CN112815909A - 隧道变形测量方法及系统、测量机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种隧道变形测量方法及系统、测量机器人，涉及工程监测技术领域。该方法包括：一、选取一区域作为基准区域并确定其三维坐标系；二、选取一个与基准区域部分重合的扩展分区并确定其除重合区域之外的监测点位的三维坐标；三、以确定出的扩展分区作为当前的基准区域，利用步骤二的方法确定下一扩展分区，并确定其所设置的监测点位的三维坐标；重复步骤三，直至扩展分区达到预定数量；四、在不同的时间点按照步骤一～三的方法轮询所有监测点位的三维坐标，根据每个监测点位的三维坐标变化确定其变形情况。本申请自动确定每个区域内监测点位的三维坐标，整个测量过程不需依靠人工监测，不受人工主观性的影响，改善测量精度、提高工作效率。

Description

隧道变形测量方法及系统、测量机器人

技术领域

本申请涉及工程监测相关技术领域，尤其涉及一种隧道变形测量方法及系统、测量机器人。

背景技术

在隧道施工建设、运营、修缮时，隧道周边围岩会有发生变形的风险，因此，需对隧道周边围岩监测以了解隧道周边围岩的变形情况，防止事故发生。现有隧道变形测量方法主要是通过对处于不同时段的同一监测点位多次监测，计算不同时段的同一监测点位的三维坐标；然后，根据不同时段的同一监测点位的三维坐标变化来判断隧道周边围岩的变形情况。

但是，现有隧道变形测量方法主要是依靠人工监测，监测数据受人工的主观性影响较大，降低了监测数据的精准性；且人工需将监测得到的数据制作成纸质或者电子的数据报告，增加了人工工作量、降低了工作效率。

发明内容

本申请的目的是提供一种隧道变形测量方法，其能够改善现有隧道变形监测方法需依靠人工监测所导致的监测数据精度低、工作效率低的问题。

另一目的还在于提供一种隧道变形测量系统，以及一种测量机器人。

第一方面，本申请实施例提供一种隧道变形测量方法，包括：

步骤一：选取一区域作为基准区域并在基准区域内布置监测点位；监测点位包括预定数量的初始基准点位和预定数量的非基准点位；根据初始基准点位确定基准区域的三维坐标系；并确定出非基准点位在三维坐标系中的三维坐标；

步骤二：选取一个扩展分区，扩展分区与基准区域部分重合；该扩展分区内布置若干监测点位且与基准区域重合的区域内包括预定数量的监测点位；根据重合区域的监测点位的三维坐标确定出扩展分区除重合区域之外的监测点位在三维坐标系中的三维坐标；

步骤三：以确定出的扩展分区作为当前的基准区域，利用步骤二的方法确定出下一扩展分区，并确定出下一扩展分区中所设置的监测点位在三维坐标系中的三维坐标；重复步骤三，直至扩展分区达到预定数量；

步骤四：在不同的时间点按照步骤一～三的方法轮询所有监测点位的三维坐标，根据每个监测点位的三维坐标变化确定出每个监测点位的变形情况。

在上述实现过程中，根据基准区域中的初始基准点位自动确定出基准区域及扩展分区所共用的三维坐标系，及自动测量并确定基准区域与扩展分区中监测点位的三维坐标。其选取多个区域，保证在每个区域内均能有效观察到该区域内的监测点位，且提高该区域内的监测点位的三维坐标的测量精度，减少测量误差。

在一种可能的实施方案中，基准区域内初始基准点位的数量为三个及三个以上，且初始基准点位至少构成一个平面。

在一种可能的实施方案中，根据初始基准点位确定基准区域的三维坐标系，并确定出非基准点位在该三维坐标系中的三维坐标包括：

引入可移动的测量设备，并将测量设备移动至基准区域；

利用测量设备及初始基准点位确定基准区域的三维坐标系；并根据后交会法确定非基准点位在该三维坐标系中的三维坐标。

在一种可能的实施方案中，在将测量设备移动至基准区域之后，还包括：

锁定测量设备；以及对测量设备进行调平。

在一种可能的实施方案中，选取一个扩展分区，扩展分区与基准区域部分重合包括：

扩展分区的部分区域与基准区域设置初始基准点位的区域重合。

在一种可能的实施方案中，选取一个扩展分区，扩展分区与基准区域部分重合包括：

扩展分区的部分区域与基准区域设置非基准点位的区域重合。

在一种可能的实施方案中，根据重合区域的监测点位的三维坐标确定出扩展分区除重合区域之外的监测点位在三维坐标系中的三维坐标包括：

根据重合区域的监测点位的三维坐标系，利用后交会法确定出扩展分区除重合区域之外的监测点位在该三维坐标系中的三维坐标。

在一种可能的实施方案中，根据每个监测点位的三维坐标变化确定出每个监测点位的变形情况包括：

计算出每个监测点位在不同时间点的变形值及变化速率；

根据每个监测点位的变形值及变化速率确定该监测点位的变形情况。

第二方面，本申请实施例提供一种隧道变形测量系统，包括：

监测点位，其被配置为：监测点位按照上述的隧道变形测量方法中步骤一～三中的排列方式排列；

可移动的测量设备，该测量设备采用上述的隧道变形测量方法中的步骤四对监测点位的三维坐标进行测量；

客户端，与测量设备通信连接，客户端接收测量设备发送的不同时间点的监测点位的三维坐标数据，并计算每个监测点位在不同时间点的变形值及变化速率。

第三方面，本申请实施例提供一种测量机器人，该测量机器人装载有上述的隧道变形测量系统。

与现有技术相比，本申请的有益效果：

1)本申请根据基准区域中的初始基准点位自动确定出基准区域及扩展分区所共用的三维坐标系，及自动测量并确定出基准区域与扩展分区中监测点位的三维坐标；其在三维坐标系及监测点位的三维坐标确定过程中不需依靠人工监测，不受人工主观性的影响，进而改善了测量精度、提高工作效率。

2)本申请将待测区域划分为基准区域和预定数量的扩展分区，保证在每个区域内均能有效观察到该区域内的监测点位，且提高该区域内的监测点位的三维坐标的测量精度，减少测量误差。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为根据本申请实施例示出的一种隧道变形测量方法的示意图；

图2为根据本申请实施例示出的一种隧道待测区域划分区域及监测点位分布的示意图。

图示说明：

100基准区域；110扩展区域；120行走轨道；200监测点位；300测量设备；310驱动装置。

具体实施方式

下面结合附图对本申请具体实施方式的技术方案作进一步详细说明，这些实施方式仅用于说明本申请，而非对本申请的限制。

根据本申请的一个方面，本实施例提供一种隧道变形测量方法。在该方法中，对整个隧道的待测区域进行分区，具体为：根据隧道的轨道及测量设备的测量精度将待测区域划为多个区域，以保证测量设备在每个区域内能有效测量到该区域内的监测点位，且保证该区域内的监测点位的测量精度。

参见图1和图2，该隧道变形测量方法包括以下步骤：

S1、选取一区域作为基准区域100并在基准区域100内布置监测点位200；监测点位200包括预定数量的初始基准点位和预定数量的非基准点位；根据初始基准点位确定基准区域200的三维坐标系；并确定出非基准点位在三维坐标系中的三维坐标。

在一种实施方式中，选取一区域作为基准区域100并在基准区域100内布置监测点位200包括：

在待测区域铺设行走轨道120，该行走轨道120可为现有的地铁轨道或铁路轨道。

根据待测区域及行走轨道120的形状选取一区域作为基准区域100；该基准区域100沿行走轨道120延伸方向具有预设长度。这主要是由于待测区域及行走轨道120一般为曲线设计，不是笔直的直线，在待测区域内难以观察到待测区域内所有监测点位的三维坐标。因此，需将待测区域划分为多个区域，以保证在每个区域内能有效测量到该区域内的监测点位。

在基准区域100等间距布置监测点位200；该监测点位200具体布置在行走轨道120处于基准区域100那一部分两侧的隧道侧壁上。

具体地，对基准区域100及基准区域100内的监测点位200进行编号，基准区域100记为A，基准区域100内的监测点位200记为a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8和a9。这主要是在后续测量过程中便于测量设备对基准区域100及其中的监测点位200进行识别。

较佳地，该基准区域100沿行走轨道120延伸方向的长度为100～150m，该长度根据待测区域的形状及测量设备300的测量精度确定，确保在基准区域100内的每个监测点位200均能测到，且能保证每个监测点位200的测量精度，减小测量误差。

在一种实施方式中，根据初始基准点位确定基准区域100的三维坐标系，并确定出非基准点位在该三维坐标系中的三维坐标包括：

引入可移动的测量设备300，并将测量设备300移动至基准区域100；在测量设备300移动完成后，锁定测量设备300；对测量设备300进行调平，使测量设备300处于平衡状态；

在测量设备300调平完成后，利用测量设备300识别初始基准点位，由测量设备300与初始基准点位确定出该基准区域100的三维坐标系；

利用测量设备300识别非基准点位，并根据后交会法确定非基准点位在该三维坐标系中的三维坐标。

较佳地，测量设备300配置有驱动装置310，驱使该测量设备300移动。

较佳地，初始基准点位的数量为三个及三个以上，且初始基准点位构成至少一个平面。

较佳地，将测量设备300移动至基准区域100中的任意位置。在基准区域100中的任意位置均能有效测量到基准区域100内的每个监测点位200，且每个监测点位200的测量精度均在预设精度内。

S2、选取一个扩展分区110，扩展分区110与基准区域100部分重合；该扩展分区110内布置若干监测点位200且与基准区域100重合的区域内包括预定数量的监测点位200；根据重合区域的监测点位200的三维坐标确定出扩展分区110除重合区域之外的监测点位200在三维坐标系中的三维坐标。

具体地，对扩展分区110进行编号，其标记为B，则其中的监测点位200对应标记为b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8和b9。扩展分区110与基准区域100部分重合，该重合区域内包含两个监测点位200，即a7、a8和a9分别与b1、b2和b3对应。扩展分区110与基准区域100的重合区域内所包含的监测点位200的数量并不仅限于三个，超过三个的监测点位200也落在本申请的保护范围内。

在一种实施方式中，选取一个扩展分区110，扩展分区110与基准区域100部分重合包括：

扩展分区110的部分区域与基准区域100设置初始基准点位的区域重合。参见图2，初始基准点位为三个，具体为a7、a8和a9，即b1、b2和b3。

作为可替换的实施方式，扩展分区110的部分区域与基准区域100设置非基准点位的区域重合。参见图2，初始基准点位为a1、a2、a3、a4、a5和a6中的任意三个，在本实施例中，初始基准点位为a1、a2和a3。

在一种实施方式中，根据重合区域的监测点位200的三维坐标确定出扩展分区110除重合区域之外的监测点位200在三维坐标系中的三维坐标包括：

根据重合区域的监测点位200的三维坐标系，利用后交会法确定出扩展分区110除重合区域之外的监测点位200在该三维坐标系中的三维坐标。在这里，扩展分区110与基准区域100共用一个三维坐标系。

具体地，在步骤S1中，基准区域100内每个监测点位200的三维坐标均已确定，则扩展分区110与基准区域100的重合区域内的监测点位200的三维坐标已确定，即扩展分区110与基准区域100共用一个三维坐标系。在确定扩展分区110内的三维坐标系之后，按照步骤S1中的基准区域100内的非基准点位的确定方法，确定出扩展分区110除重合区域之外的监测点位200在该三维坐标系中的三维坐标。

较佳地，扩展分区110与基准区域100沿行走轨道120延伸方向排列，且扩展分区110沿行走轨道120延伸方向的长度与基准区域100沿行走轨道120延伸方向的长度相同。

在上述实现过程中，扩展分区110与基准区域100共用一个三维坐标系，在测量设备300由基准区域100移动至扩展分区110中时，重新对测量设备300调平、标定，并由测量设备300在扩展分区110中对该区域内的监测点位200进行测量，保证该扩展分区110内测量到的监测点位200的三维坐标的测量精度符合预设精度。

S3、以确定出的扩展分区110作为当前的基准区域，利用步骤S2中的方法确定出下一扩展分区110，并确定出下一扩展分区110中所设置的监测点位200在三维坐标系中的三维坐标。重复步骤S3，直至扩展分区110达到预定数量。

其中，相邻两个扩展分区110的三维坐标系均相同，所有扩展分区110与基准区域100共同一个三维坐标系。整个待测区域划分为基准区域100及预定数量的扩展分区110，对基准区域100及每个扩展区域110内的监测点位200分区测量，保证了基准区域100及每个扩展区域110内的监测点位200的三维坐标的测量精度均符合预设精度，减小误差。

S4、在不同的时间点按照步骤S1～S3中的方法轮询所有监测点位200的三维坐标，根据每个监测点位200的三维坐标变化确定出每个监测点位200的变形情况。具体为：计算出每个监测点位200的在不同时间点的变形值及变化速率；根据每个监测点位200的变形值及变化速率确定该监测点位200的变形情况。

在一种实施方式中，在根据每个监测点位200的三维坐标变化确定出每个监测点位200的变形情况之前，不同的时间点按照步骤S1～S3中的方法轮询所有监测点位200的三维坐标之后，还包括：将所有监测点位200在不同的时间点的三维坐标通过无线传输方式或有限传输方式传输至客户端。

客户端根据所有监测点位200在不同的时间点的三维坐标，计算出每个监测点位200在不同时间点的变形值及变化速率，进而根据每个监测点位200在不同时间点的变形值及变化速率确定出每个监测点位200在该时间点的变形情况。优选地，在该客户端接收到所有监测点位200在不同的时间点的三维坐标后，客户端会自动生成每个监测点位200在不同的时间点的三维坐标的变化曲线。

根据本申请的另一个方面，本申请实施例提供一种隧道变形测量系统，包括监测点位、可移动的测量设备300及客户端；监测点位被配置为：监测点位按照上述实施例隧道变形测量方法中步骤一～三中的排列方式排列；测量设备300采用上述实施例隧道变形测量方法中的步骤四对监测点位的三维坐标进行测量；客户端与测量设备300通信连接，客户端接收测量设备300发送的不同时间点的监测点位的三维坐标数据，并计算每个监测点位在不同时间点的变形值及变化速率。

较佳地，测量设备300配置有通信单元，该通信单元用于使该测量设备300与客户端通信连接。优选地，通信单元为无线通信单元或有线通信单元。

较佳地，测量设备300配置有电子调平装置，用于在测量设备300移动至预定位置后，对测量设备300调平。具体地，测量设备300移动至预设位置为测量设备300移动至基准区域100或扩展分区110。

根据本申请的另一个方面，本申请实施例提供一种测量机器人，该测量机器人装载有上述实施例中隧道变形测量系统。

由以上的技术方案可知，该方法能根据基准区域100中的初始基准点位自动确定出基准区域100及扩展分区110所共用的三维坐标系，及自动测量并确定出基准区域100与扩展分区110中监测点位的三维坐标。其将待测区域划分为基准区域100和预定数量的扩展分区110，保证在每个区域内均能有效观察到该区域内的监测点位200，且提高该区域内的监测点位200的三维坐标的测量精度，减少测量误差。

另外，本申请中的方法自动确定每个区域内的三维坐标系，及自动确定每个区域内监测点位200的三维坐标，其在三维坐标系和监测点位200的三维坐标确定过程中不需依靠人工监测，不受人工主观性的影响，进而改善了测量精度、提高工作效率。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种隧道变形测量方法，其特征在于，包括：

步骤一：选取一区域作为基准区域并在所述基准区域内布置监测点位；所述监测点位包括预定数量的初始基准点位和预定数量的非基准点位；根据所述初始基准点位确定所述基准区域的三维坐标系；并确定出所述非基准点位在所述三维坐标系中的三维坐标；

步骤二：选取一个扩展分区，所述扩展分区与所述基准区域部分重合；所述扩展分区内布置若干监测点位且与所述基准区域重合的区域内包括预定数量的监测点位；根据所述重合区域的监测点位的三维坐标确定出所述扩展分区除重合区域之外的监测点位在所述三维坐标系中的三维坐标；

步骤三：以确定出的扩展分区作为当前的基准区域，利用步骤二的方法确定出下一扩展分区，并确定出下一扩展分区中所设置的监测点位在所述三维坐标系中的三维坐标；重复步骤三，直至扩展分区达到预定数量；

步骤四：在不同的时间点按照步骤一～三的方法轮询所有监测点位的三维坐标，根据每个所述监测点位的三维坐标变化确定出每个所述监测点位的变形情况。

2.根据权利要求1所述的隧道变形测量方法，其特征在于，

所述基准区域内初始基准点位的数量为三个及三个以上，且所述初始基准点位至少构成一个平面。

3.根据权利要求1所述的隧道变形测量方法，其特征在于，所述根据所述初始基准点位确定所述基准区域的三维坐标系，并确定出所述非基准点位在所述三维坐标系中的三维坐标包括：

引入可移动的测量设备，并将所述测量设备移动至所述基准区域；

利用所述测量设备及所述初始基准点位确定所述基准区域的三维坐标系；并根据后交会法确定所述非基准点位在该三维坐标系中的三维坐标。

4.根据权利要求3所述的隧道变形测量方法，其特征在于，在将所述测量设备移动至所述基准区域之后，还包括：

锁定所述测量设备；以及对所述测量设备进行调平。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的隧道变形测量方法，其特征在于，所述选取一个扩展分区，所述扩展分区与所述基准区域部分重合包括：

所述扩展分区的部分区域与所述基准区域设置所述初始基准点位的区域重合。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的隧道变形测量方法，其特征在于，所述选取一个扩展分区，所述扩展分区与所述基准区域部分重合包括：

所述扩展分区的部分区域与所述基准区域设置所述非基准点位的区域重合。

7.根据权利要求1所述的隧道变形测量方法，其特征在于，所述根据所述重合区域的监测点位的三维坐标确定出所述扩展分区除重合区域之外的监测点位在所述三维坐标系中的三维坐标包括：

根据所述重合区域的监测点位的三维坐标系，利用后交会法确定出所述扩展分区除重合区域之外的监测点位在该三维坐标系中的三维坐标。

8.根据权利要求1所述的隧道变形测量方法，其特征在于，所述根据每个所述监测点位的三维坐标变化确定出每个所述监测点位的变形情况包括：

计算出每个所述监测点位在不同时间点的变形值及变化速率；

根据每个所述监测点位的变形值及变化速率确定该监测点位的变形情况。

9.一种隧道变形测量系统，其特征在于，包括：

监测点位，其被配置为：所述监测点位按照权利要求1～8中任一项所述的隧道变形测量方法中步骤一～三中的排列方式排列；

可移动的测量设备，所述测量设备采用权利要求1～8中任一项所述的隧道变形测量方法中的步骤四对监测点位的三维坐标进行测量；

客户端，与所述测量设备通信连接，所述客户端接收所述测量设备发送的不同时间点的所述监测点位的三维坐标数据，并计算每个所述监测点位在不同时间点的变形值及变化速率。

10.一种测量机器人，其特征在于，所述测量机器人装载有权利要求9所述的隧道变形测量系统。

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