CN114383526B - 沉管管节形变实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程测量技术领域，具体涉及一种沉管管节形变实时监测方法。该方法包括：沿管节长度方向在中廊道腔底和/或孔道腔顶安装多台测量相机和多个标靶组，多台测量相机对多个标靶组进行视觉测量；沿管节长度方向在中廊道腔底和孔道腔底安装多台激光测距仪，测量管节腔底到管节腔顶的相对距离；所有测量结果均实时传输到沉管测控系统中，以获取管节纵向相对几何形变和管节腔底到管节腔顶的相对距离变化的结果，并相互结合进行边缘计算，以获取沉管管节的形变变化发展情况。本发明实现了对沉管管节在浮运沉放安装期间的形变情况的实时监测，以准确获取其形变变化发展情况，进而指导现场及时调整沉放姿态，保障沉管沉放时的高精度对接。

Description

沉管管节形变实时监测方法

技术领域

本发明属于工程测量技术领域，具体涉及一种沉管管节形变实时监测方法。

背景技术

沉管管节在工厂预制完成后，先后经历舾装、浮运、沉放和安装等多个步骤，才得以完成水下沉管隧道的施工。然而，在整个过程中，由于受到海水、风浪、一体船以及管节内部水箱的影响，沉管管节的几何形状不断发生变化。如图1、图2所示，在管节上表面，一体船通过四个拉索控制沉管管节1的下放、通过六个吊缆控制管节的前后移动，拉索与管节连接的位置即为沉管管节1的上下高度控制点P1，吊缆与管节连接的位置即为沉管管节1的前后平移控制点P2；管节上表面长度方向的两端还各安装有一测量塔P3；在沉管管节浮运沉放过程中，管节上表面主要受到拉索拉力、吊缆缆力、测量塔P3重力以及一体船支墩P4压力的共同作用，可能会产生明显的局部几何形变。在沉管管节1沉放安装过程中，管节通过其内部的水箱W1来调节自身重力实现沉放；因而，在沉管下表面，沉管管节1受到水箱W1压力和海水浮力的共同作用，也可能会产生较为明显的局部几何形变。

现如今，随着沉管隧道的发展，沉管管节体量越来越大，沉管沉放的水深越来越深，安装精度要求也越来越高。因而，在沉管浮运沉放对接过程中，若沉管管节本体发生明显的不规则形变，将会导致水下测量定位出现较大偏差，从而影响沉管安装精度，给沉管隧道施工安全带来较大风险。

由于沉管管节在浮运、沉放和安装过程中，一直处于运动中，因此该测量对象是动态的且运动区域较大，难以直接沿用陆地上的高精度测量参考系统进行形变精密测量。另外，沉管管节是“两孔一廊”结构，两孔中间各布置三个水箱W1用于控制沉管管节的下沉速率和深度，内部形状复杂，作业空间非常有限，难以布置陆地上常用的高精度全站仪和水准仪，直接进行高精度形变测量。另外，传统的精密工程测量方法难以满足上述沉管管节几何形变高精度测量要求。尽管精密全站仪、水准仪测量精度高，但对测量环境、布站位置要求高，测量环境要求相对静态，测量仪器必须放置在稳定的位置处观测目标。而且，GNSS测量需要进行长时间的连续观测，GNSS-RTK的测量精度一般为厘米级，难以在短时间内达到毫米级的测量精度。

因而，如何实现沉管管节在浮运、沉放以及安装期间的形变情况的实时监测以保障沉管安装精度，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

针对相关技术中存在的不足之处，本发明提供了一种沉管管节形变实时监测方法，用于对沉管管节在浮运、沉放和安装期间的形变情况进行实时监测，以准确获取其形变变化发展情况，指导现场及时调整沉管沉放姿态，进而保障沉管安装精度。

本发明提供一种沉管管节形变实时监测方法,包括以下步骤：

视觉测量系统的设置，进一步包括：

视觉基线的布置：在沉管管节的中廊道的腔底和/或每一孔道的腔顶，沿沉管管节的长度方向安装多台测量相机；

视觉测量线阵的布置：在中廊道的腔底和/或每一孔道的腔顶，沿沉管管节的长度方向安装多个标靶组；

测距系统的设置：在中廊道的腔底以及每一孔道的腔底，沿沉管管节的长度方向安装多台激光测距仪；

形变监测，进一步包括：

管节纵向相对几何形变的监测：通过中廊道腔底和/或每一孔道腔顶上的多台测量相机对多个标靶组进行视觉测量，并将测量结果实时传输到沉管管节的测控系统中，以获取管节腔底和/或管节腔顶的纵向相对几何形变的结果；

管节腔底到管节腔顶的相对距离变化的监测：通过多台激光测距仪对沉管管节的管节腔底到管节腔顶的相对距离进行测量，并将测量结果实时传输到沉管管节的测控系统中，以获取管节腔底到管节腔顶的相对距离变化的结果；

管节扭曲形变的解算：测控系统将管节纵向相对几何形变的结果和管节腔底到管节腔顶的相对距离变化的结果结合进行边缘计算，实时解算出整个管节扭曲形变的结果，以获知沉管管节的形变变化发展情况。

本技术方案通过测量相机、标靶组和激光测距仪的布置以及与沉管管节测控系统的实时信息交互和计算，实现了对管节纵向相对几何形变的监测和管节腔底到管节腔顶的相对距离变化的监测，进而实现了管节扭曲形变结果的实时解算；由此实现对沉管管节在浮运、沉放和安装期间的形变情况的实时监测，准确获取其形变变化发展情况。

在其中一些实施例中，每一视觉基线上布设有六台测量相机，六台测量相机沿沉管管节的长度方向呈两排、每排三台的方式布设，每排三台测量相机分别位于沉管管节长度方向上的中间位置以及靠近两端的位置；两排测量相机的测量方向沿沉管管节的长度方向呈相反布设。

在其中一些实施例中，每一视觉测量线阵上布设有九个标靶组，九个标靶组沿沉管管节的长度方向呈单排均匀布设；位于沉管管节两端的两个标靶组朝向沉管管节内部的一面均为发光面，其余标靶组于沉管管节长度方向上的两面均为发光面。

在其中一些实施例中，每一视觉基线上的六台测量相机对相应的视觉测量线阵上的九个标靶组进行双向视觉测量。

在其中一些实施例中，中廊道腔底上的多台激光测距仪一一对应邻近中廊道腔底上的多个标靶组的所在位置。

在其中一些实施例中，每一孔道的腔底上安装有四台激光测距仪，四台激光测距仪沿每一孔道的长度方向呈单排均匀布设。

在其中一些实施例中，在每一孔道的多台激光测距仪中，一台激光测距仪对应沉管管节上的测量塔塔底位置。

在其中一些实施例中，位于沉管管节两端的两个标靶组均为一个单面发光的标靶；其余标靶组均为一个双面发光的标靶或一个周向发光的标靶或由两个背对背设置的单面发光的标靶组合而成。

基于上述技术方案，本发明实施例中的沉管管节形变实时监测方法，通过测量相机、标靶组和激光测距仪的布置以及与沉管管节测控系统的实时信息交互和计算，实现了集视觉测量、激光测距、边缘计算和物联网技术于一体的沉管管节形变实时监测方法，并且能够完全适用于动态环境下的形变监测；另外，包含多台测量相机和多个标靶组的视觉测量系统的应用，使其对沉管管节的形变测量能够达到亚毫米级的测量精度，能够更为准确获取沉管管节形变变化发展情况，进而指导现场及时调整沉管沉放姿态，保障沉管沉放时的高精度对接，降低沉管对接施工安全风险。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为沉管管节空间上表面布置图；

图2为沉管管节空间下表面布置图；

图3为本发明的测距系统于管节腔底上的布设方案图以及本发明的视觉测量系统的实施例一于管节腔底上的布设方案图；

图4为本发明的视觉测量系统的实施例二于管节腔顶上的布设方案图；

图5为本发明的测距系统的测量示意图。

图中：

1、沉管管节；11、中廊道；12、孔道；F1、管节腔顶；F2、管节腔底；2、测量相机；3、标靶组；4、激光测距仪；P1、上下高度控制点；P2、前后平移控制点；P3、测量塔；P3’、测量塔塔底位置；P4、支墩；W1、水箱；LL、激光。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图3所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的沉管管节形变实时监测方法，包括视觉测量系统的设置、测距系统的设置和形变监测等步骤，以实现对沉管管节1在浮运、沉放和安装期间的形变情况进行实时监测。

视觉测量系统的设置，包括视觉基线的布置和视觉测量线阵的布置。视觉测量系统的设置包括但不限于下述三种实施方式：

实施例一：如图3所示，为中廊道11内的视觉测量系统的布设方案。中廊道11内的视觉基线布置在沉管管节1的中廊道11的腔底，沿沉管管节1的长度方向安装多台测量相机2，多台测量相机2构成了视觉基线。视觉测量线阵布置在沉管管节1的中廊道11的腔底，沿沉管管节1的长度方向安装多个标靶组3，多个标靶组3构成了视觉测量线阵。

实施例二：如图4所示，为孔道12内的视觉测量系统的布设方案。孔道12内的视觉基线布置在沉管管节1的每一孔道12的腔顶，沿沉管管节1的长度方向安装多台测量相机2，多台测量相机2构成了视觉基线。视觉测量线阵布置在沉管管节1的每一孔道12的腔顶，沿沉管管节1的长度方向安装多个标靶组3，多个标靶组3构成了视觉测量线阵。

实施例三：将实施例1的中廊道11内的视觉测量系统和实施例2的孔道12内的视觉测量系统结合到一起，即为本实施例三的沉管管节腔内的视觉测量系统的布设方案。

可以理解的是，上述视觉测量系统的三种实施方式中，其测量相机2、标靶组3的数量不尽相同。视觉测量系统的设置数量越多，其测量精度会越高，但测量成本也相应增加、测量周期变长；因而，本领域技术人员可根据沉管管节形变实时监测的实际要求和监测成本等进行综合考量，灵活设置适用的视觉测量系统。

测距系统的设置，如图3、图5所示，在沉管管节1的中廊道11的腔底以及两个孔道12的腔底，沿沉管管节1的长度方向各安装多台激光测距仪4。激光测距仪4是一种利用激光LL进行距离测量的仪器，其重量轻、体积小、测距快、方向性好、测试精度高、性能可靠，能够满足沉管管节1的内部测量环境使用。

形变监测，参考图3-图5所示，包括管节纵向相对几何形变的监测、管节腔底到管节腔顶的相对距离变化的监测以及管节扭曲形变的解算。

管节纵向相对几何形变的监测，通过视觉测量系统进行实施。具体地，通过中廊道11内的视觉测量系统和/或孔道12内的视觉测量系统中的多台测量相机2对相应的视觉测量线阵上的多个标靶组3进行视觉测量，并将测量结果实时传输到沉管管节的测控系统中，以获取管节腔底F2和/或管节腔顶F1的纵向相对几何形变的结果，进而实现对管节纵向相对几何形变的监测。具体地，多台测量相机2对多个标靶组3进行视觉测量，能够准确获取每个标靶组3的三维坐标，将测量结果传输到测控系统后，即构建视觉测量线阵上多个标靶组3的相对位置关系，进而实现管节相对几何形变的测量。需要说明的是，测量相机2是一种通过拍摄测量方式来定位标靶点的遥感相机，其视觉测量精度可达到亚毫米级。包含多台测量相机2和多个标靶组3的视觉测量系统，能够适用于动态环境下的形变测量，且能够克服测量环境中的光照、温度和湿度影响，实现沉管管节1形变亚毫米级的测量精度；相比于传统精密工程测量方法而言，其测量精度更高、环境适应性更强。

管节腔底到管节腔顶的相对距离变化的监测，通过测距系统进行实施。具体地，通过多台激光测距仪4对沉管管节1的管节腔底F2到管节腔顶F1的相对距离进行测量，并将测量结果实时传输到沉管管节的测控系统中，以获取管节腔底到管节腔顶的相对距离变化的结果。具体地，因沉管管节1高达10余米，沉管管节1上下表面受力情况不同，因而沉管管节1腔顶和腔底的几何形变过程并不相同；安装在管节腔底F2的多台激光测距仪4向管节腔顶F1发射激光LL，以测量不同位置处的沉管管节1的管节腔底F2到管节腔顶F1的相对距离，以提高管节腔底到管节腔顶的相对距离测量的广度。

管节扭曲形变的解算，通过沉管管节的测控系统进行解算。测控系统将管节纵向相对几何形变的结果和管节腔底到管节腔顶的相对距离变化的结果结合进行边缘计算，实时解算出整个管节扭曲形变的结果，进而获知沉管管节的形变变化发展情况。

上述示意性实施例，通过测量相机2和标靶组3的布置实现了视觉测量系统的设置，通过激光测距仪4的布置实现了测距系统的设置，通过视觉测量系统的设置、测距系统的设置以及与沉管管节测控系统的实时信息交互和计算，实现了对管节纵向相对几何形变的监测和管节腔底到管节腔顶的相对距离变化的监测，进而实现了管节扭曲形变结果的实时解算。由此，本实施例实现对沉管管节1在浮运、沉放和安装期间的形变情况的实时监测，更为准确获知其形变变化发展情况，进而指导及时调整沉管沉放姿态。

如图3、图4所示，在一些实施例中，每一视觉基线上布设有六台测量相机2，六台测量相机2沿沉管管节1的长度方向呈两排、每排三台的方式布设，每排三台测量相机2分别位于沉管管节1的长度方向上的中间位置以及靠近两端的位置。可以理解的是，本发明并不以此为限，本领域技术人员也可以根据实际监测需要，灵活调整每一视觉基线上的测量相机2的数量和布设方式。另外，需要说明的是，两排测量相机2的测量方向沿沉管管节1的长度方向呈相反布设，而且每台测量相机2的视觉测量范围涵盖至少一个标靶组3。该示意性实施例，细化了测量相机2的布置方式，确保所有标靶组3均位于测量相机2的视觉测量范围内。

如图3、图4所示，在一些实施例中，每一视觉测量线阵上布设有九个标靶组3，九个标靶组3沿沉管管节1的长度方向呈单排均匀布设。可以理解的是，本发明并不以此为限，本领域技术人员也可以根据实际监测需要，灵活调整每一视觉测量线阵上的标靶组3的数量和布设方式。需要说明的是，位于沉管管节1两端的两个标靶组3朝向沉管管节1内部的一面均为发光面，其余标靶组3于沉管管节1长度方向上的两面均为发光面。该示意性实施例，确保标靶组3的发光面设置满足测量相机2的测量需求。

在一些实施例中，每一视觉基线上的六台测量相机2对相应的视觉测量线阵上的九个标靶组3进行双向视觉测量。进一步说明，多个测量相机2从两个方向上对非沉管管节1两端的多个标靶组3进行视觉测量；通过这种双向视觉测量的方式，进一步提高测量相机2对标靶组3视觉测量时的结果准确性。

如图3所示，在一些实施例中，中廊道11腔底上的多台激光测距仪4一一对应邻近中廊道11腔底上的多个标靶组3的所在位置。该示意性实施例，实现激光测距仪4于中廊道11长度方向上的均匀布设，提高形变测量的广度和准确度；另外，中廊道11的激光测距仪4与标靶组3相邻近的布设方式，便于将二者的测量结果进行结合比对。

如图3所示，在一些实施例中，每一孔道12的腔底上安装有四台激光测距仪4，四台激光测距仪4沿每一孔道12的长度方向呈单排均匀布设。可以理解的是，本发明并不以此为限，本领域技术人员也可以根据实际监测需要，灵活调整每一孔道12内激光测距仪4的数量和布设方式。进一步地，每一孔道12的四台激光测距仪4中的两台分别布设于相邻水箱W1之间的孔道12区域的腔底，另两台分别布设于最外侧水箱W1与管节开口端之间的孔道12区域的腔底。该示意性实施例，实现激光测距仪4于每一孔道12长度方向上的均匀布设，提高形变测量的广度和准确度。

结合图1-图3所示，在一些实施例中，在每一孔道12的多台激光测距仪4中，一台激光测距仪4对应沉管管节1上的测量塔P3的塔底位置P3’。可以理解的是，测量塔P3的重量较大，安装于沉管管节1上表面，可能会对管节该处形状产生局部的几何形变。因而，该示意性实施例通过对应测量塔塔底位置P3’的激光测距仪4的布置，测量管节腔底F2到测量塔P3塔底对应的管节腔顶F1的相对距离，从而验证测量塔P3安装处的沉管管节1腔底到管节腔顶的相对距离变化情况。

在一些实施例中，位于沉管管节1两端的两个标靶组3均为一个单面发光的标靶；其余标靶组3均为一个双面发光的标靶或一个周向发光的标靶或由两个背对背设置的单面发光的标靶组合而成。该示意性实施例，使标靶组3的组成形式更为灵活多样。

综上所述，本发明的沉管管节形变实施监测方法，通过测量相机2、标靶组3和激光测距仪4的布置以及与测控系统的信息交互和计算，实现了集视觉测量、激光测距、边缘计算和物联网技术于一体的沉管管节形变实时监测方法，并且能够完全适用于动态环境下的形变监测；另外，包含多台测量相机2和多个标靶组3的视觉测量系统的应用，使其对沉管管节1的形变测量能够达到亚毫米级的测量精度，能够更为准确获取沉管管节形变变化发展情况，进而指导现场及时调整沉管沉放姿态，保障沉管沉放时的高精度对接，降低沉管对接施工安全风险。

最后应当说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (5)

1.沉管管节形变实时监测方法，其特征在于，用于对沉管管节在浮运、沉放和安装期间的形变情况进行实时监测，包括以下步骤：

视觉测量系统的设置，进一步包括：

视觉基线的布置：在沉管管节的中廊道的腔底和/或每一孔道的腔顶，沿所述沉管管节的长度方向安装多台测量相机；每一所述视觉基线上布设有六台测量相机，六台所述测量相机沿沉管管节的长度方向呈两排、每排三台的方式布设，每排三台所述测量相机分别位于沉管管节长度方向上的中间位置以及靠近两端的位置；两排所述测量相机的测量方向沿沉管管节的长度方向呈相反布设；

视觉测量线阵的布置：在所述中廊道的腔底和/或每一所述孔道的腔顶，沿所述沉管管节的长度方向安装多个标靶组；每一所述视觉测量线阵上布设有九个标靶组，九个所述标靶组沿沉管管节的长度方向呈单排均匀布设；位于所述沉管管节两端的两个标靶组朝向沉管管节内部的一面均为发光面，其余所述标靶组于沉管管节长度方向上的两面均为发光面；每一所述视觉基线上的六台测量相机对相应的视觉测量线阵上的九个标靶组进行双向视觉测量；

测距系统的设置：在所述中廊道的腔底以及每一所述孔道的腔底，沿所述沉管管节的长度方向安装多台激光测距仪；

形变监测，进一步包括：

管节纵向相对几何形变的监测：通过所述中廊道腔底和/或每一所述孔道腔顶上的多台测量相机对多个标靶组进行视觉测量，并将测量结果实时传输到沉管管节的测控系统中，以获取管节腔底和/或管节腔顶的纵向相对几何形变的结果；

管节腔底到管节腔顶的相对距离变化的监测：通过所述多台激光测距仪对沉管管节的管节腔底到管节腔顶的相对距离进行测量，并将测量结果实时传输到沉管管节的测控系统中，以获取管节腔底到管节腔顶的相对距离变化的结果；

管节扭曲形变的解算：所述测控系统将管节纵向相对几何形变的结果和管节腔底到管节腔顶的相对距离变化的结果结合进行边缘计算，实时解算出整个管节扭曲形变的结果，以获知所述沉管管节的形变变化发展情况。

2.根据权利要求1所述的沉管管节形变实时监测方法，其特征在于，所述中廊道腔底上的多台激光测距仪一一对应邻近中廊道腔底上的多个标靶组的所在位置。

3.根据权利要求1所述的沉管管节形变实时监测方法，其特征在于，每一所述孔道的腔底上安装有四台激光测距仪，四台所述激光测距仪沿每一孔道的长度方向呈单排均匀布设。

4.根据权利要求3所述的沉管管节形变实时监测方法，其特征在于，在每一所述孔道的多台激光测距仪中，一台所述激光测距仪对应沉管管节上的测量塔塔底位置。

5.根据权利要求1所述的沉管管节形变实时监测方法，其特征在于，位于所述沉管管节两端的两个标靶组均为一个单面发光的标靶；其余所述标靶组均为一个双面发光的标靶或一个周向发光的标靶或由两个背对背设置的单面发光的标靶组合而成。