一种装配式车站测量空间定位及装配精度控制方法

1.本发明属于装配式地铁车站工程技术领域，涉及一种装配式车站测量空间定位及装配精度控制方法。


背景技术：

2.近年来，地铁车站装配式技术在我国地下工程方向飞速发展，但地铁装配式拼装过程中仍存在劳动量耗费大、拼装效率低、拼装质量等问题。地铁装配式拼装过程中，拼装精度及拼装效率是拼装问题的关键。除了预制构件自身的尺寸精度外，具体施工过程中的拼装精度、拼装效率也会极大地影响到装配式地铁车站工程的安全性、有效性、可靠性及耐久性。
3.为解决上述问题需要采用定位系统来进行精确控制，传统的现场精度溯源方法采用单设备来作为工程测量标准，存在测量精度较低、数据处理困难、施工精度低、数据反馈不及时等问题，缺乏有效数据进行及时修正验证，至今尚无十分可靠的大尺度空间定位技术领域的标准。传统的基于全站仪和cpiii工程测量网的检测技术和设备因人工成本高、测量速度慢、易受日照、气候和人为因素影响等缺陷，逐渐成为影响铁路建设的短板。


技术实现要素：

4.本发明针对装配式地铁车站空间定位及精度控制常见问题，综合分析装配式地铁车站现有防治技术存在的优势与不足，提供了一种装配式车站测量空间定位及装配精度控制方法。该方法采用三维坐标测量仪建立三维控制网用于确定空间内基准坐标系，便于求解点位三维坐标；通过组合式三维坐标测量，建立流动测量点，根据实际测量情况进行具体测量，根据工况改变位置，保证测量精度与准确性，同时通过无线信号实现数据实时传输整合处理；针对不同基准坐标系下数据拼接采用基于柔性控制点的三维数据拼接方法，避免粘贴标志点的繁琐过程，提高测量效率与测量精度，保证多坐标系下准确转换。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种装配式车站测量空间定位及装配精度控制方法，包括如下步骤：
7.步骤1、利用三维控制网测定装置进行三维控制网测量，确定空间内基准坐标系，便于求解点位三维坐标；
8.步骤2、在现场设置控制点位，将组合式三维坐标测量系统放置在控制点位上进行组合式三维坐标测量，通过蓝牙形式将组合式三维坐标测量系统测得的三维数据传输到中心数据控制台进行集中数据处理；
9.步骤3、中心数据控制台通过蓝牙形式接收三维控制网信息以及组合式三维坐标测量系统测得的三维数据，通过基于柔性控制点的三维数据拼接方法实现不同基准坐标系下的数据转化，并实时同步于操作系统确保施工精度与施工效率。
10.相比于现有技术，本发明具有如下优点：
11.1、通过控制两台三维坐标测量仪在测量控制网点的同时，使两台三维坐标测量仪
互瞄对测，建立观测方程，尤其适用于通视条件差的精密坐标传递场景。
12.2、结合精密控制场完成发射站定向过程，提高了室内空间测量定位系统的定向效率和精度精密，控制场为工业现场测量提供了测量基准，实现了室内空间测量定位系统三维坐标测量的精度溯源。
13.3、利用投影柔性控制点，解决了传统大型零件测量过程中控制点布局繁琐、效率低的问题，提高了测量系统的现场适应性。
14.4、采用预设点位，可以通过预设不同测量方案，保证测量合理性，同时为今后数据核检提供可靠依据。
15.5、三维测量定位操作简单，机动性强，实时性好，结合基准坐标系测量方法，无需人工设定全局定位基站，可实现高校高精度测定，同时通过蓝牙方式保证几何位置实时性，确保施工顺利进行。
16.6、操作方便、可操作性强、数据实时可靠，能够有效保障施工精度与施工效率，通过分区测定柔性拼装进而实现大范围坐标测定，可广泛应用于各种施工现场，极具现实与长远意义。
附图说明
17.图1是三维控制网测量示意图；
18.图2是三维控制网测量原理图；
19.图3是组合式三维坐标测量；
20.图4是柔性点三维数据拼接示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
22.本发明提供了一种装配式车站测量空间定位及装配精度控制方法，针对装配式地铁车站空间定位及精度控制常见问题，综合分析装配式地铁车站现有防治技术存在的优势与不足，采取以下技术措施解决问题：(1)构建现场基准坐标系，以此作为现场坐标测量标准，并实时进行采集跟进，根据实际情况转变基准坐标系，保证坐标采集的实时性与准确性。(2)通过分布式激光系统针对构件节点进行组合校对控制，提升装配精度与装配效率。(3)通过公共点在两套系统下的三维坐标值，将终端测量数据转换到全局控制全站仪坐标系下，统一坐标系统。(4)将观测数据实时与施工控制台相联系，确保控制台根据装配构件位置及时进行修订操作。具体实施步骤如下：
23.步骤1、利用三维控制网测定装置进行三维控制网测量，确定空间内基准坐标系，便于求解点位三维坐标。
24.本步骤中，三维控制网测量的具体步骤如下：
25.(1)三维控制网测定装置由两台三维坐标测量仪构成，将两台三维坐标测量仪分别放置在第一个测站和第二个测站，每台三维坐标测量仪顶部均固定一个球棱镜，控制第一个测站和第二个测站上的两台三维坐标测量仪互瞄对测其顶部的球棱镜，控制两台三维
坐标测量仪分别对三维控制网的控制点进行测量，记录各三维坐标测量仪的观测值，包括三维坐标测量仪之间的互瞄观测值及各控制网点的观测值；
26.(2)将第一个测站上的三维坐标测量仪移动至第三个测站，控制第二个测站和第三个测站上的两台三维坐标测量仪互瞄对测，控制两台三维坐标测量仪分别对三维控制网的控制点进行测量，循环往复完成所有控制点测定，记录各三维坐标测量仪的观测值；
27.本步骤中，三维控制网测量过程中，可以分区测定，提前确定测定点，进行测定后输入系统得到系统坐标系，同样也可以根据现场施工情况进行定点测定，保证测量坐标系稳定，同时保证施工过程中的扰动等影响可以及时发现，对坐标系进行及时更改，确保测量准确性与精度。
28.步骤2、在现场设置控制点位，将组合式三维坐标测量系统放置在控制点位上进行组合式三维坐标测量，同时可根据实际情况进行分组验证，提升数据可靠性，通过蓝牙形式将组合式三维坐标测量系统测得的三维数据传输到中心数据控制台进行集中数据处理。
29.本步骤中，组合式三维坐标测量系统由全站仪、激光测定靶球和无线蓝牙传输系统构成，通过全站仪标定激光测定靶球得到相应坐标数据，通过无线蓝牙传递数据到接收设备，通过移动小车等搭载接收设备构建移动定位系统测定各全局控制点坐标。
30.本步骤中，组合式三维坐标测量的具体步骤如下：
31.(1)在装配式地铁车站施工现场设置a个全局控制点以及b个移动监测点，确保在50m范围内有不少于8个移动监测点，全局控制点的个数a和移动监测点的个数b必须满足ab》3(a+b)的要求，保证基本的全局控制点与移动监测点密度提高测量精度，同时根据实际情况例如现场构件尺寸、预期施工范围、测量精度要求来增加测量点密度；
32.(2)装配预制构件时，利用组合式三维坐标测量系统测得预制构件上的位置测点坐标，通过预先测量得到的三维控制网进行约束，进行参数平差运算，得到相应测点的三维坐标，通过各个组合式三维坐标测量系统测得的预制构件上的位置测点坐标进行相互校核得到准确的测点坐标，如若发现误差过大，重新进行校正或改变测定方案，确保满足装配精度要求。
33.参数平差运算模型如下：
[0034][0035]
式中，x＝[x1、y1、z1、
……
xm、ym、zm、x2、y2、z2、α2、β2、γ2……
xs、ys、zs、αs、βs、γs]表示未知参数的平差值，其中，xm、ym、zm为全局控制点在将某个测站作为基准测站下的坐标，xs、ys、zs、αs、βs、γs为其他测站在所述基准测站的平移旋转参数，l表示照准控制点的观测值，a、d为照准控制点观测值对应的系数矩阵和常数向量，c、c0为测站间互瞄观测值对应的系数矩阵和常数向量。
[0036]
步骤3、中心数据控制台通过蓝牙形式接收三维控制网信息以及组合式三维坐标测量系统测得的三维数据，通过基于柔性控制点的三维数据拼接方法实现不同基准坐标系下的数据转化，并实时同步于施工时的操作系统确保施工精度与施工效率。
[0037]
本步骤中，基于柔性控制点的三维数据拼接方法的具体步骤如下：
[0038]
为实现三维数据的全局拼接，需要在三维控制网测定装置(即：全局控制系统)和组合式三维坐标测量系统(即：局部测量系统)的公共视场内设立具有公共信息的全局控制
点，并根据这些点阵求解全局坐标系与局部坐标系间的转换矩阵，其中：通过已有全站仪测定技术、激光靶球定点技术、全站仪内部数据远程传输技术组合形成的组合式三维坐标测量系统可以实现远程数据整合与传输。
[0039]
首先利用组合式三维坐标测量系统中的全站仪，根据被测零件的表面特征，通过预先标定实验，建立柔性投影特征点阵，其中，矩形外边框所围成的区域为组合式三维坐标测量系统的测量范围，用以保证局部测量的过程可以覆盖被测物所有的表面区域，边框内部投影的点阵作为全局控制点，充满整个视场，为了保证拼接的精度，投影的柔性控制点尺寸根据测量现场三维控制网测定装置与零件表面的位置关系进行实时调整，使控制点占据尽可能多像素，提高点的提取精度，从而保证三维数据拼接的质量。
[0040]
接着，根据全局坐标系下与局部坐标系下对应的匹配点对，可求解全局坐标系与局部坐标系的坐标转换关系。对于空间中的这两个坐标系，同时存在旋转和平移，即同一控制点在两坐标系下的坐标可表示为：
[0041]
qk＝r
·
pk+t
[0042]
式中：r为坐标系旋转矩阵；t为坐标系平移向量。为方便计算，利用向量的计算先得到旋转矩阵之间的关系，然后再利用点的坐标计算平移向量，即
[0043][0044]
最后，通过移动组合式三维坐标测量系统，使局部测量视场覆盖整个零部件，并将每一测量系统站位下的测量点云数据均统一到全局坐标系下，利用三维控制网测定装置和组合式三维坐标测量系统分别对柔性控制点进行采集，获得局部坐标系与全局坐标系间的转换矩阵，从而实现不同位置三维点云数据的拼接。
[0045]
实施例：
[0046]
本实施例按照如下步骤进行装配式车站测量空间定位及装配精度控制：
[0047]
步骤1：如图1和图2所示，根据现场情况安置两台三维坐标测量仪，每台三维坐标测量仪顶部平台都安装一球形棱镜作为激光追踪靶球，用于确定基准轴、基准面，通过控制两台三维坐标测量仪通过激光追踪技术互相瞄准激光追踪靶球，可以得到两个三维坐标测量仪之间的互瞄观测值，根据此互瞄观测值，结合三维坐标测量仪分别测得和共同测得的定位坐标值，得到三维控制网中各控制网点的观测值，然后通过此观测值建立参数平差模型，求解得到控制点在将某个测站作为基准测站下的坐标，以及其他测站在所述基准测站的平移旋转参数，实现三维坐标测量仪之间的控制网点坐标传递。
[0048]
步骤2：如图3所示，通过组合式三维坐标测量系统测定全局控制点坐标，将第一台移动定位系统行驶至预设移动站位，开启激光跟踪工作模式，以此为基点，将第二台移动定位系统行驶至全局控制站位，利用第一台移动定位系统的激光追踪靶球技术测定全局控制点的三维坐标；以此类推，将第二台移动定位系统按照全局控制站位既定路线依次移动至全局控制点2、3...全局控制点n-1、全局控制点n，每移动至不同的全局控制点时，位于移动监测点1的第一台移动定位系统上的激光追踪靶球测量出全局控制点2、3...n的三维坐标；
[0049]
步骤3：如图4所示，设置中心数据控制台，通过蓝牙形式接收三维控制网信息以及组合式三维坐标测量系统测得的三维数据，并实时监测控制测量精度，针对不同基准坐标系下坐标点通过基于柔性控制点的三维数据拼接方法实现不同基准坐标系下的数据转化，并实时同步于操作系统确保施工精度与施工效率。通过移动局部测量系统，使局部测量视
场覆盖整个零部件，并将每一测量系统站位下的测量点云数据均统一到全局坐标系下，利用全局控制系统和局部测量系统分别对柔性控制点进行采集，减少阻碍物影响，确保信息完整性，获得局部坐标系与全局坐标系间的转换矩阵，从而实现不同位置三维点云数据的拼接。

技术特征：
1.一种装配式车站测量空间定位及装配精度控制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤1、利用三维控制网测定装置进行三维控制网测量，确定空间内基准坐标系，便于求解点位三维坐标；步骤2、在现场设置控制点位，将组合式三维坐标测量系统放置在控制点位上进行组合式三维坐标测量，通过蓝牙形式将组合式三维坐标测量系统测得的三维数据传输到中心数据控制台进行集中数据处理；步骤3、中心数据控制台通过蓝牙形式接收三维控制网信息以及组合式三维坐标测量系统测得的三维数据，通过基于柔性控制点的三维数据拼接方法实现不同基准坐标系下的数据转化，并实时同步于操作系统确保施工精度与施工效率。2.根据权利要求1所述的装配式车站测量空间定位及装配精度控制方法，其特征在于所述步骤1中，三维控制网测量的具体步骤如下：(1)三维控制网测定装置由两台三维坐标测量仪构成，将两台三维坐标测量仪分别放置在第一个测站和第二个测站，每台三维坐标测量仪顶部均固定一个球棱镜，控制第一个测站和第二个测站上的两台三维坐标测量仪互瞄对测其顶部的球棱镜，控制两台三维坐标测量仪分别对三维控制网的控制点进行测量，记录各三维坐标测量仪的观测值，包括三维坐标测量仪之间的互瞄观测值及各控制网点的观测值；(2)将第一个测站上的三维坐标测量仪移动至第三个测站，控制第二个测站和第三个测站上的两台三维坐标测量仪互瞄对测，控制两台三维坐标测量仪分别对三维控制网的控制点进行测量，循环往复完成所有控制点测定，记录各三维坐标测量仪的观测值。3.根据权利要求1所述的装配式车站测量空间定位及装配精度控制方法，其特征在于所述步骤2中，组合式三维坐标测量系统由全站仪、激光测定靶球和无线蓝牙传输系统构成，通过全站仪标定激光测定靶球得到相应坐标数据，通过无线蓝牙传递数据到接收设备。4.根据权利要求1所述的装配式车站测量空间定位及装配精度控制方法，其特征在于所述步骤2中，组合式三维坐标测量的具体步骤如下：(1)在装配式地铁车站施工现场设置a个全局控制点以及b个移动监测点，确保在50m范围内有不少于8个移动监测点，全局控制点的个数a和移动监测点的个数b满足ab>3(a+b)的要求；(2)装配预制构件时，利用组合式三维坐标测量系统测得预制构件上的位置测点坐标，通过预先测量得到的三维控制网进行约束，进行参数平差运算，得到相应测点的三维坐标，通过各个组合式三维坐标测量系统测得的预制构件上的位置测点坐标进行相互校核得到准确的测点坐标，如若发现误差过大，重新进行校正或改变测定方案，确保满足装配精度要求。5.根据权利要求1所述的装配式车站测量空间定位及装配精度控制方法，其特征在于所述(2)中，参数平差运算模型如下：式中，x＝[x1、y1、z1、
……
x
m
、y
m
、z
m
、x2、y2、z2、α2、β2、γ2……
x
s
、y
s
、z
s
、α
s
、β
s
、γ
s
]表示未知参数的平差值，其中，x
m
、y
m
、z
m
为全局控制点在将某个测站作为基准测站下的坐标，x
s
、y
s
、
z
s
、α
s
、β
s
、γ
s
为其他测站在所述基准测站的平移旋转参数，l表示照准控制点的观测值，a、d为照准控制点观测值对应的系数矩阵和常数向量，c、c0为测站间互瞄观测值对应的系数矩阵和常数向量。6.根据权利要求1所述的装配式车站测量空间定位及装配精度控制方法，其特征在于所述步骤3中，基于柔性控制点的三维数据拼接方法的具体步骤如下：(1)利用组合式三维坐标测量系统中的全站仪，根据被测零件的表面特征，通过预先标定实验，建立柔性投影特征点阵；(2)根据全局坐标系下与局部坐标系下对应的匹配点对，求解全局坐标系与局部坐标系的坐标转换关系；(3)通过移动组合式三维坐标测量系统，使局部测量视场覆盖整个零部件，并将每一测量系统站位下的测量点云数据均统一到全局坐标系下，利用三维控制网测定装置和组合式三维坐标测量系统分别对柔性控制点进行采集，获得局部坐标系与全局坐标系间的转换矩阵，从而实现不同位置三维点云数据的拼接。

技术总结
本发明公开了一种装配式车站测量空间定位及装配精度控制方法，所述采用三维坐标测量仪建立三维控制网用于确定空间内基准坐标系，便于求解点位三维坐标；通过组合式三维坐标测量，建立流动测量点，根据实际测量情况进行具体测量，根据工况改变位置，保证测量精度与准确性，同时通过无线信号实现数据实时传输整合处理；针对不同基准坐标系下数据拼接采用基于柔性控制点的三维数据拼接方法，避免粘贴标志点的繁琐过程，提高测量效率与测量精度，保证多坐标系下准确转换。本发明操作方便、可操作性强、数据实时可靠，能够有效保障施工精度与施工效率，通过分区测定柔性拼装进而实现大范围坐标测定，可广泛应用于各种施工现场，极具现实与长远意义。现实与长远意义。现实与长远意义。


技术研发人员：唐亮 杨国富 孔祥勋 丛晟亦 田新国 崔怀春 齐世超 刘志伟 魏云峰 马金骥 唐文冲
受保护的技术使用者：中建二局第三建筑工程有限公司 哈尔滨工业大学重庆研究院
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/20