隧道衬砌台车快速定位系统研究 倪振利 (中国铁建中铁二十二局集团第一工程有限公司,北京100043) 摘要:隧道衬砌台车快速定位系统综合激光测距和图像处理方法实现台车模板的快速定位,基本原理为:在 已成隧道洞壁内已知位置安装激光测距仪和相机,在台车上可通视位置安装点光源,通过测距和成像,计算点 光源相对于相机的空间坐标位置,得到点光源的空间位置。由于点光源和台车模板的相对位置固定,因此可 以得到台车模板的实际空间位置。将此位置信息和设计要求的位置信息比较,得到台车模板的实际控制量, 最后通过调节液压油缸的伸缩量实现台车模板的精确定位,现场测试结果满意。该定位测量系统简化了人 工干预和全站仪辅助测量的复杂工序,大大缩短了衬砌台车的定位时间,推广应用前景良好。 关键词:隧道衬砌台车;空间定位系统;激光测距;图像处理 DOI:10.13219/i.gjgyat.2014.02.008 中图分类号:U455.39文献标识码:A文章编号:1672—3953(2014)02—0025一O4 隧道二次衬砌施工中衬砌台车的定位精度决定 隧道竣工的质量,而定位速度是影响隧道二次衬砌 人工控机进行分析和处理,得到台车模板当前位置 相对于隧道设计位置的偏移量,该偏移数据通过无 施工进度的关键因素L1 ]。目前,隧道衬砌台车定 位的主要控制手段是通过专业测量人员利用全站仪 测量,配合台车操作人员的调节来实现定位,台车定 位自动化程度低,更需要专业测量人员的帮助,模板 定位误差的人为因素不可避免[3]。隧道衬砌施工有 线模块发送到台车操作人员定位测量系统终端上, 操作人员根据显示数据通过调节液压阀来实现台车 的定位。系统研发的远期目标是实现模板的自动定 位,即通过自动控制液压系统将工控机发送来的偏 移数据直接作为控制量,操作人员仅仅通过定位测 量系统终端发送测量控制的启动命令,整个测量、分 析、液控、定位、误差校核等工作全部自动完成。 时为了赶工期,施工人员甚至通过简单的放垂线的 方式确定台车模板位置,这种定位方式精度更差;同 时,台车定位过程也影响了其下方工程车辆的通行。 为了实现台车模板定位的自动化、高效率、高精度, 避免人为因素的干扰,研制一套基于计算机技术和 测量技术相结合的台车快速自动化定位系统,是目 前隧道二次衬砌保证施工质量、提高施工进度的重 要技术手段_4 ]。 I淼}== 2 关键技术 素 图1 系统设计方案简图 数字图像处理的优势在于对平面图像的高精度 分析,本系统为了保证测量分析的精度,在台车上事 先固定一对已知精确长度的参考点光源,标记模板 1 方案设计与工作原理 本研究方案采用激光测距与基于图像处理的平 面定位相结合的方法实现台车模板的空间定位。设 计方案如图l所示。其工作原理为:以隧道内已知 点作为控制点,架设激光测距仪和高分辨率长焦数 位置的点光源与参考点光源共同在数字相机中成 像,图像处理中通过滤波、边缘提取、中心定位等图 像处理算法确定模板位置点光源距离相机光轴的像 素值,根据参考点光源之间的像素值与实际距离的 比例可以得到模板位置点光源距离相机光轴的实际 字相机,在台车模板上固定点光源作为相机成像目 标,在台车上固定反光片作为激光测距仪的激光反 射靶,激光测距仪的测量数据和相机的成像信息传 收稿日期:2013—02—17 作者简介:倪振利(1968一),男,高级工程师,主要从事大型土木 空间距离。由于相机的固定位置点大地坐标已知, 相机镜头的左右旋转角度和俯仰角度已知,激光测 距仪测得相机位置点到模板的直线距离,对以上已 知参数通过设计相应的计算机处理算法,可以精确 计算出模板的实际空间位置,将该位置点信息与已 工程施工控制、施工管理工作 596502252@qq.corn 国防交通工程与技术固2014第2期 ・研究与设计・ 隧道衬砌台车快速定位系统研究 倪振利 光测距仪的相对位置,然后用该系统对台车模板进行 工程要求的许可范围内。测量误差值有正有负,说 定位,记录台车模板位置数据。为了比较测试结果的 明测量值在实际值左右范围内波动,系统相对稳定, 准确性,再用全站仪对台车模板进行位置测量。最后 偏差值没有出现发散的情况。分析误差的来源,由 将两组不同测试方法得到的模板位置数据进行比较。 于图像处理算法精度的影响,图像畸变和点光源位 表1为现场测试数据记录分析结果。测量距离 置误差均对最后的结果产生影响。另外,工业相机 从50.123 m到15.849 m,表中的测量误差是用快 的位置偏差,导致在后续的计算中累计误差增大,相 速定位系统测量值减去全站仪测量值后的结果。从 机成像过程中图像畸变产生的像素误差也会对最后 表中数据可以看出最大误差为0.024 m,误差值在 的分析结果产生影响, 表1 现场测量结果分析 m 序号 测试距离 全站仪测量数据 台车定位系统数据 测量误差 z Y z Y X差值 Y差值 50.123 一2.427 0.243 —2.403 0.236 0.024 —0.007 39.116 —2.489 0.480 —2.491 0.473 —0.002 —0.007 32.539 —0.552 0.715 —0.554 0.720 —0.002 0.005 28.367 —0.010 0.728 —0.015 0.732 —0.005 0.004 23.574 0.140 0.685 0.134 0.691 —0.006 0.006 19.264 0.224 0.680 0.219 0.675 —0.005 —0.005 15.849 0.244 0.694 0.234 0.697 —0.010 0.003 土衬砌台车结构受力分析l-J].公路,2009(7):281—285 5 结论 [2]李琴.望牛岭隧道衬砌台车的设计、安装与操作[J].湖 采用钻爆法施工的隧道衬砌工艺是决定隧道竣 南交通科技,2007,33(1):141-146 工质量的重要因素,衬砌台车快速定位系统利用光 [3]民.盾构机和衬砌环的定位测量及偏差控制体系 学成像和激光测距相结合的方法实现了台车模板空 EJ].都市快轨交通,2008,21(2):49—53 间位置的准确测量,为精确控制模板伸缩油缸的动 [4]汪伟.地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用与分析 rJ].资源环境与工程,2009,23(1):63—65 作提供了准确的控制参数。该定位测量系统一次架 [5]张世卓,王泰典,林铭郎,等.影像展开与嵌接技术在隧道 设固定后,在200 m可测范围内不需再次移动,定 检测之应用口].地下空间与工程学报,2008(4):670—675 位误差控制在30 mm以内,定位反应时间在5 S以 [63宋坤,刘锐宁,李伟明.Visual C++开发技术大全 内。该定位测量系统简化了人工干预和全站仪辅助 EM].北京:人民邮电出版社,2007 测量的复杂工序,大大缩短了衬砌台车的定位时间, I-7]张铮,王艳平,薛桂香.数字图像处理与机器视觉:Vis— 而且定位过程不影响其他工序的进行。该定位系统 ual C++与Matlab实现[M].北京:人民邮电出版社, 的研制具有广阔的推广应用前景。 2O10 参考文献 [8]Gary Bradski,Adrian Kaebler.Learning open CV[M]. State of California:0’Reilly Media,Inc.,2008 [13但淑英,刘 涛.隧道双功能全液压伸缩全自动行走混凝 A Study of the Rapid Positioning System of the Lining Trolley for Tunnels Ni Zhenli (The 1st Engineering Co.Ltd.of the 22nd Bureau Group of the Zhongtie Corporation of China,Beijing 100043,China) Abstract:The rapid positioning system of the lining trolley for tunnels combines the laser ranging and the image processing techniques tO realize the rapid positioning of the forms of the lining trolley.Its basic principles are described as follows:the la— set telemeter and the industrial camera are installed at the known positions of the internal wall of the finished cave and the point light source is set at the well-visual position of the trolley.By means of the ranging and image processing,the position of the point light source relative to the industrial camera can be decided.Since the camera location was known beforehand,the information about the positi0n of the point light SOurce can then be decided,upon the basis of which the trolley template location (上转第2O页) 国防交通工程与技术囫2014第2期 ・研究与设计・ 无砟轨道板骨料基体相的面积比率分析 张建超等 料与基体相的面积比率,存在一定偏差,在一定程度 上丰富了复合材料的磨削理论,为轨道板磨削力的 进一步研究奠定了基础,而轨道板承轨台磨削力的 研究不仅是轨道板磨削研究中的主要问题,也可促 4 结果分析 在本试验中,所观察的骨料主要是以粗骨料为 主,有些细骨料很难用肉眼观察清楚,会导致试验值 较真实值偏低;而计算得到的骨料所占比率理论值 进专用数控磨床的优化设计。 比试验值还要小。 参考文献 究其原因,有以下可能:其一,由于计算时的样 [1]周大勇.数控磨床在客运专线CRTSlI型轨道板生产中 品参数不是非常精确,从而致使理论值与真实值产 的应用[J].铁道建筑,2012(2):111-114 生一些偏差;其二,本文以二相并联为研究前提,导 [2]田冬梅.混凝土架构设计理论的研究[D].大连:大连理 致理论结果和实测结果有一定偏差,说明选取混凝 工大学,2005 土结构为并联模型,用于计算轨道板截面的骨料和 [3]中华人民共和国铁道部.科技基[2008]173号客运专线 铁路CRTSlI型板式无砟轨道混凝土轨道板(有挡肩)暂 基体相的面积比率数据存在一定误差;其三,通过试 行技术条件[S].北京:中国铁道出版社,2008 验得到的混凝土磨削面骨料与基体相的面积比值, [4]王立久,王文亮,曹明莉.混凝土结构模型研究综述EEl// 可对选取混凝土并联结构模型而计算出的结果进行 高性能混凝土的研究与应用——第五届全国高性能混凝 适当修正。 土学术交流会论文.沈阳:中国硅酸盐学会,2004:269- 5 结束语 279 [5]中华人民共和国住房与城乡建设部.JGJ55—2Oll普通 本文通过理论计算和试验分析,发现了采用并 混凝土配合比设计规程[s].北京:中国建筑工业出版社, 联结构模型来计算分析混凝土轨道板磨削平面的骨 2O】] Analysis of the Area Ratio of the Aggregate and Matrix of the Non-Ballasted Track Slab Zhang Jianchao ,Han Yanjnn , Wang Jun ,Li Yiqiangz (1.Engineering Training Center,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China; 2.College of Mechanical Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China; 3.Structural Health Monitoring and Control Institution,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China) Abstract:To ensure the high-quality and high-precision grinding of CRTSⅡnon-ballasted track stabs for the high—speed rail— way,the grinding performance of the main material——cement concrete,has to be analyzed and studied.Firstly introduced in the paper are the whole structure,machining precision and material composition of CRTSⅡnon-ballasted track slabs,and then put forward in the paper is the choice of a shunt model as a simplified model for the concrete structure,with the area ratio of the aggregate and matrix calculated.Finally,after being compared with the test and analytic results,the theoretical results may be properly revised.The research results lay a solid foundation for the further study of the grinding force of the track slab,pro~ mote the optimal design of the grinder for non-ballasted track stabs and enrich the concrete-grinding theory. Key words:non-ballasted track slab;concrete;grinding;aggregate;matrix;area ratio (下接第2 7页)in the actual space can be determined.Comparing the obtained location information with the data of the de— sign drawing of the tunnel,the actual controlling quantity for the hydraulic system can be decided.The accurate trolley template location can be achieved by means of the adjustment of the oil cylinder telescoping.The test results at the site are satisfactory. The locating—・measuring system simplifies the manual intervention and the complex processes involved in the auxiliary measure—_ ment with the total station,greatly shortening the time of the location of the lining trolley.It has very good application and pop— ularization prospects. Key words:lining trolley for tunnels;spacial positioning system;1aser ranging;image processing 国防交通工程与技术 囫 2014第2期