EVA裝置各單元預(yù)埋工件空間姿態(tài)的精密測控

奚冠凡，郭沈凡

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210009)

0 引 言

EVA，即乙烯-醋酸乙烯共聚物英文名稱的簡稱[1]。EVA由EVA裝置生產(chǎn)，而EVA裝置須在無應(yīng)力的狀態(tài)下完成安裝，以保證它在超高壓的環(huán)境下正常運(yùn)行。這對(duì)各預(yù)埋的基礎(chǔ)及工件的定位及施工要求極高。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，EVA項(xiàng)目精密測控要求場地內(nèi)各預(yù)埋工件空間姿態(tài)測控相對(duì)精度優(yōu)于±1 mm，即滿足相鄰預(yù)埋工件之間的相對(duì)尺寸測量中誤差不超過±1 mm。

在控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，用全站儀和水準(zhǔn)儀分批次測控EVA裝置各單元預(yù)埋基礎(chǔ)的空間姿態(tài)。若測得空間姿態(tài)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)較差超過限差，則需要施工單位調(diào)整預(yù)埋工件，直至較差在限差范圍內(nèi)。

1 精密高程傳遞測量

為了EVA各單元設(shè)備的順利對(duì)接，在施工過程中要保證設(shè)備基礎(chǔ)的頂部標(biāo)高與設(shè)計(jì)相吻合。所以在混凝土澆筑設(shè)備基礎(chǔ)前，測定每個(gè)設(shè)備預(yù)埋件螺栓的頂部標(biāo)高，螺栓頂部打磨光滑，便于架立水準(zhǔn)尺(圖1)。

圖1 預(yù)埋件示意圖

采用水準(zhǔn)儀的測量方法，在測量過程前后進(jìn)行兩次i角檢定，檢定結(jié)果顯示i角較小，即i角對(duì)每一站不等視距測量的結(jié)果影響不大。觀測時(shí)應(yīng)將儀器安置在穩(wěn)定的地方，后視水準(zhǔn)網(wǎng)控制點(diǎn)，前視條碼尺分別放置在各個(gè)螺栓頂部，測取讀數(shù)。盡量保證后視距離與前視平均距離一致[2-3]。

2 精密平面位置測量

結(jié)合本項(xiàng)目精度要求，在項(xiàng)目實(shí)施中采用徠卡TS30全站儀配合徠卡專用小棱鏡進(jìn)行放樣，在項(xiàng)目開始前應(yīng)對(duì)全站儀和小棱鏡進(jìn)行校核，確定儀器加乘常數(shù)和棱鏡改正數(shù)。為保證檢測基礎(chǔ)及管墩的相對(duì)位置關(guān)系，在項(xiàng)目實(shí)施過程中應(yīng)在相同精密導(dǎo)線控制點(diǎn)上進(jìn)行測量，其余控制點(diǎn)用于檢核。

2.1 徠卡TS30全站儀及ATR原理

TS30全站儀精度標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了0.5"的測角精度和的測距精度，還結(jié)合了自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別(ATR)、多測回測量等一系列優(yōu)勢性能。

自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別(ATR)系統(tǒng)作為智能型全站儀中的新系統(tǒng)，是TS30全站儀的一大特色功能。該技術(shù)集成了步進(jìn)馬達(dá)、CCD和計(jì)算機(jī)等傳感器，使它們成為有機(jī)協(xié)調(diào)的整體，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別并精確照準(zhǔn)目標(biāo)。

將ATR安裝到望遠(yuǎn)鏡同軸上，通過反射棱鏡返回ATR裝置發(fā)射的紅外光來判斷棱鏡的視場位置。如果CCD 相機(jī)無法在視場內(nèi)找到到棱鏡，則應(yīng)當(dāng)在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下，展開螺旋式搜索。當(dāng)找到棱鏡后，光信號(hào)則會(huì)被CCD陣列轉(zhuǎn)換成影像，借助于圖像處理算法處理影像，則可得出棱鏡中心。利用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，全站儀可自動(dòng)精準(zhǔn)地照準(zhǔn)棱鏡中心。

ATR技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確定位測量，需通過3個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)：① 搜索；② 目標(biāo)照準(zhǔn)；③ 測量。

開始ATR通過對(duì)棱鏡位置的搜索，來判斷棱鏡是否在視場范圍內(nèi)，如果不在則利用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，在初始位置展開螺旋式搜索，找到棱鏡后，儀器立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

在目標(biāo)照準(zhǔn)過程中，為了減少測量時(shí)間，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡十字絲與棱鏡中心有小量偏差時(shí)，儀器停止轉(zhuǎn)動(dòng)，之后通過ATR測出十字絲與棱鏡中心的偏移量，同時(shí)改正水平角和垂直角。

測量過程中，ATR要想精準(zhǔn)識(shí)別目標(biāo)，則需要在棱鏡的配合下，才可以實(shí)現(xiàn)。ATR同時(shí)展開距離測量和角度測量，在測量期間，每一次的角度偏離量都會(huì)被重新確定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直角、水平方向的改正，精準(zhǔn)的測出距離，再通過數(shù)學(xué)計(jì)算得出目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)[4-12]。

2.2 ATR測量精度評(píng)定

ATR的測量精度按照影響因素的差異，又可劃分為內(nèi)部精度和外部精度。其中，ATR的內(nèi)部精度則主要依賴CCD陣列的測量環(huán)境、分辨力、測量時(shí)機(jī)等因素。在既定的時(shí)間范圍內(nèi)，設(shè)備的工作性能處于最佳水平時(shí)，內(nèi)部精度則最高。外部精度則取決于環(huán)境條件和棱鏡型號(hào)的影響，尤其是棱鏡型號(hào)，因此外部精度又被稱作棱鏡定位精度。在既定時(shí)間范圍內(nèi)，通過對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的重復(fù)測量，則可獲得外部精度。在測量棱鏡位置時(shí)，應(yīng)用ATR自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別來進(jìn)行，其測量精度則依賴于內(nèi)、外部精度。

通常情況下，在用戶手冊(cè)中，廠家僅僅說明了外部精度這一項(xiàng)指標(biāo)，而未能詳細(xì)說明內(nèi)部精度。同時(shí)，從測量單位的角度而言，ATR的外部精度至關(guān)重要。

ATR的外部精度按照測量距離的同步，又可劃分為2個(gè)部分：① 在既定距離范圍內(nèi)，外部精度為一固定值；② 超過這個(gè)距離，外部精度與測角精度成正比。由此可見，由于測量距離存在差異，對(duì)外部精度的限差的評(píng)測也存有差異。其中，測角限差的計(jì)算公式如下：

式中，D表示測站—鏡站的距離，α限表示水平方向或垂直角標(biāo)準(zhǔn)偏差限差，md表示ATR標(biāo)稱定位精度。

當(dāng)測量環(huán)境、測量距離不同時(shí)，通常以全圓觀測法進(jìn)行測試，全站儀對(duì)近似等距離的4個(gè)棱鏡展開盤左盤右連續(xù)觀測，且每次測回應(yīng)大于10個(gè)。

測量結(jié)果證實(shí)：

(1)ATR的定位精度與手冊(cè)各項(xiàng)規(guī)定基本符合。其中，可能是遭受氣象環(huán)境的干擾，垂直角精度通常稍差于水平方向精度。

(2)當(dāng)排除氣象條件的影響時(shí)，近距離測量精度往往要遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)距離測量精度。

(3)應(yīng)用ATR測角極易受到環(huán)境的影響。因此，在測角時(shí)要避免大氣湍流等氣象環(huán)境，同時(shí)工作人員的人為晃動(dòng)，都會(huì)對(duì)測量精度造成巨大影響。

(4)隨著距離的遞增，ATR精度逐步遞減，兩者成反比。通常情況下，觀測距離在150 m以內(nèi)時(shí)，測量精度較高，因此，在實(shí)際觀測中，要特別重視測量距離對(duì)測量精度的影響。

2.3 預(yù)埋工件平面特征點(diǎn)標(biāo)定及測量

EVA裝置由很多個(gè)單體構(gòu)成，每個(gè)單體由很多個(gè)設(shè)備，設(shè)備之間由高壓管道連接。為了保證設(shè)備之間的順利對(duì)接，需要在土建階段埋設(shè)預(yù)埋工件，所以預(yù)埋工件的精確定位對(duì)設(shè)備的順利對(duì)接至關(guān)重要。

預(yù)埋工件的定位由定位模板控制，定位模板均為矩形鋼板，鋼板上預(yù)留圓形空洞，用于穿插螺栓。定位模板由廠家預(yù)先加工好，運(yùn)抵現(xiàn)場進(jìn)行架設(shè)。架設(shè)時(shí)，控制定位模板的兩條相垂直的軸線。定位模板的軸線由廠家預(yù)先刻好，每塊定位模板選取5個(gè)特征點(diǎn)，其中1個(gè)為兩條軸線交點(diǎn)，其余4個(gè)分別布設(shè)于兩條軸線上，且分別距邊緣20 mm(圖2)。

圖2 特征點(diǎn)標(biāo)定示意圖

為保證特征點(diǎn)測量精度，控制各工作面的相對(duì)位置關(guān)系，平面放樣以混凝土澆筑時(shí)間為一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)間為一個(gè)時(shí)間段。在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，保證空間基準(zhǔn)與時(shí)間基準(zhǔn)相統(tǒng)一，空間基準(zhǔn)采用固定基準(zhǔn)和平均基準(zhǔn)相結(jié)合的方式，固定基準(zhǔn)即每個(gè)時(shí)間段內(nèi)使用相同的架站點(diǎn)和定向點(diǎn)，由于通視條件原因，需要在不同架站點(diǎn)觀測的數(shù)據(jù)應(yīng)歸算到同一架站點(diǎn)。平均基準(zhǔn)即除首個(gè)時(shí)間段觀測外，其余時(shí)間段觀測需聯(lián)測之前時(shí)間段的特征點(diǎn)，聯(lián)測數(shù)據(jù)采用最小二乘法處理，得到當(dāng)前時(shí)間段的平移和旋轉(zhuǎn)改正量，即當(dāng)前時(shí)間段內(nèi)的所有觀測數(shù)據(jù)需加入此改正量。

平面位置測量采用極坐標(biāo)的作業(yè)方法，測角、測距各一個(gè)測回，對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜、加常數(shù)和棱鏡常數(shù)的改正。在充分消除重復(fù)設(shè)站及轉(zhuǎn)站影響的前提下，結(jié)合場地內(nèi)觀測平均距離小于100 m，平均垂直角小于30°，儀器標(biāo)稱測角精度為0.5″，儀器標(biāo)稱測距精度為0.6 mm+1×10-6，根據(jù)誤差傳播定律得出，X方向和Y方向測量中誤差分別小于1 mm，滿足場地內(nèi)基座及支墩檢測精度要求。

其中，等精度觀測條件下X方向互差、Y方向互差及點(diǎn)位互差應(yīng)滿足：

VΔx≤2σ

VΔy≤2σ

式中，σ為各工件的檢測精度。

即當(dāng)同精度檢測時(shí)點(diǎn)位互差不超過±2.8 mm時(shí)判定合格，否則施工方應(yīng)做改正。

特殊情況處理：當(dāng)現(xiàn)場施工面高出精密導(dǎo)線強(qiáng)制觀測墩表面時(shí)，為保證可有效控制放樣點(diǎn)位精度，應(yīng)將精密導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)聯(lián)測至施工面以上。具體做法可采用GNSS或精密導(dǎo)線測量方案。測量精度應(yīng)滿足精密導(dǎo)線控制網(wǎng)技術(shù)要求。

3 空間姿態(tài)數(shù)據(jù)處理

在連云港EVA項(xiàng)目中，完成外業(yè)測量預(yù)埋工件的空間姿態(tài)數(shù)據(jù)后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理，處理結(jié)果及時(shí)反饋給業(yè)主單位。若測量數(shù)據(jù)合格，則進(jìn)行下一道工序；若數(shù)據(jù)不合格，則對(duì)預(yù)埋工件姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，直至測量數(shù)據(jù)合格。

空間姿態(tài)數(shù)據(jù)主要分為兩個(gè)部分，一部分為高程數(shù)據(jù)，即各預(yù)埋工件的螺栓頂部高程；另一部分為平面數(shù)據(jù)，即各預(yù)埋工件特征點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。兩個(gè)部分的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行改正。

由于現(xiàn)場條件限制，無法在同一時(shí)間內(nèi)，完成全部的預(yù)埋工件空間姿態(tài)測控，只能分時(shí)間段、分區(qū)域、分批次進(jìn)行測量。所以測量的數(shù)據(jù)，會(huì)因?yàn)橹貜?fù)設(shè)站、轉(zhuǎn)站等原因造成測量誤差。通過最小二乘法能有效地減少這些誤差，從而保證測量的高精度要求。

每批次預(yù)埋工件的空間姿態(tài)測量時(shí)，選取4個(gè)聯(lián)測點(diǎn)，使4個(gè)聯(lián)測點(diǎn)的組成空間盡量包含或接近當(dāng)前批次區(qū)域的外輪廓。當(dāng)進(jìn)行另一批次測量時(shí)，按一定的順序聯(lián)測相近批次的聯(lián)測點(diǎn)，即兩批次的空間姿態(tài)測量，有4個(gè)聯(lián)測點(diǎn)重復(fù)測量了兩次，對(duì)兩次的聯(lián)測點(diǎn)坐標(biāo)及高程分別進(jìn)行最小二乘擬合，確定轉(zhuǎn)換參數(shù)，再對(duì)當(dāng)前批次的空間姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，從而得到準(zhǔn)確的空間姿態(tài)數(shù)據(jù)。

(1)平面數(shù)據(jù)處理

選擇二次壓縮機(jī)區(qū)域的4個(gè)工件軸線交點(diǎn)作為聯(lián)測的特征點(diǎn)，工件編號(hào)分別為221-A-1130、222-A-1027、222-A-1027、221-A-1060。由于是平面擬合，高程值不進(jìn)行賦值。初始坐標(biāo)和目標(biāo)坐標(biāo)如表1和表2所示。

表1 管式壓縮機(jī)棚高壓管墩平面聯(lián)測點(diǎn)初始坐標(biāo)

表2 管式壓縮機(jī)棚高壓管墩平面聯(lián)測點(diǎn)目標(biāo)坐標(biāo)

擬合之后目標(biāo)坐標(biāo)與初始坐標(biāo)的殘差平方和為8.26×10-7m2，幾乎可以忽略不計(jì)。擬合確定轉(zhuǎn)換參數(shù)，再對(duì)樣本的平面姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，改正之后數(shù)據(jù)比較如表3所示。

表3 管式壓縮機(jī)棚高壓管墩改正前后坐標(biāo)比較表

改正后的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)比較，對(duì)互差超過±2.8 mm的定位鋼板進(jìn)行調(diào)整，直至調(diào)整到位。

(2)高程數(shù)據(jù)處理

選擇二次壓縮機(jī)區(qū)域的4個(gè)工件螺栓頂部作為聯(lián)測的特征點(diǎn)，工件編號(hào)分別為221-A-1130、222-A-1027、222-A-1027、221-A-1060。由于是高程數(shù)據(jù)擬合，平面坐標(biāo)不進(jìn)行賦值。初始坐標(biāo)和目標(biāo)坐標(biāo)如表4和表5所示。

表4 管式壓縮機(jī)棚高壓管墩高程聯(lián)測點(diǎn)初始高程

表5 管式壓縮機(jī)棚高壓管墩高程聯(lián)測點(diǎn)目標(biāo)高程

擬合之后目標(biāo)坐標(biāo)與初始坐標(biāo)的殘差平方和為2.56×10-5m2,幾乎可以忽略不計(jì)。擬合確定轉(zhuǎn)換參數(shù)，再對(duì)樣本的高程姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，改正之后的數(shù)據(jù)比較如表6所示。

表6 管式壓縮機(jī)棚高壓管墩改正前后高程比較表

4 結(jié) 語

本文闡述了預(yù)埋工件空間姿態(tài)精密測控的主要內(nèi)容、原理及數(shù)據(jù)處理原理。針對(duì)連云港EVA項(xiàng)目，從特征點(diǎn)位設(shè)計(jì)、觀測實(shí)施方法設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理等角度進(jìn)行詳細(xì)說明，主要結(jié)論如下：

(1)預(yù)埋工件特征點(diǎn)應(yīng)標(biāo)定在關(guān)鍵位置，且標(biāo)定位置要便于儀器觀測。

(2)在聯(lián)測特征點(diǎn)的選擇上，選取4個(gè)特征點(diǎn)，構(gòu)成的范圍盡可能大，包含盡量多的工件。按一定順序測量4個(gè)聯(lián)測特征點(diǎn)，對(duì)聯(lián)測特征點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行最小二乘擬合，計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，改正空間姿態(tài)數(shù)據(jù)。

(3)為了保證各預(yù)埋工件的相對(duì)位置關(guān)系，擬合的目標(biāo)數(shù)據(jù)是該聯(lián)測特征點(diǎn)的首次測量數(shù)據(jù)，待擬合的數(shù)據(jù)為當(dāng)前批次的聯(lián)測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)，最小二乘擬合的過程是一個(gè)迭代的過程。

(4)用最小二乘法對(duì)兩個(gè)批次聯(lián)測點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合后的殘差平方和最大為，擬合的效果好，從而能保證轉(zhuǎn)換后的空間姿態(tài)數(shù)據(jù)的匹配性，減弱由于重復(fù)設(shè)站、轉(zhuǎn)站造成的測量誤差，使數(shù)據(jù)能真實(shí)反映各預(yù)埋工件的相對(duì)位置，為后續(xù)的施工方案的調(diào)整提供重要的依據(jù)。