地鐵盾構掘進導向系統(tǒng)

地鐵盾構掘進導向系統(tǒng)1系統(tǒng)的構成地鐵盾構掘進導向系統(tǒng)是由英國ZED公司生產的ZED261盾構姿態(tài)測試儀和自行研究開發(fā)的數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)組成。集測量、儀器儀表和計算機技術于一體，具有對盾構掘進姿態(tài)、與隧道設計軸線偏離進行動態(tài)測量的功能，測量所得的數(shù)據(jù)由后位工業(yè)計算機進行數(shù)據(jù)處理；向施工人員提供實時圖控界面、數(shù)據(jù)查詢手段和參數(shù)設置等友好的人機交換界面。(1)ZED261盾構姿態(tài)測試儀的構成ZED261盾構姿態(tài)測試儀是ZED公司生產的、專門用于隧道掘進過程中實時動態(tài)測量盾構掘進時的姿態(tài)和偏離設計軸線數(shù)據(jù)的儀器。1986年曾被授于英國技術成果女皇獎，成功地應用在英法海峽隧道的施工中，創(chuàng)掘進隧道80km偏差50mm的紀錄。它由目標單元、傾斜單元、控制單元、激光槍、小型終端機和分配箱等六部分組成，見圖1。圖1ZED261盾構姿態(tài)測試儀的構成①目標單元目標單元是個具有透明屏幕的長方形盒子，在一端有用于連接電纜的插座。它用來接收激光信號，能測量激光束照射在其靶面上的位置和入射角度。一般目標單元安裝在盾構前部的托架上，可以每50mm間距水平移動，也可以3°的角度轉動，因此能覆蓋更大的目標區(qū)域。其工作原理為：激光束通過前部透明屏幕進入目標單元(部分散射)，部分光擊中安裝在單元底部和側面的傳感器，傳感器可以探測光束進入屏幕時的位置；其余的光束通過透鏡到達安裝在軸心上的傳感器，此傳感器裝在單元的后部，用來測量光束的傾角。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，就會造成讀數(shù)不精確。從傳感器出來的信號被轉換成電子信號，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，測量重錘相對于重力的角度，然后轉換成電子信號(脈沖信號)，送入控制單元進行計算。兩只傳感器分別測量滾動角(繞盾構主軸的旋轉)和俯仰角(在垂直面中的旋轉)。移動范圍為±30mm/m以上，精度達0.5mm/m以上。長方體的傾斜單元應固定在目標單元附近。③分配箱分配箱是系統(tǒng)中最簡單的單元。它有兩個功能：連接目標單元與傾斜單元的信號，并使信號輸入到控制單元；向目標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，都由控制單元來進行處理、計算和儲存，決定系統(tǒng)如何運轉的控制軟件把各信息計算后的結果顯示在屏幕上，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算機的裝置，它具有以下功能：輸入和儲存設計軸線參數(shù)(DTA表)、激光槍的坐標參數(shù)；對控制單元進行一系列的檢測；與下位控制單元和上位工業(yè)計算機進行通信；能接收上位工業(yè)計算機上編制的設計軸線DTA表參數(shù)。(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由通信接口、實時監(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ZED261控制單元的通信接口進行數(shù)據(jù)交換，實時刷新各項所需數(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實時圖控模塊實時圖控模塊把實時測量數(shù)據(jù)以圖形方式顯示在計算機各界面上，有實時測量、姿態(tài)測量、系統(tǒng)檢測等界面。其主要功能有：盾構的姿態(tài)顯示、系統(tǒng)狀態(tài)檢測，以及完成對其它功能模塊的協(xié)調。·實時測量界面：實時測量界面以圖形方式表示ZED261盾構姿態(tài)測試儀所測得的實時動態(tài)數(shù)據(jù)，其中有盾構的現(xiàn)在位置和預測位置，游標方式顯示盾構的坡度值以及滾動角的當前值，同時界面上還用實時動態(tài)曲線表示滾動角和俯仰角連續(xù)變化的實況?！ざ軜嬜藨B(tài)測試界面：盾構姿態(tài)測試界面以實時動態(tài)曲線方式顯示了盾構從前段時間直到當前對于設計軸線的偏離情況，從兩個方面描述了盾構的位置實況(水平面和垂直面)；另外也以圖象方式顯示了盾構的姿態(tài)；滾動角和俯仰角，整個界面具有動畫效果，可以讓人對盾構目前的姿態(tài)以及推進的情況有一個直觀的了解。·系統(tǒng)檢測界面：系統(tǒng)檢測界面主要用于檢測ZED261盾構姿態(tài)測量儀本身的性能，以保證整個系統(tǒng)工作的可靠性。界面顯示出激光束照射在目標單元前部透明屏幕上的位置，同時也用游標方式顯示盾構的滾動角、俯仰角及相應參數(shù)值。界面上還用實時圖形方式顯示出激光槍到目標單元的一個組合畫面，這樣可讓操作人員了解整個ZED261盾構姿態(tài)測量儀的目前狀況。③數(shù)據(jù)管理模塊數(shù)據(jù)管理模塊要實現(xiàn)與通信模塊的數(shù)據(jù)通信；實現(xiàn)數(shù)據(jù)定時采集；對所采集的數(shù)據(jù)進行建庫、查找、打印等，具有以下功能：·測量數(shù)據(jù)報表功能：把測量結果以報表形式顯示并打印輸出，可對測量結果進行查看，也能輸出特定某一環(huán)的測量報表·測量數(shù)據(jù)管理功能：對系統(tǒng)采集的各環(huán)測量數(shù)據(jù)進行查找，有單環(huán)數(shù)據(jù)的查找和環(huán)間數(shù)據(jù)的查找，查找結果可是數(shù)據(jù)報表或是數(shù)據(jù)曲線；在環(huán)間查找中可選擇目標的現(xiàn)在位置、目標的預測位置或目標單元屏幕上當前激光照射位置的數(shù)據(jù)等?！y量參數(shù)管理功能：測量參數(shù)管理功能是完成對各項測量參數(shù)包括本地鐵工程的設計軸線坐標參數(shù)、測量實際結果參數(shù)、測量修正參數(shù)等的管理?！は到y(tǒng)通信檢測功能：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)之間實時動態(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盾構姿態(tài)測量儀工作原理當盾構在掘進時處于某一位置(N、N+1之間)，以掘進距離和激光槍的坐標點為基點，計算出目標單元的目前坐標點M，見圖2、圖3。NM=NA+ΔNEm=EA+ΔEZM=ZA+ΔZ其中：ΔN=S·cosαΔE=S·sinαΔZ=S·tgαα=180°-β測量開始前，系統(tǒng)要求輸入目標單元的坐標、激光槍的坐標、隧道的設計軸線坐標，并調整好起始參數(shù)。圖2掘進距離和激光槍坐標點圖3計算目前坐標點當盾構掘進開始，盾構沿著軸線向前推進，由于盾構所處的地質條件不同，盾構推進時的姿態(tài)將發(fā)生各種變化，這些變化就會具體地反映在系統(tǒng)上，引起各項參數(shù)的變化，一是目標單元上的激光點位置沿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)主要的任務有三項：實現(xiàn)與ZED261系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換；實時監(jiān)控界面；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。①系統(tǒng)軟件的結構系統(tǒng)數(shù)據(jù)流是從ZED261開始，經通信接口，由后位計算機采集，流進實時圖控模塊和數(shù)據(jù)查詢模塊后，最后到達結果輸出模塊，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，這是因為"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行數(shù)據(jù)交換。3系統(tǒng)的主要技術指標(1)ZED261盾構姿態(tài)測量儀儀器測試精度：±15mm儀器綜合測試精度：±25mm(2)J2固體激光經緯儀激光波長：635nm有效射程：200m水平方向標準偏差：±2″垂直方向標準偏差：±2″(3)數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)系統(tǒng)硬件：工業(yè)級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：MSWINDOWS95、INTOUCH5.0、MSVC4.0、MSVB4.0、ACCESS2.0系統(tǒng)通信模塊技術參數(shù)通信物理連接：RS-232C波特率：9600(單工)通信協(xié)議：INFORMATIONONMESSAGEFORMATFORZEDTUNNELGUIDANCESYSTEMS系統(tǒng)測量精度：±18mm4工程應用