測量機器人在大跨度CFST拱橋中的應用研究

羅小斌 蔡明桐 魏華 蘭國騰

摘要：文章介紹了測量機器人的構成、原理、特點及滿足CFST拱橋施工測量需要的配套軟件，并以廣西荔玉高速公路平南三橋為例，提出了測量機器人在大跨度CFST拱橋施工階段的控制網(wǎng)及觀測點布設、就位跟蹤測量、線形調(diào)整測量、拱圈線形連續(xù)測量及數(shù)據(jù)處理方案，對同類型大橋施工中的測量工作有實際的指導意義和借鑒價值。

關鍵詞：測量機器人;CFST拱橋;線形;測量

中圖分類號：U448. A 01 001 3

0 引言

鋼管混凝土拱橋（CFST拱橋）具有跨越能力大、施工方便、造價低和外形美觀等特點，被廣泛應用在交通工程中。從1990年我國建成第一座具有工程意義的旺蒼東河大橋開始，至今已建成460余座[1]鋼管混凝土拱橋。2019年12月，世界大跨徑拱橋建設技術大會在廣西南寧順利召開，來自國內(nèi)外300多名專家、學者參觀了跨徑為575 m的廣西荔玉高速公路平南三橋，將CFST拱橋建設推向了一個新的高度。隨著CFST拱橋的跨徑不斷增大，安裝難度隨之提升。安裝過程中的拱肋線形監(jiān)測，對確保橋梁的安全和工程的順利推進非常關鍵。根據(jù)以往CFST拱橋的吊裝施工經(jīng)驗，線形監(jiān)測通常采用全站儀進行測設，由人工進行數(shù)據(jù)的整理，耗時長、效率低、易出錯，且受到環(huán)境、人員技能水平的影響大[2]，對降低拱橋安裝階段的施工風險非常不利。隨著信息化技術和裝配制造技術的發(fā)展，對自動化、智能化、信息化的要求越來越高，近年發(fā)展起來的測量機器人就具備這些特點。本文介紹了測量機器人技術在大跨徑CFST拱橋中的應用，解決了線形監(jiān)測的難題。

1 測量機器人

測量機器人又稱自動全站儀，是一種集自動目標識別、自動照準、自動測角與測距、自動目標跟蹤、自動記錄于一體的測量平臺。它主要由硬件和軟件兩大部分組成：硬件主要由主機、內(nèi)/外部電池、[KG（0.1mm]數(shù)據(jù)傳輸線、電源線、SD存儲卡等組成;軟件主要包含系統(tǒng)軟[KG）]

測量機器人在大跨度CFST拱橋中的應用研究/羅小斌，蔡明桐，魏 華，蘭國騰

件和應用軟件。本文所述的測量機器人，以徠卡TS60自動全站儀（圖1）為研究對象。

1.1 原理

測量機器人在普通全站儀的基礎上集成了高精度的測距測角系統(tǒng)、馬達驅動、CCD影像傳感器以及ATR自動目標識別等裝置，結合了應用軟件的開發(fā)使用形成，通過儀器的中央處理系統(tǒng)來控制儀器測量程序的運行，進行數(shù)據(jù)計算得到相關結果[3-4]。

在工作時，通過人工或者使用軟件給測量機器人下達測量指令，精密的馬達驅動系統(tǒng)可以根據(jù)儀器的指令啟動，轉動儀器搜索目標。ATR（Automatic Target Recognition）即目標自動識別功能，通過紅外信號發(fā)射器發(fā)射紅外激光，在光學部件投影下通過望遠鏡的物鏡平行發(fā)射出去，再通過棱鏡反射回到CCD相機接收器中。CCD相機接收到信號后轉換成相應的圖像，通過不斷地處理計算使圖像中心和CCD相機中心重合，即準確識別目標[5]。測量機器人的高精度測距測角系統(tǒng)通過處理器修正獲取高精度的距離和角度數(shù)據(jù)，最后計算出坐標信息得到相關觀測結果。工作過程如圖2所示。

1.2 特點

測量機器人與普通全站儀相比有以下優(yōu)勢（見表1）：

（1）高精度：測量中的照準誤差、調(diào)焦誤差等可以自動消除。

（2）高效率：具有記憶功能，自動找點。以監(jiān)測拱肋上22個監(jiān)測點為例，測量機器人僅需要3 min，人工找準至少需要25 min。

（3）連續(xù)監(jiān)測：配置數(shù)據(jù)處理軟件，可實現(xiàn)24 h不間斷監(jiān)測。

（4）自動化監(jiān)測：按設定自動輸出結果，便于數(shù)據(jù)的交換。可遠程監(jiān)控，降低人工成本。

1.3 數(shù)據(jù)處理軟件

（1）GeoMoS軟件

GeoMoS軟件由Monitor和Analyzer兩大功能模塊組成。Monitor通過與測量機器人的連接，向測量機器人發(fā)送監(jiān)測指令，達到遠程監(jiān)測并獲取數(shù)據(jù)的目的，能夠無人值守不間斷測量拱肋線形。軟件中具備建立項目、觀測點組等功能，并為不同的點組設置不同的測量參數(shù)。操控電腦與設備間通過網(wǎng)絡連接，且應在同一局域網(wǎng)環(huán)境內(nèi)。Analyzer主要實現(xiàn)對監(jiān)測期間獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析整理，得到監(jiān)測點隨時間軸變化的數(shù)據(jù)，可繪制控制點的三維坐標值或偏差值的趨勢圖，也可生成監(jiān)測報告，允許將監(jiān)測數(shù)據(jù)導入其它數(shù)據(jù)處理軟件進行后處理。

（2）Location Tracking軟件

Location Tracking是一款可以對單個監(jiān)測點進行定位追蹤的軟件，它通過藍牙端口的連接來控制測量機器人的測量活動，可以在軟件中得到監(jiān)測點的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)偏差，其特點是操作界面簡單具有直觀性，能夠實時指導拱肋吊裝監(jiān)測。

2 CFST拱橋施工階段線形測量

平南三橋是廣西荔浦至玉林高速公路平南北互通連接線上跨越潯江的一座特大橋。大橋全長1 035 m，主跨為575 m中承式鋼管混凝土拱橋。主拱肋共分為44個吊裝節(jié)段，單邊單側11個節(jié)段，對稱布置。該橋拱肋架設中的線形監(jiān)測采用“固定式測點+測量機器人+處理軟件”的組合方式。

2.1 測量準備

（1）控制網(wǎng)布設

在大橋兩岸上下游側，分別設置控制點，各控制點相互通視，形成閉環(huán)的施工測量控制網(wǎng)，如圖3所示。北岸的控制點PNS8、PNS12距橋梁軸線分別為61.736/68.447 m，南岸控制點PNS10、PNS2距橋梁軸線分別為62.676/84.491 m。其中PNS10控制點距離軸線較近，兼顧南岸拱座基坑內(nèi)部結構物的測量。詳見圖3。

控制樁均采用鋼筋混凝土墩的結構形式，與三腳架相比，沉降誤差小?？刂茦恫捎眯」軜痘A，打入堅硬基巖，墩頂設置強制對中器。施工完成后需進行1個月的沉降觀測，滿足要求后，方可使用。

（2）觀測點布設

在拱肋節(jié)段上布置固定式觀測點，每節(jié)段上下弦各布置1個點（見圖4）。上弦A點為主測點，下弦B點為復測點。各測點均位于豎向腹桿與弦管中心交點的外側面，且需靠近接頭附近，便于觀測點的維護。測點采用基座+“L”型支架+棱鏡的構造型式?；诠袄吲P式拼裝階段按指定的點位焊接固定，絲孔內(nèi)填灌潤滑脂進行保護。節(jié)段運抵橋址后，安裝棱鏡。主測點A安裝360°全方位小棱鏡，復測點B安裝普通小棱鏡，全橋棱鏡總數(shù)為88個。

2.2 節(jié)段就位跟蹤測量

節(jié)段起吊至就位期間，對節(jié)段進行跟蹤測量。操作步驟為：（1）在控制點架設測量機器人并調(diào)平;（2）接通電源，使用藍牙端口連接儀器，設置監(jiān)測點的設計坐標、觀測點設計坐標;（3）人工粗略照準觀測點，啟動Location Tracking跟蹤測量程序，軟件自動顯示當前監(jiān)測點的實際坐標、偏位;（4）定時將偏位報告現(xiàn)場指揮人員，以調(diào)整節(jié)段姿態(tài)就位。

自動跟蹤測量，實時顯示測點的三維坐標的實測與設計的偏差值，在節(jié)段就位中可調(diào)高節(jié)段就位效率。根據(jù)統(tǒng)計，全橋拱肋節(jié)段的平均就位速率為23 min/段，遠小于行業(yè)平均水平。

2.3 節(jié)段線形調(diào)整測量

節(jié)段就位后，緊接著進入扣索安裝與張拉工序，調(diào)整節(jié)段線形，需進行節(jié)段線形調(diào)整測量，以指導扣索張拉。操作步驟：（1）關閉Location Tracking跟蹤測量軟件;（2）建立局域網(wǎng)，將測量機器人、電腦均接入同一網(wǎng)絡;（3）打開GeoMoS軟件，轉動儀器照準后視點，在軟件完成：選擇儀器站點→輸入儀器高→選擇后視點→照準棱鏡中心→點擊測量，自動計算方位角完成定向;（4）錄入當前工況下所有節(jié)段的主觀測點A、復核點B的設計值，編入同一監(jiān)測點組，并設置為當前組;（5）設置測量間隔時間，測量方式選擇連續(xù)測量，啟動測量;（6）在軟件窗口中讀取當前安裝階段各測點偏差值，反饋給現(xiàn)場施工指揮人員，以指導扣索張拉施工。

2.4 拱圈線形連續(xù)測量

扣索張拉完畢后，當前工況下的拱肋安裝即完成。測量工作的重點轉化為拱圈線形的連續(xù)測量。測量目的為：觀測不同時段、溫度、日照等情況下拱肋線形的變化規(guī)律，為拱肋節(jié)段安裝線形調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。連續(xù)測量步驟與上文所述線形調(diào)整測量基本相同，不同點為：連續(xù)測量時長24 h以上，時間間隔適當增大，以一個測回時長加5 min為宜;儀器應連接電源，遮陽擋雨，具備條件時可在觀測墩上搭設簡易遮陽房，減少光照對儀器的影響;每1/2 h，記錄一次氣溫。測量期間，在GeoMoS軟件的Analyzer模塊中可查看線形的變化情況，如圖5所示。

2.5 數(shù)據(jù)后處理

GeoMoS軟件為測量通用型軟件，數(shù)據(jù)處理能力具有一定的局限性。對于大跨度的CFST拱橋，需要提取各觀測點的歷程數(shù)據(jù)、各工況的線形數(shù)據(jù)，以指導施工。此時可將連續(xù)測量數(shù)據(jù)導出，采用其數(shù)據(jù)處理軟件對測量數(shù)據(jù)進行后處理，深度挖掘測量數(shù)據(jù)的價值。本文的背景工程數(shù)據(jù)采用Office Excel電子表格進行處理，通過其強大的數(shù)據(jù)、圖標功能，總結工程規(guī)律（如圖6所示）。通常可將數(shù)據(jù)的處理程序提前進行設計，測量完成后將數(shù)據(jù)導入即可，以提高效率。

3 結語

通過測量機器人在大跨徑CFST拱橋中的應用，充分發(fā)揮了測量機器人高效、自動化程度高等特點。在傳統(tǒng)拱橋施工測量的基礎上，設置鋼筋混凝土固定式觀測樁、固定式棱鏡測點，使用“測量機器人+數(shù)據(jù)處理軟件”的方式，實現(xiàn)了線形測量的自動化、智能化，解決了傳統(tǒng)測量方式耗時長、計算量大等不足。通過對連續(xù)線形的連續(xù)監(jiān)測，可獲得線形在不同時段、溫度、工況下的變化規(guī)律，為精細化施工提供數(shù)據(jù)支撐。另一方面，在使用過程中，反復地切換軟件、導入數(shù)據(jù)等還存在諸多的繁瑣操作，應繼續(xù)加強操作方式優(yōu)化、專業(yè)化軟件開發(fā)等方面的研究。

[1]鄭皆連.500米級鋼管混凝土拱橋建造創(chuàng)新技術[M].上海：上海科學技術出版社，2020.

[2]葛金龍.大跨度拱橋監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].安徽：合肥工業(yè)大學，2014.

[3]張正祿.測量機器人[J].測繪通報，2001（5）：17.

[4]陳向陽.測量機器人實時測量系統(tǒng)在橋梁施工中的應用研究[J].常州工學院學報，2010（5）：24-27.

[5]朱順平，薛 英.ATR的工作原理、校準及檢測[J].北京測繪，2005（3）：26-29，18.

作者簡介：羅小斌（1985—），工程師，主要從事大跨度橋梁的施工管理與技術研究工作;

蔡明桐（1996—），助理工程師，主要從事大跨度橋梁的施工管理工作;

魏 華（1983—），高級工程師，主要從事大跨度橋梁的施工管理與技術研究工作;

蘭國騰（1996—），助理工程師，主要從事大跨度橋梁的施工管理工作。

基金項目：[HT9.XH]國家自然科學基金重點項目（項目編號51738004）;廣西科技重大專項（項目編號桂科AA18118029）;交通運輸行業(yè)重點科技項目（項目編號 2018-MS1-003）