CN113237452B - 一种管环平整度自动测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动测量及隧道施工领域，提出了一种盾构机管片平整度测量系统。该系统包括盾构机推进油缸、行程传感器、PLC、工控机、显示器。其中：工控机采用盾构机上已有的工控机，工控机包括系统配置模块、背景数据模块、数据通讯模块、平整度计算模块、数据存取模块和数据可视化模块。所述平整度计算模块根据背景数据和油缸行程数据匹配组合出“安装角度—油缸行程”数据对，进一步计算得出各测量点与理想平面(曲线)的偏差值；并将偏差数据提供给数据存取模块和可视化模块；利用外部配备垫片及外部机构根据偏差数据进行补偿工序；待完成平整度补偿、管片拼装后，盾构机进入掘进流程，此时本测量系统自动启动并开始平整度测量。

Description

一种管环平整度自动测量系统

技术领域

本发明适用于自动测量及隧道施工领域。

技术背景

随着中国城镇化水平的提升，城市迅速增长的人口对交通网络的建设需求也在日益攀升，作为交通网络的重要构成部分，地铁隧道的建设量也随之不断增长。鉴于盾构法施工具备安全、高效、经济等特性，盾构机己经成为隧道施工中的主要施工装备，被广泛应用于地铁、隧道等工程领域。

为保证隧道结构安全稳固，盾构施工采用多环连接的通用型楔形管片作为隧道的最内层支护结构。同一环管片由多块预制管片拼接而成，根据施工要求合理选择拼装点位调整管片楔形量位置实现对隧道设计轴线的拟合。盾构机后盾体圆周均匀装配有推进油缸，推进油缸撑靴以管片前沿端面作为支撑点，通过缓慢伸出活塞杆为盾构机提供向前掘进的推力。盾构机施工过程中每掘进一环距离后进行管片拼装，完成该环拼装工序后开始下一环掘进，依此循环直至贯通隧道。

在当前环拼装过程中，因拼装点位选择、管片拼装状态、盾构机姿态等多因素影响，很容易发生同管环各管片前沿端面错位即不平整的情况。在管片端面不平整的情况下进行掘进，油缸对管片所施加压力经过传导之后，会造成两环之间接触面不平整的部位压强过大，容易导致混凝土管片破裂，影响工程质量和施工安全性。为避免因拼装管片平整度较差造成的不良影响，需要按照“掘进结束——平整度测量——平整度补偿——管片拼装——掘进下一环”的流程完成平整度测量和补偿，保证顺利掘进。系统测得各测量点与校准平面间距即所述管片平整度，工作人员或外部系统据此在各测量点粘贴相应厚度的传力垫片进行平整度补偿，保证补偿后的管片端面尽可能平整。

最接近现有技术：

现今测量管片平整度常由人工利用全站仪测量当前环预定测量点坐标后，依靠人工经验选定其中三点计算目标平面，进而计算各测量点至该平面的距离作为测量点至目标平面的偏差值。该人工测量方法存在较大弊端：①人工选定的三点任意性较大，无法保证基于该三点计算的目标平面为最佳目标平面，造成最终解算偏差值精度欠佳。②该方法需要人利用全站仪测量端面各点坐标，鉴于盾构施工场景空间限制，人工测量难度较大，操作不方便且测量效率和实时性很差，难以适应盾构施工时效性要求。

发明内容

针对以上问题，首先实现管片平整度的精确、自动测量算法方案；

进一步的，本发明设计并提出了一种盾构掘进中管环端面平整度测量系统，其集成有管片端面平整度测量功能。

本申请需要保护的技术方案：

一种盾构机管片平整度测量系统，其特征是，其集成有管片端面平整度测量功能；所述盾构机管片平整度测量系统包括盾构机推进油缸、行程传感器、PLC、工控机、显示器，其中：

若干盾构机推进油缸工作于盾构机盾尾和当前管片之间，在PLC控制下推动盾构机前进；

行程传感器安装于盾构机每根推进油缸内部或外部；行程传感器实时测量掘进状态中推进油缸各活塞杆伸出长度即所述油缸行程，也即盾构机盾尾基点和管片测量点的间距，所述基点为推进油缸在油缸装配平面的投影中心点，所述测量点为推进油缸在撑靴与管片接触面的投影中心点；

PLC与所有行程传感器连接，PLC获取油缸行程对应的模拟量后转换为数字量，并传输至工控机；

工控机采用盾构机上已有的工控机，工控机包括系统配置模块、背景数据模块、数据通讯模块、平整度计算模块、数据存取模块和数据可视化模块：

所述系统配置模块用于配置软件参数，包括测量周期、设备I P；可以由盾构司机通过人机接口向PLC输入；

所述背景数据模块用于存储和修改涉及平整度计算模块相关的基础数据，包括配备行程传感器的推进油缸的装配角度；

所述数据通讯模块用于工控机与PLC进行通讯，从而获取推进油缸行程等数据；

所述平整度计算模块是本系统应用软件的核心模块，用于根据背景数据和油缸行程数据匹配组合出“安装角度—油缸行程”数据对，进一步计算得出各测量点与理想平面(曲线)的偏差值；并将偏差数据提供给数据存取模块和可视化模块；利用外部配备垫片及外部机构根据偏差数据进行补偿工序，或者外部人员参阅可视化的偏差数据后进行补偿操作；

所述数据存取模块用于初始测量值和解算结果的存储与查询；

所述数据可视化模块用于根据平整度计算模块的计算数值结果，以便于操作人员理解和观察的方式图形化展示各测量点对应数值；

待完成平整度补偿、管片拼装后，盾构机进入掘进流程，此时本测量系统自动启动并开始平整度测量。

进一步的，平整度计算模块：以一次管片测量点对应的距离偏差值计算流程为例说明平整度计算模块的计算方法。称推进油缸在装配平面投影中心点为基点，称推进油缸在撑靴与管片接触面投影中心点为测量点。各推进油缸对应的基点在圆周上相对展开母线的弧度值用θ表示；推进油缸的活塞杆行程(基点至测量点距离)用l表示；初次拟合获取的曲线称为基准曲线，用L₀表示；通过平移得到的曲线称为校准曲线，用L₁表示；各基点与基准曲线L₀距离用Δd_i表示，各基点与校准曲线L₁距离用d_i表示。

(1)上位机获取基点在圆周上相对展开母线的弧度值θ_i以及各推进油缸行程l_i，对应匹配组成n组表征测量点位置的坐标P_i(θ_i,l_i)。

(2)管片具备一定楔形量，其端面为一与隧道横截圆面呈一定角度的空间椭圆，因此各基点与对应测量点连线位于同一斜截圆筒表面。将该斜截圆筒沿盾构机顶部位置(0π)母线展开至平面，则测量点分布特征符合三角函数模型：l＝k₁sin(k₂θ+k₃)+k₄，其中k₁、k₂、k₃、k₄为待定参数。通过数据拟合方法确定k₁、k₂、k₃、k₄后即可获取测量点所在曲线即基准曲线L₀：L₀＝f(θ)。

(3)通过Δd_i＝l_i-f(θ_i)计算油缸行程实际间距与拟合间距的差值，并筛选出Δd_i≤0且距离基准曲线L₀最远的测量点P'(θ',l')及对应的偏差量Δd_min＝l'-f(θ')。

(4)向l减小方向平移曲线L₀至经过偏差最大点P'(θ',l')，此时得到的曲线为校准曲线L₁:L₁＝f₁(θ)＝f(θ)+Δd_min。

(5)利用式d_i＝l_i-f₁(θ_i)计算所有测量点至校准曲线的距离，即可得出管片前沿端面各测量点与校准曲线L₁的距离偏差值。

与现有人工测量方式相比，本发明方法的有益之处是：

仅需通过传感器实时测量推进油缸活塞杆伸长量，结合油缸装配角度即可自动、实时计算得出各测量点的偏差距离，省去了人工借助全站仪测量截面测量点空间坐标的繁琐劳动，提高了测量效率。系统可实时展现掘进中各油缸撑靴位置相对校准曲线的偏差距离。所提出平整度计算模块方法将三维空间点面距离偏差求解问题，转换为二维空间点与曲线的距离偏差解算问题，需测量数据少且可实现自动测量，解决方案思路精巧，易于系统实现。另外，相对于人工获取测量数据后任意选取三点计算校准平面的方式，所提出方法基于数据拟合获取校准曲线，该曲线与各测量点数据更贴合，使得所测量管片平整度结果具备更高精度和可信度。

附图说明

图1是实施例2管片平整度测量系统硬件架构图

图2是实施例2系统软件架构图

图3是实施例2系统运行流程图

图4应用场景及测量基点与测量点间距示意图

图5是将平整度计算由三维空间转换为二维空间示意图

图6：由图5中取出的斜截圆筒展开示意图

图7是推进油缸安装角度示意图

图8是理想状态下测量点分布特征示意图

图9是校准曲线及平整度计算方法示意图

具体实施方式

实施例1

2021年04月22日提交了中国专利申请《一种基于推进油缸伸长量测量隧道管片横断面平整度的计算方法》(申请号2021104385785)，给出了核心算法。

以下内容摘自中国专利申请2021104385785：本实施例基于推进油缸伸长量测量隧道管片横断面平整度的计算方法，管片具备一定楔形量，其截面为一与盾尾横截圆面呈一定角度的空间椭圆，其特征在于，计算各个管片测量点与校准平面的距离偏差值来实现；

应用时将盾构机尾部各推进油缸行程视为各个管片测量点与推进油缸安装平面的距离；

由于管片具备一定楔形量，其截面为一与盾尾横截圆面呈一定角度的空间椭圆，如此各基点A_i与对应测量点P_i连线位于同一斜截圆筒表面。

为此，给出策略和算法原理：

将三维空间内各基点、间距、测量点所在虚拟斜截圆筒沿某条母线展开至二维平面；

利用基点的圆周角度及基点与测量点距离描述测量点在二维平面内位置；

将三维空间各个测点与基准面距离偏差求解问题转换为二维空间点与曲线的距离偏差解算问题：

设：

设理想状态下三维空间中管片端面的各测量点同处于一个空间椭曲线上，转化为二维空间下曲线为L₀；

各测量点在推进油缸装配平面上的投影点为基点A_i，A_i在圆面上对应的圆周角度用θ_i表示，对应匹配组成n组测量点在平面直角坐标系θOl中的坐标P_i(θ_i,l_i)；

各推进油缸的活塞杆行程对应的测量点P_i距离用l_i表示；

如此，采用距离偏差以表征平整度的计算过程为：

初次拟合获取的曲线称为基准曲线，用L₀表示；

通过平移校正得到的曲线称为校准曲线，用L₁表示，所述校准曲线L₁波谷最值为测量点P_i中的活塞杆行程最小值；

各测量点P_i与基准曲线L₀距离用Δd_i表示，各测量点P_i与校准曲线距离用d_i表示，d_i表征了管片各个测点的平整度，数值越大，该管片测点的平整度越差，d_i最小为0。

具体的，

步骤1，将斜截圆筒沿盾构机12点方位(0π/2π)母线展开至平面，则测量点分布特征符合三角函数模型：L＝k₁sin(k₂θ+k₃)+k₄，其中k₁、k₂、k₃、k₄为待定参数；通过数据拟合确定k₁、k₂、k₃、k₄后即可获取测量点所在曲线即基准曲线：L₀＝f₀(θ)。

步骤2，通过Δd_i＝l_i-f₀(θ_i)计算油缸行程实际间距与拟合间距的差值，并筛选出Δd_i≤0且距离基准曲线l₀最远的测量点P'(θ',l')及对应的偏差量Δd_min＝l'-f₀(θ')。

步骤3，向l减小方向平移曲线至经过偏差最大点P'(θ',l')，此时得到的曲线为校准曲线L₁:L₁＝f₁(θ)＝f₀(θ)+Δd_min。

步骤4，利用式d_i＝l_i-f₁(θ_i)计算所有测量点至校准曲线的距离，即可得出管片前沿横断面各测量点与校准曲线L₁的距离偏差值。

以上算法可以进一步开发实施例2系统。

实施例2

基于实施例1技术方案成果，下面结合附图进一步公开发明构建实施例2管片平整度自动测量系统的具体实施方式及技术原理。

管片平整度自动测量系统软件采用C#/C++/Python等语言编写，运行于盾构机自有工控机，AD转换、数据通讯功能由盾构机自有PLC实现。

如图1所示，系统硬件由若干油缸行程传感器、可编程逻辑控制器(PLC)、工控机和显示器组成。其中油缸行程传感器用于获取基点至测量点的间距值；PLC用于实现获取传感器信号并完成AD转换；工控机用于运行系统软件，从PLC读取油缸行程数据并计算得出各测量点对应的距离偏差；显示器用于图形化显示各测量点对应偏差数值。

如图2系统软件架构图所示，系统软件主要由系统配置模块、背景数据模块、数据通讯模块、平整度计算模块、数据存取模块和数据可视化模块组成。其中系统配置模块用于配置软件参数，如测量周期、设备IP等；背景数据模块用于存储和修改平整度计算相关基础数据，如各装配有行程传感器的油缸装配角度等；数据通讯模块用于工控机和PLC进行通讯获取推进油缸行程等数据；平整度计算模块是本系统的核心，主要用于根据背景数据和油缸行程数据匹配组合出“角度—行程”数据对，进一步计算得出各测量点与理想平面(曲线)的偏差值；数据存取模块用于初始测量值和解算结果的存储与查询；数据可视化模块用于以便于操作人员理解和观察的方式图形化展示各测量点对应数值，为选择垫片进行补偿提供参考数据。

图3为系统运行流程图，首先由行程传感器测量盾构机推进油缸行程(活塞杆伸长量)；行程对应的模拟信号经PLC转换为对应数字量，并存入相应地址；工控机读取PLC中多组油缸行程数据和油缸安装角度匹配对应行程多组角度—行程数据对；在平整度计算模块中根据多组角度—行程数据对拟合计算出基准曲线，根据校正规则处理后获得校准曲线，进一步计算得出各测量点至校准曲线的偏差距离；将偏差距离等数据展示在显示屏，便于作业人员参考及补偿作业；定周期重复上述测量流程并展示测量结果；在获取各测量点距离偏差的基础上，人工(举例而非限定)可以根据现有垫片的厚度规格，决策各测量点用于补偿的垫片规格及数量。

图4-图9用于说明系统中平整度计算模块的测量管片端面平整度的原理和核心算法(即实施例1披露的内容)。

如图7所示，油缸安装角度按照下述规则获取：从盾构机后部看向掘进方向，以油缸安装平面最顶部为0π，在圆面内角度顺时针递增，第i根油缸基点对应弧度为θ_i，该角度即为上述油缸安装角度。

图中将管片端面平整度转换至二维空间处理方法示意图。推进油缸安装于盾构机后盾体圆周，并通过撑靴与管环端面相接触，用于为盾构机掘进提供推力。推进油缸平行于后盾体轴线、垂直于油缸安装圆面，以推进油缸轴线代指推进油缸，将所述轴线与安装平面交点称为基点(用A_i表示)，与管片端面交点称为测量点(用P_i表示)，基点与测量点的间距可由油缸行程(伸长量)l_i表征。

推进油缸安装圆面、测量点和对应基点连线和管环端面椭圆三者组成斜截圆筒，将该斜截圆筒沿0π位置母线展开至二维平面，在二维平面内计算管片平整度。

图中将“斜截圆筒”展开至二维平面，以油缸安装平面圆周0π位置为原点，以由基点指向测量点方向为纵轴建立平面直角坐标系θOl，各测量点可在坐标系θOl内坐标可表示为(θ_i,l_i)，对应基点可表示为(θ_i,0)。推进油缸安装平面所在圆周展开后对应坐标系θOl横轴0π～2π范围内的直线段，管环端面椭圆展开后对应平面内的曲线为三角函数曲线。理想情况下测量点坐标位置应位于该三角函数曲线上，因此可以将三角函数作为描述测量点(θ_i,l_i)分布规律的数学模型。

图中，测量各基点与对应测量点的距离后，即可得到测量点在平面直角坐标系内的坐标值(θ_i,l_i)，通过数据拟合得出三角函数各系数后即可得出基准曲线L₀。为保证各测点对应偏差为正值以便于后续偏差补偿，为此需筛选出位于基准曲线L₀下方且距离基准曲线L₀最远的测量点，将曲线L₀向下方(盾构机掘进方向)平移至其经过最远距离点，此时所得曲线即为校准曲线L₁(图中虚线)。计算各测点沿纵轴至校准曲线L₁的距离，即得出三维空间内各测量点相对校准平面的距离偏差值。

Claims (1)

1.一种盾构机管片平整度测量系统，其特征在于，包括盾构机推进油缸、行程传感器、PLC、工控机、显示器；

其中：

若干盾构机推进油缸工作于盾构机盾尾和当前管片之间，在PLC控制下推动盾构机前进；

行程传感器安装于盾构机每根推进油缸内部或外部；行程传感器实时测量掘进状态中推进油缸各活塞杆伸出长度即油缸行程，也即盾构机盾尾基点和管片测量点的间距，所述基点为推进油缸在油缸装配平面的投影中心点，所述测量点为推进油缸在撑靴与管片接触面的投影中心点；

PLC与所有行程传感器连接，PLC获取油缸行程对应的模拟量后转换为数字量，并传输至工控机；

工控机采用盾构机上已有的工控机，工控机包括系统配置模块、背景数据模块、数据通讯模块、平整度计算模块、数据存取模块和数据可视化模块：

所述系统配置模块用于配置软件参数，包括测量周期、设备IP；由盾构司机通过人机接口向PLC输入；

所述背景数据模块用于存储和修改涉及平整度计算模块相关的基础数据，包括配备行程传感器的推进油缸的装配角度；

所述数据通讯模块用于工控机与PLC进行通讯，从而获取推进油缸行程数据；

所述平整度计算模块是本系统应用软件的核心模块，用于根据背景数据和油缸行程数据匹配组合出“安装角度—油缸行程”数据对，进一步计算得出各测量点与理想平面的偏差值；并将偏差数据提供给数据存取模块和可视化模块；利用外部配备垫片及外部机构根据偏差数据进行补偿工序，或者外部人员参阅可视化的偏差数据后进行补偿操作；

所述数据存取模块用于初始测量值和解算结果的存储与查询；

所述数据可视化模块用于根据平整度计算模块的计算数值结果，以便于操作人员理解和观察的方式图形化展示各测量点对应数值；

待完成平整度补偿、管片拼装后，盾构机进入掘进流程，此时本测量系统自动启动并开始平整度测量；

所述平整度计算模块：以一次管片测量点对应的距离偏差值计算；称推进油缸在装配平面投影中心点为基点，称推进油缸在撑靴与管片接触面投影中心点为测量点；各推进油缸对应的基点在圆周上相对展开母线的弧度值用θ表示；推进油缸的活塞杆行程即基点至测量点距离用l表示；初次拟合获取的曲线称为基准曲线，用L₀表示；通过平移得到的曲线称为校准曲线，用L₁表示；各基点与基准曲线L₀距离用Δd_i表示，各基点与校准曲线L₁距离用d_i表示；

(1)上位机获取基点在圆周上相对展开母线的弧度值θ_i以及各推进油缸行程l_i，对应匹配组成n组表征测量点位置的坐标P_i(θ_i,l_i)；

(2)管片具备一定楔形量，其端面为一与隧道横截圆面呈一定角度的空间椭圆，因此各基点与对应测量点连线位于同一斜截圆筒表面；将该斜截圆筒沿盾构机顶部位置(0π)母线展开至平面，则测量点分布特征符合三角函数模型：l＝k₁sin(k₂θ+k₃)+k₄，其中k₁、k₂、k₃、k₄为待定参数；通过数据拟合方法确定k₁、k₂、k₃、k₄后即可获取测量点所在曲线即基准曲线L₀：L₀＝f(θ)；

(3)通过Δd_i＝l_i-f(θ_i)计算油缸行程实际间距与拟合间距的差值，并筛选出Δd_i≤0且距离基准曲线L₀最远的测量点P'(θ',l')及对应的偏差量Δd_min＝l'-f(θ')；

(4)向l减小方向平移曲线L₀至经过偏差最大点P'(θ',l')，此时得到的曲线为校准曲线L₁:L₁＝f₁(θ)＝f(θ)+Δd_min；

(5)利用式d_i＝l_i-f₁(θ_i)计算所有测量点至校准曲线的距离，即可得出管片前沿端面各测量点与校准曲线L₁的距离偏差值。

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