一种索塔全域空间姿态和变形的阵列式监测方法及系统

本发明属于建筑施工，具体涉及一种索塔全域空间姿态和变形的阵列式监测方法及系统。

背景技术：

1、索塔作为大跨度拱桥缆索吊装和斜拉口挂系统中的核心高耸承重结构，其姿态稳定性直接关系到整体施工安全与精度。在拱桥的缆索吊装和斜拉口挂施工过程中，索塔受到索力变化、风荷载、温度效应及不平衡吊装载荷等多因素耦合作用，易产生塔顶偏位与塔身扭转变形。这种姿态偏移若未被实时监测与有效控制，不仅会改变主缆或扣索的设计线形，影响成桥质量，更可能引发结构内力重分布，甚至导致失稳风险，造成严重的工程安全事故。

2、目前，对施工期索塔顶部偏位的监控主要依赖于传统测量手段。常见方法包括使用全站仪进行周期性的人工测站观测，或安装离散的倾角传感器、gnss接收机进行局部测量。这些方法存在明显局限：人工测量效率低下、数据离散且不连续，难以捕捉动态施工过程中的瞬时变形，且单一类型的传感器往往只能获取特定方向（如倾角）的有限信息，无法全面、同步地重构索塔在三维空间中的整体姿态与形变。

3、最为重要地，以往的监控中假设塔顶挠度最大，因此仅仅监测了塔顶的最大侧偏，然而实际索塔的挠曲形状是不固定的，由于塔顶纵向风缆的牵拉起到了顶部的侧向弹簧支座的效果，索塔腰身在受压作用下反而可能在中间高度处达到最大挠度值，仅仅依靠塔顶的单一偏位无法有效反映所有工况下的索塔安全状态。

4、考虑到索塔的实际挠曲形状，最大侧挠位置并不固定在塔顶，且连续作业的全时段侧向挠曲均应当被有效监测及准确预警，因此，亟需一种针对索塔全高范围的多目标位移监测系统，以满足现代智能化建造对安全、高精度、轻量化、全息化与实时性姿态感知的迫切需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种索塔全域空间姿态和变形的阵列式监测方法及系统，用于解决传统单点或人工测量方式数据不连续、效率低和自动化差的问题。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种索塔全域空间姿态和变形的阵列式监测系统，包括：

3、数据获取模块，用于获取大跨缆吊索塔的关键变形节点的初始坐标数据和施工过程中的实时位移变化数据；

4、计算模块，根据初始坐标数据和位移变化数据确定施工过程中关键变形节点的实时坐标数据；

5、安全监测与姿态控制模块，用于根据初始坐标数据和实际坐标数据分别确定大跨缆吊索塔的初始姿态和实时姿态；

6、调整模块，用于根据初始姿态和实时姿态之间的偏差对大跨缆吊索塔进行姿态调整；

7、姿态校验模块，用于在施工完成后，根据预设目标姿态大跨缆吊索塔进行姿态校准。

8、作为本发明的一个实施例，数据获取模块，执行包括如下操作：

9、获取大跨缆吊索塔的关键变形节点的初始坐标数据，通过阵列相机获取大跨缆吊索塔的若干塔身图像；为了保证成像质量和分辨率，所述多台工业相机的焦距不完全相同；

10、基于预设pnp方法，将若干塔身图像处理为竖向平面的转正射图像，并对相邻的转正射图像进行特征匹配，确定拼接像素锚点；

11、以像素锚点为基准，将相邻图像缩放到相同的尺度，对若干转正射图像进行拼接，得到大跨缆吊索塔的竖向平面全景正射图像；

12、根据全景正射图像确定大跨缆吊索塔的关键变形节点之间的空间相对关系，和关键变形节点与塔脚基准中心之间的相对位移；

13、根据空间相对关系和相对位移确定实时位移变化数据。

14、作为本发明的一个实施例，调整模块，执行包括如下操作：

15、判断大跨缆吊索塔的初始姿态与实时姿态之间的偏差是否小于预设变形阈值；若小于，重新获取实时姿态进行判断；

16、若不小于，停止施工，并分别调整与大跨缆吊索塔连接的扣索和背索，直至偏差小于预设变形阈值。

17、作为本发明的一个实施例，姿态校验模块，执行包括如下操作：

18、获取施工完成时的实时姿态；

19、判断施工完成时的实时姿态与预设目标姿态之间的偏差是否小于预设偏差；若小于，停止监测；

20、若不小于，分别调整与大跨缆吊索塔连接的扣索和背索，直至偏差小于预设偏差。

21、作为本发明的一个实施，安全监测与姿态控制模块，执行包括如下操作：

22、根据初始坐标数据确定每个关键变形节点对应的形心坐标；其中，形心坐标为处于同一水平面的两个关键变形节点对应的截面的中心坐标；

23、根据每个关键变形节点对应的形心坐标确定大跨缆吊索塔的中轴曲线；

24、根据初始坐标数据和其对应的形心坐标确定变形点向量；

25、根据中轴曲线和变形点向量确定初始姿态；其中，初始姿态包括：中轴曲线、塔顶水平和变形点向量。

26、作为本发明的一个实施例，还包括：

27、节点反演模块，执行包括如下操作：

28、获取关键变形节点的实时位移变化数据与初始坐标数据、大跨缆吊索塔的内部构造数据和内部变形点的坐标数据；其中，内部构造数据包括：大跨缆吊索塔在各高度处的截面形式、壁板厚度、加劲肋布置、材料分布以及空间几何参数；

29、根据同一截面上的两个关键变形节点的初始坐标数据，确定该截面的局部截面坐标系；其中，局部截面坐标系以该水平截面上关键变形节点所确定的形心为原点、以节点连线方向为基准轴向；

30、将关键变形节点的实时位移变化数据映射至对应所在截面的局部截面坐标系中，得到各关键变形节点在其所在截面内的局部位移分量；

31、沿塔身高度方向，将不同水平截面的局部位移分量按截面高度顺序进行排列，形成以塔身高度为自变量、以局部位移分量为因变量的位移沿程分布函数；

32、根据内部构造数据，将大跨缆吊索塔的截面离散化为多层传递介质，每层传递介质具有对应的厚度、刚度和材料连续性特征；

33、根据位移沿程分布函数，以关键变形节点的位移作为输入边界条件，沿传递介质的层间递推方向，逐层解算截面内部各层位置处的位移传递系数，构建关键变形节点到内部变形点的分层位移传递矩阵；

34、根据分层位移传递矩阵和关键变形节点的实时位移变化数据，得到内部变形点的位移变化反演值；

35、根据内部变形点的位移变化反演值和坐标数据的内部变形点的实时坐标数据。

36、另一方面，本发明还提供了一种索塔全域空间姿态和变形的阵列式监测方法，包括以下步骤：

37、获取大跨缆吊索塔的关键变形节点的初始坐标数据和施工过程中的实时位移变化数据；

38、根据初始坐标数据和位移变化数据确定施工过程中关键变形节点的实时坐标数据；

39、根据初始坐标数据和实际坐标数据分别确定大跨缆吊索塔的初始姿态和实时姿态；

40、根据初始姿态和实时姿态之间的偏差对大跨缆吊索塔进行姿态调整；

41、在施工完成后，根据预设目标姿态大跨缆吊索塔进行姿态校准。

42、本发明的有益效果在于：通过上述技术方案，以及同步捕捉索塔上多个标识点的空间位置，实现了对索塔三维姿态的高精度、非接触式连续测量，解决了传统单点或人工测量方式数据不连续、效率低的问题，为施工安全提供了实时、全面的姿态监控数据基础；同时，实现了索塔姿态监测的自动化与智能化，大幅减少了测量人工投入与主观误差，缩短了因姿态复核导致的施工中断时间，为整体吊装效率的提升提供了关键技术支持。

43、本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。