盾构三维姿态精密监测系统 【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，有地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。