获取的测量点三维坐标保存成.csv文件，通过WIFI无线通讯方式传输到PC端。
进一步，步骤(2)中，根据圆柱面到中心轴线的距离与半径的误差关系，构建圆柱参数模型如下：
Figure GDA0001982321370000031
其中，(xi,yi,zi)分别表示测量点的x，y，z坐标，(x0,y0,z0)分别是圆柱中心轴线上一点的x，y，z坐标，A，B，C为圆柱中心轴线的方向向量，R是圆柱半径。
进一步，步骤(3)中，采用牛顿迭代法将非线性的圆柱参数模型线性化，构造雅可比矩阵，将现有管道管壁上的测量点坐标带入雅可比矩阵，采用雅可比迭代算法和圆柱参数模型拟合测量点坐标，在确定参数的迭代初值时，在现有管道管口外圆圆周上测量点坐标(xi,yi,zi)，圆柱中心轴线上一点初值取x0＝average(xi)，y0＝average(yi)，z0＝average(zi)；测得现有管道管壁上沿平行于管道轴线方向的两个点坐标，构造两个点的向量作为方向向量初值(a0,b0,c0)，半径R根据实际情况选取；经迭代优化得到特征参数；
将迭代优化得到的特征参数带入圆柱轴线的直线方程，若两个现有管道轴线空间相交，直接计算出弯头角度及位姿；若两个现有管道轴线空间异面，将两条管道轴线投影到空间一平面，该平面作为弯头放置的理想平面，过程如下：
将圆柱轴线的直线方程转化为对称式，得到圆柱轴线L1的方向向量n1＝(a1,b1,c1)，圆柱轴线L2的方向向量n2＝(a2,b2,c2)，再通过向量积得到两个方向向量的公垂向量n＝(ax,bx,cx)；设圆柱轴线L1与公垂线所在平面为S1，圆柱轴线L2与公垂线所在平面S2；平面S1与圆柱轴线L2交点为a，平面S2与圆柱轴线L1交点为b；a与b连线中点即为投影点o，过公垂向量和投影点的平面即为放置弯管的理想平面。
进一步，步骤(4)中，确定过渡管尺寸和管口形状的方法如下：
建立过渡管坐标系，将现有管道管口圆心与弯头管口圆心的连线定义成z轴，根据正交关系确定x、y轴，将现有管道管口和弯头管口的平面方程进行统一坐标系转换，在转换后的坐标系下，由下列公式确定两平面方程对应的z坐标：
Figure GDA0001982321370000041
将过渡管两端管口分别划分等数量多个等距分隔点，依据过渡管直径大小确定分隔点数目；过渡管两端管口上沿平行于轴线的对应分隔点在过渡管坐标系下的z坐标分别取绝对值，绝对值之和即为过渡管两端管口分隔点处对应的过渡管长度尺寸，确定所有分隔点处过渡管的长度尺寸即确定了过渡管的尺寸，管口形状进而确定。
所述的现有管道管壁上至少选取10个测量点，管口上至少选取4个测量点。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明解决了施工现场缺乏快速准确的管道组对控制方法的问题。此外，本发明基于所获得真实现场测量数据，具有测量操作简便、软件快速计算出组对控制参数的优点。通过WIFI无线通信将数据传输到PC端，并设计软件系统对测量结果快速计算，得出准确的弯头角度及位姿、过渡管尺寸及管口形状。将过渡管管口外圆绘制成二维展开图并打印，为指导过渡管切割提供现场指导，提高了管道组对的工作效率。
附图说明
图1是城市管道施工现场组对控制方法的流程图。
图2是城市管道施工现场组对控制的示意图。
图3是现场测量点分布示意图。
图4(a)和图4(b)是过渡管管口二维展开图。
图5是过渡管安装示意图。
图中：1第一现有管道；2第一过渡管；3弯头；4第二过渡管；5焊接间隙；6第二现有管道；7第一测量点；8第二测量点。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
一种城市管道施工现场组对控制的方法的具体流程如图1所示。
结合图2所示的组对控制示意图，第一现有管道1和第二现有管道6之间通过弯头3进行转接，弯头3通过第一过渡管2和第二过渡管4分别与第一现有管道1和第二现有管道6连接，完成管道现场组对过程。
本发明的具体实施方式如下：
(1)参考图3，首先将空间点坐标测量设备(如全站仪)摆放在沿待测两管道夹角角平分线上，尽量使两管道管壁及管口测量时激光点集中。打开全站仪的WIFI热点，PC端搜索该热点，建立WIFI无线通讯。测量第一现有管道1管壁上至少10个点，首先测量近似沿轴线方向的两点坐标：第一测量点7远离管道轴线交点，第二测量点8靠近管道轴线交点。然后测量均匀分布在管壁上的其余点。测量第一现有管道1管口外圆圆周上的至少4个均匀分布点，首先测量12点钟方向的点作为参考点。接下来测量第二现有管道6上的测量点坐标，测量点的分布特征均按照第一现有管道1上的各测量点的位置布置，将第一现有管道1和第二现有管道6的全部测量点的三维坐标保存成.csv文件，通过WIFI无线通讯方式传输到PC端。
(2)依据圆柱面到中心轴线的距离与半径的误差关系构建圆柱参数模型，其数学模型如下：
(A2+B2+C2)[(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2]-[A(xi-x0)+B(yi-y0)+C(zi-z0)]2-(A2+B2+C2)R2＝0
其中，(xi,yi,zi)分别表示测量点的x，y，z坐标，(x0,y0,z0)分别是圆柱中心轴线上一点的x，y，z坐标，A，B，C为圆柱中心轴线的方向向量，R是圆柱半径。
(3)采用牛顿迭代法将非线性目标方程线性化，构造雅可比矩阵。将第一现有管道1和第二现有管道6上的测量点坐标带入雅可比矩阵，采用雅可比迭代算法和圆柱参数模型拟合测量点坐标，在确定参数的迭代初值时，在现有管道管口外圆圆周上测量点坐标(xi,yi,zi)，圆柱中心轴线上一点初值取x0＝average(xi)，y0＝average(yi)，z0＝average(zi)；沿大致轴线方向测得两点构造向量作为方向向量初值(a0,b0,c0)，半径R根据实际情况选取。
迭代优化得到以下特征参数：圆柱轴线方向向量、端面与轴线交点坐标及圆柱半径，将特征参数带入圆柱轴线方程，若两个现有管道轴线空间相交，直接计算出弯头角度及位姿；若两个现有管道轴线空间异面，将两条管道轴线投影到空间一平面，该平面作为弯头放置的理想平面，计算过程如下：
将圆柱轴线的直线方程转化为对称式，得到圆柱轴线L1的方向向量n1＝(a1,b1,c1)，圆柱轴线L2的方向向量n2＝(a2,b2,c2)，再通过向量积得到两个方向向量的公垂向量n＝(ax,bx,cx)。假设圆柱轴线L1与公垂线所在平面为S1，圆柱轴线L2与公垂线所在平面S2。平面S1与圆柱轴线L2交点为a，平面S2与圆柱轴线L1交点为b。a与b连线中点即为投影点o，过公垂向量和投影点的平面即为放置弯管的理想平面。
(4)采用雅可比迭代算法和空间平面模型拟合测量点坐标，迭代优化得到现有管道管口的平面方程参数。利用弯头中心、角度及长度确定弯头管口的平面方程。建立过渡管坐标系，将现有管道管口圆心与弯头管口圆心的连线定义成z轴，根据正交关系确定x,y轴，将现有管道管口与弯头管口的平面方程进行统一坐标系转换，在该坐标系下，由下列公式确定两平面方程对应的z坐标：
Figure GDA0001982321370000071
将过渡管两端管口分别划分等数量若干个等距分隔点，依据过渡管直径大小确定分隔点数目，过渡管两端管口上沿平行于轴线的对应分隔点在过渡管坐标系下的z坐标分别取绝对值，绝对值之和即为两端管口分隔点处对应的过渡管长度尺寸，确定所有分隔点处过渡管的长度尺寸即确定了过渡管的尺寸，管口形状进而确定。
(5)参考图4(a)和图4(b)，选取过渡管管口外圆周上某一参考点作为过渡管切割的入刀点，将过渡管管口的截面形状展开成二维图形并打印，将其缠绕在过渡管上用以标记过渡管的切割轨迹，根据标记进行过渡管的切割。按照图5，将切割完的过渡管安装在第一现有管道1(或第二现有管道6)与弯头3之间，完成管道组对控制。
本发明提供的城市管道施工现场组对控制方法，采用空间点测量设备(如全站仪)进行现场测量，获得真实现场测量数据。通过WIFI无线通信将数据传输到PC端，并设计软件系统对测量结果快速计算，得出准确的弯头角度及位姿、过渡管尺寸及管口形状。并将过渡管管口外圆绘制成二维展开图并打印，为过渡管切割提供现场指导。因而具有很高的实用价值和良好的市场应用前景。

Claims (3)

1.一种城市管道施工现场组对控制的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)利用空间坐标测量设备获取现有管道管壁和管口上测量点的三维坐标；测量点在管壁和管口上均为均匀分布；
(2)依据空间圆柱面到中心轴线距离约束关系，构建圆柱参数模型；
(3)基于现有管道管壁上的测量点坐标，采用雅可比迭代算法和圆柱参数模型进行拟合，迭代优化得到特征参数，包括圆柱轴线方向向量、端面与轴线交点坐标以及圆柱半径，将特征参数带入圆柱轴线方程，计算出弯头角度；通过建立圆柱轴线空间投影面，计算现有管道轴线空间相交和空间异面两种情况的弯头空间摆放位姿；
(4)基于现有管道管口的测量点坐标，采用雅可比迭代算法和空间平面方程进行拟合，迭代优化得到现有管道管口的平面方程参数；利用弯头中心、角度以及长度确定弯头管口的平面方程参数；建立过渡管坐标系，将现有管道管口和弯头管口的平面方程进行统一坐标系转换，计算过渡管的尺寸及管口形状；
(5)过渡管管口上与现有管道管口上测量点相对应的点作为参考点，选取一个参考点作为过渡管切割的入刀点，将步骤(4)中得到的过渡管的管口外圆形状展开成二维图形并打印，再将其缠绕在过渡管上用以标记过渡管的切割轨迹，作为过渡管现场切割的指导方法；将切割完的过渡管安装在现有管道弯头之间，完成管道组对控制；
所述的步骤(2)中，根据圆柱面到中心轴线的距离与半径的误差关系，构建圆柱参数模型如下：
(A2+B2+C2)[(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2]-[A(xi-x0)+B(yi-y0)+C(zi-z0)]2
＝(A2+B2+C2)R2
其中，(xi,yi,zi)分别表示测量点的x，y，z坐标，(x0,y0,z0)分别是圆柱中心轴线上一点的x，y，z坐标，A，B，C为圆柱中心轴线的方向向量，R是圆柱半径；
所述的步骤(3)中，采用牛顿迭代法将非线性的圆柱参数模型线性化，构造雅可比矩阵，将现有管道管壁上的测量点坐标带入雅可比矩阵，采用雅可比迭代算法和圆柱参数模型拟合测量点坐标，在确定参数的迭代初值时，在现有管道管口外圆圆周上测量点坐标(xi,yi,zi)，圆柱中心轴线上一点初值取x0＝average(xi)，y0＝average(yi)，z0＝average(zi)；测得现有管道管壁上沿平行于管道轴线方向的两个点坐标，构造两个点的向量作为方向向量初值(a0,b0,c0)，半径R根据实际情况选取；经迭代优化得到特征参数；
将迭代优化得到的特征参数带入圆柱轴线的直线方程，若两个现有管道轴线空间相交，直接计算出弯头角度及位姿；若两个现有管道轴线空间异面，将两条管道轴线投影到空间一平面，该平面作为弯头放置的理想平面，过程如下：
将圆柱轴线的直线方程转化为对称式，得到圆柱轴线L1的方向向量n1＝(a1,b1,c1)，圆柱轴线L2的方向向量n2＝(a2,b2,c2)，再通过向量积得到两个方向向量的公垂向量n＝(ax,bx,cx)；设圆柱轴线L1与公垂线所在平面为S1，圆柱轴线L2与公垂线所在平面S2；平面S1与圆柱轴线L2交点为a，平面S2与圆柱轴线L1交点为b；a与b连线中点即为投影点o，过公垂向量和投影点的平面即为放置弯管的理想平面；
所述的步骤(4)中，确定过渡管尺寸和管口形状的方法如下：
建立过渡管坐标系，将现有管道管口圆心与弯头管口圆心的连线定义成z轴，根据正交关系确定x、y轴，将现有管道管口和弯头管口的平面方程进行统一坐标系转换，在转换后的坐标系下，由下列公式确定两平面方程对应的z坐标：
Figure FDA0002311939160000021
将过渡管两端管口分别划分等数量多个等距分隔点，依据过渡管直径大小确定分隔点数目；过渡管两端管口上沿平行于轴线的对应分隔点在过渡管坐标系下的z坐标分别取绝对值，绝对值之和即为过渡管两端管口分隔点处对应的过渡管长度尺寸，确定所有分隔点处过渡管的长度尺寸即确定了过渡管的尺寸，管口形状进而确定。
2.根据权利要求1所述的一种城市管道施工现场组对控制的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，将空间坐标测量设备获取的测量点三维坐标保存成.csv文件，通过WIFI无线通讯方式传输到PC端。
3.根据权利要求1或2所述的一种城市管道施工现场组对控制的方法，其特征在于，所述的现有管道管壁上至少选取10个测量点，管口上至少选取4个测量点。
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