地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)

地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)1系統(tǒng)的構(gòu)成地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)是由英國(guó)ZED公司生產(chǎn)的ZED261盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)試儀和自行研究開發(fā)的數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)組成。集測(cè)量、儀器儀表和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)、與隧道設(shè)計(jì)軸線偏離進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量的功能，測(cè)量所得的數(shù)據(jù)由后位工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；向施工人員提供實(shí)時(shí)圖控界面、數(shù)據(jù)查詢手段和參數(shù)設(shè)置等友好的人機(jī)交換界面。(1)ZED261盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)試儀的構(gòu)成ZED261盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)試儀是ZED公司生產(chǎn)的、專門用于隧道掘進(jìn)過程中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的姿態(tài)和偏離設(shè)計(jì)軸線數(shù)據(jù)的儀器。1986年曾被授于英國(guó)技術(shù)成果女皇獎(jiǎng)，成功地應(yīng)用在英法海峽隧道的施工中，創(chuàng)掘進(jìn)隧道80km偏差50mm的紀(jì)錄。它由目標(biāo)單元、傾斜單元、控制單元、激光槍、小型終端機(jī)和分配箱等六部分組成，見圖1。圖1ZED261盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)試儀的構(gòu)成①目標(biāo)單元目標(biāo)單元是個(gè)具有透明屏幕的長(zhǎng)方形盒子，在一端有用于連接電纜的插座。它用來接收激光信號(hào)，能測(cè)量激光束照射在其靶面上的位置和入射角度。一般目標(biāo)單元安裝在盾構(gòu)前部的托架上，可以每50mm間距水平移動(dòng)，也可以3°的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，因此能覆蓋更大的目標(biāo)區(qū)域。其工作原理為：激光束通過前部透明屏幕進(jìn)入目標(biāo)單元(部分散射)，部分光擊中安裝在單元底部和側(cè)面的傳感器，傳感器可以探測(cè)光束進(jìn)入屏幕時(shí)的位置；其余的光束通過透鏡到達(dá)安裝在軸心上的傳感器，此傳感器裝在單元的后部，用來測(cè)量光束的傾角。后部的傳感器與前部透明屏幕距離較大。因此，如果激光束很弱，就會(huì)造成讀數(shù)不精確。從傳感器出來的信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，并通過單元后部的電纜輸入到控制單元。②傾斜單元傾斜單元內(nèi)裝有兩只高穩(wěn)定性、彼此成90°的傳感器。傳感器利用鐘擺重錘原理，測(cè)量重錘相對(duì)于重力的角度，然后轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)(脈沖信號(hào))，送入控制單元進(jìn)行計(jì)算。兩只傳感器分別測(cè)量滾動(dòng)角(繞盾構(gòu)主軸的旋轉(zhuǎn))和俯仰角(在垂直面中的旋轉(zhuǎn))。移動(dòng)范圍為±30mm/m以上，精度達(dá)0.5mm/m以上。長(zhǎng)方體的傾斜單元應(yīng)固定在目標(biāo)單元附近。③分配箱分配箱是系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的單元。它有兩個(gè)功能：連接目標(biāo)單元與傾斜單元的信號(hào)，并使信號(hào)輸入到控制單元；向目標(biāo)單元和傾斜單元提供電源。④控制單元控制單元是系統(tǒng)的中央"大腦"和記憶中樞，所有各單元提供的信息，都由控制單元來進(jìn)行處理、計(jì)算和儲(chǔ)存，決定系統(tǒng)如何運(yùn)轉(zhuǎn)的控制軟件把各信息計(jì)算后的結(jié)果顯示在屏幕上，數(shù)據(jù)可通過顯示屏幕下面的按鈕來選擇，各項(xiàng)控制參數(shù)和修改參數(shù)也可用KEY鑰匙鈕打開輸入口后輸入。⑤小型終端小型終端是一種類似于手提計(jì)算機(jī)的裝置，它具有以下功能：輸入和儲(chǔ)存設(shè)計(jì)軸線參數(shù)(DTA表)、激光槍的坐標(biāo)參數(shù)；對(duì)控制單元進(jìn)行一系列的檢測(cè)；與下位控制單元和上位工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信；能接收上位工業(yè)計(jì)算機(jī)上編制的設(shè)計(jì)軸線DTA表參數(shù)。(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由通信接口、實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集管理三大模塊組成，主要完成與ZED261的數(shù)據(jù)交換。①通信接口模塊通信接口模塊是數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的前向通道，采用ZED261系統(tǒng)的通信協(xié)議和通信規(guī)約，經(jīng)ZED261控制單元的通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)時(shí)刷新各項(xiàng)所需數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)緩存區(qū)，再以DDE方式向后續(xù)模塊提供各項(xiàng)數(shù)據(jù)。由于ZED261通信限定為RS-232C/9600波特(單工)方式，所以數(shù)據(jù)刷新周期為30S。②實(shí)時(shí)圖控模塊實(shí)時(shí)圖控模塊把實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)以圖形方式顯示在計(jì)算機(jī)各界面上，有實(shí)時(shí)測(cè)量、姿態(tài)測(cè)量、系統(tǒng)檢測(cè)等界面。其主要功能有：盾構(gòu)的姿態(tài)顯示、系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)，以及完成對(duì)其它功能模塊的協(xié)調(diào)。·實(shí)時(shí)測(cè)量界面：實(shí)時(shí)測(cè)量界面以圖形方式表示ZED261盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)試儀所測(cè)得的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，其中有盾構(gòu)的現(xiàn)在位置和預(yù)測(cè)位置，游標(biāo)方式顯示盾構(gòu)的坡度值以及滾動(dòng)角的當(dāng)前值，同時(shí)界面上還用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線表示滾動(dòng)角和俯仰角連續(xù)變化的實(shí)況。·盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)試界面：盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)試界面以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線方式顯示了盾構(gòu)從前段時(shí)間直到當(dāng)前對(duì)于設(shè)計(jì)軸線的偏離情況，從兩個(gè)方面描述了盾構(gòu)的位置實(shí)況(水平面和垂直面)；另外也以圖象方式顯示了盾構(gòu)的姿態(tài)；滾動(dòng)角和俯仰角，整個(gè)界面具有動(dòng)畫效果，可以讓人對(duì)盾構(gòu)目前的姿態(tài)以及推進(jìn)的情況有一個(gè)直觀的了解。·系統(tǒng)檢測(cè)界面：系統(tǒng)檢測(cè)界面主要用于檢測(cè)ZED261盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)量?jī)x本身的性能，以保證整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。界面顯示出激光束照射在目標(biāo)單元前部透明屏幕上的位置，同時(shí)也用游標(biāo)方式顯示盾構(gòu)的滾動(dòng)角、俯仰角及相應(yīng)參數(shù)值。界面上還用實(shí)時(shí)圖形方式顯示出激光槍到目標(biāo)單元的一個(gè)組合畫面，這樣可讓操作人員了解整個(gè)ZED261盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)量?jī)x的目前狀況。③數(shù)據(jù)管理模塊數(shù)據(jù)管理模塊要實(shí)現(xiàn)與通信模塊的數(shù)據(jù)通信；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定時(shí)采集；對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行建庫、查找、打印等，具有以下功能：·測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)表功能：把測(cè)量結(jié)果以報(bào)表形式顯示并打印輸出，可對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行查看，也能輸出特定某一環(huán)的測(cè)量報(bào)表·測(cè)量數(shù)據(jù)管理功能：對(duì)系統(tǒng)采集的各環(huán)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行查找，有單環(huán)數(shù)據(jù)的查找和環(huán)間數(shù)據(jù)的查找，查找結(jié)果可是數(shù)據(jù)報(bào)表或是數(shù)據(jù)曲線；在環(huán)間查找中可選擇目標(biāo)的現(xiàn)在位置、目標(biāo)的預(yù)測(cè)位置或目標(biāo)單元屏幕上當(dāng)前激光照射位置的數(shù)據(jù)等?！y(cè)量參數(shù)管理功能：測(cè)量參數(shù)管理功能是完成對(duì)各項(xiàng)測(cè)量參數(shù)包括本地鐵工程的設(shè)計(jì)軸線坐標(biāo)參數(shù)、測(cè)量實(shí)際結(jié)果參數(shù)、測(cè)量修正參數(shù)等的管理?！は到y(tǒng)通信檢測(cè)功能：從模塊界面上可以清晰地了解到"數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)"和ZED261系統(tǒng)之間實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的通信和數(shù)據(jù)交換的情況。2系統(tǒng)的工作原理(1)ZED261盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)量?jī)x工作原理當(dāng)盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)處于某一位置(N、N+1之間)，以掘進(jìn)距離和激光槍的坐標(biāo)點(diǎn)為基點(diǎn)，計(jì)算出目標(biāo)單元的目前坐標(biāo)點(diǎn)M，見圖2、圖3。NM=NA+ΔNEm=EA+ΔEZM=ZA+ΔZ其中：ΔN=S·cosαΔE=S·sinαΔZ=S·tgαα=180°-β測(cè)量開始前，系統(tǒng)要求輸入目標(biāo)單元的坐標(biāo)、激光槍的坐標(biāo)、隧道的設(shè)計(jì)軸線坐標(biāo)，并調(diào)整好起始參數(shù)。圖2掘進(jìn)距離和激光槍坐標(biāo)點(diǎn)圖3計(jì)算目前坐標(biāo)點(diǎn)當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)開始，盾構(gòu)沿著軸線向前推進(jìn)，由于盾構(gòu)所處的地質(zhì)條件不同，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)的姿態(tài)將發(fā)生各種變化，這些變化就會(huì)具體地反映在系統(tǒng)上，引起各項(xiàng)參數(shù)的變化，一是目標(biāo)單元上的激光點(diǎn)位置沿X軸或Y軸的變化，其次是傾斜單元的參數(shù)變化。(2)數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的工作原理數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)主要的任務(wù)有三項(xiàng)：實(shí)現(xiàn)與ZED261系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換；實(shí)時(shí)監(jiān)控界面；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。①系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流是從ZED261開始，經(jīng)通信接口，由后位計(jì)算機(jī)采集，流進(jìn)實(shí)時(shí)圖控模塊和數(shù)據(jù)查詢模塊后，最后到達(dá)結(jié)果輸出模塊，見圖4。圖4系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程②系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用了ACCESS2.0，這是因?yàn)?數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)"多數(shù)程序是用VB編制的，而VB可以直接捆綁ODBC類型的數(shù)據(jù)庫，且具有SQL的功能。采用ACCESS2.0后，有利于進(jìn)行數(shù)據(jù)查找等一系列的操作，由于ACCESS又是WINDOWS下通用的數(shù)據(jù)庫，所以易與其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。3系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)(1)ZED261盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)量?jī)x儀器測(cè)試精度：±15mm儀器綜合測(cè)試精度：±25mm(2)J2固體激光經(jīng)緯儀激光波長(zhǎng)：635nm有效射程：200m水平方向標(biāo)準(zhǔn)偏差：±2″垂直方向標(biāo)準(zhǔn)偏差：±2″(3)數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)系統(tǒng)硬件：工業(yè)級(jí)586電腦IPC-PT/M500S(PC)WOU基本配置：CPU奔騰166MHz、硬盤3.2G、880×720液晶真彩顯示器(帶觸摸功能)系統(tǒng)軟件平臺(tái)：MSWINDOWS95、INTOUCH5.0、MSVC4.0、MSVB4.0、ACCESS2.0系統(tǒng)通信模塊技術(shù)參數(shù)通信物理連接：RS-232C波特率：9600(單工)通信協(xié)議：INFORMATIONONMESSAGEFORMATFORZEDTUNNELGUIDANCESYSTEMS系統(tǒng)測(cè)量精度：±18mm4工程應(yīng)用