CN1584290A - 盾构三维姿态精密监测系统 - Google Patents
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Abstract
一种盾构三维姿态精密监测系统，用于隧道施工领域。包括：计算机、动态站全站仪、两只信号控制箱、自动归平基座、电源、通讯电缆、固定站全站仪、后视棱镜，计算机通过通讯电缆与第一信号控制箱一端连接，第一信号控制箱另一端一方面连接动态站全站仪，另一方面串联到第二只信号控制箱，第二只信号控制箱另一端与固定站全站仪连接，两只信号控制箱都连接到电源，动态站全站仪设置在自动归平基座上，自动归平基座通过第一信号控制箱与电源连接，固定站全站仪、后视棱镜成基准线。本发明构成简单，精度高，两台全站仪的两级传导方式解决了在弯道处推进时不能很好适应的缺点，选点的较大任意性使点位设置简单方便，系统能智能化调整运行状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动化监测系统，具体是一种，对盾构机空间姿态直接进行确定的盾构三维姿态精密监测系统。用于隧道施工领域。
背景技术
确定盾构机在掘进施工中的姿态，历来是隧道工程中的关键技术之一，目前在国际国内有数种盾构姿态监测系统在施工中应用。
经检索发现，具有代表性的是由英国ZED公司生产的ZED261盾构姿态测试仪，这是一种实时盾构机掘进导向系统。刘骏发表的文章“地铁盾构机掘进导向系统(
www.stec.net/stectech/xis-1114.htm)”，该文介绍了ZED261盾构姿态测试仪的硬件构成、工作原理、定位方法、技术性能等，它由六大部分组成：1)小型终端机、2)控制单元、3)分配箱、4)倾斜(传感器)单元、5)目标单元、6)全站仪与激光枪。其工作原理是：激光束通过前部透明屏幕进入目标单元(部分散射)，部分光击中安装在单元底部和侧面的传感器，传感器可以探测光束进入屏幕时的位置；其余的光束通过透镜到达安装在轴心上的传感器，此传感器装在单元的后部，用来测量光束的倾角。后部的传感器与前部透明屏幕距离较大。因此，如果激光束很弱或因距离长而显著衰减，就会造成读数不精确。从传感器出来的信号被转换成电子信号，并通过单元后部的电缆输入到控制单元。该测试仪构成中有4个倾斜单元。陀螺方向控制仪依靠的是方向感知感应器。
由于开发原理的差别和依托的设备选型特点，使得上述系统构成偏于复杂、成本很高；另有一些系统(如：陀螺仪方向控制系统)功能单一、精度偏低。这些系统在运行上是稳定的，但除上述问题之外尚有欠缺和不足：其一，它们的维护量均很大，而且其系统从不同设备(仪器和传感器)获得的数据相互之间匹配性不够强，有的测量要素精度不够高；其二，对于隧道急曲线转向时适应性不好，不能自动调变；其三，也有的采用累积计算里程而使其误差偏大。再者，引进的国外姿态监测设备价格高昂，掌握不易，在实际应用中对操作人员要求很高。上述种种原因，造成了自动姿态监测难以推广使用的局面。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的不足和缺陷，提供一种盾构三维姿态精密监测系统，使其不依靠测倾和测斜装置，故而也省去了对它们的连接。包括千斤顶行程传感器也可免用(与其无关)。也就是说，本发明在数据采集装置、方式、方法等方面与其它系统不同，这里采用空间几何直接定位的方式，是一种新的隧道盾构掘进机(刚体)姿态测量系统，在得到结果的方式方法和手段上，是完全独立的、是简捷而有效的。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：计算机、动态站全站仪、两只信号控制箱、自动归平基座、电源、通讯电缆、固定站全站仪、后视棱镜，其连接关系为：计算机通过通讯电缆与第一信号控制箱一端连接，第一信号控制箱的另一端一方面连接动态站全站仪，另一方面串联到第二只信号控制箱，第二只信号控制箱另一端与固定站全站仪连接，两只信号控制箱都连接到电源，动态站全站仪设置在自动归平基座上，自动归平基座通过第一信号控制箱与电源连接。后视棱镜单独设置，固定站全站仪、后视棱镜成基准线。
计算机是系统控制部分的主体，发出的控制指令通过电缆的直接连接到达信号控制箱，并且由第一只信号控制箱串联连接到第二只信号控制箱。两信号控制箱均接到电源，在为动态站全站仪和自动归平基座提供电源的同时，也将计算机的控制指令送达动态站全站仪。计算机、动态站全站仪、两只信号控制箱之间的通讯方式为半双工和RS-232标准九针串口。
计算机可以是专为配置本系统运行的工业控制计算机，也可以是盾构机操作控制系统的计算机，本发明工作在隧道环境，工况条件较差，推荐使用IPC工业控制计算机完成系统控制，对于起监视和数据与指令处理的计算机：满足防震动、抗潮湿、耐高低温(50℃)等要求。最低配置不低于：
——VGA显示器、102键盘、鼠标
——Pentium-MMX233MHz处理器(CPU)
——32M以上内存
——5G硬盘空间
——PCI和ISA扩展槽各一个
——COM1、COM2串行口
作为系统可选，优选推荐CONTECIPC-RT/L600S和研华AWS8259工业控制计算机，能在震动状态、5℃～50℃及低于80％湿度环境中正常运行。
系统控制部分完成数据与相关信息的输入、输出与观测结果的分析处理和显示，也包括运行动作的指令发出等。
信号控制箱、通讯电缆构成本发明的通讯组件，担负计算机与动态站全站仪之间数据(指令)的传输。
动态站全站仪、固定站全站仪和自动归平基座构成本发明的自动测量工作站，动态站全站仪、固定站全站仪担负来自计算机遥控指令任务的具体操作、完成目标点(盾构机特征点)测定，自动归平基座作为辅助部件，确保动态站全站仪、固定站全站仪正常工作状态(仪器竖轴铅直)。
自动测量工作站是系统测量动作的执行者。动态站全站仪、固定站全站仪是自动测量工作站的主体，作为当前同业中技术最为先进的徕卡品牌，选用TCA1800全站仪(俗称测量机器人)不仅功能上满足自动搜索、自动照准、自动测量以及遥控通讯的能力要求，而且在防水、防震、耐高低温等方面表现出优良性能。
本发明安装时，第一项安装工作，即安置自动测量工作站，包括固定站全站仪与同步跟进的动态站全站仪，以及设置供动态站全站仪、固定站全站仪观测的基准点棱镜和盾构机上三个目标点P1、P2、P3。它们选位和安装的原则是尽可能避免运行中环境对其干扰(如视线阻挡等)。尤其是动态站全站仪的安置，其仪器的基座是自动归平式，以便在同步动态跟进过程中确保仪器时刻处于归平的工作状态。第二项安装工作，即把动态站全站仪、固定站全站仪与计算机之间连接构成通信链路。通讯电缆采用20芯DYZ-RVV防水通信缆；信号控制箱为专用设备，它不仅完成通信任务，还为动态站全站仪和自动归平基座提供稳压电源。
本发明使用220V的交流照明电源。从计算机到每一仪器均需220V电流供给。必须安装专用供电线路，电源电压稳定，并配有相应的保险设备和接插头。
本发明系统的测量方法和原理是，以固定站全站仪与基准点棱镜为固定边作为基线，按支导线形式由固定站全站仪测得动态站全站仪的坐标，再由动态站全站仪测定盾构机上三目标点P1、P2、P3的坐标。
在运行过程中，动态站全站仪随盾构前行，渐渐远离固定站全站仪，其通信电缆要逐节放出。当相距接近限值时，固定站全站仪向前迁站，同时收起部分通信缆。这样的放缆收缆工作会随着盾构的推进不断重复。
安装要求与注意事项：1)、在基准点棱镜和固定站全站仪必须稳定，不得有任何松动。2)、动态站全站仪安装在车架顶上，考虑能在一定范围内移动为原则设定其具体位置。3)、计算机安装在操作室内，盾构司机从屏幕上一目了然当前盾构机的姿态信息。
本发明系统的创新点有以下几方面：1)、硬件构成简单：动态站全站仪、固定站全站仪完成全部测量数据的采集，不需要其它的辅助，维护简便。2)、动态同步跟进：运行方式上依靠全站仪的高级功能，两台全站仪的两级传导方式解决了其他系统(激光指向式)在弯道处推进时不能很好适应的缺点。3)、盾构机(刚体)三点空间定位：几何原理严密准确，选点的较大任意性使点位设置简单方便。4)、理论方法新：向量法直接得出盾构机刚体的空间姿态，六个自由度高精度全部同时给出。5)、智能化运行：对遇到视线障碍、怠速(停止)推进等不同工况，系统将调整运行状态，报告系统运行情况并适当延迟监测频度。
采用本发明能为盾构推进施工带来很多好处：首先，替代价格高昂的进口设备，且操作维护很简便；其次，为达到信息化施工、科学化管理提供了支持要素；再者，系统不仅提供了连续准确的施工状态信息，达到高级专业人员水平，同时替代了大部分隧道内姿态观测人工作业，这也体现了以人为本的精神。另外，系统所提供数据的精度比人工测量结果提高一个量级，达到2毫米以内。
附图说明
图1为本发明结构示意图
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：计算机1、动态站全站仪2、信号控制箱3、8自动归平基座4、电源5、通讯电缆6、固定站全站仪7、后视棱镜9，其连接关系为：计算机1通过通讯电缆6与号控制箱3一端连接，号控制箱3的另一端一方面连接动态站全站仪2，另一方面串联到信号控制箱8，信号控制箱8另一端与固定站全站仪7连接，两只信号控制箱3、8都连接到电源5，动态站全站仪2设置在自动归平基座4上，自动归平基座4通过信号控制箱3与电源5连接。后视棱镜9单独设置，固定站全站仪7、后视棱镜9成基准线。
计算机1是工业控制计算机，或者是盾构机操作控制系统的计算机，推荐使用IPC工业控制计算机，优选推荐CONTECIPC-RT/L600S和研华AWS8259工业控制计算机。
计算机1、动态站全站仪2、信号控制箱3、8之间的通讯方式为半双工和RS-232标准九针串口。
动态站全站仪2、固定站全站仪7选用瑞士徕卡TCA1800全站仪。
通讯电缆6采用20芯DYZ-RVV防水通信缆。
信号控制箱3同时为全站仪2和自动归平基座4提供稳压电源。
使用时，动态站全站仪2设置在车架顶上，随其同步前行，计算机1设置在盾构机操作室内。
后视棱镜9与固定站全站仪7、固定站全站仪7与动态站全站仪2、动态站全站仪2与盾构机上三目标点P1、P2、P3保持视线通视良好。
Claims (4)
1、一种盾构三维姿态精密监测系统，包括：计算机(1)、电源(5)、固定站全站仪(7)，其特征在于，还包括：动态站全站仪(2)、信号控制箱(3、8)、自动归平基座(4)、通讯电缆(6)、后视棱镜(9)，其连接关系为：计算机(1)通过通讯电缆(6)与号控制箱(3)一端连接，号控制箱(3)的另一端一方面连接动态站全站仪(2)，另一方面串联到信号控制箱(8)，信号控制箱(8)另一端与固定站全站仪(7)连接，两只信号控制箱(3、8)都连接到电源(5)，动态站全站仪(2)设置在自动归平基座(4)上，自动归平基座(4)通过信号控制箱(3)与电源(5)连接，后视棱镜(9)单独设置，(7、9)构成基准线。
2、根据权利要求1所述的盾构三维姿态精密监测系统，其特征是，计算机(1)、动态站全站仪(2)、信号控制箱(3、8)之间的通讯方式为半双工和RS-232标准九针串口。
3、根据权利要求1或2所述的盾构三维姿态精密监测系统，其特征是，使用时，动态站全站仪(2)设置在车架顶上，计算机(1)设置在盾构机操作室内。
4、根据权利要求1或2所述的盾构三维姿态精密监测系统，其特征是，信号控制箱(3)为动态站全站仪(2)和自动归平基座(4)提供稳压电源。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100505 |