一种盾构姿态快速解算系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及盾构姿态解算技术领域，具体是一种盾构姿态快速解算系统及方法。
【背景技术】
[0002] 地铁建设过程中常采用盾构法施工，而确定盾构机在开挖过程中的姿态是确保盾 构顺利贯通的前提。实际工程中利用支导线测量手段，通过盾构盾尾、切口实际工程坐标和 设计坐标的比较，得到盾构机的实时姿态，包括盾尾水平偏差、盾尾竖直偏差、切口水平偏 差、切口竖直偏差、横摆角、旋转角、俯仰角以及盾尾当前里程8个参数。
[0003] 国内较成熟的盾构姿态解算系统都是随着盾构机成套引进，代表性产品包括：德 国VMT公司的SLS-T系统，以全站仪激光标靶为核心装置进行姿态解算；日本ENZAN公司 的ROBOTEC系统，通过全站仪和倾斜仪采集坐标数据和角度数据进行姿态解算；日本东京 计器株式会社开发的TMG-32B系统，以陀螺仪定向进行姿态解算。这些进口装置虽然在性 能和效率方面表现良好，但是价格昂贵，且由于盾构机的核心技术、关键零部件、解算方法 高度保密，盾构机的维护和保养等都不得不依赖国外盾构制造厂商，并且需要花费大量的 时间和金钱。
[0004] 国内盾构施工中普遍还是采用人工测量的方法来控制盾构的方向。施工人员在盾 构内安装固定的前标和靠重力悬垂的后标，以及两个倾角仪，利用全站仪对前标和后标进 行定位测量，通过计算可以得到盾构的水平方位，同时通过倾角仪得到盾构的滚角和坡度 角，然后再结合前标后标在盾构内的安装尺寸，就能够计算出盾构此时的切口中心坐标和 盾尾中心坐标，将坐标值带入隧道设计轴线的算法公式中，可以推算出盾构的推进里程、切 平、切高、尾平、尾高。这种测量方法耗时耗力，测量时盾构必须停止掘进，严重影响工作效 率，而且测量结果依赖测量人员的业务素质，质量难以得到保障。
[0005] 国内多家企业和科研院所也在致力盾构姿态自动解算系统的研宄与开发，取得了 不错的成绩。进展比较快的有上海隧道股份公司和华中科技大学联合研制的盾构导向系 统，该系统和ROBOTEC原理一致，也是采用棱镜结合倾斜仪作为盾构姿态解算装置，并且已 在多条线路进行实验；上海市第二市政工程有限公司研制的盾构导向系统一一盾构之星， 也经过可行性论证，其工作原理是利用三个棱镜在盾构坐标系和工程坐标系下的对应关系 解算两者的转换参数，从而计算盾尾和切口中心空间坐标。但是，由于没有使用倾斜仪，当 三个棱镜的分布位置不是很理想时，很难保证姿态的解算精度；同济大学潘国荣教授提出 了一种基于空间几何分析的盾构姿态自动测量装置，该装置在融合了上述两种姿态解算方 法的基础上利用三棱镜数据和倾斜仪数据进行联合数据解算，支持三棱镜两角度、两棱镜 两角度以及单独三棱镜三种解算模式，具有更好的适用性。但是，该套系统在进行棱镜观测 后需要及时对观察到的棱镜进行匹配，从而根据结果选用相应的模型，这样导致全站仪搜 索棱镜的时间相对较长，不利运动中的盾构机进行姿态解算与纠正。
[0006] 当姿态解算装置需要采集多于两个棱镜的数据时，全站仪的搜索范围会随着距离 延长逐渐扩大，十分容易测错或漏侧，在姿态解算之前需要通过算法进行棱镜识别。这样导 致姿态解算的时间相对较长，不利运动中的盾构机进行实时纠偏。
[0007] 目前，国内外的盾构姿态解算系统都侧重于采用一台静止的全站仪进行采集数 据，测站一般位于管片顶部的吊篮里，单站观测距离一般在IOOm左右，距离再远棱镜就不 易观测，需要及时换观测站。对于小直径和小曲率的隧道而言，测站的观测距离不仅受前方 棱镜的影响还受后视点通视的影响，其观测距离会大幅缩短，从而增加换站的次数，每次换 站都需盾构机暂停工作。一种高速定位免换站式盾构掘进姿态实时测量方法及系统首次提 出了将测站安置在盾构机车架上，利用后方交会的方法测点测站的实时坐标，再去测量棱 镜进行姿态解算。但是当后视点相距较近时，交会出的测站坐标误差较大，影响姿态解算的 精度。
【发明内容】
[0008] 为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种盾构姿态快速解算系统及方 法，减少测站换站和搜索棱镜对盾构掘进的影响，通过快速的定位来提高盾构姿态解算精 度，保证隧道掘进顺利贯通。
[0009] 本发明是以如下技术方案实现的：一种盾构姿态快速解算方法，采用如下装置，该 装置包括一台用于采集盾构姿态位置的动态全站仪、一台用于获取测站瞬时坐标的静态全 站仪、两台用于采集盾构机姿态角度的倾斜仪、三个用于姿态解算的目标棱镜以及一个后 视棱镜；所述的动态全站仪、静态全站仪以及两台倾斜仪各自连接一分站，所述的分站通过 通讯模块连接一主站，所述的主站连接一中心计算机；所述的动态全站仪安装在盾构机身 上，所述的静态全站仪安装在隧道的顶部，所述的动态全站仪和静态全站仪的手柄上分别 安装一棱镜，棱镜中心和仪器底座中心重合；所述的后视棱镜位于静态全站仪的后方；所 述的三个目标棱镜安装在盾构机身上且不在同一平面，三个目标棱镜相互间距离差不小于 10厘米，有一个目标棱镜位于盾构机右半部，三个目标棱镜的镜面均朝向动态全站仪；两 台倾斜仪对应安装在平行于盾构机纵向轴线和横向轴线的位置；其特征在于：采用一静一 动两台全站仪进行姿态测量，静态全站仪对动态全站仪实时跟踪测量，获取测站瞬时坐标， 动态全站仪随盾构机同步运动，对三个目标棱镜进行实时快速监测，中心计算机结合倾斜 仪获取的角度数据，计算出盾构机首尾中心的工程坐标，通过与设计线路数据进行比较，得 到当前盾构机的姿态参数；具体步骤如下：
[0010] 1)中心计算机新建工程，输入起止站台名称，并明确是上行线还是下行线；
[0011] 2)中心计算机进行工程配置，输入相关参数；
[0012] 3)工业计算机设置每台全站仪和倾斜仪的通讯参数；
[0013] 4)通过无线通讯模块测试中心计算机和每台仪器是否连接成功，若是，则执行步 骤5)，若否，则返回步骤3);
[0014] 5)静态全站仪在吊篮中进行设站，输入静态测站坐标；
[0015] 6)静态全站仪进行后视定向；
[0016] 7)静态全站仪根据已知位置转向动态全站仪；
[0017] 8)静态全站仪搜索动态全站仪，若搜索成功则执行步骤9)，否则，进行换站，并返 回步骤5);
[0018] 9)静态全站仪实时测量动态全站仪的瞬时坐标并存储在中心计算机中；
[0019] 10)中心计算机通过无线电台连接动态全站仪；
[0020] 11)动态全站仪利用自动整平装置进行自动整平；
[0021] 12)动态全站仪在车体固定支架上设站，站点坐标采用步骤9)中测量结果；
[0022] 13)动态全站仪进行后视定向；
[0023] 14)人工判断此次观测是否第一次，若是，则人工依次照准三个目标棱镜并进行测 量，结果保存在学习文件中，否则执行步骤15);
[0024] 15)从学习文件中读取目标棱镜位置，并反算出棱镜测量时需要的旋转角度；
[0025] 16)动态全站仪按学习文件算出的旋转角度进行搜索棱镜并照准；
[0026] 17)动态全站仪对目标棱镜进行测量，并将测得棱镜坐标存入学习文件中；
[0027] 18)动态全站仪获取当前倾斜仪数据；
[0028] 19)中心计算机根据三个棱镜坐标和两个倾斜仪数据进行姿态解算；
[0029] 20)中心计算机将求出的最新姿态参数进行形象化显示。
[0030] 一种盾构姿态快速解算方法，其特征在于：姿态解算步骤如下：
[0031] 1)中心计算机获取动态全站仪测量得到的3个目标棱镜在工程坐标系下的坐