CN113406851A - 水工模型安装装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水工模型安装装置及方法，该方法包括：在安装区域边界的不同方向上设置投影支架；在每个投影支架上固定投影仪，对投影仪的投影视图进行校核；在PC端创建安装区域内包含待安装水工模型本身的前视图、后视图、左视图、右视图和顶视图，并传输至投影仪，利用待安装水工模型的整体视图对安装后的模型进行校核。本申请提供的上述方案，整体基于投影技术，在模型安装中避免了传统的卷尺、垂球、水准尺等工具的组合使用，极大地减小了操作人员的主观操作影响、在安装时因反复调整而导致的偏差，以及分段安装时产生的累积偏差，可实现精准、快速的安装，有效解决了传统的水工模型安装效率低、误差大、费时费力的问题。

Description

水工模型安装装置及方法

技术领域

本发明涉及水工建筑物模型安装技术领域，特别是涉及一种水工模型安装装置及方法。

背景技术

为了研究水工建筑物各种水力学问题，预演工程可能遭遇的或可能出现的运行工况，通常需要开展水工模型试验，即在按比例缩小的模型中开展不同情景下的试验研究。

由于水工模型试验是在较为成熟的相似理论的基础上开展的，其试验结果能够较好地反映工程中的实际情况，达到论证及优化工程设计的目的。然而由于水工模型是根据相似准则，按严格计算的几何比尺系数缩小的，在模型安装中，微小的偏差往往在实际工程中就会放大数十倍甚至上百倍，因此确保模型的安装精度是有效开展水工模型试验的前提条件。

目前，传统水工模型安装的一般方法和步骤是：

(a)首先根据预先计算的模型范围，确定安装基线，利用墨斗等工具在地面上标出基准点和坐标轴；

(b)通常水工模型的规模和尺寸较大，需要分部、分段制作和安装，一般会根据模型实际情况，在模型各部分上选取安装控制点，计算出其相对基准坐标轴的坐标位置(包括平面位置与相对高程)；

(c)根据地面已有的基准坐标轴和计算的坐标位置，利用卷尺、钢尺等工具，测量并在地面标记出各控制点对应的平面位置；

(d)根据选定的起点开始安装模型，每部分安装时，一般是人工利用垂球等工具辅助观察，使模型上的控制点与地面控制点标记相重合，确保模型平面位置准确后，对模型进行初固定；

(e)随后利用水准仪和水准尺等工具，调整模型高度，确保模型各控制点相对高程准确后，对该部分模型进行加固；

(f)按照预先设计的安装顺序，在上一级模型安装完毕后，按相同步骤安装下一级模型，直至模型安装完毕；

(g)再次利用水准仪、水准尺、垂球等工具对模型进行校核，由于模型的整体组装初步完成，安装时选定的部分控制点常常处于整体模型内部，因此再次校核模型内各控制点常无法实现，此时实践中常采取测量首级和末级模型控制点间的相对距离、相对高程，与设计计算值进行对比。如吻合则安装完成，不吻合则需考虑进一步分段校核，寻找错误并考虑重新安装模型。

从上述安装方法中可以看出，传统水工模型安装是较为繁琐的。为了满足精度需求，通常采用卷尺、垂球、水准仪等测量工具反复测量，不但费时费力、效率低下，且对于结构复杂、规模较大的水工模型而言，安装精度难以保证。具体而言，一方面，传统的卷尺、垂球、水准尺等工具在组合使用过程中，受操作人员的主观操作影响较大，精度有限；同时，安装过程中不同的量测工具难以同时使用，导致每部分模型的水平位置和相对高程难以同时校准、固定，在反复调整的过程中容易再次导致偏差。另一方面，大规模的水工模型分段安装也容易导致安装偏差的累积，通过校核首尾控制点位置并不能确保模型内部的安装精度。

发明内容

基于此，有必要针对现有的水工模型安装误差大的问题，提供一种水工模型安装装置及方法。

本发明提供了一种水工模型安装方法，该方法包括：

根据待安装水工模型的尺寸，在安装区域边界的不同方向上设置投影支架；

在每个投影支架上固定投影仪，并记录各投影仪投影镜头的空间位置；

对投影仪的投影视图进行校核；

在PC端创建安装区域内包含待安装水工模型本身的前视图、后视图、左视图、右视图和顶视图，并传输至投影仪；

打开对应的投影仪，将待安装水工模型的视图投影到安装区域上，然后将对应的待安装水工模型按照视图投影安装到安装区域上，同时确保待安装水工模型与对应的投影轮廓完全重合；

利用待安装水工模型的整体视图对安装后的模型进行校核。

在其中一个实施例中，所述根据待安装水工模型的尺寸，包括：根据待安装水工模型的尺寸确定安装区域的尺寸，所述安装区域尺寸大于所述待安装水工模型尺寸。

在其中一个实施例中，所述对投影仪的投影视图进行校核，包括：选用标准体为50cm的正六面体标准件，其表面附有刻度，并能够清晰承接投影影像；

将六面体标准件置于安装区域内预先选定的不同空间位置，开启对应的投影仪，当投影仪上的平面投影与标准件轮廓未完全重合，则对投影仪进行修正。

在其中一个实施例中，所述对投影仪进行修正，包括：调节投影仪投影镜头焦距，和/或调节投影仪的安装角度。

在其中一个实施例中，在传输至投影仪之后，该方法还包括：在待安装水工模型表面设置投影膜，所述投影膜上设置有模型轮廓识别线。

在其中一个实施例中，所述确保待安装水工模型与对应的投影轮廓完全重合，包括：

确保每部分待安装水工模型在安装过程中，至少有两个非对称视角视图能够投影到待安装水工模型上。

在其中一个实施例中，所述利用待安装水工模型的整体视图对安装后的模型进行校核，包括：

依次开启前、后、左、右、顶视图的投影仪，关闭其他投影仪，观察对应视图是否与安装后的模型重合，若重合则对安装后的模型进行固定。

本发明还提供了一种水工模型安装装置，包括：

安装底座；

投影支架，所述安装底座的四周不同方位均设置有所述投影支架；

投影仪，每个所述投影支架上均设置有投影仪；

PC端，所述PC端与所述投影仪电连接。

在其中一个实施例中，还包括设置在待安装水工模型上的投影膜，所述投影膜上设有模型轮廓识别线。

在其中一个实施例中，还包括蓄电池，所述投影仪和所述PC端分别与所述蓄电池电连接。

本发明的有益效果包括：

本发明提供的水工模型安装方法基于投影技术，在模型安装中避免了传统的卷尺、垂球、水准尺等工具的组合使用，极大地减小了操作人员的主观操作影响、在安装时因反复调整而导致的偏差，以及分段安装时产生的累积偏差，可实现精准、快速的安装，有效解决了传统的水工模型安装效率低、误差大、费时费力的问题。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的水工模型安装方法流程示意图；

图2为本发明一实施例提供的水工模型安装装置示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明一实施例提供的投影膜示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

为了研究水工建筑物各种水力学问题，预演工程可能遭遇的或可能出现的运行工况，通常需要开展水工模型试验，即在按比例缩小的模型中开展不同情景下的试验研究。由于水工模型试验是在较为成熟的相似理论的基础上开展的，其试验结果能够较好地反映工程中的实际情况，达到论证及优化工程设计的目的。然而由于水工模型是根据相似准则，按严格计算的几何比尺系数缩小的，在模型安装中，微小的偏差往往在实际工程中就会放大数十倍甚至上百倍，因此确保模型的安装精度是有效开展水工模型试验的前提条件。

目前，传统水工模型安装的一般方法和步骤是：首先根据预先计算的模型范围，确定安装基线，利用墨斗等工具在地面上标出基准点和坐标轴；通常水工模型的规模和尺寸较大，需要分部、分段制作和安装，一般会根据模型实际情况，在模型各部分上选取安装控制点，计算出其相对基准坐标轴的坐标位置(包括平面位置与相对高程)；根据地面已有的基准坐标轴和计算的坐标位置，利用卷尺、钢尺等工具，测量并在地面标记出各控制点对应的平面位置；根据选定的起点开始安装模型，每部分安装时，一般是人工利用垂球等工具辅助观察，使模型上的控制点与地面控制点标记相重合，确保模型平面位置准确后，对模型进行初固定；随后利用水准仪和水准尺等工具，调整模型高度，确保模型各控制点相对高程准确后，对该部分模型进行加固；按照预先设计的安装顺序，在上一级模型安装完毕后，按相同步骤安装下一级模型，直至模型安装完毕；再次利用水准仪、水准尺、垂球等工具对模型进行校核，由于模型的整体组装初步完成，安装时选定的部分控制点常常处于整体模型内部，因此再次校核模型内各控制点常无法实现，此时实践中常采取测量首级和末级模型控制点间的相对距离、相对高程，与设计计算值进行对比。如吻合则安装完成，不吻合则需考虑进一步分段校核，寻找错误并考虑重新安装模型。

从上述安装方法中可以看出，传统水工模型安装是较为繁琐的。为了满足精度需求，通常采用卷尺、垂球、水准仪等测量工具反复测量，不但费时费力、效率低下，且对于结构复杂、规模较大的水工模型而言，安装精度难以保证。具体而言，一方面，传统的卷尺、垂球、水准尺等工具在组合使用过程中，受操作人员的主观操作影响较大，精度有限；同时，安装过程中不同的量测工具难以同时使用，导致每部分模型的水平位置和相对高程难以同时校准、固定，在反复调整的过程中容易再次导致偏差。另一方面，大规模的水工模型分段安装也容易导致安装偏差的累积，通过校核首尾控制点位置并不能确保模型内部的安装精度。

为了解决上述问题，如图1所示，本发明一实施例中，提供了一种水工模型安装方法，该方法包括：

步骤110：根据待安装水工模型的尺寸，在安装区域边界的不同方向上设置投影支架；

步骤120：在每个投影支架上固定投影仪，并记录各投影仪投影镜头的空间位置；

步骤130：对投影仪的投影视图进行校核；

步骤140：在PC端创建安装区域内包含待安装水工模型本身的前视图、后视图、左视图、右视图和顶视图，并传输至投影仪；

步骤150：打开对应的投影仪，将待安装水工模型的视图投影到安装区域上，然后将对应的待安装水工模型按照视图投影安装到安装区域上，同时确保待安装水工模型与对应的投影轮廓完全重合；

步骤160：利用待安装水工模型的整体视图对安装后的模型进行校核。

具体地，首先确定安装区域：根据工程原型的尺度，考虑试验研究的问题为常规水工水力学问题，故模型设计选用佛洛德数相似准则，拟定几何比尺为1：20，计算物理模型的整体尺度在5.0m×5.0m×3.5m的范围内，依此确定安装区域为7.0m×7.0m×6.0m的规则范围；

然后安装投影支架和投影仪：在以上确定的安装区域的前、后、左、右及顶部搭设五个投影支架，考虑本模型尺度不大，设置投影仪与投影支架为固接。支架上预留的投影仪安装位置正对于整个投影平面，位于靠中部位置。在对应位置上安装投影仪并进行初步固定，以投影仪正对投影区域，各自的投影区域可以覆盖整个模型安装的实际位置为目标。安装时，应记录下各投影仪投影镜头的空间位置，以便计算并设计模型投影视图；

正式开始投影安装前，率定投影尺寸并校核投影精度：需用预先准备的标准体和对应的投影视图对投影精度进行率定，并进行校核。标准体为50cm立方的正六面体标准件，其表面附有刻度，并可以清晰承接投影影像。将六面体标准件置于安装区域内的预先选定的不同空间位置，与对应的各投影视图对比率定。在对比率定过程中，对于某一视角的投影，可能出现两种情况：

1)该视角的平面投影与标准件轮廓未完全重合，在排除标准件投影视图设计错误的情况下，则需对投影设备进行修正。可能存在的情况有：(a)投影视图的尺寸与标准件不符(投影视图小于或大于标准件尺寸)，说明投影大小存在问题。针对目前较为常见的投影设备而言，应通过调节投影镜头焦距，来校正投影视图大小，直至完全重合；(b)投影视图偏离标准件，说明投影角度存在问题。应考虑对投影仪安装的角度进行校正，确保其正对投影平面，直至完全重合。

2)各视角的平面投影与标准件轮廓完全重合，则证明投影准确，精度符合要求，在完成不同视角、不同位置的校核均无误后，对投影仪进行加固，完成投影设备的率定和校核；

根据模型加工的需要，计算并创建投影视图：通常将其分解为多个部分。针对模型整体和每个部分，分别根据设计的模型尺寸和空间位置，在PC端创建安装区域内包含模型本身的前视图、后视图、左视图、右视图和顶视图，并传输至投影仪；

本研究中，为了便于输水隧道内水流流态的观察，物理模型采用了透明的有机玻璃制作。因此，在模型安装前，在模型表面和主要截面附上了投影膜，投影膜上有明显的模型轮廓识别线，以清晰承接投影影像。在模型安装、校核完毕后，再进行去除；

对于本模型而言，根据其各部分结构特点，位于整个模型中部的调压井部分尺寸最大，与进出水隧道的连接也较为复杂，因此考虑首先进行安装。

调压井模型作为起点开始安装时，首先打开顶部和前侧投影仪，投射调压井模型的俯视图和正视图，将调压井模型初步置于大致位置，以对应的模型面承接投影视图。不断调整模型位置，直至模型边界与对应的投影轮廓完全重合，对模型进行初固定。

对于起点结构，应立即进行模型校核，即关闭顶部和前侧投影仪，打开其他投影仪，对比投影轮廓与对应的模型边界是否吻合。如不吻合，则继续校正模型位置；如吻合，则说明调压井模型安装正确，完成模型的固定。

自调压井模型安装完毕后，分别向上游、下游顺序安装模型，操作流程与上述过程基本相同，直至所有模型部分安装完毕。

利用模型整体视图对安装的模型进行校核。依次开启前、后、左、右、顶视图的投影仪，关闭其他投影仪，观察这些视图是否与安装的模型重合，如不重合则需分段校核，寻找错误并考虑校正安装模型，如完全重合则对模型进行精细固定，并完成安装工作。

采用上述技术方案，整体方法基于投影技术，在模型安装中避免了传统的卷尺、垂球、水准尺等工具的组合使用，极大地减小了操作人员的主观操作影响、在安装时因反复调整而导致的偏差，以及分段安装时产生的累积偏差，可实现精准、快速的安装，有效解决了传统的水工模型安装效率低、误差大、费时费力的问题。

如图2所示，本发明还提供了一种水工模型安装装置，包括：安装底座1、投影支架2、投影仪3以及PC端5，其中，安装底座1的四周不同方位均设置有投影支架2，每个投影支架2上均设置有投影仪3，PC端5与投影仪3电连接。

具体地，整个安装底座为地面平整、空间无遮挡的自由安装空间，投影支架选为方便拆装的四面体钢架结构，支撑于地面，设置于安装底座的前、后、左、右、上部共五个方向。投影仪选为目前较为成熟的基于反射DLP原理的激光投影，其优点在于投影光源稳定性好、强度较高，属于短焦投影可实现近距离的大范围成像。在模型整体尺度不大，投影范围足够的情况下，设置投影仪与投影支架为固接，所有投影仪在安装时均保证正对投影区域。所有投影仪上均安装了WIFI模块，通过无线传输的方式与PC端连接。

工作原理：依据预先设计好的模型安装底座，在其周围不同方向安装投影装置；在安装前，预先设计并制作每段模型在安装底座对应的各视角平面视图，利用投影技术将创建的各方向视图投影至安装底座；如图4所示，在模型安装前，在模型表面和主要截面附上投影膜6，该投影膜6上有明显的模型轮廓识别线7，以清晰承接投影影像，如图3所示，当已安装模型401安装好后，在每个投影面上，利用模型本身承接该部分模型的投影影像，并不断调整模型的空间位置，直至模型投影的整个轮廓与模型边界完全重合，完成该部分模型的固定；随后根据预先设定的顺序，完成正安装模型402的安装，进一步再安装未安装模型403即可。在整个模型安装完毕后，打开模型整体投影，仔细观察模型整体边界与各方向投影轮廓是否完全重合，校核无误后，完成模型整体安装。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种水工模型安装方法，其特征在于，该方法包括：

根据待安装水工模型的尺寸，在安装区域边界的不同方向上设置投影支架；

在每个投影支架上固定投影仪，并记录各投影仪投影镜头的空间位置；

对投影仪的投影视图进行校核；

在PC端创建安装区域内包含待安装水工模型本身的前视图、后视图、左视图、右视图和顶视图，并传输至投影仪；

打开对应的投影仪，将待安装水工模型的视图投影到安装区域上，然后将对应的待安装水工模型按照视图投影安装到安装区域上，同时确保待安装水工模型与对应的投影轮廓完全重合；

利用待安装水工模型的整体视图对安装后的模型进行校核。

2.根据权利要求1所述的水工模型安装方法，其特征在于，所述根据待安装水工模型的尺寸，包括：

根据待安装水工模型的尺寸确定安装区域的尺寸，所述安装区域尺寸大于所述待安装水工模型尺寸。

3.根据权利要求1所述的水工模型安装方法，其特征在于，所述对投影仪的投影视图进行校核，包括：

选用标准体为50cm的正六面体标准件，其表面附有刻度，并能够清晰承接投影影像；

将六面体标准件置于安装区域内预先选定的不同空间位置，开启对应的投影仪，当投影仪上的平面投影与标准件轮廓未完全重合，则对投影仪进行修正。

4.根据权利要求3所述的水工模型安装方法，其特征在于，所述对投影仪进行修正，包括：

调节投影仪投影镜头焦距，和/或

调节投影仪的安装角度。

5.根据权利要求1所述的水工模型安装方法，其特征在于，在传输至投影仪之后，该方法还包括：

在待安装水工模型表面设置投影膜，所述投影膜上设置有模型轮廓识别线。

6.根据权利要求1所述的水工模型安装方法，其特征在于，所述确保待安装水工模型与对应的投影轮廓完全重合，包括：

确保每部分待安装水工模型在安装过程中，至少有两个非对称视角视图能够投影到待安装水工模型上。

7.根据权利要求1所述的水工模型安装方法，其特征在于，所述利用待安装水工模型的整体视图对安装后的模型进行校核，包括：

依次开启前、后、左、右、顶视图的投影仪，关闭其他投影仪，观察对应视图是否与安装后的模型重合，若重合则对安装后的模型进行固定。

8.一种水工模型安装装置，其特征在于，包括：

安装底座；

投影支架，所述安装底座的四周不同方位均设置有所述投影支架；

投影仪，每个所述投影支架上均设置有投影仪；

PC端，所述PC端与所述投影仪电连接。

9.根据权利要求8所述的水工模型安装装置，其特征在于，还包括设置在待安装水工模型上的投影膜，所述投影膜上设有模型轮廓识别线。

10.根据权利要求8所述的水工模型安装装置，其特征在于，还包括蓄电池，所述投影仪和所述PC端分别与所述蓄电池电连接。

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