CN114293909A - 基于隧道轨行式钻孔机器人的智能化钻孔管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于隧道轨行式钻孔机器人的智能化钻孔管理系统及方法，实现对钻孔施工现场的在线实时监测，以BIM模型的可视化性及数据可提取性为基础，基于三维扫描技术优化打孔位置，通过施工模拟优化孔洞作业顺序，提高了施工质量。本发明提出了孔洞信息编码方案，研发孔洞自动编码软件，实现孔洞指向的唯一性及关键建筑信息属性化，将信息转化为数据直接控制作业，与普通钻孔机器人相比，具有自动化程度高、施工效率高、节省人力等优势。本发明采用双坐标系统，实现精确定位钻孔，优化了钻孔质量；本发明中的钻孔定位实现了实物与模型数据实时比对，提高了整体钻孔精确度，并对已完成钻孔反馈数据的差异化进行处理，进一步保证钻孔质量。

Description

基于隧道轨行式钻孔机器人的智能化钻孔管理系统及方法

技术领域

本发明属于隧道钻孔技术领域，尤其涉及一种基于隧道轨行式钻孔机器人的智能化钻孔管理系统及方法。

背景技术

近年来，我国地铁隧道交通建设行业发展迅速，隧道内的牵引供电接触网、侧壁电缆、管道以及侧壁安全疏散平台等设备的安装均需要在隧道壁上开凿大量安装孔。目前在隧道壁开孔仍主要采用人工划线、作业平台辅助人工手持钻孔的作业模式，作业效率较低。

随着市场上各类自动钻孔机器人的开发，人工打孔逐渐由隧道打孔机器人代替，但是仍未形成一套全面的钻孔控制系统，现有隧道打孔机器人仍旧存在以下问题：由于无法获取砼壁内钢筋排布情况，隧道实物与BIM模型存在差异，导致基于蓝图进行孔洞定位打孔易碰触钢筋，且孔洞数量庞大，容易疏漏导致排查困难，进而影响进度；隧道壁为圆柱形结构，孔洞精确定位较为困难；无法实时掌握孔洞的工艺质量及进度情况；对于钻孔施工无法实现自动化、智能化，更多停留在对于打孔机器人的机械式应用，人工介入程度较大。基于上述缺陷，导致现有的打孔机器人对隧道整体的钻孔质量、进度及关键点控制并不明确，不利于形成施工过程的动态管控及自动化施工，施工较为不方便。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于隧道轨行式钻孔机器人的智能化钻孔管理系统及方法，能够实现孔洞位置及施工顺序优化、孔洞精准定位、施工过程的动态可视化管理，有效保证钻孔施工质量。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于隧道轨行式钻孔机器人的智能化钻孔管理系统，包括轨行式隧道钻孔机器人、钻孔机器人控制台、钻孔机械臂、PC机、钻孔管理平台，钻孔机器人控制台搭载预移植程序和PLC自动控制系统，对轨行式隧道钻孔机器人的车身、钻孔机械臂、数字液压系统以及钻机进行控制和预警；PC机位于集控中心，PC机中装载了BIM模型库、隧道段孔洞数据库，车身后端安装有用于获取隧道内实物三维实时数据信息的三维激光扫描仪，三维激光扫描仪获得的实时数据信息通过5G通信方式传输至PC机，PC机基于接收到的数据对隧道BIM模型进行误差修正；

钻孔管理平台装载于PC机上，钻孔管理平台通过PC机分别与钻孔机器人控制台、GPS激光定位仪、高清摄像头、倾角传感器、激光角度传感器、压力传感器信号连接；

GPS激光定位仪安装于轨行式隧道钻孔机器人的车身正前端，用于车身坐标定位和钻孔靶点识别；高清摄像头安装于轨行式隧道钻孔机器人车身顶部平台，实时采集隧道内施工工况视频；倾角传感器安装于轨行式隧道钻孔机器人车身两侧以及钻孔机械臂上，分别用于检测车身以及钻孔机械臂与水平方向的倾斜角度；激光角度传感器安装于轨行式隧道钻孔机器人车身纵向后端的横向中间位置，用于检测车身纵向与轨道轴线之间的角度；激光测距仪安装于钻孔机械臂末端位置，用于对钻孔位置坐标进行定位；压力传感器安装于轨行式隧道钻孔机器人上的电钻及液压推杆上，检测和反馈钻孔作业压力信息；

钻孔管理平台包括高清视频图像监测单元、基于BIM的钻孔施工可视化展示单元、施工工序模拟管理单元、隧道段信息单元、钻孔施工信息单元、进度管理单元及预警事件控制单元。

进一步地，所述高清视频图像监测单元基于高清摄像头，实时监测施工现场钻孔作业情况，记录存储施工过程信息；基于BIM的钻孔施工可视化展示单元基于BIM模型，通过色彩方案展示隧道钻孔进度以及孔洞位置偏差情况；施工工序模拟管理单元基于Navisworks软件进行钻工工序模拟及优化，并通过视频形式进行展示，在钻孔作业过程中实时显示隧道BIM模型与实际作业情况；

隧道段信息单元展示隧道工程分段情况以及当前施工的隧道段信息，显示各隧道段钻孔合格率、位置偏差信息，并通过曲线或柱状图的形式展示钻孔合格率、钻孔精度变化趋势；钻孔施工信息单元展示正在施工的钻孔信息，包括孔洞编号、孔洞坐标、对应专业类型、孔径、钻孔深度、钻孔角度以及钻孔施工完毕后的尺寸偏差信息；进度管理单元实时观测工程整体或任意隧道段的施工进度信息，并与施工进度计划进行对比，提供施工进度超前或滞后的定量信息；预警事件控制单元基于BIM模型信息对隧道段内钢筋密集区域作业进行事前预警，基于钻孔执行端的压力传感器，对作业过程中的钻孔异常情况进行过程报警，并通过红灯闪烁方式提示管理人员。

进一步地，所述钻孔机械臂末端设置于轨行式隧道钻孔机器人的底座中心，与已建隧道的最佳拟合中心重合，钻孔机械臂的作业旋转中心始终位于隧道中心线上；钻孔机械臂上还增设有紧急制停装置，紧急情况下，钻孔机器人控制台控制钻孔机械臂自动紧急刹停。

利用上述智能化钻孔管理系统进行钻孔施工的方法，包括如下步骤：

步骤1：确定孔洞位置，优化施工方案；

采用三维激光扫描仪扫描获取隧道点云数据，并传递至PC机，利用BIM软件，结合数字模型解析式，建立隧道实时虚拟三维模型，与既有隧道BIM模型比对修正，确定孔洞位置；

基于修正后的隧道BIM模型，利用Navisworks软件进行钻孔孔位施工工序模拟、孔位与砼内钢筋碰撞检测模拟，根据模拟结果精细化隧道BIM模型，对孔洞分布进行预先规划，避开钢筋区域，优化钻孔施工方案；

步骤2：在PC机中搭建隧道段孔洞数据库；

建立隧道段孔位编码系统，对隧道段内所有孔洞信息进行系统编码，在此过程中，建立笛卡尔坐标系，以X、Y、Z三个方向的坐标值综合表示孔洞坐标信息；基于BIM API接口研发孔洞自动编码软件，基于编码系统搭建编码数据库，编制自动编码算法，并嵌入BIM软件中：首先，建立隧道及孔洞精细化模型，在BIM模型中对孔洞对应专业设置唯一参数，然后由孔洞自动编码软件自动读取指定隧道段孔洞信息，根据编码算法，按照编码顺序对孔洞进行自动化编码，并将编码存储于孔洞的属性信息中；

步骤3：对隧道进行作业分段处理，建立隧道段定位识别基准点；

步骤4：将精细化隧道BIM模型、钻孔施工顺序数据、隧道段孔洞数据库信息均传递至钻孔管理平台处理，形成控制信息流，然后由钻孔管理平台将控制信息流以及孔洞信息传递至钻孔机器人控制台，进行孔洞位置的确定，控制车身以及钻孔机械臂动作，进行自动钻孔作业；

步骤4.1：钻孔机器人控制台调取待钻孔的孔洞信息，根据孔洞坐标信息初步确定车身在Z轴方向的移动距离，结合GPS激光定位仪检测到的车身前后基准点数据，对车身在Z轴方向的移动距离进行调整，使得钻孔机械臂的Z坐标与孔洞Z坐标一致，锁定Z轴方向上的行驶距离；通过激光测距仪定位孔洞坐标，钻孔机器人控制台据此控制钻孔机械臂进行初步位姿调整；

步骤4.2：针对车身位置进行调整补偿：针对车身倾斜进行调整，采用倾角传感器检测车身姿态，指导钻孔机械臂动作，进行倾角补偿；针对车身不在隧道中心线位置进行调整，通过激光测距仪检测每个钻孔工具与隧道壁之间的间距，根据设定的钻孔深度信息，补偿钻孔工具的伸出距离；针对车身在隧道转弯处进行调整，采用激光角度传感器获取车身纵向与轨道轴线的夹角，指导钻孔机械臂在Z轴方向进行补偿调整；

钻孔机器人控制台根据调取的钻孔深度信息以及GPS激光定位仪检测到的车身前后基准点数据，确定车身在X轴方向的前进距离；钻孔机器人控制台根据确定好的孔位数据以及倾角传感器实时反馈的钻孔机械臂倾角数据，结合倾角补偿，确定车身在Y轴方向的俯仰角度以及高度数据；钻孔机器人控制台根据激光角度传感器检测到的车身纵向与轨道轴线的夹角数据，结合Z轴方向的补偿，确定车身在Z轴方向上的钻孔方向微调数据和角度微调数据；钻孔机器人控制台通过控制数字液压系统来带动钻孔机械臂上的钻头运动，实现对三个方向同时进行补偿，令钻孔机械臂始终垂直于隧道壁作业；

步骤4.3：钻孔机器人控制台在笛卡尔坐标系基础上引入圆柱坐标系，圆柱坐标系的原点O位于已建钻孔隧道的最佳拟合中心，通过双坐标系对钻孔机械臂位置进行复核调整；

步骤5：经过步骤4的位置调整后开启钻头进行钻孔作业，钻孔作业完成后，利用三维激光扫描仪自动扫描已完成的孔洞坐标信息、孔径信息、钻孔深度信息，并实时反馈至钻孔管理平台，由钻孔管理平台将接收到的实际孔洞数据与模型数据比对，进行偏差分析，通过双色块进行施工状态标识，并进行可视化展示；

步骤6：重复上述步骤3至5，继续进行钻孔操作，直至隧道内所有孔洞施工完成。

进一步地，所述步骤2中，隧道段孔位编码系统采用ABCD结构形式，其中，A表示孔洞对应的专业类型，B表示孔洞编号，C表示钻孔进度信息，D表示孔洞信息；专业类型采用英文大写字符表示，孔洞编号采用4位阿拉伯数字表示；钻孔进度信息采用00和01两种数字组合表示，00表示钻孔已完成，01表示钻孔尚未进行；孔洞信息包括孔洞坐标信息、孔径信息、钻孔深度信息、钻孔角度信息；

建立笛卡尔坐标系，以X、Y、Z三个方向的坐标值综合表示孔洞坐标信息，,且各个方向的坐标值之间以“，”分隔开；孔径信息用d来表示，钻孔深度信息用h来表示，钻孔角度信息用来γ表示；各信息字段之间采用“-”连接。

进一步地，所述步骤3中，建立隧道段定位识别基准点的具体过程为：

首先基于BIM模型，对隧道整体进行技术分段，在不同隧道段的交接处设置关键基准点，隧道段内设置一般基准点；其中，隧道直线段为一个独立作业段，每100米设置一个一般基准点；隧道弧线段为一个独立作业段，设定车身可同时识别到前后两个定位点的距离为L，当L≥100m时，则以100米为距离设置一般基准点，当L＜100m时，则以L为距离设置一般基准点；基准点均位于轨道中心，通过GPS激光定位仪识别车身前后基准点的坐标信息，据此对车身位置坐标进行修正，确保车身位置精准无误，进而据此实现孔洞精准定位。

进一步地，所述步骤4.2中，针对倾角补偿，钻孔机器人控制台根据确定好的孔位数据初步确定机械臂倾角大小，然后根据车身上安装的倾角传感器检测的角度大小，对钻孔机械臂倾角进行补偿，若车身倾角为α，则高侧的钻孔机械臂倾角补偿值为-α，低侧的钻孔机械臂倾角补偿值为+α，最终确定Y轴方向俯仰角度；

针对Z轴方向的补偿，钻孔机器人控制台根据激光角度传感器检测到的车身与轨道轴线之间的夹角，对钻头终端进行角度补偿，若车身与轨道轴线之间的夹角为β，则一侧的钻头终端Z向角度补偿值为-β，另一侧的钻头终端Z向角度补偿值为+β，最终令钻机与隧道表面垂直；针对钻孔工具的伸出距离的补偿，通过激光测距仪检测O点到孔洞的距离，通过调整数字液压系统中的伺服液压杆的伸缩来实现距离的有效调节。

进一步地，所述圆柱坐标系中的三个坐标变量分别为ρ、θ、z，其中，ρ表示径向距离，θ表示方位角，z表示高度，且

其中，x表示笛卡尔坐标系中X轴上的取值，y表示笛卡尔坐标系中Y轴上的取值；通过倾角传感器检测钻孔机械臂倾角数据，根据θ值对倾角数据进行复核，通过激光测距仪检测O点至孔洞的位置，根据ρ值对钻孔机械臂位置进行复核，通过双坐标精准钻孔定位，进而实现精细化钻孔作业。

进一步地，所述步骤5中，对于偏差超标的孔洞，需要进行偏差修正，偏差修正过程如下：

孔洞坐标修正：若孔洞偏差在规范允许范围以内，则不进行修正，后续孔洞坐标根据BIM模型中的孔洞坐标进行施工；若孔洞偏差超出规范要求，则采取补救措施：当孔洞在X、Y、Z三个方向的任一方向坐标误差超出±10mm时，则暂停该区域作业并采取返修措施，采用水泥砂浆进行封堵，待强度满足要求后重新打孔，在这期间可进行后续孔位或其他隧道段孔位施工；当孔洞在X、Y、Z三个方向的任一方向坐标误差均在2～10mm时，则不进行返修作业，对后续相邻的2至3个孔位坐标进行补偿，将误差均分到多个钻孔，避免相邻两孔间距偏差过大而影响后续机电管线安装；

孔洞深度修正：当孔洞深度偏差在±2mm以内且小于3％的钻孔深度时，不进行孔深修正，否则重新进行打孔，同时，钻孔管理平台通过三维激光扫描仪将孔位实际信息传输至钻孔管理平台，通过基于BIM的钻孔施工可视化展示单元对隧道BIM模型中的孔洞位置进行动态修改，保证隧道BIM模型与实物对应一致。

进一步地，基于所述轨行式隧道钻孔机器人车身上设置的照明灯以及高清摄像头，在保证施工作业光线充足的情况下，进行作业过程实时监测、打孔图像数据实时采集，并自动上传钻孔管理平台；

基于钻孔机械臂上增设的压力传感器以及紧急制停装置，能够为避开钢筋区域做好防护，在发生钻孔打到钢筋的意外事件时，钻孔机器人控制台控制钻孔机械臂紧急制停，并将制停信息反馈到钻孔管理平台，钻孔管理平台发出报警提示。

本发明具有如下有益效果：

本发明依托钻孔管理平台，钻孔管理平台集成了高清视频图像监测单元、施工工序模拟管理单元、基于BIM的钻孔施工可视化展示单元、隧道段信息单元、钻孔施工信息单元、进度管理单元及预警事件控制单元等模块，实现了对施工现场的在线实时监测。本发明基于BIM模型观测隧道段的作业进度及质量，实现了隧道钻孔作业整体质量、精度可视化，有利于全过程监测及管控，具有广泛的市场应用前景。

本发明以BIM模型的可视化性及数据可提取性为基础，基于三维扫描技术优化打孔位置，通过施工模拟优化孔洞作业顺序，大大提高了施工质量。本发明提出了孔洞信息编码方案，研发孔洞自动编码软件，实现孔洞指向的唯一性及关键建筑信息属性化，将信息转化为数据直接控制作业，与普通钻孔机器人相比，具有自动化程度高、施工效率高、节省人力等优势。

本发明采用双坐标系统，实现精确定位钻孔，优化了钻孔质量；本发明中的钻孔定位实现了实物与模型数据实时比对，提高了整体钻孔精确度，并对已完成钻孔反馈数据的差异化进行处理，进一步保证钻孔质量。

附图说明

图1为钻孔施工流程图；

图2为双坐标定位示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，不能理解为对本发明的限制；术语“安装”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明基于传统的隧道轨行式钻孔机器人进行了改进设计，提供了一种基于隧道轨行式钻孔机器人的智能化钻孔管理系统，该系统包括轨行式隧道钻孔机器人、钻孔机器人控制台、三维激光扫描仪、PC机、钻孔管理平台、GPS激光定位仪、高清摄像头、倾角传感器、激光角度传感器、激光测距仪、压力传感器。

所述轨行式隧道钻孔机器人采用装配式分段拼接模式组成，可根据轨道弯曲半径采用单段、双段或三段轨行式底盘，底盘间采用车钩连接，由钩身、钩头、钩尾三部分组成，实现底盘间的快速拆装、牵引及缓冲；该装配式分段底盘可提升钻孔机器人处于隧道拐弯处与轨道的吻合度和平衡性，减少因车身与轨道不平行所产生的误差，进而提高钻孔定位精度及打孔过程的稳定性。钻孔机械臂末端设置于轨行式隧道钻孔机器人的底座中心，与已建隧道的最佳拟合中心(BFC)重合，使得钻孔机械臂的作业旋转中心始终位于隧道中心线上。

所述钻孔机器人控制台搭载预移植程序和PLC自动控制系统，可现场编辑程序，能够适应多种应用环境，实现多种功能，串联各关键部件和易损部位，具备故障自诊断、预警自断电保护等功能，用于控制信息收发、进行信息存储及分析，实现对轨行式隧道钻孔机器人的车身、钻孔机械臂、数字液压系统及钻机等设备的控制和预警。

所述三维激光扫描仪安装于轨行式隧道钻孔机器人车身后端，用于获取隧道内实物三维实时数据信息；所述PC机位于集控中心，三维激光扫描仪获得的实时数据信息通过5G通信方式传输至PC机，PC机中装载了BIM模型库、隧道段孔洞数据库，能够基于接收到的实物三维数据信息隧道对BIM模型进行误差修正，保证隧道BIM模型与实物保持一致。

所述钻孔管理平台装载于PC机上，钻孔管理平台通过PC机分别与钻孔机器人控制台、GPS激光定位仪、高清摄像头、倾角传感器、激光角度传感器、压力传感器信号连接，基于数据存储、分析处理、可视化展示及信息传输等技术，实现钻孔的全过程可视化、自动化施工管控，提高钻孔效率和精度。

所述GPS激光定位仪安装于轨行式隧道钻孔机器人的车身正前端，用于车身坐标定位和钻孔靶点识别；所述高清摄像头安装于轨行式隧道钻孔机器人车身顶部平台，用于隧道内运行工况视频实时采集；所述倾角传感器安装于轨行式隧道钻孔机器人车身两侧以及钻孔机械臂上，分别用于检测车身以及钻孔机械臂与水平方向的倾斜角度；所述激光角度传感器安装于轨行式隧道钻孔机器人车身纵向后端的横向中间位置，用于检测车身纵向与轨道轴线之间的角度；所述激光测距仪安装于钻孔机械臂末端位置，用于对钻孔位置坐标进行定位；所述压力传感器安装于轨行式隧道钻孔机器人上的电钻及液压推杆上，用于感测和反馈钻孔作业压力信息。钻孔机械臂上还增设有紧急制停装置，便于在遇到紧急情况时自动紧急刹停，保证施工安全；轨行式隧道钻孔机器人车身上还设置有照明灯，提高作业环境亮度，同时辅助高清摄像头拍摄更加清晰的视频数据。

所述钻孔管理平台包括高清视频图像监测单元、基于BIM的钻孔施工可视化展示单元、施工工序模拟管理单元、隧道段信息单元、钻孔施工信息单元、进度管理单元及预警事件控制单元等，各单元的功能如下：

高清视频图像监测单元：基于高清摄像头，实时监测现场钻孔作业情况，记录存储施工过程信息，方便后期调取及进行过程分析。

基于BIM的钻孔施工可视化展示单元：基于BIM模型，通过色彩方案对隧道打孔进度及孔洞位置偏差进行形象化、直观化展示，整体把控钻孔进度及质量状况。

施工工序模拟管理单元：基于Navisworks进行钻工工序模拟及优化，通过视频形式在该单元进行展示，作业过程中实时显示BIM模型与实际作业情况；

隧道段信息单元：展示隧道工程分段情况及目前施工的隧道段信息，显示各隧道段钻孔合格率、位置偏差等质量信息，并通过曲线或柱状图等形式展示钻孔合格率、钻孔精度变化趋势，便于对施工质量情况进行过程分析及质量预测。

钻孔施工信息单元：该区域展示正在施工的钻孔信息，包括孔洞编号、孔洞坐标、对应专业类型、孔径、钻孔深度、钻孔角度以及钻孔施工完毕后的尺寸偏差信息等，为实时管理提供依据。

进度管理单元：可实时观测工程整体或任意隧道段的施工进度信息，并与施工进度计划进行对比，提供施工进度超前或滞后的定量信息，据此对钻孔施工进度进行整体管控，实时调整作业节奏。

预警事件控制单元：基于BIM模型信息对隧道段内钢筋密集区域作业进行事前预警；基于钻孔执行端的压力预警装置，对作业过程中的钻孔异常进行过程报警，并通过红灯闪烁方式提示管理人员。

基于所述隧道轨行式钻孔机器人的智能化钻孔管理系统的钻孔施工方法如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1：确定孔洞位置，优化施工方案；

采用三维激光扫描仪扫描获取隧道点云数据，并将隧道点云数据传递至PC机，利用BIM软件，结合数字模型解析式，建立隧道实时虚拟三维模型，与既有隧道BIM模型的布局、尺寸、砼壁内钢筋位置情况进行比对修正，确定孔洞位置；

基于修正后的隧道BIM模型，利用Navisworks软件进行钻孔孔位施工工序模拟、孔位与砼内钢筋碰撞检测模拟，根据模拟结果进一步精细化隧道BIM模型，对孔洞分布进行预先规划，避开钢筋区域，优化钻孔施工方案。

步骤2：在PC机中搭建隧道段孔洞数据库；

建立隧道段孔位编码系统，对隧道段内所有孔洞信息进行系统编码：隧道段孔位编码系统采用ABCD结构形式，其中，A表示孔洞对应的专业类型，B表示孔洞编号，C表示钻孔进度信息，D表示孔洞信息；专业类型采用英文大写字符表示，例如，N代表暖通专业、G代表给排水专业、D代表电气专业；孔洞编号采用4位阿拉伯数字表示；钻孔进度信息采用00和01两种数字组合表示，00表示钻孔已完成，01表示钻孔尚未进行；孔洞信息包括孔洞坐标信息、孔径信息、钻孔深度信息、钻孔角度信息。

如图2所示，建立笛卡尔坐标系cor，以X、Y、Z三个方向的坐标值综合表示孔洞坐标信息，单位为m，且各个方向的坐标值之间以“，”分隔开；孔径信息用d来表示，单位为mm，钻孔深度信息用h来表示，单位为mm，钻孔角度信息用来γ表示，单位为度。各信息字段之间采用“-”连接，例如“N-0001-00-1，1，1-20-50-30”表示暖通专业编号为0001的孔洞已完成钻孔施工，其坐标位置为(1m，1m，1m)，孔径为20mm，钻孔深度为50mm，钻孔角度为仰角30度。

基于BIM API接口研发孔洞自动编码软件，基于上述编码系统搭建编码数据库，编制自动编码算法，并嵌入BIM软件中：首先，建立隧道及孔洞精细化模型，在BIM模型中对孔洞对应专业设置唯一参数，然后由孔洞自动编码软件自动读取指定隧道段孔洞信息，根据编码算法，按照一定的编码顺序对孔洞进行自动化编码，并将编码存储于孔洞的属性信息中。

步骤3：对隧道进行作业分段处理，建立隧道段定位识别基准点；

为了便于对轨行式隧道钻孔机器人的车身进行准确定位，避免采用单一的GPS定位方法导致的定位偏差，需要设置基准点对车身位置进行复核。首先基于BIM模型，对隧道整体进行技术分段，在不同隧道段的交接处设置关键基准点，隧道段内设置一般基准点；其中，隧道直线段为一个独立作业段，每100米设置一个一般基准点；隧道弧线段为一个独立作业段，设定车身可同时识别到前后两个定位点的距离为L，若L≥100，则以100m为距离设置一般基准点，若L＜100，则以L为距离设置一般基准点。基准点均位于轨道中心，通过GPS激光定位仪识别车身前后基准点的坐标信息，据此对车身位置坐标进行修正，确保车身位置精准无误，进而据此实现孔洞精准定位。

上述基准点的设置不限于打孔定位作业，亦可用于隧道作业中各类设备的定位连接，亦可将关键基准点转化为隧道永久性坐标基准点，便于后期维护及检修。

步骤4：将经过步骤1进一步优化得到的精细化隧道BIM模型以及钻孔施工顺序、步骤2建立的隧道段孔洞数据库信息均传递至钻孔管理平台，基于钻孔管理平台将钻孔施工顺序进行数字化编程，形成控制信息流，然后由钻孔管理平台将控制信息流以及孔洞信息传递至钻孔机器人控制台，由钻孔机器人控制台进行孔洞位置的确定，进而控制车身及钻孔机械臂动作，进行自动钻孔作业；另外，隧道轨行式钻孔机器人还具备参数设置和手动调节功能，以便于在遇到突发情况时进行手动控制，保证施工安全；

步骤4.1：钻孔机器人控制台调取待钻孔的孔洞信息，根据孔洞坐标信息初步确定车身在Z轴方向的移动距离，结合GPS激光定位仪检测到的车身前后基准点数据，对车身在Z轴方向的移动距离进行调整，使得钻孔机械臂的Z坐标与孔洞Z坐标保持一致，进而锁定Z轴方向上的行驶距离；通过激光测距仪定位孔洞坐标，钻孔机器人控制台据此控制钻孔机械臂进行初步位姿调整。

步骤4.2：针对车身位置进行调整补偿：首先，针对车身倾斜进行调整，采用倾角传感器检测车身姿态，指导钻孔机械臂动作，进行倾角补偿；其次，针对车身不在隧道中心线位置进行调整，通过激光测距仪检测每个钻孔工具与隧道壁之间的间距，根据设定的钻孔深度信息，补偿钻孔工具的伸出距离；最后，针对车身在隧道转弯处进行调整，采用激光角度传感器获取车身纵向与轨道轴线的夹角，指导钻孔机械臂在Z轴方向进行补偿调整。

钻孔机器人控制台根据调取的钻孔深度信息以及GPS激光定位仪检测到的车身前后基准点数据，确定车身在X轴方向的前进距离；钻孔机器人控制台根据确定好的孔位数据以及倾角传感器实时反馈的钻孔机械臂倾角数据，结合倾角补偿，确定车身在Y轴方向的俯仰角度以及高度数据；钻孔机器人控制台根据激光角度传感器检测到的车身纵向与轨道轴线的夹角数据，结合Z轴方向的补偿，确定车身在Z轴方向上的钻孔方向微调数据和角度微调数据。钻孔机器人控制台通过控制数字液压系统来带动钻孔机械臂上的钻头运动，实现对三个方向同时进行补偿，令钻孔机械臂始终垂直于隧道壁作业，确保打孔深度及精准钻孔。另外，轨行式隧道钻孔机器人控制可单独控制一组钻头工作，或控制几组钻头同时工作，具体根据实际施工需求来设置。

针对倾角补偿，钻孔机器人控制台根据确定好的孔位数据初步确定机械臂倾角大小，然后根据车身上安装的倾角传感器检测的角度大小，对钻孔机械臂倾角进行补偿，若车身倾角为α，则高侧的钻孔机械臂倾角补偿值为-α，低侧的钻孔机械臂倾角补偿值为+α，最终确定Y轴方向俯仰角度。针对Z轴方向的补偿，钻孔机器人控制台根据激光角度传感器检测到的车身与轨道轴线之间的夹角，对钻头终端进行角度补偿，若车身与轨道轴线之间的夹角为β，则一侧的钻头终端Z向角度补偿值为-β，另一侧的钻头终端Z向角度补偿值为+β，最终令钻机与隧道表面垂直。针对钻孔工具的伸出距离的补偿，通过激光测距仪检测O点到孔洞的距离，通过调整数字液压系统中的伺服液压杆的伸缩来实现距离的有效调节。

步骤4.3：如图2所示，钻孔机器人控制台在笛卡尔坐标系基础上进一步引入圆柱坐标系，圆柱坐标系的原点O位于已建钻孔隧道的最佳拟合中心(BFC)，圆柱坐标系中的三个坐标变量分别为ρ、θ、z，其中，ρ表示径向距离，θ表示方位角，z表示高度，且

其中，x表示笛卡尔坐标系中X轴上的取值，y表示笛卡尔坐标系中Y轴上的取值；通过倾角传感器检测钻孔机械臂倾角数据，根据θ值对倾角数据进行复核，通过激光测距仪检测O点至孔洞的位置，根据ρ值对钻孔机械臂位置进行复核，通过双坐标精准钻孔定位，进而实现精细化钻孔作业。

步骤5：经过步骤4的位置调整后开启钻头进行钻孔作业，钻孔作业完成后，利用三维激光扫描仪自动扫描已完成的孔洞坐标信息、孔径信息、钻孔深度信息，并实时反馈至钻孔管理平台，由钻孔管理平台将接收到的实际孔洞数据与模型数据比对，进行偏差分析，通过双色块进行施工状态标识，并进行可视化展示；施工状态包括施工进度以及偏差大小，优选地，利用绿色标识已完成钻孔施工的孔洞，利用黄色标识尚未施工的孔洞，利用白色标识偏差在允许范围内的孔洞，利用红色标识偏差超标的孔洞。

基于轨行式隧道钻孔机器人车身上设置的照明灯以及高清摄像头，在保证施工作业光线充足的情况下，进行作业过程实时监测、打孔图像数据实时采集，并自动上传钻孔管理平台；

基于钻孔机械臂上增设的压力传感器以及紧急制停装置，能够为避开钢筋区域做好事中防护，在发生钻孔打到钢筋等意外事件时紧急制停，并将制停信息反馈到钻孔管理平台，钻孔管理平台发出报警提示。

对于偏差超标的孔洞，需要进行偏差修正，偏差修正过程如下：

孔洞坐标修正：若孔洞偏差在规范允许范围以内(±2mm)，则不进行修正，后续孔洞坐标根据BIM模型中的孔洞坐标进行施工。若孔洞偏差超出规范要求，则分情况采取补救措施：若孔洞在X、Y、Z三个方向的任一方向坐标误差超出±10mm，为重大质量问题，则暂停该区域作业并采取返修措施，采用水泥砂浆进行封堵，待强度满足要求后重新打孔，在这期间可进行后续孔位或其他隧道段孔位施工；若孔洞在X、Y、Z三个方向的任一方向坐标误差均在2～10mm，则不进行返修作业，但是后续相邻的2至3个孔位坐标应进行补偿，将误差均分到多个钻孔，避免相邻两孔间距偏差过大而影响后续机电管线安装。

孔洞深度修正：若孔洞深度偏差在±2mm以内且小于3％的钻孔深度，则不进行孔深修正，否则应重新进行打孔，同时，钻孔管理平台通过三维激光扫描仪将孔位实际信息传输至钻孔管理平台，通过基于BIM的钻孔施工可视化展示单元对隧道BIM模型中的孔洞位置进行动态修改，保证模型与实物对应一致。

步骤6：修正完成后，重复上述步骤3至5，继续进行钻孔操作，直至隧道内所有孔洞施工完成。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于隧道轨行式钻孔机器人的智能化钻孔管理系统，其特征在于，包括轨行式隧道钻孔机器人、钻孔机器人控制台、钻孔机械臂、PC机、钻孔管理平台，钻孔机器人控制台搭载预移植程序和PLC自动控制系统，对轨行式隧道钻孔机器人的车身、钻孔机械臂、数字液压系统以及钻机进行控制和预警；PC机位于集控中心，PC机中装载了BIM模型库、隧道段孔洞数据库，车身后端安装有用于获取隧道内实物三维实时数据信息的三维激光扫描仪，三维激光扫描仪获得的实时数据信息通过5G通信方式传输至PC机，PC机基于接收到的数据对隧道BIM模型进行误差修正；

钻孔管理平台装载于PC机上，钻孔管理平台通过PC机分别与钻孔机器人控制台、GPS激光定位仪、高清摄像头、倾角传感器、激光角度传感器、压力传感器信号连接；

GPS激光定位仪安装于轨行式隧道钻孔机器人的车身正前端，用于车身坐标定位和钻孔靶点识别；高清摄像头安装于轨行式隧道钻孔机器人车身顶部平台，实时采集隧道内施工工况视频；倾角传感器安装于轨行式隧道钻孔机器人车身两侧以及钻孔机械臂上，分别用于检测车身以及钻孔机械臂与水平方向的倾斜角度；激光角度传感器安装于轨行式隧道钻孔机器人车身纵向后端的横向中间位置，用于检测车身纵向与轨道轴线之间的角度；激光测距仪安装于钻孔机械臂末端位置，用于对钻孔位置坐标进行定位；压力传感器安装于轨行式隧道钻孔机器人上的电钻及液压推杆上，检测和反馈钻孔作业压力信息；

钻孔管理平台包括高清视频图像监测单元、基于BIM的钻孔施工可视化展示单元、施工工序模拟管理单元、隧道段信息单元、钻孔施工信息单元、进度管理单元及预警事件控制单元。

2.根据权利要求1所述的基于隧道轨行式钻孔机器人的智能化钻孔管理系统，其特征在于，所述高清视频图像监测单元基于高清摄像头，实时监测施工现场钻孔作业情况，记录存储施工过程信息；基于BIM的钻孔施工可视化展示单元基于BIM模型，通过色彩方案展示隧道钻孔进度以及孔洞位置偏差情况；施工工序模拟管理单元基于Navisworks软件进行钻工工序模拟及优化，并通过视频形式进行展示，在钻孔作业过程中实时显示隧道BIM模型与实际作业情况；

隧道段信息单元展示隧道工程分段情况以及当前施工的隧道段信息，显示各隧道段钻孔合格率、位置偏差信息，并通过曲线或柱状图的形式展示钻孔合格率、钻孔精度变化趋势；钻孔施工信息单元展示正在施工的钻孔信息，包括孔洞编号、孔洞坐标、对应专业类型、孔径、钻孔深度、钻孔角度以及钻孔施工完毕后的尺寸偏差信息；进度管理单元实时观测工程整体或任意隧道段的施工进度信息，并与施工进度计划进行对比，提供施工进度超前或滞后的定量信息；预警事件控制单元基于BIM模型信息对隧道段内钢筋密集区域作业进行事前预警，基于钻孔执行端的压力传感器，对作业过程中的钻孔异常情况进行过程报警，并通过红灯闪烁方式提示管理人员。

3.根据权利要求1所述的基于隧道轨行式钻孔机器人的智能化钻孔管理系统，其特征在于，所述钻孔机械臂末端设置于轨行式隧道钻孔机器人的底座中心，与已建隧道的最佳拟合中心重合，钻孔机械臂的作业旋转中心始终位于隧道中心线上；钻孔机械臂上还增设有紧急制停装置，紧急情况下，钻孔机器人控制台控制钻孔机械臂自动紧急刹停。

4.利用权利要求1至3中任一项所述的智能化钻孔管理系统进行钻孔施工的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：确定孔洞位置，优化施工方案；

采用三维激光扫描仪扫描获取隧道点云数据，并传递至PC机，利用BIM软件，结合数字模型解析式，建立隧道实时虚拟三维模型，与既有隧道BIM模型比对修正，确定孔洞位置；

基于修正后的隧道BIM模型，利用Navisworks软件进行钻孔孔位施工工序模拟、孔位与砼内钢筋碰撞检测模拟，根据模拟结果精细化隧道BIM模型，对孔洞分布进行预先规划，避开钢筋区域，优化钻孔施工方案；

步骤2：在PC机中搭建隧道段孔洞数据库；

建立隧道段孔位编码系统，对隧道段内所有孔洞信息进行系统编码，在此过程中，建立笛卡尔坐标系，以X、Y、Z三个方向的坐标值综合表示孔洞坐标信息；基于BIM API接口研发孔洞自动编码软件，基于编码系统搭建编码数据库，编制自动编码算法，并嵌入BIM软件中；

步骤3：对隧道进行作业分段处理，建立隧道段定位识别基准点；

步骤4：将精细化隧道BIM模型、钻孔施工顺序数据、隧道段孔洞数据库信息均传递至钻孔管理平台处理，形成控制信息流，然后由钻孔管理平台将控制信息流以及孔洞信息传递至钻孔机器人控制台，进行孔洞位置的确定，控制车身以及钻孔机械臂动作，进行自动钻孔作业；

步骤4.1：钻孔机器人控制台调取待钻孔的孔洞信息，根据孔洞坐标信息初步确定车身在Z轴方向的移动距离，结合GPS激光定位仪检测到的车身前后基准点数据，对车身在Z轴方向的移动距离进行调整，使得钻孔机械臂的Z坐标与孔洞Z坐标一致，锁定Z轴方向上的行驶距离；通过激光测距仪定位孔洞坐标，钻孔机器人控制台据此控制钻孔机械臂进行初步位姿调整；

步骤4.2：针对车身位置进行调整补偿：针对车身倾斜进行调整，采用倾角传感器检测车身姿态，指导钻孔机械臂动作，进行倾角补偿；针对车身不在隧道中心线位置进行调整，通过激光测距仪检测每个钻孔工具与隧道壁之间的间距，根据设定的钻孔深度信息，补偿钻孔工具的伸出距离；针对车身在隧道转弯处进行调整，采用激光角度传感器获取车身纵向与轨道轴线的夹角，指导钻孔机械臂在Z轴方向进行补偿调整；

钻孔机器人控制台根据调取的钻孔深度信息以及GPS激光定位仪检测到的车身前后基准点数据，确定车身在X轴方向的前进距离；钻孔机器人控制台根据确定好的孔位数据以及倾角传感器实时反馈的钻孔机械臂倾角数据，结合倾角补偿，确定车身在Y轴方向的俯仰角度以及高度数据；钻孔机器人控制台根据激光角度传感器检测到的车身纵向与轨道轴线的夹角数据，结合Z轴方向的补偿，确定车身在Z轴方向上的钻孔方向微调数据和角度微调数据；钻孔机器人控制台通过控制数字液压系统来带动钻孔机械臂上的钻头运动，实现对三个方向同时进行补偿，令钻孔机械臂始终垂直于隧道壁作业；

步骤4.3：钻孔机器人控制台在笛卡尔坐标系基础上引入圆柱坐标系，圆柱坐标系的原点O位于已建钻孔隧道的最佳拟合中心，通过双坐标体系对钻孔机械臂位置进行复核调整；

步骤5：经过步骤4的位置调整后启动钻头进行钻孔作业，钻孔作业完成后，利用三维激光扫描仪自动扫描已完成的孔洞坐标信息、孔径信息、钻孔深度信息，并实时反馈至钻孔管理平台，由钻孔管理平台将接收到的实际孔洞数据与模型数据比对，进行偏差分析，通过双色块进行施工状态标识，并进行可视化展示；

步骤6：重复上述步骤3至5，继续进行钻孔操作，直至隧道内所有孔洞施工完成。

5.根据权利要求4所述的钻孔施工的方法，其特征在于，所述步骤2中，隧道段孔位编码系统采用ABCD结构形式，其中，A表示孔洞对应的专业类型，B表示孔洞编号，C表示钻孔进度信息，D表示孔洞信息；专业类型采用英文大写字符表示，孔洞编号采用4位阿拉伯数字表示；钻孔进度信息采用00和01两种数字组合表示，00表示钻孔已完成，01表示钻孔尚未进行；孔洞信息包括孔洞坐标信息、孔径信息、钻孔深度信息、钻孔角度信息；

笛卡尔坐标系中，表示孔洞坐标信息的各个方向的坐标值之间以“，”分隔开；孔径信息用d来表示，钻孔深度信息用h来表示，钻孔角度信息用来γ表示；隧道段孔位编码系统的各信息字段之间采用“-”连接。

6.根据权利要求4所述的钻孔施工的方法，其特征在于，所述步骤3中，建立隧道段定位识别基准点的具体过程为：

首先基于BIM模型，对隧道整体进行技术分段，在不同隧道段的交接处设置关键基准点，隧道段内设置一般基准点；其中，隧道直线段为一个独立作业段，每100米设置一个一般基准点；隧道弧线段为一个独立作业段，设定车身可同时识别到前后两个定位点的距离为L，当L≥100m时，则以100米为距离设置一般基准点，当L＜100m时，则以L为距离设置一般基准点；基准点均位于轨道中心，通过GPS激光定位仪识别车身前后基准点的坐标信息，据此对车身位置坐标进行修正，确保车身位置精准无误，进而据此实现孔洞精准定位。

7.根据权利要求4所述的钻孔施工的方法，其特征在于，所述步骤4.2中，针对倾角补偿，钻孔机器人控制台根据确定好的孔位数据初步确定机械臂倾角大小，然后根据车身上安装的倾角传感器检测的角度大小，对钻孔机械臂倾角进行补偿，若车身倾角为α，则高侧的钻孔机械臂倾角补偿值为-α，低侧的钻孔机械臂倾角补偿值为+α，最终确定Y轴方向俯仰角度；针对Z轴方向的补偿，钻孔机器人控制台根据激光角度传感器检测到的车身与轨道轴线之间的夹角，对钻头终端进行角度补偿，若车身与轨道轴线之间的夹角为β，则一侧的钻头终端Z向角度补偿值为-β，另一侧的钻头终端Z向角度补偿值为+β，最终令钻机与隧道表面垂直；针对钻孔工具的伸出距离的补偿，通过激光测距仪检测已建钻孔隧道的最佳拟合中心到孔洞的距离，通过调整数字液压系统中的伺服液压杆的伸缩来实现距离的调节。

8.根据权利要求4所述的钻孔施工的方法，其特征在于，所述圆柱坐标系中的三个坐标变量分别为ρ、θ、z，其中，ρ表示径向距离，θ表示方位角，z表示高度，且

其中，x表示笛卡尔坐标系中X轴上的取值，y表示笛卡尔坐标系中Y轴上的取值；通过倾角传感器检测钻孔机械臂倾角数据，根据θ值对倾角数据进行复核，通过激光测距仪检测O点至孔洞的位置，根据ρ值对钻孔机械臂位置进行复核，通过双坐标精准钻孔定位，进而实现精细化钻孔作业。

9.根据权利要求4所述的钻孔施工的方法，其特征在于，所述步骤5中，对于偏差超标的孔洞，需要进行偏差修正，偏差修正过程如下：

孔洞坐标修正：若孔洞偏差在规范允许范围以内，则不进行修正，后续孔洞坐标根据BIM模型中的孔洞坐标进行施工；若孔洞偏差超出规范要求，则采取补救措施：当孔洞在X、Y、Z三个方向的任一方向坐标误差超出±10mm时，则暂停该区域作业并采取返修措施，采用水泥砂浆进行封堵，待强度满足要求后重新打孔，在这期间可进行后续孔位或其他隧道段孔位施工；当孔洞在X、Y、Z三个方向的任一方向坐标误差均在2～10mm时，则不进行返修作业，对后续相邻的2至3个孔位坐标进行补偿，将误差均分到多个钻孔，避免相邻两孔间距偏差过大而影响后续机电管线安装；

孔洞深度修正：当孔洞深度偏差在±2mm以内且小于3％的钻孔深度时，不进行孔深修正，否则重新进行打孔，同时，钻孔管理平台通过三维激光扫描仪将孔位实际信息传输至钻孔管理平台，通过基于BIM的钻孔施工可视化展示单元对隧道BIM模型中的孔洞位置进行动态修改，保证隧道BIM模型与实物对应一致。

10.根据权利要求4所述的钻孔施工的方法，其特征在于，基于所述轨行式隧道钻孔机器人车身上设置的照明灯以及高清摄像头，在保证施工作业光线充足的情况下，进行作业过程实时监测、打孔图像数据实时采集，并自动上传钻孔管理平台；

基于钻孔机械臂上增设的压力传感器以及紧急制停装置，能够为避开钢筋区域做好防护，在发生钻孔打到钢筋的意外事件时，钻孔机器人控制台控制钻孔机械臂紧急制停，并将制停信息反馈到钻孔管理平台，钻孔管理平台发出报警提示。

Images