一种用于桥梁顶推过程中的姿态监测方法及系统

本发明涉及桥梁施工监测，具体涉及一种用于桥梁顶推过程中的姿态监测方法及系统。

背景技术：

1、桥梁顶推施工是一种常用于大跨度桥梁架设施工中的施工方法，其通过顶推设备对预制梁体施加水平推力，使梁体沿预定方向逐步移动至设计位置。在顶推过程中，由于梁体受力状态、支撑条件以及顶推设备同步性等因素影响，梁体可能产生竖向沉降、水平偏移、倾斜以及扭转等姿态变化。若不能及时获取梁体姿态变化情况并进行调整，可能导致梁体受力不均、顶推路径偏移以及结构安装误差增加，因此，需要对桥梁顶推过程中的位移变化及整体姿态进行实时监测。

2、现有用于桥梁顶推过程中的姿态监测方式主要包括全站仪测量、倾角传感器检测以及力传感器、位移传感器检测等方式。其中，全站仪测量通常需要人工进行测量操作，连续监测能力较弱，难以满足顶推过程中实时获取姿态变化的需求；倾角传感器通常仅能够检测安装位置处的局部倾斜状态，难以全面反映桥梁整体姿态变化；而传统位移传感器通常针对单一方向或单一测点进行检测，难以同时获取桥梁多个位置的水平位移和竖向位移，并进一步计算桥梁整体倾斜、俯仰、偏转及扭转等综合姿态参数。因此，现有监测方式难以实现顶推过程中桥梁整体姿态的非接触、实时、连续、准确获取，也无法与施工设备联动控制。

3、此外，现有基于激光或光电检测的位移监测方式中，激光标线装置与检测位置之间的距离可能随着施工环境和检测位置变化而改变，导致激光标线成像清晰度降低，影响光斑中心位置检测精度。同时，现有技术缺少基于桥梁多个角点的双向位移数据进行姿态解算的方法，难以根据多个监测点之间的空间关系获得桥梁整体姿态参数，并进一步根据姿态变化情况生成预警信息或顶推参数调整信息。因此，如何在桥梁顶推过程中实现多角点位移的非接触式实时检测，并基于检测结果准确获取桥梁整体实时姿态变化，是目前亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决以上技术问题，本发明提供了一种用于桥梁顶推过程中的姿态监测方法，包括以下步骤：

2、s1、在与待测桥梁间隔预设距离的固定基准位置设置可远程投射的十字激光标线装置，并在所述待测桥梁的四个角点a、b、c、d处分别设置监测单元；每个监测单元包括第一线阵cmos图像传感器和第二线阵cmos图像传感器，第一线阵cmos图像传感器沿竖向设置，用于检测由十字激光标线装置产生并投射至其上的水平激光标线，第二线阵cmos图像传感器沿水平方向设置，用于检测由十字激光标线装置产生并投射至其上的竖直激光标线；

3、s2、测量十字激光标线装置与对应监测单元之间的距离，并根据距离控制透镜组移动，以调节十字激光标线装置所产生光斑的聚焦细锐状态，使水平激光标线和竖直激光标线在对应线阵cmos图像传感器的感光面上形成线状细锐光斑；

4、s3、根据各第一线阵cmos图像传感器检测到的水平激光标线位置变化，确定角点a、b、c、d的竖向位移，并根据各第二线阵cmos图像传感器检测到的竖直激光标线位置变化，确定角点a、b、c、d的水平位移；

5、s4、根据角点a、b、c、d的竖向位移和水平位移，以及预先存储的桥梁长度和桥梁宽度，计算待测桥梁的左右水平倾斜角、前后俯仰角、平面水平偏转角和整体扭转变形量；

6、s5、将左右水平倾斜角、前后俯仰角、平面水平偏转角和整体扭转变形量分别与对应的预设安全阈值进行比较，并根据比较结果生成姿态预警信息或桥梁顶推参数调整信息。

7、作为本发明的进一步改进，所述s1还包括以下步骤：

8、s11、在各所述监测单元中设置检测盒，并将所述第一线阵cmos图像传感器和所述第二线阵cmos图像传感器设置于所述检测盒内；

9、s12、在所述水平激光标线和所述竖直激光标线进入所述检测盒的光路上设置滤光片以滤除环境杂散光，并使所述水平激光标线和所述竖直激光标线分别入射至所述第一线阵cmos图像传感器和所述第二线阵cmos图像传感器；

10、s13、通过分别与所述第一线阵cmos图像传感器和所述第二线阵cmos图像传感器连接的数据采集模块，采集对应线阵cmos图像传感器输出的检测数据；

11、s14、通过与所述数据采集模块连接的通信模块，将所述检测数据传输至监控中心的数据处理单元。

12、作为本发明的进一步改进，所述s2具体包括以下步骤：

13、s21、通过激光测距模块测量所述十字激光标线装置与对应监测单元之间的距离，并将所述距离发送至控制模块；

14、s22、由所述控制模块根据所述距离确定透镜组的位置调节量，并根据所述位置调节量生成步进电机驱动信号；

15、s23、根据所述步进电机驱动信号控制步进电机驱动所述透镜组移动，调节所述水平激光标线和所述竖直激光标线的聚焦位置。

16、作为本发明的进一步改进，所述s3中确定各角点的竖向位移和水平位移，具体包括以下步骤：

17、s31、获取对应线阵cmos图像传感器中各像素单元输出的灰度值，并根据各像素单元的坐标和灰度值，按照下式计算线状光斑的中心位置：

18、

19、其中，表示线状光斑的中心位置，表示对应线阵cmos图像传感器的像素数量，表示第个像素单元的坐标，表示第个像素单元输出的灰度值；

20、s32、读取初始标定状态下记录的线状光斑初始中心位置，并获取当前检测时刻的线状光斑当前中心位置；

21、s33、根据所述当前中心位置、所述初始中心位置和预先标定的系统标定系数，按照下式计算对应角点的竖向位移或水平位移：

22、

23、其中，表示对应角点在当前检测时刻的竖向位移或水平位移，表示当前检测时刻的线状光斑中心位置，表示初始标定状态下的线状光斑中心位置，表示系统标定系数。

24、作为本发明的进一步改进，所述s3还包括以下步骤：

25、s34、根据设置于所述角点a、b、c、d处的第一线阵cmos图像传感器输出的检测数据，分别获得角点a、b、c、d对应的竖向位移、、和；

26、s35、根据设置于所述角点a、b、c、d处的第二线阵cmos图像传感器输出的检测数据，分别获得角点a、b、c、d对应的水平位移、、和；

27、s36、通过各所述监测单元中的通信模块，将所述竖向位移和所述水平位移发送至监控中心的数据处理单元，并按照角点标识对所述竖向位移和所述水平位移进行对应组合。

28、作为本发明的进一步改进，所述s4具体包括以下步骤：

29、s41、由所述数据处理单元接收所述角点a、b、c、d对应的竖向位移和水平位移，并从预先存储的桥梁结构参数中读取所述桥梁长度和所述桥梁宽度；

30、s42、根据所述竖向位移、、、和所述桥梁长度，按照下式计算所述左右水平倾斜角：

31、

32、s43、根据所述竖向位移、、、和所述桥梁宽度，按照下式计算所述前后俯仰角：

33、

34、s44、根据所述水平位移、、、和所述桥梁宽度，按照下式计算所述平面水平偏转角：

35、

36、s45、根据所述竖向位移、、、和所述桥梁长度，按照下式计算所述整体扭转变形量：

37、

38、其中，、、和分别表示角点a、b、c、d的竖向位移，、、和分别表示角点a、b、c、d的水平位移。

39、作为本发明的进一步改进，所述s5具体包括以下步骤：

40、s51、由所述数据处理单元接收步骤s4计算得到的所述待测桥梁的左右水平倾斜角、前后俯仰角、平面水平偏转角和整体扭转变形量，并读取分别与各姿态参数对应的预设安全阈值；

41、s52、分别将各所述姿态参数与对应的预设安全阈值进行比较，确定各所述姿态参数的超限状态；

42、s53、根据处于超限状态的姿态参数类型及其超出对应预设安全阈值的程度，确定姿态预警等级，并生成与所述姿态预警等级对应的姿态预警信息；

43、s54、将所述姿态预警信息发送至显示模块、声光告警模块和远程通信模块中的至少一种；

44、s55、根据处于超限状态的姿态参数及其姿态预警等级，生成用于调整顶推作用力、顶升量和顶推速度中至少一种桥梁顶推参数的调整信息，并将所述调整信息发送至顶推控制系统。

45、在此基础上，本发明还提供了一种用于桥梁顶推过程中的姿态监测系统，其用于实现上述的用于桥梁顶推过程中的姿态监测方法，包括十字激光标线装置、四个监测单元、数据处理单元和预警控制单元；

46、所述十字激光标线装置设置于与待测桥梁间隔预设距离的固定基准位置，包括激光光源、激光测距模块、控制模块、步进电机和透镜组，所述控制模块用于根据所述十字激光标线装置与对应监测单元之间的距离控制所述步进电机驱动所述透镜组移动，所述十字激光标线装置用于产生相互垂直的水平激光标线和竖直激光标线；

47、所述四个监测单元分别设置于所述待测桥梁的四个角点a、b、c、d处，每个所述监测单元包括检测盒、沿竖向设置于所述检测盒内的第一线阵cmos图像传感器和沿水平方向设置于所述检测盒内的第二线阵cmos图像传感器，所述第一线阵cmos图像传感器用于检测所述水平激光标线，所述第二线阵cmos图像传感器用于检测所述竖直激光标线；

48、所述数据处理单元分别与所述四个监测单元连接，用于根据各所述监测单元检测到的激光标线位置变化，确定所述角点a、b、c、d的竖向位移和水平位移，并根据所述竖向位移、所述水平位移、桥梁长度和桥梁宽度，计算所述待测桥梁的左右水平倾斜角、前后俯仰角、平面水平偏转角和整体扭转变形量；

49、所述预警控制单元与所述数据处理单元连接，用于将各姿态参数分别与对应的预设安全阈值进行比较，并根据比较结果生成姿态预警信息或桥梁顶推参数调整信息。

50、作为本发明的进一步改进，所述十字激光标线装置还包括用于将所述激光光源产生的点状光斑转换为所述水平激光标线和所述竖直激光标线的柱透镜；

51、所述激光测距模块用于测量所述十字激光标线装置与对应监测单元之间的距离；

52、所述控制模块用于根据所述距离确定所述透镜组的位置调节量，并根据所述位置调节量控制所述步进电机驱动所述透镜组移动。

53、作为本发明的进一步改进，每个所述监测单元还包括滤光片、数据采集模块和通信模块；

54、所述滤光片设置于所述水平激光标线和所述竖直激光标线进入所述检测盒的光路上，用于滤除环境杂散光；

55、所述数据采集模块分别与所述第一线阵cmos图像传感器和所述第二线阵cmos图像传感器连接；

56、所述通信模块与所述数据采集模块连接，用于将对应监测单元的检测数据传输至所述数据处理单元；

57、所述预警控制单元连接有显示模块、声光告警模块和远程通信模块，所述远程通信模块用于向远程终端传输所述姿态参数或所述姿态预警信息。

58、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

59、本发明通过在与待测桥梁间隔预设距离的固定基准位置设置可远程投射的十字激光标线装置，并在桥梁四个角点设置包含第一线阵cmos图像传感器和第二线阵cmos图像传感器的监测单元，实现了对桥梁顶推过程中多个角点水平位移和竖向位移的非接触式实时同步检测；通过根据检测距离调节十字激光标线装置所产生光斑的聚焦细锐状态，提高了激光标线成像的稳定性；进一步地，通过对多个角点的位移数据进行综合计算，能够获得桥梁的倾斜、俯仰、偏转及扭转等整体姿态参数，从而提高了桥梁顶推过程姿态监测的完整性和准确性，并根据姿态参数与安全阈值的比较结果生成预警信息或顶推参数调整信息，提高了桥梁顶推施工过程中的安全性和可靠性，并提高了操作便捷性。