动态精密工程测量技术及应用

动态精密工程测量技术及应用

赵宏雷

黑龙江邦越测绘地理信息有限公司

黑龙江 大庆 163000

摘要：随着工程科技、计算机、电子信息和人工智能的发展,智能车、无人机、无人船、机器人等自动化移动平台的快速普及,工程测量逐渐向自动化、动态化、智能化方向发展,逐步具备了运动状态下的测量能力.动态精密工程测量指的是测量平台或测量对象处于运动状态下的精密工程测量.测量平台指的是布设测量仪器的基础平台,包括固定精密测量仪器的基座,例如:移动车辆、无人机、舰船、机器人等,以及安置在平台上的多种测量仪器和传感器.被测对象指的是被观测的对象,例如:建筑物、桥梁、隧道、道路、大坝、管道等.和传统精密工程测量不同,动态精密工程测量通常指测量平台或者测量目标这两个要素中至少有一个是运动的.动态精密工程测量的测量平台既可以成熟测量设备,如测量机器人,移动测量车等;也有研制专用集成测量装备,可进行精密动态的位置、姿态、表观形状或内部状态测量.

关键词：动态精密工程;测量技术;应用;

引言

随着“智能制造”时代和工业4.0的快速推进，高精度和高效率已成为机械制造工业领域重要的追求目标。对机械设备及零部件尺寸的高精度、高效率测量是提高产品质量和生产效率的重要保证。在传统的制造业中，常使用的尺寸测量方法有三坐标测量仪法，卡尺、直尺、塞尺等直接测量法，该类传统的测量方法效率和精度低、测量工具功能单一、局限性大，无法满足现代工业对复杂零件快速精准测量的要求。近年来国内外出现了多种测量效率高、精度高、测量功能齐全的现代化尺寸测量技术，该类新技术提高了复杂零件测量的精度和效率，是今后测量技术发展的重要方向.

1智能化信息感知

公路、铁路、桥梁、隧道、大坝、地下管网等工程结构物形面尺度多变(例如:尺寸从厘米至千米)、形态复杂、空间分布广泛、病害形式多样、观测环境恶劣且时间窗口受限(例如:高铁有效观测时间仅为凌晨３~４h)等固有的复杂性,对精密测量提出了巨大挑战.根据病害发生的位置,可分为内部病害和外部病害;根据病害的结构影响,可分为结构破坏和表观损坏;根据病害的表现形式,可分为几何形状变化和表观性状变化;根据病害影响分布,可分为大范围病害和局部病害等.病害成因机理不同、表现各异,因此针对不同病害特征,应采取不同技术进行测量,表观的形变可采用三维技术,性状变化如表观破损、温度变化等可采用摄影技术,对于大范围病害如桥梁变形可采用雷达干涉测量(InSAR)技术等.这些测量技术采用不同传感器,采集的数据也表现为不同格式.智能化感知需要根据不同测量需求选择测量方法和传感器,研制专用测量装备以适应特定的测量需求.例如,公路、铁路等设施为条带状分布,待测指标多,精度和效率要求高:公路要求测量破损、平整度、车辙等指标,路面裂缝要求１mm分辨率,速度要求８０km/h以上;铁路轨道要求测量轨道板、轨距、轨廓、扣件等,高铁轨道扣件要求亚毫米精度,轨道综合动检要求达到３００km的正常行车速度等.因此,动态测量一般采用车载移动测量方式,集成惯导、相机、红外热像仪、激光雷达和线结构光等多种传感器,在统一的时空基准下感知对象的多源数据,进行融合建模.一些基础设施如堆石坝,不仅存在外部变形隐患,也可能存在内部变形隐患.外部变形一般选用GNSS组网监测,内部变形往往采用预埋刚性管道保护的钢丝位移计等方法,应用表明传感器存活率偏低,而采用预埋柔性管道的测量机器人系统是未来测量的一个好的选择.

2.动态精密工程测量技术具体应用

2.1.道路路面

公路路面检测依据《公路技术状况评定标准》，规定通过路面技术状况指数MQI对路面技术状况进行等级评定，评定结果分为优、良、中、次、差5个等级，MQI的分项指标包括路面技术状况（PQI）、路基技术状况（SCI）、桥隧构造物技术状况（BCI）和沿线设施技术状况（TCI）。传统静态测量效率低、影响正常交通、无法反映行车动力特征，需要对这些指标进行动态快速测量。当前，PQI所有指标都已经实现了快速检测，特别是在快速弯沉装备上集成传统路面检测技术，实现了在统一时空基准下的PQI指标一体化检测。BCI指标中的隧道衬砌裂损和水冻害指标也已经实现快速检测。SCI和TCI指标大都以调查方式进行评定。

2.2.堆石坝

堆石坝因其良好的安全性、经济性和适用性，成为我国水利水电开发的优选坝型。堆石坝的内部变形监测是安全监测的重要内容，目前常用的水管式沉降仪、钢丝位移计等点式传感器，需布设大量传感器，存在传感器死亡率高等问题。特别是对于近些年发展的高堆石坝，沉降仪水准管路和钢丝长度几乎达到性能极限，传感器的测量精度和测量量程受到严重挑战，亟须发展更加可靠的内部变形监测技术。

2.3.排水管网

排水管网是雨污水排放的重要通道，是维持城市安全运行的生命线。对地下管网进行周期性全面检测，是及时发现风险、保障排水管网系统安全运维的关键。目前常见的排水管道内部检测技术包括闭路电视（CCTV）检测机器人、管道内窥声呐、管道潜望镜、管道内窥镜等。这些方法单次作业范围小、操作复杂、劳动强度大，导致检测效率低、成本高。因此，亟须发展快速低成本的连续性排水管网动态检测技术，为排水管网普查提供有效的手段，提升管网智慧运维水平。

2.4.输水工程

水利水电输水隧道是保障水利工程、水电设施、人民用水安全的重要基础设施，长期荷载会产生老化甚至结构性病害。对输水隧道进行周期性全面检测，是水利水电工程安全运营的重要保障。当前国内对输水隧道的检测仍然以人工普查为主，费时费力且检测精度差，不能满足我国现有数量多、里程长输水隧道病害检测的要求。针对输水隧道内部环境恶劣、检测手段不足的困难，研制了一套输水隧道爬绳检测机器人装备，实现对病害发展过程的数字化监控和科学分析。装备集成高精度激光扫描仪、惯导系统、里程计、高清全景摄像机等多种传感器，借助爬绳设备在输水隧道行进，动态获取相关传感器数据。利用激光扫描技术、移动测量技术、图像处理技术，生成输水隧道三维点云和高清图像。融合灰度、深度信息能够快速准确地定位和识别输水隧道病害，包括隧道裂缝、掉块、泌钙、渗漏水、接缝破损等典型病害，生成隧道病害检测报告。

2.5.公路隧道

隧道运营过程中出现的不同类型病害会影响隧道健康运营。隧道脱空等结构性病害一般采用探地雷达检测，并已在行业得到广泛应用。裂损、水冻害等表观病害，国内外主要以人工目视及敲击检测为主，检测时需要进行交通管制，一个班组2～3d检测1km，效率低，安全风险高。以中型卡车为检测平台，集成多类型传感器，包括阵列灰度相机、红外相机、激光雷达及定位传感器的快速检测装备已经得到应用。

3、结语

工程检测已成为建设工程计划、施工管理和运营全过程中重要的基础技术，对检测的效果、准确度、产品质量和安全性的要求也愈来愈高。为适应日益出现的新型挑战，动态精密工程检测技术必须向智能测量方向发展，以达到工程信号感知智能化信息处理自动化、工程检测服务自动化，唯有如此才能进一步适应日益增长的工程基础设施监测要求。

参考文献：

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