沉井下沉姿态实时观测播报方法技术

本发明专利技术公开了一种基于沉井下沉姿态实时观测播报系统的观测播报方法，系统包括设置在沉井施工现场的观测系统和第一传输系统，及设置在中控室内的处理系统和第二传输系统；观测系统包括多台沉井棱镜、至少两台控制点棱镜、全站仪和服务器；观测播报方法为通过控制点棱镜实现定向和观测误差确认，通过多台沉井棱镜获得沉井刃脚顶点坐标以模拟沉井下沉姿态变化，在沉井过程中持续观测沉井的下沉过程中的实时状态以及终沉状态是否存在异常；该沉井下沉姿态实时观测播报系统及其观测播报方法实现在沉井下沉过程中对沉井三维坐标进行实时、精确测量和定位，大幅提高了沉实时姿态及终沉姿态的观测效率及精度，从而实现沉井下沉姿态实时观测定位和模拟。实时观测定位和模拟。实时观测定位和模拟。

【技术实现步骤摘要】
沉井下沉姿态实时观测播报方法


[0001]本专利技术涉及市政工程
，特别涉及一种沉井下沉姿态实时观测播报方法。

技术介绍

[0002]沉井是井筒状的结构物，它是以井内取土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底，形成基础或泵房结构。沉井按平面形状可分为圆形沉井、矩形沉井、圆端形沉井，其中矩形沉井与上部结构适应性好，模板制作简单，但边角土不易挖除，下沉易产生倾斜。随着沉井技术的日益成熟，沉井规模及平面面积也越来越大，沉井受力越来越复杂，基底土相对不均匀性越来越多，对沉井的下沉控制精度提出了越来越高的要求。
[0003]已公开专利CN112814011B公开了一种超大型沉井基础施工监测系统及基于该监测系统的施工调控方法，包括确定沉井监测测点、提出全面自动监测结合辅助校核的复合测试、指出沉井对应的指标内容、在监测指标的基础上建立全新的评判体系并根据检核异常状态、针对异常状态的调整措施。该专利技术的有益效果是：构建了沉井自动采集和人工校核相结合的沉井施工数据采集方法，避免了自动监测异常数据干扰沉井状态评判；在沉井监测内容基础上构建反应沉井施工状态的结构应力、几何姿态和控制参数状态指标体系及多级状态等级，状态评估模块根据阈值等级自动判断沉井施工状态，发出对应警示同时，给出针对性的调控方法，克服现有监控技术中监控数据难以准确判断沉井施工状态的缺陷。其不足是自动化监测水平不高，仍需人工辅助校核。
[0004]已公开专利CN111622252B公开了一种大型沉井施工全过程智能控制系统及控制方法，包括：实时信息采集模块、数据处理模块、综合预警模块、智能决策模块、PLC设备控制模块和控制系统客户端；所述实时信息采集模块和PLC设备控制模块安装于沉井结构上；所述数据处理模块、综合预警模块、智能决策模块均集成于集成服务器上；该专利技术对沉井各个施工阶段的重要参数进行监测，以及时掌握沉井结构内部应力及整体稳定性，根据实时监测数据分析结果动态控制施工现场设备调整沉井姿态，从而为安全施工提供预警信息，确保基础施工顺利进行，达到指导施工和反馈设计的目的，但不足是仅列出监测及控制指标要求，未给出实质的监测实施方案。
[0005]基于上述现有技术存在的缺陷，有必要设计并开发出一种能够实现沉井实时下沉姿态观测并根据沉井实时下沉姿态变化对异常情况进行报警的观测播报系统及相应的观测播报方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种能够对沉井实时下沉姿态进行准确观测并播报实时下沉姿态是否存在异常的沉井下沉姿态实时观测播报方法。
[0007]为此，本专利技术技术方案如下：一种沉井下沉姿态实时观测播报方法，该方法基于沉井下沉姿态实时观测播报系
统实现。
[0008]沉井下沉姿态实时观测播报系统包括设置在沉井施工现场的观测系统和第一传输系统，以及设置在中控室内的处理系统和第二传输系统。
[0009]观测系统包括若干台沉井棱镜、至少两台控制点棱镜、一台全站仪和一台服务器；其中，若干台沉井棱镜沿周向均布设置在沉井的顶部边沿处；沉井棱镜的数量与沉井的尺寸和形状相适应，使其能够基于沉井棱镜的设置点位获得能够实现模拟沉井下沉姿态变化的目的；例如：当沉井的径向截面为方形时，沉井棱镜的数量至少为四个，且四个沉井棱镜分别设置在沉井顶部的四个顶角处；而当沉井的尺寸较大时，则沉井棱镜的数量多于四个，除了沉井顶部的四个顶角处各设置一个以外，同时还在沉井顶部每相邻两个顶角之间的沉井边沿处居中设置一个或均布设置至少两个；而当沉井的径向截面为圆形时，多个沉井棱镜沿圆周方向均布设置在沉井顶部边沿处；另外，当沉井局部设有需要进行特殊监测的部位时，则同时还需要在特殊监测的部位处增设一个沉井棱镜；由于沉井下沉过程中，沉井的平面位置及高程均会发生变化，因此，沉井棱镜均采用360
°
棱镜，以保证全站仪始终可以照准棱镜中心；至少两台控制点棱镜间隔设置在沉井区域外的稳固基点上；稳固基点应为不受沉井下沉影响点位，即沉井过程中，稳固基点不会发生下沉；控制点棱镜由于平面位置及高程均不会发生变化，因此，控制点棱镜可以采用360
°
棱镜，也可以采用圆棱镜；但是，需要注意的是，全站仪在照准不同种类棱镜时，需设置相应的棱镜常数，棱镜常数可在徕卡全站仪配置中查询到对于各种棱镜常数的默认值；也可以手动输入棱镜常数；或在沉井下沉监测系统中选择照准的棱镜或反射片，系统中也有默认的棱镜常数；例如：360
°
棱镜常数为+23.1mm；徕卡GPR1圆棱镜常数为0；对于徕卡GPR1圆棱镜来说，它的常数为0，若输入棱镜常数为
‑
30.4mm，则距离就会产生30.4mm的误差；全站仪设置在一呈水平设置的监测平台上，其设置位置能够满足观测并读取到至少两个控制点棱镜以及至少三个沉井棱镜的位置坐标和标高；其中，监测平台应为建造稳固牢靠并不受沉井下沉影响的平台，即沉井过程中，监测平台一般不会发生下沉；全站仪的测角范围为0
‑
360
°
，角度精确度0.5
″
；全站仪的平面位置及高程测量范围为0.9
‑
3500m，精确度为固定误差0.6mm，每公里+1mm的修正误差；服务器设置在全站仪邻侧，并与全站仪连接；服务器用于接收全站仪获取的数据，具体地，服务器采用串口服务器，其上配置的多个串口能够使其接入不同类型的设备（如宽带路由器）、传感器等；同样地，处理系统中设置的设备同时预留有相匹配的数据端口，进一步使本系统功能多样化；处理系统包括处理器和与处理器连接的显示器；第一传输系统与第二传输系统之间采用无线传输的方式连接，使与第一传输系统连接的观测系统和与第二传输系统连接的处理系统之间实现数据交互。
[0010]进一步地，第一传输系统包括宽带路由器和发射无线AP；第二传输系统包括接收无线AP；服务器、宽带路由器和发射无线AP依次通过数据传输线连接；接收无线AP与处理器连接；发射无线AP与接收无线AP之间通过无线网络实现数据传输。
[0011]在具体实施过程中，若沉井施工地点与中心控制室相距较远，则可以通过在发射无线AP和/或接收无线AP处增设信号放大器实现远距离的无线数据传输；发射无线AP负责发送全站仪采集的数据；发送无线AP与接收无线AP信号相匹配；接收无线AP收集全站仪发送的数据并输送给处理器；接收无线AP还可用于与其他移动设备连接，如平板电脑、笔记本电脑等，以同步进行沉井下沉姿态实时观测。
[0012]进一步地，全站仪设置在沉井与控制点棱镜之间，其设置位置满足其在整个沉井过程中能够读取到至少两个控制点棱镜和至少三个沉井棱镜的坐标信息。
[0013]一种基于上述沉井下沉姿态实时观测播报系统实现的沉井下沉姿态实时观测播报方法，具体步骤如下：S1、确定工程坐标系和高程基准，并利用第一控制点棱镜完成全站仪的设站定向；S2、构建沉井坐标系，获得各沉井棱镜参照点在沉井坐标系下的坐标、以及与各沉井棱镜对应的沉井刃脚顶点的坐标；沉井棱镜参本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种沉井下沉姿态实时观测播报方法，其特征在于，该方法基于沉井下沉姿态实时观测播报系统实现，其中，沉井下沉姿态实时观测播报系统包括设置在沉井施工现场的观测系统和第一传输系统，以及设置在中控室内的处理系统和第二传输系统；其中，观测系统包括若干台沉井棱镜、至少两台控制点棱镜、一台全站仪和一台服务器；若干台沉井棱镜沿周向均布设置在沉井的顶部边沿处；沉井棱镜均采用360
°
棱镜，以保证全站仪始终可以照准棱镜中心；至少两台控制点棱镜间隔设置在沉井区域外的稳固基点上；控制点棱镜采用360
°
棱镜或圆棱镜；全站仪设置在一呈水平设置的监测平台上，其设置位置能够满足观测并读取到至少两个控制点棱镜以及至少三个沉井棱镜的位置坐标和标高；服务器设置在全站仪邻侧，并与全站仪连接，以接收全站仪获取的数据；处理系统包括处理器和与处理器连接的显示器；第一传输系统与第二传输系统之间采用无线传输的方式连接，使与第一传输系统连接的服务器和与第二传输系统连接的处理系统之间实现数据交互；采用沉井下沉姿态实时观测播报系统实现的沉井下沉姿态实时观测播报方法的步骤如下：S1、确定工程坐标系和高程基准，并利用第一控制点棱镜完成全站仪的设站定向；S2、构建沉井坐标系，获得各沉井棱镜参照点在沉井坐标系下的坐标、以及与各沉井棱镜对应的沉井刃脚顶点的坐标；沉井棱镜参照点具体选取沉井棱镜的中心点或沉井棱镜的安装点；S3、构建沉井坐标系与工程坐标系之间的动态变换模型，以获得沉井坐标系与工程坐标系之间的实时转换关系；构建工程坐标系与沉井坐标系之间动态变换模型，其表达式为：，式中， 为该点在工程坐标系下的坐标， 为任一点在沉井坐标系下的坐标，为沉井坐标系的原点在工程坐标系下的坐标；为绕Z轴的旋转矩阵，，为沉井坐标系的Z轴转动至与工程坐标系的Z轴重合的旋转角
度；为绕Y轴的旋转矩阵，，为沉井坐标系的Y轴转动至与工程坐标系的X轴重合的旋转角度；为绕X轴的旋转矩阵，，为沉井坐标系的Z轴转动至与工程坐标系的Z轴重合的旋转角度；根据工程坐标系与沉井坐标系之间动态变换模型的表达式，可以确定：这六个变量为沉井实时姿态的关键模型参数；采用线性迭代最小二乘法求解得到沉井实时姿态的关键模型参数，其线性迭代求取公式为：，其中，的函数；X为未知数向量，；为线性迭代计算过程中待求解参数的增量，；V表示残差矩阵，V T
表示残差矩阵V的转置，V的表达式为：，，在上两式中，由于模型计算需要至少三个沉井棱镜，即i=1, 2,
…
, n，n≥3；(x
Gi
, y
Gi
, z
Gi
)为第i个沉井棱镜参照点在工程坐标系下的坐标，(x
Ci
, y
Ci
, z
Ci
)为第i个沉井棱镜参照点在沉井坐标系下的坐标；在上述线性迭代计算中，设置线性迭代计算的初值为：
，式中，arctan2(y
Gj
‑ꢀ
y
Gi
, x
Gj
–ꢀ
x
Gi
)为工程坐标系下第i沉井棱镜至第j沉井棱镜的方位角，arctan2(y
Cj
‑ꢀ
y
Ci
, x
Cj
–ꢀ
x
Ci
)为沉井坐标系下第i沉井棱镜至第j沉井棱镜的方位角；(x
Gi
, y
Gi
, z
Gi
)、(x
G j
, y
G j
, z
G j
)分别为第i沉井棱镜参照点、第j沉井棱镜参照点在工程坐标系下的实时坐标，(x
Ci
, y
Ci
, z
Ci
)、(x
C j
, y
C j
, z
C j
) 分别为第i沉井棱镜参参照点、第j沉井棱镜参照点在沉井坐标系下的坐标；其中，第i沉井棱镜和第j沉井棱镜为两个相邻的沉井棱镜；在上述线性迭代计算中，设置线性迭代计算的迭代停止条件为：当迭代计算得到中每个元素的绝对值都小于一个给定的微小数值；进而，基于线性迭代初始值，将各沉井棱镜在工程坐标系下的实时坐标代入至上述线性迭代求取公式中，即可求出，而作为下一次迭代计算的待求参数近似值；通过不断线性迭代计算出新的待求解参数的增量，直至待求解参数的增量达到迭代停止条件为止；更新的计算结果，即为的最优解；将由步骤S303得到的的最优解代入步骤S301构建的工程坐标系与沉井坐标系之间动态变换模型中，即得到工程坐标系与沉井坐标系之间的当前坐标转换关系式；S4、在沉井过程中，基于间隔观测时间T，持续观测各沉井棱镜参照点在工程坐标系下的实时坐标，以获得各刃脚顶点在工程坐标系下的实时坐标，进而判断沉井的实时下沉状态是否存在异常；S5、沉井终沉后，观测各沉井棱镜参照点在工程坐标系下的终沉坐标，以获得各刃脚顶点在工程坐标系下的终沉坐标，进而判断沉井的终沉状态是否存在异常。2.根据权利要求1所述的沉井下沉姿态实时观测播报方法，其特征在于，第一传输系统包括宽带路由器和发射无线AP，服务器、宽带路由器和发射无线AP依次通过数据传输线连接；第二传输系统包括接收无线AP，接收无线AP与处理器连接。3.根据权利要求1所述的沉井下沉姿态实时观测播报方法，其特征在于，全站仪设置在沉井与控制点棱镜之间，其设置位置满足其在整个沉井过程中能够读取到至少两个控制点棱镜和至少三个沉井棱镜的坐标信息。4.根据权利要求1所述的沉井下沉姿态实时观测播报方法，其特征在于，步骤S1的具体实施步骤如下：S101、确定沉井施工的工程坐标系和高程基准；S102、基于工程坐标系，分别获得第一控制点棱镜安装点、第二控制点棱镜安装点、以及全站仪设站点在工程坐标系下的坐标；S103、基于高程基准，分别获得第一控制点棱镜安装点、第二控制点棱镜安装点...

【专利技术属性】
技术研发人员：米刘芳，陆阳，丁文智，陈强，栾涛，司小雷，魏巍，孙志杰，王鑫，刘佳航，田欣，毕海洋，张家瑞，周龙，王志远，王家齐，赵探，易振，
申请(专利权)人：曹妃甸新天液化天然气有限公司天津港滨科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：