CN114184171A - 用于盾构机坡度和旋转角度测量方法、系统、终端、介质 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道测量技术领域，公开了用于盾构机坡度和旋转角度测量方法、系统、终端、介质。根据拟建隧道设计坡度确定坡度板与线坠位置关系，坡度板固定后标记线坠底端初始位；同时人工测量盾构机位于始发架坡度及旋转角度，将测量结果与自动测量采集数据进行对比；盾构掘进过程中，随着盾构机坡度及旋转角度变化，线坠依靠重力线坠底部与坡度板相对关系发生变化，量取变化量确定盾构机实时坡度和旋转角度。与传统方式相比，本发明降低了盾构机坡度和旋转角度的人工测量难度，同时也增大了测量结果的精度。并在盾构机自动测量装置出现问题时也可快速的进行人工测量。

Description

用于盾构机坡度和旋转角度测量方法、系统、终端、介质

技术领域

本发明属于隧道测量技术领域，尤其涉及一种用于盾构机坡度和旋转角度测量方法及测量系统、信息数据处理终端、计算机可读存储介质。

背景技术

目前，近年来随着自动测量仪器的发展盾构法隧道施工中，一般采用自动测量系统进行盾构施工掘进导行。为保证测量精度人工复测是施工测量的重要环节，特别是在长距离的隧道施工中，人工复测是保证顺利贯通的重要工作。盾构机的坡度和旋转角度是人工测量复测盾构姿态、轴线的重要参数。在施工过程中，定期进行人工复测与盾构机自动测量设备参数进行对比，可有效提供施工测量精度。

以往人工测量盾构机坡度和旋转角度，需要在盾构机上选取多个点来进行数据采集，经过复杂的计算得出盾构机的坡度和旋转角度。但盾构机内设备、线路等障碍物多，需多次反复调整仪器架设位置，测量时间长，且空间狭窄，亮度底、潮气大测量精度低。所以有必要对传统的测量方式方法进行优化。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中，盾构机坡度和旋转角度的测量难度大，测量结果精度低。在盾构机自动测量装置出现问题不能快速的进行测量。影响了盾构机的工作效率。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种用于盾构机坡度和旋转角度测量方法及测量系统。目的在于寻找一种简便、快捷的盾构机坡度和旋转角度测量方法，在原有方法上进行改良，使测量精准性大大提升，从而提升人工复测精度。此外，要求还能快速完成测量过程。

本发明提供一种用于盾构机坡度和旋转角度测量方法，包括：

根据拟建隧道设计坡度确定坡度板与线坠位置关系，坡度板固定后标记线坠底端初始位；同时人工测量盾构机位于始发架坡度及旋转角度，将测量结果与自动测量采集数据进行对比；

盾构掘进过程中，随着盾构机坡度及旋转角度变化，线坠依靠重力线坠底部与坡度板相对关系发生变化，量取变化量确定盾构机实时坡度和旋转角度。

在本发明一实施例中，盾构机旋转角度误差不大于0.1秒，坡度误差不大于0.01‰。

在本发明一实施例中，自动测量采集坡度板的坡度及旋转角度数据方法包括：

当操作人员对线坠发出指示信号后，盾构机中部平台的处理器接受到坡度和旋转角度影像测量器对线坠发出识别信号，处理器发出驱动指令，使盾构机中部平台装有的相机连续体通过运动底座移动到指定位置，在电机和减速器的协同作用下驱动坡度和旋转角度影像测量器处于不同的空间角度，实现对线坠的多角度拍摄，实现对线坠的时时追踪拍摄；并将自动测量采集数据与人工测量结果对比，获取变化量，确定盾构机实时坡度和旋转角度。

在本发明一实施例中，坡度和旋转角度影像测量器对线坠多角度拍摄和识别的方法包括：

第一步，根据读入的线坠变化后的坐标以及盾构机中部平台与线坠的信号到达时间TOA，测量数据对X、Y、Z轴的坐标进行加权处理，然后计算这个盾构机中部平台到每个线坠变化后的坐标距离；

第二步，计算盾构机中部平台坐标距离与测量的变化后的距离的平均误差；

第三步，根据平均误差判断是否继续修正测量距离，否则返回继续加权，是则固定距离修正系数，返回第一步；

第四步，根据平均误差判断是否继续修正坐标信息，否则返回第三步，是则输出最终的线坠坐标定位信息。

在本发明一实施例中，使用回归分析对观测距离以及实际距离进行回归分析，发现其是否存在线性关系，然后建立观测距离误差修正模型；利用最小二乘法对于Z轴坐标信息进行方法处理，根据设定的阈值计算出的盾构机中部平台与线坠节点的真实距离和修正后的观测距离的均方误差，在最小均方误差下得到最优修正系数，得到盾构机中部平台的精确三维定位；

所述基于无线通信线坠修正目标三维定位方法利用谱聚类的方法对线坠节点的坐标数据进行聚类，分类的类别个数为m，在得到m个聚类后在每类中找到一个最优的线坠节点；利用节点的信号到达时间TOA计算目标的三维坐标。

在本发明一实施例中，得到线坠的坐标后，由每类中的所有线坠节点坐标求真实距离，与观测距离进行比较，求出每个误差：

误差计算方法如下式所示：

(x_i,y_i,z_i)和(x_i',y_i',z_i')分别是第i个终端的计算坐标和参考坐标，error_i是计算坐标和参考坐标的误差，error是所有终端误差的均值，n是误差的个数；

如果所选中的线坠节点误差不是最小的，则重新将误差最小的线坠节点设为理想线坠节点，其他理想线坠节点固定不变，再重新计算终端坐标和误差，直到所选中的线坠节点误差最小，则得到了当前类中的最优线坠节点；

重复依次对其它类中的选取的线坠节点进行迭代优化直到在每类中选出最终的最优线坠节点；

增加聚类的个数m，重复以上的步骤，找到不同聚类个数下的最优线坠节点算出终端的坐标并计算均方误差，均方误差变化的斜率趋于稳定时所对应的m值是精确定位终端坐标所需要的最少线坠节点个数；

对于目标三维定位中的非视距距离误差进行修正的方法包括：

步1：设盾构机中部平台i到线坠节点j的TOA为t_ij，c＝3×10⁸m/s为光速，终端的真实坐标为(x_i,y_i,z_i)，线坠节点的坐标为(x_j,y_j,z_j)；则观测距离S_ij和由坐标计算的真实距离S_ij'计算如下：

S_ij＝c*t_ij

步骤2：使用回归分析对观测距离以及实际距离进行回归分析，发现其存在线性关系，所以由终端到线坠节点的TOA计算的观测距离与真实距离的关系，可以建立如下观测距离误差修正模型：

对于Z轴坐标信息进行修正处理的方法包括：

步骤I：原始的最小二乘算法，已知三维空间存在的线坠B_i＝(x_i,y_i,z_i)和它们到节点M＝(x,y,z)的观测距离d_i，其中d_i＝ct_i，c＝3×10⁸m/s为光速，t_i为终端到线坠B_i的TOA，0≤i≤N代表线坠的编号，则三维坐标的最小二乘估计为：

步骤II：观测距离修正，使用观测距离修正模型，得到终端到线坠的修正距离

其中，k为模型的修正系数；

步骤III：Z坐标信息放大，将公式

里的距离项展开，如下：

(x_i-x)²+(y_i-y)²+(z_i-z)²＝x_i ²+y_i ²+z²+x²+y²-2x_ix-2y_iy+z_i ²-2z_iz；

设置权重W₁和W₂(W₁＞W₂＞1)，将(z_i-z)²项加权为：

W₁z_i ²-2W₂z_iz+W₁z2；

步骤IV：结合实际问题对原始最小二乘算法修正，得到三维坐标的修正最小二乘估计为：

求解，得：

其中，

步骤V：误差函数系数k和Z轴放大权重W₁、W₂的确定。

在一实施例中，将自动测量采集数据与人工测量结果对比，获取变化量，确定盾构机实时坡度和旋转角度中，确定盾构机实时旋转角度的方法包括：

在盾构机中部平台的处理器仿真软件中，在同轴过渡的旋转部位通过表面内嵌坡度板的柱面周期性凸体阵列配合盾构机，共同构成坡度板支撑式可旋转旋转角测量结构；

所述柱面周期性凸体阵列由多个等半径的圆弧面仿真凸体构成，圆弧面与空心仿真圆柱呈同心圆关系，沿空心仿真圆柱的外壁圆周方向及轴向以周期性规则排列，每个仿真凸体上部嵌入球体或圆柱体坡度板，柱面周期性凸体阵列、坡度板与盾构机共同构成坡度板支撑式可旋转旋转角测量结构；

所述柱面周期性凸体阵列的结构及排列方式为：各仿真凸体结构、尺寸相同，仿真凸体上部每个坡度板的结构、尺寸及嵌入方式相同，每一圈仿真凸体均位于同一轴向截面内，沿空心仿真圆柱的外壁圆周以等间距方式排列，同时沿轴向以等间距方式排列；

所述坡度板支撑式可旋转旋转角测量结构中，空心仿真圆柱的外壁半径为r，沿空心仿真圆柱的外壁圆周2π弧度范围内，等间距排列N个等半径弧面凸体单元，每个仿真凸体单元弧面弧度为angle1，凸体单元间切向弧度为angle2，满足关系angle1+angle2＝2π/N，angle1和angle2可以相同也可以不同，构成周期性排列结构即可；每个仿真凸体径向高度为h_p，即每个凸体外弧面半径为r+h_p；每个仿真凸体上部镶嵌坡度板，坡度板半径为r_c，若选择圆柱体坡度板，则坡度板高度为h_c，嵌入至仿真凸体后，坡度板的圆心截面距仿真凸体的外弧面距离为d_off，称之为坡度板径向回退距离；盾构机的直径设计值等于可旋转同轴过渡中柱面周期性仿真凸体与圆柱坡度板组合后的外弧直径，即盾构机的内腔半径为r+h_p+r_c-d_off，组装后坡度板与盾构机的内壁相接触，实际装配过程中做间隙配合处理，在旋转过程中保证坡度板处于滚动状态；通过上述仿真方案进行后，盾构机中部平台的处理器将获取的调控指令调控电机和减速器的协同作用进行旋转角的运转。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的于盾构机坡度和旋转角度测量方法。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述的于盾构机坡度和旋转角度测量方法。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述测量方法的用于盾构机坡度和旋转角度测量系统，所述用于盾构机坡度和旋转角度测量系统包括：固定在盾构机中部平台的坡度板、固定在中盾顶部的线坠；

坡度板上设置表面横、纵间距一定距离的方格网；

将坡度板及线坠固定于盾构机中部平台位置；根据线坠底端部位置固定坡度板，根据拟建隧道设计坡度确定坡度板与线坠位置关系，坡度板固定后标记线坠底端初始位置。

在本发明一实施例中，所述用于盾构机坡度和旋转角度测量系统进一步包括：

盾构机中部平台的处理器，接受到坡度和旋转角度影像测量器对线坠发出识别信号，处理器发出驱动指令，使盾构机中部平台装有的相机连续体通过运动底座移动到指定位置，在电机和减速器的协同作用下驱动坡度和旋转角度影像测量器处于不同的空间角度，实现对线坠的多角度拍摄，实现对线坠的时时追踪拍摄；并将自动测量采集数据与人工测量结果对比，获取变化量，确定盾构机实时坡度和旋转角度。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

与传统方式相比，本发明降低了盾构机坡度和旋转角度的人工测量难度，同时也增大了测量结果的精度。并在盾构机自动测量装置出现问题时也可快速的进行人工测量。

相比于现有技术，本发明的优点进一步包括：

盾构掘进过程中测量人员可直观、精确读取盾构机坡度、旋转角度，达到快速、准确的测量效果，为人工复测盾构姿态奠定基础。

本发明提供线坠在空间中的位置分布信息，提出基于谱聚类的最优线坠选择策略，对线坠的空间坐标进行谱聚类，每类中的线坠具有较高的相似性，只需在每类中选取最优的线坠来实现使用尽可能少的线坠来对终端进行近似最优的三维定位。在选取最优线坠时，首先利用观测的TOA数据找到每类中离终端最近的线坠，使用这些线坠计算出终端的坐标。得到终端的坐标后，与每类中的所有线坠坐标求距离，与测量值的距离进行比较，求出每个误差，如果所选中的线坠误差不是最小的，则重新将误差最小的线坠设为理想线坠，其他理想线坠固定不变，再重新计算终端坐标和误差，直到所选中的线坠误差最小，则得到了当前类中的最优线坠，再重复以上步骤依次对其它类中的选取的线坠进行迭代优化直到在每类中选出最终的最优线坠。

本发明提供精准的定位手段，比起已有的定位算法，本发明所提出的算法在立体空间环境下的三维定位更加准确。提出的算法对于轴的误差、测量距离分别进行了修正，使得测量的距离去噪效果更好并且使得轴的定位也可以达到轴、轴的精度，同时在算法的参数选取阶段通过最小平均误差对参数进行反复迭代校对，从而使得整体距离误差更小，定位的精度更高。

本发明模型估计出来的绝大部分终端的、坐标符合它们的真实坐标。这得益于模型能优化系数和权重来消除不同环境下观测数据误差对结果的影响。仿真结果表明，所有终端轴和轴的平均误差是0.3米，轴的误差是0.5米。

本发明考虑无线电信号的到达时间主要受非视距传播等因素影响产生误差，通过建立的修正最小二乘三维定位模型能够在任意场景实现准确的三维定位。利用线坠节点的空间分布信息，提出基于谱聚类的最优线坠节点选择策略。本发明方法对于X、Y轴的平均定位误差小于0.3米，Z轴坐标的平均定位误差小于0.5米，并且算法复杂度低、收敛速度快，对噪声具有较好的鲁棒性，具有较高的实际应用价值。

本发明考虑目标的三维定位算法中目标传输的无线电信号到达线坠的时间受到诸多因素的干扰(主要考虑的是非视距传输影响)，进而产生很大的噪音即定位误差，提出了一种修正的最小二乘法目标定位模型以期实现实际场景中目标的精准三维定位。该算法利用线坠节点在空间中的位置分布信息，提出基于谱聚类的最优线坠节点选择策略，仿真结果表明利用本发明提出的算法计算出的终端三维坐标与真实坐标对比误差小，并且在同等仿真数据环境下误差小于其他已有算法且算法复杂度低、收敛快，有更高的应用价值。

本发明将确定盾构机实时旋转角度的方法中，在盾构机中部平台的处理器仿真软件中，在同轴过渡的旋转部位通过表面内嵌坡度板的柱面周期性凸体阵列配合盾构机，共同构成坡度板支撑式可旋转旋转角测量结构；并通过仿真方案进行后，盾构机中部平台的处理器将获取的调控指令调控电机和减速器的协同作用进行旋转角的运转。保证精确控制盾构机的旋转角度。

当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是本发明实施例提供的用于盾构机坡度和旋转角度测量方法流程图。

图2是本发明实施例提供的用于盾构机坡度和旋转角度测量系统示意图。

图中：1、坡度板；2、线坠；3、方格网；4、盾构机中部平台。

图3是本发明实施例提供的用于盾构机坡度和旋转角度测量系统应用状态示意图。

图4是本发明实施例提供的算法获得的坐标图一。

图5是本发明实施例提供的算法获得的坐标图二。

图6是本发明实施例提供的算法获得的坐标图三。

图7是本发明实施例提供的本发明提出的算法与已有相似算法在相同定位环境、仿真数据下进行定位平均误差的比较图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1所示，本发明提供一种用于盾构机坡度和旋转角度测量方法，包括：

S101，根据拟建隧道设计坡度确定坡度板与线坠位置关系，坡度板固定后标记线坠底端初始位；

S102，根据人工测量盾构机位于始发架坡度及旋转角度，将测量结果与自动测量采集数据进行对比；

S103，根据盾构掘进过程中，随着盾构机坡度及旋转角度变化，线坠依靠重力线坠底部与坡度板相对关系发生变化，量取变化量确定盾构机实时坡度和旋转角度。

在本发明一优选实施例中，步骤S102盾构机旋转角度误差不大于0.1秒，坡度误差不大于0.01‰。

在本发明一优选实施例中，步骤S102自动测量采集坡度板的坡度及旋转角度数据方法包括：

当操作人员对线坠发出指示信号后，盾构机中部平台的处理器接受到坡度和旋转角度影像测量器对线坠发出识别信号，处理器发出驱动指令，使盾构机中部平台装有的相机连续体通过运动底座移动到指定位置，在电机和减速器的协同作用下驱动坡度和旋转角度影像测量器处于不同的空间角度，实现对线坠的多角度拍摄，实现对线坠的时时追踪拍摄；并将自动测量采集数据与人工测量结果对比，获取变化量，确定盾构机实时坡度和旋转角度。

在本发明一优选实施例中，坡度和旋转角度影像测量器对线坠多角度拍摄和识别的方法包括：

第一步，根据读入的线坠变化后的坐标以及盾构机中部平台与线坠的信号到达时间TOA，测量数据对X、Y、Z轴的坐标进行加权处理，然后计算这个盾构机中部平台到每个线坠变化后的坐标距离；

第二步，计算盾构机中部平台坐标距离与测量的变化后的距离的平均误差；

第三步，根据平均误差判断是否继续修正测量距离，否则返回继续加权，是则固定距离修正系数，返回第一步；

第四步，根据平均误差判断是否继续修正坐标信息，否则返回第三步，是则输出最终的线坠坐标定位信息。

在本发明一实施例中，使用回归分析对观测距离以及实际距离进行回归分析，发现其是否存在线性关系，然后建立观测距离误差修正模型；利用最小二乘法对于Z轴坐标信息进行方法处理，根据设定的阈值计算出的盾构机中部平台与线坠节点的真实距离和修正后的观测距离的均方误差，在最小均方误差下得到最优修正系数，得到盾构机中部平台的精确三维定位；

所述基于无线通信线坠修正目标三维定位方法利用谱聚类的方法对线坠节点的坐标数据进行聚类，分类的类别个数为m，在得到m个聚类后在每类中找到一个最优的线坠节点；利用节点的信号到达时间TOA计算目标的三维坐标。

在本发明一实施例中，得到线坠的坐标后，由每类中的所有线坠节点坐标求真实距离，与观测距离进行比较，求出每个误差：

误差计算方法如下式所示：

(x_i,y_i,z_i)和(x_i',y_i',z_i')分别是第i个终端的计算坐标和参考坐标，error_i是计算坐标和参考坐标的误差，error是所有终端误差的均值，n是误差的个数；

如果所选中的线坠节点误差不是最小的，则重新将误差最小的线坠节点设为理想线坠节点，其他理想线坠节点固定不变，再重新计算终端坐标和误差，直到所选中的线坠节点误差最小，则得到了当前类中的最优线坠节点；

重复依次对其它类中的选取的线坠节点进行迭代优化直到在每类中选出最终的最优线坠节点；

增加聚类的个数m，重复以上的步骤，找到不同聚类个数下的最优线坠节点算出终端的坐标并计算均方误差，均方误差变化的斜率趋于稳定时所对应的m值是精确定位终端坐标所需要的最少线坠节点个数；

对于目标三维定位中的非视距距离误差进行修正的方法包括：

步1：设盾构机中部平台i到线坠节点j的TOA为t_ij，c＝3×10⁸m/s为光速，终端的真实坐标为(x_i,y_i,z_i)，线坠节点的坐标为(x_j,y_j,z_j)；则观测距离S_ij和由坐标计算的真实距离S_ij'计算如下：

步骤2：使用回归分析对观测距离以及实际距离进行回归分析，发现其存在线性关系，所以由终端到线坠节点的TOA计算的观测距离与真实距离的关系，可以建立如下观测距离误差修正模型：

对于Z轴坐标信息进行修正处理的方法包括：

步骤I：原始的最小二乘算法，已知三维空间存在的线坠B_i＝(x_i,y_i,z_i)和它们到节点M＝(x,y,z)的观测距离d_i，其中d_i＝ct_i，c＝3×10⁸m/s为光速，t_i为终端到线坠B_i的TOA，0≤i≤N代表线坠的编号，则三维坐标的最小二乘估计为：

步骤II：观测距离修正，使用观测距离修正模型，得到终端到线坠的修正距离

其中，k为模型的修正系数；

步骤III：Z坐标信息放大，将公式

里的距离项展开，如下：

(x_i-x)²+(y_i-y)²+(z_i-z)²＝x_i ²+y_i ²+z²+x²+y²-2x_ix-2y_iy+z_i ²-2z_iz；

设置权重W₁和W₂(W₁＞W₂＞1)，将(z_i-z)²项加权为：

W₁z_i ²-2W₂z_iz+W₁z²；

步骤IV：结合实际问题对原始最小二乘算法修正，得到三维坐标的修正最小二乘估计为：

求解，得：

其中，

步骤V：误差函数系数k和Z轴放大权重W₁、W₂的确定。

在本发明一优选实施例中，将自动测量采集数据与人工测量结果对比，获取变化量，确定盾构机实时坡度和旋转角度中，确定盾构机实时旋转角度的方法包括：

在盾构机中部平台的处理器仿真软件中，在同轴过渡的旋转部位通过表面内嵌坡度板的柱面周期性凸体阵列配合盾构机，共同构成坡度板支撑式可旋转旋转角测量结构；

所述柱面周期性凸体阵列由多个等半径的圆弧面仿真凸体构成，圆弧面与空心仿真圆柱呈同心圆关系，沿空心仿真圆柱的外壁圆周方向及轴向以周期性规则排列，每个仿真凸体上部嵌入球体或圆柱体坡度板，柱面周期性凸体阵列、坡度板与盾构机共同构成坡度板支撑式可旋转旋转角测量结构；

所述柱面周期性凸体阵列的结构及排列方式为：各仿真凸体结构、尺寸相同，仿真凸体上部每个坡度板的结构、尺寸及嵌入方式相同，每一圈仿真凸体均位于同一轴向截面内，沿空心仿真圆柱的外壁圆周以等间距方式排列，同时沿轴向以等间距方式排列；

所述坡度板支撑式可旋转旋转角测量结构中，空心仿真圆柱的外壁半径为r，沿空心仿真圆柱的外壁圆周2π弧度范围内，等间距排列N个等半径弧面凸体单元，每个仿真凸体单元弧面弧度为angle1，凸体单元间切向弧度为angle2，满足关系angle1+angle2＝2π/N，angle1和angle2可以相同也可以不同，构成周期性排列结构即可；每个仿真凸体径向高度为h_p，即每个凸体外弧面半径为r+h_p；每个仿真凸体上部镶嵌坡度板，坡度板半径为r_c，若选择圆柱体坡度板，则坡度板高度为h_c，嵌入至仿真凸体后，坡度板的圆心截面距仿真凸体的外弧面距离为d_off，称之为坡度板径向回退距离；盾构机的直径设计值等于可旋转同轴过渡中柱面周期性仿真凸体与圆柱坡度板组合后的外弧直径，即盾构机的内腔半径为r+h_p+r_c-d_off，组装后坡度板与盾构机的内壁相接触，实际装配过程中做间隙配合处理，在旋转过程中保证坡度板处于滚动状态；通过上述仿真方案进行后，盾构机中部平台的处理器将获取的调控指令调控电机和减速器的协同作用进行旋转角的运转。

如图2-图3所示，本发明提供一种用于盾构机坡度和旋转角度测量系统，由一个固定在盾构机中部平台的坡度板1及固定在中盾顶部的线坠2组成。坡度板1上设置表面横、纵间距5mm方格网3，线坠自固定点至铅坠端部长度1m。

盾构始发前将坡度板及线坠固定于盾构机中部平台4位置，安装时先固定线坠2，要求线坠20cm半径范围内无仿真构件或电缆、油路管线。根据线坠2底端部位置固定坡度板1，根据拟建隧道设计坡度确定坡度板与线坠位置关系，坡度板1固定后标记线坠底端初始位置。同时人工测量盾构机位于始发架坡度及旋转角度，人工测量结果与自动测量采集数据进行对比，经反复试验盾构机旋转角度误差不大于0.1秒，坡度误差不大于0.01‰。

盾构掘进过程中，随着盾构机坡度及旋转角度变化，线坠2依靠重力线坠底部与坡度板相对关系发生变化，量取变化量确定盾构机实时坡度和旋转角度。

下面结合具体应用原理对本发明的技术方案作进一步描述。

盾构始发前，安装该工具确定初始值，人工测量盾构机位于始发基座测量坡度、旋转角度，并将人工测量结果与自动测量系统中数据进行对比。掘进过程中，测量人员读取铅坠变化量确定盾构机实时坡度及旋转角度。

下面结合仿真实验对本发明的技术方案作进一步描述。

仿真：

本发明提出的算法与已有相似算法在相同定位环境、仿真数据下进行定位平均误差的比较。如图4-图7所示，对于仿真的五种不同数据集的数据其平均最小定位误差优于其他算法，这是因为本发明提出的算法对于Z轴的误差、测量距离分别进行了修正，使得测量的距离去噪效果更好并且使得Z轴的定位也可以达到X轴、Y轴的精度，同时在算法的参数选取阶段通过最小平均误差对参数进行反复迭代校对，从而使得整体距离误差更小，定位的精度更高。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种用于盾构机坡度和旋转角度测量方法，其特征在于，所述用于盾构机坡度和旋转角度测量方法包括：

根据拟建隧道设计坡度确定坡度板与线坠位置关系，坡度板固定后标记线坠底端初始位；同时人工测量盾构机位于始发架坡度及旋转角度，将测量结果与自动测量采集数据进行对比；

盾构掘进过程中，随着盾构机坡度及旋转角度变化，线坠依靠重力线坠底部与坡度板相对关系发生变化，量取变化量确定盾构机实时坡度和旋转角度。

2.根据权利要求1所述的用于盾构机坡度和旋转角度测量方法，其特征在于，盾构机旋转角度误差不大于0.1秒，坡度误差不大于0.01‰。

3.根据权利要求1所述的用于盾构机坡度和旋转角度测量方法，其特征在于，自动测量采集坡度板的坡度及旋转角度数据方法包括：

当操作人员对线坠发出指示信号后，盾构机中部平台的处理器接受到坡度和旋转角度影像测量器对线坠发出识别信号，处理器发出驱动指令，使盾构机中部平台装有的相机连续体通过运动底座移动到指定位置，在电机和减速器的协同作用下驱动坡度和旋转角度影像测量器处于不同的空间角度，实现对线坠的多角度拍摄，实现对线坠的时时追踪拍摄；并将自动测量采集数据与人工测量结果对比，获取变化量，确定盾构机实时坡度和旋转角度。

4.根据权利要求3所述的用于盾构机坡度和旋转角度测量方法，其特征在于，坡度和旋转角度影像测量器对线坠多角度拍摄和识别的方法包括：

第一步，根据读入的线坠变化后的坐标以及盾构机中部平台与线坠的信号到达时间TOA，测量数据对X、Y、Z轴的坐标进行加权处理，然后计算这个盾构机中部平台到每个线坠变化后的坐标距离；

第二步，计算盾构机中部平台坐标距离与测量的变化后的距离的平均误差；

第三步，根据平均误差判断是否继续修正测量距离，否则返回继续加权，是则固定距离修正系数，返回第一步；

第四步，根据平均误差判断是否继续修正坐标信息，否则返回第三步，是则输出最终的线坠坐标定位信息。

5.根据权利要求4所述的用于盾构机坡度和旋转角度测量方法，其特征在于，使用回归分析对观测距离以及实际距离进行回归分析，是否存在线性关系，然后建立观测距离误差修正模型；利用最小二乘法对于Z轴坐标信息进行方法处理，根据设定的阈值计算出的盾构机中部平台与线坠节点的真实距离和修正后的观测距离的均方误差，在最小均方误差下得到最优修正系数，得到盾构机中部平台的精确三维定位；

所述基于无线通信线坠修正目标三维定位方法利用谱聚类的方法对线坠节点的坐标数据进行聚类，分类的类别个数为m，在得到m个聚类后在每类中找到一个最优的线坠节点；利用节点的信号到达时间TOA计算目标的三维坐标；得到线坠的坐标后，由每类中的所有线坠节点坐标求真实距离，与观测距离进行比较，求出每个误差：

误差计算方法如下式所示：

(x_i,y_i,z_i)和(x_i',y_i',z_i')分别是第i个终端的计算坐标和参考坐标，error_i是计算坐标和参考坐标的误差，error是所有终端误差的均值，n是误差的个数；

如果所选中的线坠节点误差不是最小的，则重新将误差最小的线坠节点设为理想线坠节点，其他理想线坠节点固定不变，再重新计算终端坐标和误差，直到所选中的线坠节点误差最小，则得到了当前类中的最优线坠节点；

重复依次对其它类中的选取的线坠节点进行迭代优化直到在每类中选出最终的最优线坠节点；

增加聚类的个数m，重复以上的步骤，找到不同聚类个数下的最优线坠节点算出终端的坐标并计算均方误差，均方误差变化的斜率趋于稳定时所对应的m值是精确定位终端坐标所需要的最少线坠节点个数；

对于目标三维定位中的非视距距离误差进行修正的方法包括：

步骤1：设盾构机中部平台i到线坠节点j的TOA为t_ij，c＝3×10⁸m/s为光速，终端的真实坐标为(x_i,y_i,z_i)，线坠节点的坐标为(x_j,y_j,z_j)；则观测距离S_ij和由坐标计算的真实距离S_ij'计算如下：

S_ij＝c*t_ij

步骤2：使用回归分析对观测距离以及实际距离进行回归分析，发现其存在线性关系，所以由终端到线坠节点的TOA计算的观测距离与真实距离的关系，建立如下观测距离误差修正模型：

对于Z轴坐标信息进行修正处理的方法包括：

步骤I：原始的最小二乘算法，已知三维空间存在的线坠B_i＝(x_i,y_i,z_i)和它们到节点M＝(x,y,z)的观测距离d_i，其中d_i＝ct_i，c＝3×10⁸m/s为光速，t_i为终端到线坠B_i的TOA，0≤i≤N代表线坠的编号，则三维坐标的最小二乘估计为：

步骤II：观测距离修正，使用观测距离修正模型，得到终端到线坠的修正距离

其中，k为模型的修正系数；

步骤III：Z坐标信息放大，将公式

里的距离项展开，如下：

(x_i-x)²+(y_i-y)²+(z_i-z)²＝x_i ²+y_i ²+z²+x²+y²-2x_ix-2y_iy+z_i ²-2z_iz；

设置权重W₁和W₂(W₁＞W₂＞1)，将(z_i-z)²项加权为：

W₁z_i ²-2W₂z_iz+W₁z²；

步骤IV：结合实际问题对原始最小二乘算法修正，得到三维坐标的修正最小二乘估计为：

求解，得：

其中，

步骤V：误差函数系数k和Z轴放大权重W₁、W₂的确定。

6.根据权利要求3所述的用于盾构机坡度和旋转角度测量方法，其特征在于，将自动测量采集数据与人工测量结果对比，获取变化量，确定盾构机实时坡度和旋转角度中，确定盾构机实时旋转角度的方法包括：

在盾构机中部平台的处理器仿真软件中，在同轴过渡的旋转部位通过表面内嵌坡度板的柱面周期性凸体阵列配合盾构机，共同构成坡度板支撑式可旋转旋转角测量结构；

所述柱面周期性凸体阵列由多个等半径的圆弧面仿真凸体构成，圆弧面与空心仿真圆柱呈同心圆关系，沿空心仿真圆柱的外壁圆周方向及轴向以周期性规则排列，每个仿真凸体上部嵌入球体或圆柱体坡度板，柱面周期性凸体阵列、坡度板与盾构机共同构成坡度板支撑式可旋转旋转角测量结构；

所述柱面周期性凸体阵列的结构及排列方式为：各仿真凸体结构、尺寸相同，仿真凸体上部每个坡度板的结构、尺寸及嵌入方式相同，每一圈仿真凸体均位于同一轴向截面内，沿空心仿真圆柱的外壁圆周以等间距方式排列，同时沿轴向以等间距方式排列；

所述坡度板支撑式可旋转旋转角测量结构中，空心仿真圆柱的外壁半径为r，沿空心仿真圆柱的外壁圆周2π弧度范围内，等间距排列N个等半径弧面凸体单元，每个仿真凸体单元弧面弧度为angle1，凸体单元间切向弧度为angle2，满足关系angle1+angle2＝2π/N，angle1和angle2可以相同也可以不同，构成周期性排列结构即可；每个仿真凸体径向高度为h_p，即每个凸体外弧面半径为r+h_p；每个仿真凸体上部镶嵌坡度板，坡度板半径为r_c，若选择圆柱体坡度板，则坡度板高度为h_c，嵌入至仿真凸体后，坡度板的圆心截面距仿真凸体的外弧面距离为d_off，称之为坡度板径向回退距离；盾构机的直径设计值等于可旋转同轴过渡中柱面周期性仿真凸体与圆柱坡度板组合后的外弧直径，即盾构机的内腔半径为r+h_p+r_c-d_off，组装后坡度板与盾构机的内壁相接触，实际装配过程中做间隙配合处理，在旋转过程中保证坡度板处于滚动状态；通过上述仿真方案进行后，盾构机中部平台的处理器将获取的调控指令调控电机和减速器的协同作用进行旋转角的运转。

7.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～6任意一项所述的用于盾构机坡度和旋转角度测量方法。

8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～6任意一项所述的用于盾构机坡度和旋转角度测量方法。

9.一种实施权利要求1～6任意一项所述用于盾构机坡度和旋转角度测量方法的用于盾构机坡度和旋转角度测量系统，其特征在于，所述用于盾构机坡度和旋转角度测量系统包括：固定在盾构机中部平台的坡度板、固定在中盾顶部的线坠；

坡度板上设置表面横、纵间距一定距离的方格网；

将坡度板及线坠固定于盾构机中部平台位置；根据线坠底端部位置固定坡度板，根据拟建隧道设计坡度确定坡度板与线坠位置关系，坡度板固定后标记线坠底端初始位置。

10.如权利要求9所述的用于盾构机坡度和旋转角度测量系统，其特征在于，所述用于盾构机坡度和旋转角度测量系统进一步包括：

盾构机中部平台的处理器，接受到坡度和旋转角度影像测量器对线坠发出识别信号，处理器发出驱动指令，使盾构机中部平台装有的相机连续体通过运动底座移动到指定位置，在电机和减速器的协同作用下驱动坡度和旋转角度影像测量器处于不同的空间角度，实现对线坠的多角度拍摄，实现对线坠的时时追踪拍摄；并将自动测量采集数据与人工测量结果对比，获取变化量，确定盾构机实时坡度和旋转角度。

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