CN111578919B - 用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法，该方法通过识别测点高程坐标的差异，剔除非特征截面的测量点；在最小二乘拟合结果的基础上，引入稳健估计法极大似然估计准则，并根据测点等权独立观测的特点，采用Huber选权迭代法，对测值赋予不同权值，区别并逐步删除测值序列中存在的***误差、偶然误差、粗差等误差较大的异常测点；同时，根据最终测点点位中误差及有效测点数目对测量精度进行整体把控。在高耸塔筒结构垂直度检测中，本发明具有抵制或消除观测过程中因各种因素造成的***误差、粗差等异常误差的能力，通过提高稳定性和抗差性提高高耸塔筒结构垂直度检测精度。

Description

用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法

技术领域

本发明属于高耸建筑物变形测量技术领域，具体涉及一种用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法。

背景技术

诸如风电机组塔筒、火电厂冷却塔、烟囱、水塔等大型高耸塔筒建筑物，其垂直度对建筑物结构安全性能具有较强的敏感性，是评定工程质量和运行状态的重要依据。高耸塔筒建筑物在长期风荷载、内部及顶部设备自重偏心及往复运动等循环荷载作用下，易出现地基基础不均匀沉陷、结构连接法兰螺栓松动、塔身倾斜、塔筒偏心位移超过允许值等现象，使得塔筒顶部和底部产生较大的水平偏差，在荷载作用下，产生较大偏心弯矩，给塔筒结构运行带来了较大的安全隐患，轻则将使建筑物达不到设计运行标准，重则将造成建筑物倾覆和倒塌事件，后果严重。故而高耸塔筒结构的垂直度状况直接关系到其运行的安全性。

目前，针对高耸塔筒结构垂直度检测的主要方法有：1)全站仪或经纬仪工程测量法：此方法操作简单，灵活性及适用性较强，是目前运用最为广泛的检测方法，但其检测精度难以控制，易受塔筒表面损伤、突变情况以及环境因素、人为因素的影响，不可避免会产生一些***误差、偶然误差和粗差，导致最终检测数据精度不稳定，计算结果精度不高。2)塔筒安装精密测量仪器在线监测法(静力水准仪、激光发射器等)：此方法可实现连续在线监测，自动化程度高，但设备造价昂贵，需在运行前期进行设备安装，后期加装不易宜实现。若初期存在安装误差或初值获取不准确，则测量结果无效，此外，设备易受损，维护成本较大，灵活性及精度均较差。3)三维激光扫描法：作为近些年新兴检测方法，可快速获取塔筒结构三维数据信息，效率较高，可避免人为因素对观测结果的影响，但其测量设备昂贵，对场地条件要求较高，且技术难度大，在设备标定及坐标转换过程中会造成较大计算偏差，稳定性低。

对比上述高耸塔筒结构垂直度常用检测方法，综合考虑测量精度、适用性及成本造价等因素，采用全站仪或经纬仪进行现场测量是检测高耸塔筒结构垂直度的首选方案。

中国专利公告号109737923A公开了一种风力发电机塔筒垂直度检测方法，该方法仅实现了简单快捷的塔筒圆周坐标测量及倾斜率计算，未考虑其测量精度，不能解决由塔筒结构特点、测量设备、环境因素及人为因素等带来的异常误差问题。

塔筒结构整体呈圆台状，截面均为圆形，目前采用此方案时，测量得到塔筒各截面圆周点坐标后，未经误差分析直接求出截面圆心位置，进而计算塔筒上部截面圆心相对于下部截面圆心的水平位移偏移量。然而，在实际过程测量中，由于塔筒结构表面粗糙或损伤、结构突变、钢结构焊缝表皮或混凝土砌体结构接缝不均匀等情况以及环境因素、人为因素的影响，不可避免会产生截面圆周点坐标测量误差、***误差和粗差，导致最终检测结果不准确。故需解决全站仪或经纬仪测量法中各因素所带来的检测精度难以控制，测量精度不稳定的问题。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有工程测量方法检测高耸塔筒结构垂直度时精度难以控制的缺陷，提供一种用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法。该方法在不改变现有测量仪器精度的前提下，通过误差识别与剔除、综合误差判断等方法控制并提高检测精度，操作简单，易于实现，且经济性好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法，包括如下步骤：

步骤1)采用全站仪或经纬仪在同一坐标系下测量塔筒结构底部、顶部及中部法兰接缝、钢结构焊缝、混凝土接缝、结构腰线的特征截面圆周上各点三维坐标M_Bi(x_i，y_i，z_i)；M_Tj(x_j，y_j，z_j)；M_Ok(x_k，y_k，z_k)，i、j、k为测量点编号；

步骤2)通过对比各测点高程坐标Z_i的差异，剔除不在同一截面的测量点；

步骤3)针对剔除后各截面的圆周测点坐标，采用最小二乘法拟合得到各截面圆心三维坐标(X_B，Y_B，Z_B)；(X_T，Y_T，Z_T)；(X_O，Y_O，Z_O)及其半径R_B，R_T，R_O；

步骤4)计算各截面圆周测点距拟合圆曲线的距离偏差d_i，d_j，d_k；及其测量中误差σ；

步骤5)引入稳健估计法极大似然估计准则，并根据各观测点等权独立观测的特点，采用Huber选权迭代法，根据各观测值残差d_i，d_j，d_k大小，引入Huber提出的ρ函数和

函数，按照下式对各测量值赋予不同权值；

式中，v为误差函数，c为常数，取2σ，对应的权函数为：

在平差过程中，权函数随改正数的变化而变化，经过多次迭代后，含有***误差或粗差的奇异测值的权函数接近于0，则权函数简化为：

步骤6)根据上述各测量值权值，区别测值序列中正常测点与存在***误差、偶然误差或粗差的异常测点，其中权值为1则为正常测值，权值为0则为异常测点；

步骤7)逐步删除异常测点中偏差最大max d_i，max d_j，max d_k的测点，针对筛选后的测值序列，重复步骤3～步骤7，直至各测量值赋予权值均为1；

步骤8)根据最终有效测点点位中误差σ，依据GB 50026-2007《工程测量规范》中相关要求，考虑所测高耸构筑物结构变形敏感程度及结构特性，选取测量精度等级及相应测量点位中误差要求，以此为判断标准，对截面测量精度进行整体把控；

步骤9)若上述整体测量中误差σ或测量点数n其中一项不满足要求，则重新设站测量截面圆周三维坐标，重复步骤1～步骤8；

步骤10)当整体测量中误差及测量点数同时满足要求时，以各特征截面最终圆心拟合坐标值，计算各特征截面相对与底部截面圆心的位移偏移量δ及相应高差h，进而得到特征截面处高耸塔筒结构垂直度，即倾斜率。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中测量截面圆周三维点坐标采用全站仪极坐标直接测量法或经纬仪前方交会法；选定坐标系时，为便于判断塔筒倾斜方向，x正方向为正北方向，y正方向为正东方向，z正方向为竖直向上，即(x，y，z)对应(N，E，H)。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中测量点编号i、j、k为(1，2，3……n)，各截面圆周测量点数n根据截面尺寸确定，高耸建筑物结构特征截面直径在3米以上，测量点数应不少于30个，且沿特征截面圆周均匀分布。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中包括，计算各测点高程坐标Z_i的离散量

若

则将其剔除；

其中，ε为常数，取1.5，r为此所测特征截面的半径，i₀为所测高耸塔筒结构的最大允许倾斜率。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中按照下式计算截面圆周测点距拟合圆曲线的距离：

本发明进一步的改进在于，步骤4)中圆周测点的测量中误差σ按如下公式计算：

式中n为截面圆周测量点数，

为偏差均值，

本发明进一步的改进在于，步骤8)对于变形特别敏感的构筑物结构，采用一等变形观测等级，测点点位中误差不大于1.5mm；对于变形比较敏感的构筑物结构，采用二等变形观测等级，测点点位中误差不大于3.0mm；对于变形一般敏感的构筑物结构，采用三等变形观测等级，测点点位中误差不大于6.0mm。

本发明进一步的改进在于，步骤9)中经过筛选剔除后剩余参与计算的有效测量点数大于20个。

本发明进一步的改进在于，步骤10)中各特征截面相对底部截面圆心的位移偏移量、相应高差h及此处塔筒倾斜率i按如下公式计算：

h＝Z_TorO-Z_B

其中，α为倾斜角度。

本发明进一步的改进在于，该方法适用于风电机组塔筒、火电厂冷却塔、烟囱、水塔高耸塔筒结构的垂直度检测。

本发明至少具有以下有益的技术效果：

与现有技术相比，本发明的先进性在于在原始测量数据运用最小二乘拟合计算的基础上，引入极大似然估计准则，并根据测点等权独立观测的特点，采用Huber选权迭代法，对测值赋予不同权值，区别并逐步删除测值序列中存在的***误差、偶然误差、粗差等误差较大的异常测点，并通过非特征截面识别、整体中误差与有效测点数目的控制同时对测量精度进行把控。误差识别过程简单明了，易于实现，判别条件明确，排除人为控制的不确定性，有效提高了检测精度。

附图说明

图1为高耸塔筒结构垂直度现场测量方法及仪器架设示意图；

图2为高耸塔筒结构垂直度(倾斜率)计算示意图；

图3为本发明方法步骤与误差控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的基本思路是：利用全站仪或经纬仪测得塔筒结构各特征截面圆周测点坐标，如图1所示，在此基础上，首先通过识别测点高程坐标的差异，剔除非特征截面的测量点，进而拟合各截面圆心坐标和半径，计算各测点距拟合圆曲线的距离偏差，引入稳健估计法极大似然估计准则，采用Huber选权迭代法，对测值赋予不同权值，区别并逐步删除测值序列中误差较大的异常测点，再根据测点点位中误差及最终参与计算的有效测点数目对测量精度进行整体把控。

参考图1至图3，结合表1至表3实施例，本发明所述的用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法，包括以下步骤：

步骤1)采用全站仪或经纬仪在同一坐标系下测量塔筒结构底部、顶部及中部诸如法兰接缝、钢结构焊缝、混凝土接缝、结构腰线的特征截面圆周上各点三维坐标M_Bi(x_i，y_i，z_i)；M_Tj(x_j，y_j，z_j)；M_Ok(x_k，y_k，z_k)，i、j、k为测量点编号。

步骤2)通过对比各测点高程坐标Z_i的差异，剔除不在同一截面的测量点。

步骤3)针对剔除后各截面的圆周测点坐标，采用最小二乘法拟合得到各截面圆心三维坐标(X_B，Y_B，Z_B)；(X_T，Y_T，Z_T)；(X_O，Y_O，Z_O)及其半径R_B，R_T，R_O。

步骤4)计算各截面圆周测点距拟合圆曲线的距离偏差d_i，d_j，d_k；及其测量中误差σ。

步骤5)引入稳健估计法极大似然估计准则，并根据各观测点等权独立观测的特点，采用Huber选权迭代法，根据各观测值残差d_i，d_j，d_k大小，引入Huber提出的ρ函数和

函数，按照下式对各测量值赋予不同权值。

式中，v为误差函数，c为常数，一般取2σ，对应的权函数为：

在平差过程中，权函数随改正数的变化而变化，经过多次迭代后，含有***误差或粗差的奇异测值的权函数接近于0，则权函数可简化为：

步骤6)根据上述各测量值权值，区别测值序列中正常测点与存在***误差、偶然误差或粗差等误差较大的异常测点。

步骤7)逐步删除异常测点中偏差最大max d_i，max d_j，max d_k的测点，针对筛选后的测值序列，重复步骤3～步骤7，直至各测量值赋予权值均为1。

步骤8)根据最终有效测点点位中误差σ，依据GB 50026-2007《工程测量规范》中相关要求，考虑所测高耸构筑物结构变形敏感程度及结构特性，选取测量精度等级及相应测量点位中误差要求，以此为判断标准，对截面测量精度进行整体把控。

步骤9)若上述整体测量中误差σ或测量点数n其中一项不满足要求，则重新设站测量截面圆周三维坐标，重复步骤1～步骤8。

步骤10)当整体测量中误差及测量点数同时满足要求时，以各特征截面最终圆心拟合坐标值，计算各特征截面相对与底部截面圆心的位移偏移量δ及相应高差h，进而得到特征截面处高耸塔筒结构垂直度，即倾斜率。

所述步骤1)中测量截面圆周三维点坐标采用全站仪极坐标直接测量法或经纬仪前方交会法；选定坐标系时，为便于判断塔筒倾斜方向，x正方向为正北方向，y正方向为正东方向，z正方向为竖直向上，即(x，y，z)对应(N，E，H)。

所述步骤1)中测量点编号i、j、k为(1，2，3……n)，各截面圆周测量点数n根据截面尺寸确定，一般高耸建筑物结构特征截面直径在3米以上，测量点数应不少于30个；

所述步骤1)中应严格按照特征截面圆周进行测量，测点应沿圆周均匀分布，各特征截面测点应在同一坐标系下测量；

所述步骤2)中包括，计算各测点高程坐标Z_i的离散量

若

则将其剔除；

其中，ε为常数，一般取1.5，r为此所测特征截面的半径，i₀为所测高耸塔筒结构的最大允许倾斜率。

所述步骤4)中按照下式计算截面圆周测点距拟合圆曲线的距离：

圆周测点的测量中误差σ按如下公式计算：

式中n为截面圆周测量点数，

为偏差均值，

所述步骤6)中，权值为1则为正常测值，权值为0则为异常测点。

所述步骤8)对于变形特别敏感的构筑物结构，采用一等变形观测等级，测点点位中误差不大于1.5mm；对于变形比较敏感的构筑物结构，采用二等变形观测等级，测点点位中误差不大于3.0mm；对于变形一般敏感的构筑物结构，采用三等变形观测等级，测点点位中误差不大于6.0mm。

所述步骤9)中经过筛选剔除后剩余参与计算的有效测量点数应大于20个。

所述步骤10)中各特征截面相对底部截面圆心的位移偏移量δ、相应高差h及此处塔筒倾斜率i按如下公式计算，α为倾斜角度。

h＝Z_TorO-Z_B

以提高某风电机组塔筒结构垂直检测精度为实施例：

表1为某风电机组塔筒现场测量各特征截面圆周测点坐标及非特征截面点标记；

表2为各次迭代后某一特征截面的圆心坐标与半径的拟合结果；

表3为某风电机组塔筒在特征截面处的垂直度最终检测结果。

表1：

表2：

表3：

以上步骤、表格及附图，对本发明的基本原理特征及具体实现方式进行描述，但本发明不局限于上述具体实施方式，凡是根据本发明技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、形式变换及等效结构变化等，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)采用全站仪或经纬仪在同一坐标系下测量塔筒结构底部、顶部及中部法兰接缝、钢结构焊缝、混凝土接缝、结构腰线的特征截面圆周上各点三维坐标M_Bi(x_i，y_i，z_i)；M_Tj(x_j，y_j，z_j)；M_Ok(x_k，y_k，z_k)，i、j、k为测量点编号；

步骤2)通过对比各测点高程坐标Z_i的差异，剔除不在同一截面的测量点；

步骤3)针对剔除后各截面的圆周测点坐标，采用最小二乘法拟合得到各截面圆心三维坐标(X_B，Y_B，Z_B)；(X_T，Y_T，Z_T)；(X_O，Y_O，Z_O)及其半径R_B，R_T，R_O；

步骤4)计算各截面圆周测点距拟合圆曲线的距离偏差d_i，d_j，d_k；及其测量中误差σ；

步骤5)引入稳健估计法极大似然估计准则，并根据各观测点等权独立观测的特点，采用Huber选权迭代法，根据各测量值残差d_i，d_j，d_k大小，引入Huber提出的ρ函数和

函数，按照下式对各测量值赋予不同权值；

式中，v为误差函数，c为常数，取2σ，对应的权函数为：

在平差过程中，权函数随改正数的变化而变化，经过多次迭代后，含有***误差或粗差的奇异测值的权函数接近于0，则权函数简化为：

步骤6)根据上述各测量值权值，区别测值序列中正常测点与存在***误差、偶然误差或粗差的异常测点，其中权值为1则为正常测值，权值为0则为异常测点；

步骤7)逐步删除异常测点中偏差最大max d_i，max d_j，max d_k的测点，针对筛选后的测值序列，重复步骤3～步骤7，直至各测量值赋予权值均为1；

步骤8)根据最终有效测点点位中误差σ，依据GB 50026-2007《工程测量规范》中相关要求，考虑所测高耸构筑物结构变形敏感程度及结构特性，选取测量精度等级及相应测量点位中误差要求，以此为判断标准，对截面测量精度进行整体把控；

步骤9)若上述整体测量中误差σ或测量点数n其中一项不满足要求，则重新设站测量截面圆周三维坐标，重复步骤1～步骤8；

步骤10)当整体测量中误差及测量点数同时满足要求时，以各特征截面最终圆心拟合坐标值，计算各特征截面相对与底部截面圆心的位移偏移量δ及相应高差h，进而得到特征截面处高耸塔筒结构垂直度，即倾斜率。

2.如权利要求1所述的用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法，其特征在于，步骤1)中测量截面圆周三维点坐标采用全站仪极坐标直接测量法或经纬仪前方交会法；选定坐标系时，为便于判断塔筒倾斜方向，x正方向为正北方向，y正方向为正东方向，z正方向为竖直向上，即(x，y，z)对应(N，E，H)。

3.如权利要求1所述的用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法，其特征在于，步骤1)中测量点编号i、j、k为(1，2，3……n)，各截面圆周测量点数n根据截面尺寸确定，高耸建筑物结构特征截面直径在3米以上，测量点数应不少于30个，且沿特征截面圆周均匀分布。

4.如权利要求1所述的用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法，其特征在于，步骤2)中包括，计算各测点高程坐标Z_i的离散量

若

则将其剔除；

其中，ε为常数，取1.5，r为此所测特征截面的半径，i₀为所测高耸塔筒结构的最大允许倾斜率。

5.如权利要求1所述的用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法，其特征在于，步骤4)中按照下式计算截面圆周测点距拟合圆曲线的距离：

6.如权利要求1所述的用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法，其特征在于，步骤4)中圆周测点的测量中误差σ按如下公式计算：

式中n为截面圆周测量点数，

为偏差均值，

7.如权利要求1所述的用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法，其特征在于，步骤8)对于变形特别敏感的构筑物结构，采用一等变形观测等级，测点点位中误差不大于1.5mm；对于变形比较敏感的构筑物结构，采用二等变形观测等级，测点点位中误差不大于3.0mm；对于变形一般敏感的构筑物结构，采用三等变形观测等级，测点点位中误差不大于6.0mm。

8.如权利要求1所述的用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法，其特征在于，步骤9)中经过筛选剔除后剩余参与计算的有效测量点数大于20个。

9.如权利要求1所述的用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法，其特征在于，步骤10)中各特征截面相对底部截面圆心的位移偏移量、相应高差h及此处塔筒倾斜率i按如下公式计算：

h＝Z_TorO-Z_B

其中，α为倾斜角度。

10.如权利要求1所述的用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法，其特征在于，该方法适用于风电机组塔筒、火电厂冷却塔、烟囱、水塔高耸塔筒结构的垂直度检测。

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