CN109164470A - 一种暗挖施工中实时高精度变形监测的方法及解算算法 - Google Patents

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CN109164470A CN201811286501.5A CN201811286501A CN109164470A CN 109164470 A CN109164470 A CN 109164470A CN 201811286501 A CN201811286501 A CN 201811286501A CN 109164470 A CN109164470 A CN 109164470A
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任新涛
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Abstract

本发明涉及一种暗挖施工中实时高精度变形监测的方法及解算算法。实施步骤包括：A.在开挖的掌子面与洞口空间区域内，安装无线电射频伪卫星定位基站,并精确测定基站坐标；B.在各待监测点上安装一个代表其位置身份识别的无线定位数据接收终端，接收各个基站发出的射频无线电信号；C.软件***实时接收各终端与基站之间的观测数据，解算终端的高精度位移信息，同时将位移监测信息播发给工程信息化管理平台；D.各监测点的实时位移变形量和累积位移变形量的可视化；E.监测点位移变形量的预警***，通过设定阈值来进行风险预警，一旦超出阈值，***可立即触发或自动警报***，值班人员可即时采取相应的安全应急措施，保障施工安全。

Description

一种暗挖施工中实时高精度变形监测的方法及解算算法
技术领域
本发明涉及无线电射频伪卫星室内高精度定位技术领域，特别是涉及一种暗挖施工中实时高精度变形监测的方法。
背景技术
随着我国经济建设的不断深化和经济结构的不断调整，对交通基础设施的建设提出新要求。近年来，高速公路、桥梁、铁路、隧道等工程建设事业的蓬勃发展，已经成为缓解交通压力、缩短交通耗时重要手段，特别是隧道交通，有效地缓解了交通拥堵，缩短建设里程、减少建设成本，随之而来的各种隧道安全事故也频频发生。隧道、地铁施工安全生产形势极其严峻，如何加强安全生产的防范措施，如何正确处理安全与生产、安全与效益的关系，如何加强人员设备的管理和隧道的变形监测实时性，如何保证应急救援的及时性，如何改变目前对隧道安全管理的落后模式等一些列问题是行业主管部门和从业人员一直困扰的问题和需要解决的核心问题。暗挖施工在地下交通(隧道、地铁、矿井等封闭空间)、地下管道等领域广泛应用。在地下洞室的开挖时，无论是采用机械盾构开挖或人工开挖，洞室的初衬结构都或多或少地会发生沉降现象，会对欲开挖洞室的上方道路、地下管线及周边建筑产生危害，因此，高精度的实时变形监测和事先预警是避免安全事故发生的关键因素。
为了解决上述问题，从施工作业流程角度采取了多种预防措施，比如超前注浆、超前锚杆支护、超前小导管等，在防止洞室内产生较大变形方面起到了一定的作用，也减少了一些安全事故的发生。但这些措施都是基于经验从施工流程控制，依然缺少有效的、高精度的、实时位移监测数据，从而无法根据现实的安全隐患弹性调整的施工精度和流程、以及有效的预防措施，从而导致重大的安全施工事故依然时有发生，比如：洞内的坍塌、大变形等。结合现有洞内管理的难点与特点，通过最新的无线电定位信息技术，实现洞内实时变形监测，达到预警机制，减少安全事故发生，保障施工安全。
发明内容
本发明的目的是提供一种暗挖施工中实时高精度变形监测的方法，使其能够实时监测洞内施工特征点的位移变形，与相关的设计阈值比对分析，做到事先预警，减少安全施工的发生，保障施工安全。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种暗挖施工中实时高精度变形监测的方法，包括以下步骤：A.在开挖的掌子面与洞口空间区域内，安装无线电射频伪卫星定位基站，并精确测定基站坐标；B.在各待监测点上安装一个代表其位置身份识别的无线定位数据接收终端，接收各个基站发出的射频无线电信号；C.软件***实时接收各终端与基站之间的观测数据，解算终端的高精度位移信息，同时将位移监测信息播发给工程信息化管理平台；D.各监测点的实时位移变形量和累积位移变形量的可视化；E.监测点位移变形量的预警***，通过设定阈值来进行风险预警，一旦超出阈值，***可立即触发或自动警报***，值班人员可即时采取相应的安全应急措施，保障施工安全。
进一步地，所述步骤A中安装无线电射频伪卫星定位基站时，必须确保定位基站的稳定性，不能发生位移。在安装点上必须开孔直径约20cm，孔深不小于30cm。
进一步地，所述步骤A中精确测定基站坐标时，可在开挖的掌子面与洞口空间区域内构建独立的测绘坐标基准，通过多测回测量计算能确保基站坐标精度优于1mm。
进一步地，所述步骤B中在各待监测点上安装一个代表其位置身份识别的无线定位数据接收终端，接收各个基站发出的射频无线电信号。要求定位终端固连在各监测点上，不能松动。
以上步骤A\步骤B,采用本领域常规技术即可实现。
进一步地，所述步骤C中在软件***数据解算采用了基站时标校准、天线相位中心改正、非视距误差探测与剔除等先进技术。
进一步地，所述步骤D在C步骤输出高精度特征点的变形监测结果后，提供通过曲线拟合、报表、以及直方图等多种形式从不同角度展示位移变形量。
进一步地，所述步骤E中通过设定阈值来进行风险预警，位移变形量一旦超出阈值，***可立即触发或自动警报***，值班人员可即时采取相应的安全应急措施，保障施工安全。
进一步地，所述步骤C中得具体数据解算步骤如下：
步骤C1：采集标签到各个基站的观测数据，列立观测方程为：
其中，c表示光速，下标k表示第k个标签，上标i表示第i个基站，表示标签k收到的基站i的观测值。此处应注意，有同步控制装置的情况下，观测值实际为信号由标签经基站到达同步控制装置的时间。为标签和基站之间的距离，表示基站i的天线相位偏差，dtk为标签的钟差，δt为同步控制装置的钟差，ri为第i个基站到同步控制装置之间的时延量，为观测噪声。
步骤C2：构造基站间的差分观测值。
具体的，若有任一基站i,基准基站j，标签k,则差分观测方程为：
其中，差分算子可以看出，通过基站间观测值做差，标签和同步控制装置的钟差均被消掉，但此时还残留有天线相位偏差等***误差以及观测噪声。
步骤C3：读取基站天线型号对应的天线相位中心改正数据，对天线相位中心偏差进行改正。
具体的，可结合现有的误差改正模型对天线相位偏差进行改正，改正后的观测方程为：
步骤C4：采用同步控制器提供的基站时标数据改正观测值。
具体的，可采用同步控制器提供的基站时标数据rij，对观测方程进一步改正，改正后的观测方程为：
步骤C5：采用精确测定的基站坐标对观测方程线性化。
具体的，已知基站i坐标xi，和基站j坐标xj。对距离变量进行线性化，线性化后的观测方程为：
其中，为标签k到基站j的距离差，为标签k到基站i的距离差；为标签k到两个基站j和i的距离差。xk,0为标签k的坐标初值。
步骤C6：采用最小二乘平差方法计算标签的坐标
设共有n个基站，以第1个基站为差分基准站，将(5)写成矩阵形式，则观测方程为：
L＝Aδxk+∈ (6)
其中，为系数矩阵，为误差向量。其法方程为：
N＝ATPA,U＝ATPL (7)
可选的，可采用标签与基站距离、观测值信噪比等参数确定权阵P，本发明对此不做限制。
步骤C7：根据工程变形监测频率需求，计算所需频率下的变形监测结果
由于本发明采用的无线电设备频率在1200-10000Hz之间，而实际施工变形监测要求频率较低，因此可计算不同频率的位移监测结果。具体地，如基站设备频率为f0，工程实际需求位移变形量的频率为fR，则设定观测时长为m＝f0/fR个历元，则最终求得该控制点上的时延值为：
其中，Nt和Ut表示第t个历元的法方程，按照(7)式计算。
步骤C8：观测粗差探测与剔除
根据定位结果，对观测值进行粗差检验，探测出粗差并剔除，从而消除粗差对结果的影响。按(9)式计算残差
并按(10)式探测粗差，
若vi>3δ，
则认为第i个观测值中含有粗差，其中，s表示观测值个数(即向量v的维数)，vi一般选取为残差中的最大值。删掉含有粗差的观测值后重新进行计算，直到没有探测出粗差为止，即可得到标签的最终坐标值。可选的，采用3δ为限差进行粗差探测,本发明对此不做限制。
通过采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：
①容易安装、无线布置、不受环境影响；
②位移监测的自动化、实时性、精度高、频率高；
③高频率海量监测数据，可用于分析变形机理和规律，指导后续施工安排；
④高频监测相应可提供事先预警和安全报警，预防安全事故的发生；
⑤变形监测信息和多要素的可视化，提供直观分析和应急指挥；
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1一种暗挖施工中实时高精度变形监测方法步骤图
图2现场安装结构示意图。
图3为图1中步骤C的具体流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种暗挖施工中实时高精度变形监测的方法，包括以下步骤：
A.在开挖的掌子面与洞口空间区域内，安装无线超宽带伪卫星定位基站，并精确测定基站坐标；
B.在各待监测点上安装一个代表其位置身份识别的无线定位数据接收终端，接收各个基站发出的射频无线电信号；
C.软件***实时接收各终端与基站之间的观测数据，解算终端的高精度位移信息，同时将位移监测信息播发给工程信息化管理平台；
D.各监测点的实时位移变形量和累积位移变形量的可视化；
E.监测点位移变形量的预警***，通过设定阈值来进行风险预警，一旦超出阈值，***可立即触发或自动警报***，值班人员可即时采取相应的安全应急措施，保障施工安全。
所述A步骤中精确测定基站坐标时，可在开挖的掌子面与洞口空间区域内构建独立的测绘坐标基准；
实现过程为：
步骤A1,在隧道口先设立坐标原点，并以隧道中轴线为X轴，以与其垂直的平面方向为Y轴，以与XY平面垂直的方向为Z轴，构建独立三维测绘坐标系作为地方独立坐标系；
步骤A2,每隔30米在隧道两侧地面依次布设控制点，采用全站仪通过三测回测量平差计算就能得到优于1mm的独立坐标基准(该步骤在测绘工程领域已为常规现有技术，采用商业软件即可完成精确计算)；
步骤A3,在应用场景如图2所示，某个基站即第i个基站(例如图2中基站A)，在离该基站最近的控制点B上架设全站仪(记为设站点B)，先采用该全站仪通过三测回测量第i个基站，并采用全站仪通过三测回测量与设站点B最近的两个控制点C和D，最后平差计算第i个基站的高精度坐标。
所述B步骤中，在应用场景如图2所示，在各待监测点上安装一个代表其位置身份识别的无线定位数据接收终端k(记为k)，用于接收第i个基站发出的射频无线电信号。
如图3所示，所述C步骤软件处理***实时接收第k个终端与多个基站之间的观测数据，解算终端的高精度位移信息，具体数据解算包括如下步骤按序处理：
步骤C1：采集第k个标签到第i个基站的观测数据，列立观测方程为：
其中，c表示光速，下标k表示第k个标签，上标i表示第i个基站，表示第k个标签k到第i个基站的观测值；此处应注意，有同步控制装置的情况下，观测值实际为信号由标签经基站到达同步控制装置的时间；为第k个标签k到第i个基站之间的距离，表示第i个基站的天线相位偏差，dtk为第k个标签的钟差，δt为同步控制装置的钟差，ri为第i个基站到同步控制装置之间的时延量，为观测噪声；
步骤C2：构造基站间的差分观测值；
具体的，若第k个标签同时观测到第i个基站和第j个基站,则差分观测方程为：
其中，差分算子可以看出，通过基站间观测值做差，标签和同步控制装置的钟差均被消掉，但此时还残留有天线相位偏差等***误差以及观测噪声；
步骤C3：读取基站天线型号对应的天线相位中心改正数据，对天线相位中心偏差进行改正；
具体的，可结合现有的误差改正模型对天线相位偏差进行改正，改正后的观测方程为：
步骤C4：采用同步控制器提供的基站时标数据改正观测值；
具体的，可采用同步控制器提供的基站时标数据rij，对观测方程进一步改正，改正后的观测方程为：
步骤C5：采用精确测定的基站坐标对观测方程线性化；
具体的，已知基站i坐标xi，和基站j坐标xj；对距离变量进行线性化，线性化后的观测方程为：
其中，为标签k到基站j的距离差，为标签k到基站i的距离差；为标签k到两个基站j和i的距离差；xk,0为标签k的坐标初值；
步骤C6：采用最小二乘平差方法计算标签的坐标
设共有n个基站，以第1个基站为差分基准站，将(5)写成矩阵形式，则观测方程为：
L＝Aδxk+∈ (6)
其中，为系数矩阵，为误差向量；其法方程为：
N＝ATPA,U＝ATPL (7)
可选的，可采用标签与基站距离、观测值信噪比等参数确定权阵P，本发明对此不做限制；
步骤C7：根据工程变形监测频率需求，计算所需频率下的变形监测结果
由于本发明采用的无线电设备频率在1200-10000Hz之间，而实际施工变形监测要求频率较低，因此可计算不同频率的位移监测结果；具体地，如基站设备频率为f0，工程实际需求位移变形量的频率为fR，则设定观测时长为m＝f0/fR个历元，则最终求得该控制点上的时延值为：
其中，Nt和Ut表示第t个历元的法方程，按照(7)式计算；
步骤C8：观测粗差探测与剔除
根据定位结果，对观测值进行粗差检验，探测出粗差并剔除，从而消除粗差对结果的影响；按(9)式计算残差
并按(10)式探测粗差，
若vi>3δ，
则认为第i个观测值中含有粗差，其中，s表示观测值个数(即向量v的维数)，vi一般选取为残差中的最大值；删掉含有粗差的观测值后重新进行计算，直到没有探测出粗差为止，即可得到标签的最终坐标值；可选的，采用3δ为限差进行粗差探测。
所述D步骤中的实时位移变形量和累积位移变形量的可视化，通过曲线拟合、报表、以及直方图等多种形式形象展示位移变形量。
所述E步骤中的预警阈值的合理设置，通过具体施工的工程规范、以及位移变形量的误差精度统计信息，设置合理的风险阈值，有效减小误报率和漏报率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种测点位移数据信息解算算法，软件处理***实时接收第k个测点位置终端与周围多个基站之间的观测数据，其特征在于，解算测点位置终端的位移信息步骤如下：
步骤C1：采集第k个标签到第i个基站的观测数据，列立观测方程为：
其中，c表示光速，下标k表示第k个标签，上标i表示第i个基站，表示第k个标签k到第i个基站的观测值；为第k个标签k到第i个基站之间的距离，表示第i个基站的天线相位偏差，dtk为第k个标签的钟差，δt为同步控制装置的钟差，ri为第i个基站到同步控制装置之间的时延量，为观测噪声；
步骤C2：构造基站间的差分观测值；
具体的，若第k个标签同时观测到第i个基站和第j个基站,则差分观测方程为：
其中，差分算子可以看出，通过基站间观测值做差，标签和同步控制装置的钟差均被消掉，但此时还残留有天线相位偏差等***误差以及观测噪声；
步骤C3：读取基站天线型号对应的天线相位中心改正数据，对天线相位中心偏差进行改正；
具体的，可结合现有的误差改正模型对天线相位偏差进行改正，改正后的观测方程为：
步骤C4：采用同步控制器提供的基站时标数据改正观测值；
具体的，可采用同步控制器提供的基站时标数据rij，对观测方程进一步改正，改正后的观测方程为：
步骤C5：采用精确测定的基站坐标对观测方程线性化；
具体的，已知基站i坐标xi，和基站j坐标xj；对距离变量进行线性化，线性化后的观测方程为：
其中， 为标签k到基站j的距离差，为标签k到基站i的距离差；为标签k到两个基站j和i的距离差；xk,0为标签k的坐标初值；
步骤C6：采用最小二乘平差方法计算标签的坐标
设共有n个基站，以第1个基站为差分基准站，将(5)写成矩阵形式，则观测方程为：
L＝Aδxk+∈ (6)
其中， 为系数矩阵，为误差向量；其法方程为：
N＝ATPA,U＝ATPL (7)
步骤C7：根据工程变形监测频率需求，计算所需频率下的变形监测结果
具体地，如基站设备频率为f0，工程实际需求位移变形量的频率为fR，则设定观测时长为m＝f0/fR个历元，则最终求得该控制点上的时延值为：
其中，Nt和Ut表示第t个历元的法方程，按照(7)式计算；
步骤C8：观测粗差探测与剔除
根据定位结果，对观测值进行粗差检验，探测出粗差并剔除，从而消除粗差对结果的影响；按(9)式计算残差
并按(10)式探测粗差，
若vi>3δ，
则认为第i个观测值中含有粗差，其中，s表示观测值个数(即向量v的维数)，vi一般选取为残差中的最大值；删掉含有粗差的观测值后重新进行计算，直到没有探测出粗差为止，即可得到标签的最终坐标值。
2.一种暗挖施工中实时高精度变形监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.在开挖的掌子面与洞口空间区域内，安装无线超宽带伪卫星定位基站，并精确测定基站坐标；
B.在各待监测点上安装一个代表其位置身份识别的无线定位数据接收终端，接收各个基站发出的射频无线电信号；
C.软件***实时接收各终端与基站之间的观测数据，解算终端的高精度位移信息，同时将位移监测信息播发给工程信息化管理平台；
D.各监测点的实时位移变形量和累积位移变形量的可视化；
E.监测点位移变形量的预警***，通过设定阈值来进行风险预警，一旦超出阈值，***可立即触发或自动警报***，值班人员可即时采取相应的安全应急措施，保障施工安全。
3.根据权利要求2所述的一种暗挖施工中实时高精度变形监测的方法，其特征在于，所述A步骤中精确测定基站坐标时，可在开挖的掌子面与洞口空间区域内构建独立的测绘坐标基准；
实现过程为：
步骤A1,在隧道口先设立坐标原点，并以隧道中轴线为X轴，以与其垂直的平面方向为Y轴，以与XY平面垂直的方向为Z轴，构建独立三维测绘坐标系作为地方独立坐标系；
步骤A2,每隔30米在隧道两侧地面依次布设控制点，采用全站仪通过三测回测量平差计算就能得到优于1mm的独立坐标基准(该步骤在测绘工程领域已为常规现有技术，采用商业软件即可完成精确计算)；
步骤A3,在应用场景如图2所示，某个基站即第i个基站(例如图2中基站A)，在离该基站最近的控制点B上架设全站仪(记为设站点B)，先采用该全站仪通过三测回测量第i个基站，并采用全站仪通过三测回测量与设站点B最近的两个控制点C和D，最后平差计算第i个基站的高精度坐标。
4.根据权利要求2所述的一种暗挖施工中实时高精度变形监测的方法，其特征在于，所述B步骤中，在应用场景如图2所示，在各待监测点上安装一个代表其位置身份识别的无线定位数据接收终端k(记为k)，用于接收第i个基站发出的射频无线电信号。
5.根据权利要求2所述的一种暗挖施工中实时高精度变形监测的方法，其特征在于，所述C步骤软件处理***实时接收第k个终端与多个基站之间的观测数据，解算终端的高精度位移信息，具体数据解算包括如下步骤按序处理：
步骤C1：采集第k个标签到第i个基站的观测数据，列立观测方程为：
其中，c表示光速，下标k表示第k个标签，上标i表示第i个基站，表示第k个标签k到第i个基站的观测值；此处应注意，有同步控制装置的情况下，观测值实际为信号由标签经基站到达同步控制装置的时间；为第k个标签k到第i个基站之间的距离，表示第i个基站的天线相位偏差，dtk为第k个标签的钟差，δt为同步控制装置的钟差，ri为第i个基站到同步控制装置之间的时延量，为观测噪声；
步骤C2：构造基站间的差分观测值；
具体的，若第k个标签同时观测到第i个基站和第j个基站,则差分观测方程为：
其中，差分算子可以看出，通过基站间观测值做差，标签和同步控制装置的钟差均被消掉，但此时还残留有天线相位偏差等***误差以及观测噪声；
步骤C3：读取基站天线型号对应的天线相位中心改正数据，对天线相位中心偏差进行改正；
具体的，可结合现有的误差改正模型对天线相位偏差进行改正，改正后的观测方程为：
步骤C4：采用同步控制器提供的基站时标数据改正观测值；
具体的，可采用同步控制器提供的基站时标数据rij，对观测方程进一步改正，改正后的观测方程为：
步骤C5：采用精确测定的基站坐标对观测方程线性化；
具体的，已知基站i坐标xi，和基站j坐标xj；对距离变量进行线性化，线性化后的观测方程为：
其中， 为标签k到基站j的距离差，为标签k到基站i的距离差；为标签k到两个基站j和i的距离差；xk,0为标签k的坐标初值；
步骤C6：采用最小二乘平差方法计算标签的坐标
设共有n个基站，以第1个基站为差分基准站，将(5)写成矩阵形式，则观测方程为：
L＝Aδxk+∈ (6)
其中， 为系数矩阵，为误差向量；其法方程为：
N＝ATPA,U＝ATPL (7)
可选的，可采用标签与基站距离、观测值信噪比等参数确定权阵P，本发明对此不做限制；
步骤C7：根据工程变形监测频率需求，计算所需频率下的变形监测结果
由于本发明采用的无线电设备频率在1200-10000Hz之间，而实际施工变形监测要求频率较低，因此可计算不同频率的位移监测结果；具体地，如基站设备频率为f0，工程实际需求位移变形量的频率为fR，则设定观测时长为m＝f0/fR个历元，则最终求得该控制点上的时延值为：
其中，Nt和Ut表示第t个历元的法方程，按照(7)式计算；
步骤C8：观测粗差探测与剔除
根据定位结果，对观测值进行粗差检验，探测出粗差并剔除，从而消除粗差对结果的影响；按(9)式计算残差
并按(10)式探测粗差，
若vi>3δ，
则认为第i个观测值中含有粗差，其中，s表示观测值个数(即向量v的维数)，vi一般选取为残差中的最大值；删掉含有粗差的观测值后重新进行计算，直到没有探测出粗差为止，即可得到标签的最终坐标值；可选的，采用3δ为限差进行粗差探测。
6.根据权利要求2所述的一种暗挖施工中实时高精度变形监测的方法，其特征在于，所述D步骤中的实时位移变形量和累积位移变形量的可视化，通过曲线拟合、报表、以及直方图等多种形式形象展示位移变形量。
7.根据权利要求2所述的一种暗挖施工中实时高精度变形监测的方法，其特征在于，所述E步骤中的预警阈值的合理设置，通过具体施工的工程规范、以及位移变形量的误差精度统计信息，设置合理的风险阈值，有效减小误报率和漏报率。
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