安志剛

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600）

1 引言

我國高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁絕大部分都是采用梁場預(yù)制的24 m、32 m、40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，并通過架橋機進行現(xiàn)場架設(shè)的形式施工。架橋機根據(jù)運架形式分為運架分體機和運架一體機。本研究主要針對運架分體機進行的。

當(dāng)前運架分體機架梁方式分為以下幾個步驟：（1）在架設(shè)完上一片梁后，架橋機移動到下一孔并就位，運梁車回梁場運送下一片梁至現(xiàn)場。（2）進行喂梁，將待架梁縱向移動至待架孔正上方，然后進行對位。（3）進行落梁，當(dāng)梁底距離千斤頂面200 mm時，進行線路縱橫向的精確對位。在喂梁、落梁、精確對位的過程中，每個步驟均需要人員通過人工用尺子測量梁體的位置信息，并將相關(guān)信息報送給架橋機操作人員。整個喂梁落梁過程耗時時間長，監(jiān)控人員和操作人員交互連通頻繁，需要配合人員多，架梁效率不高，落梁精確度難以保證，同時，多個人員分布于梁體上下前后進行人工觀測，存在安全隱患。本文研究了一種架橋機精確落梁監(jiān)控系統(tǒng)，減少對落梁過程中操作人員的要求，提高落梁效率和落梁質(zhì)量。

2 架橋機落梁技術(shù)要求

傳統(tǒng)落梁過程如下：

（1）架梁作業(yè)之前，復(fù)核墩臺里程、墊石十字線、墊石高程，并測量支座螺栓孔深度及偏移等，確認(rèn)各個參數(shù)滿足設(shè)計要求，保證簡支箱梁順利架設(shè)，符合架設(shè)精度要求。

（2）落梁過程中（見圖1），由1名技術(shù)人員負(fù)責(zé)指揮，若干工人配合，司機負(fù)責(zé)架橋機具體操作。箱梁落梁過程中，配合工人密切關(guān)注箱梁的前后端，保證箱梁與已架箱梁及前支腿之間的距離，避免出現(xiàn)碰撞。同時，對吊具水平度進行監(jiān)視（目測），當(dāng)水平度不滿足要求時必須進行調(diào)節(jié)。當(dāng)箱梁下落至底面距離墊石頂20～30 cm時停止落梁，此時，通過操作，對箱梁水平度、前后左右位置進行粗調(diào)，粗調(diào)完成后繼續(xù)落梁。當(dāng)箱梁底面離墊石頂5 cm時停止，然后進行箱梁位置的精調(diào)對中，精確調(diào)整梁體前后左右位置，使其達到精度要求。精調(diào)完成后繼續(xù)緩慢落梁至設(shè)計高程。

圖1 落梁過程照片

（3）精調(diào)對中方法：在橋墩墊石上標(biāo)出十字線，同樣在箱梁兩側(cè)底部標(biāo)出十字線，通過人站在箱梁底部，肉眼觀測，使得箱梁十字絲和墊石十字絲重合，從而達到精確對中。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，落梁質(zhì)量要求如表1［1］所示。

表1 雙線整孔箱梁就位允許偏差

3 自動精確落梁解決辦法概述

自動精確落梁解決辦法的核心是解決箱梁中線和里程位置識別，以及墊石中心識別。

根據(jù)對中原理，我們可以劃分為以下兩種方法：

（1）整體坐標(biāo)法

整體坐標(biāo)法的概念就是通過定位出箱梁的空間絕對坐標(biāo)，和線路坐標(biāo)系統(tǒng)一，知道墊石的設(shè)計施工坐標(biāo)，我們只需要測量出箱梁兩端的中心某一點的坐標(biāo)，直接進行坐標(biāo)匹配，控制對中精度。

（2）相對位置法

相對位置法的概念和目前人工對中的方法類似，拋開空間絕對坐標(biāo)，通過識別出墊石的中心位置和箱梁的中心位置，落梁過程中控制兩個中心位置的距離差值，控制對中精度。

根據(jù)落梁中實時監(jiān)測傳感器的布置形式，我們又可以分為以下兩種方法：

（1）一體系統(tǒng)

一體系統(tǒng)的概念就是監(jiān)測判定距離偏差的監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)均在架橋機上。落梁過程中，由架橋機自身實時監(jiān)測位置，并做出控制命令。

（2）分體系統(tǒng)

分體系統(tǒng)即是我們采用的監(jiān)測傳感器和架橋機分開，監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)后通過無線傳輸發(fā)送給架橋機。

根據(jù)落梁中實時監(jiān)測手段類別又可分為：衛(wèi)星定位法、全站儀測量法、攝影測量法［2－3］。

綜合考慮應(yīng)用的實用性、便捷性、精確性，在此我們選擇對基于工業(yè)攝影測量的架橋機精確落梁監(jiān)控系統(tǒng)進行了設(shè)計研究。

4 基于工業(yè)攝影測量的架橋機精確落梁監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

4.1 設(shè)計思路

本方案的基本思路是在架橋機上安裝工業(yè)攝影測量相機［4－6］，并在攝影測量相機可測量范圍內(nèi)的支座墊石中心、已架箱梁及待架箱梁頂面、架橋機支腿的特征點位置布置工業(yè)攝影測量相機配合反射光信號的測量標(biāo)志。

在喂梁過程中，待架箱梁對墊石中心遮擋前，測量出墩頂墊石中心與已架箱梁頂面、墩頂墊石中心與架橋機支腿上測量標(biāo)志之間的相對空間位置關(guān)系，并存儲至數(shù)據(jù)處理終端。待喂梁到位開始落梁時，墊石中心被待架箱梁遮擋，此時，直接測量待架箱梁特征位置測量標(biāo)志與已架箱梁頂面、架橋機支腿上測量標(biāo)志之間的相對空間位置關(guān)系，并調(diào)用已經(jīng)存儲的墩頂墊石中心與已架箱梁頂面、墩頂墊石中心與架橋機支腿上測量標(biāo)志之間的相對空間位置關(guān)系，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算，得到待架箱梁特征位置測量標(biāo)志和墩頂墊石中心的相對位置，從而得到待架箱梁的偏差情況，為落梁控制提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 基本原理

4.2.1 攝影測量基本原理

攝影測量原理如圖2所示，通過兩臺以上高分辨率的相機對被測物拍攝（或一臺相機移動多個位置拍攝），得到被拍攝物體從多個（2個以上）角度拍攝的照片，通過對照片進行圖像識別及計算分析后得到所拍攝物體精確的空間XYZ坐標(biāo)［7－9］。所攝平面照片圖像在像平面坐標(biāo)系中是二維坐標(biāo)值，但是通過利用攝影焦距參數(shù)可以將像點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成目標(biāo)點的多個角度下（兩個角度以上）的觀測值，采用光束法平差技術(shù)，通過設(shè)置于不同角度的攝影相機同時對多個目標(biāo)進行測量，得到多余觀測量，進而計算出不同攝影相機之間的空間三維位置關(guān)系以及被測物的相對空間XYZ標(biāo)。架設(shè)被測物目標(biāo)點Pi由j個攝影相機拍攝（j條光線相交）（見圖2），則共有j個共線方程，如式（1）所示。

圖2 攝影測量基本原理

4.2.2 坐標(biāo)原理

兩個右手空間直角坐標(biāo)系進行轉(zhuǎn)換時，一般存在三個平移量、三個旋轉(zhuǎn)量和一個尺度因子［10］。儀器所構(gòu)成的測量坐標(biāo)系O-XYZ先縮放k倍，再旋轉(zhuǎn)（εx，εy，εz），最后平移（X0，Y0，Z0）后，轉(zhuǎn)換到被測量坐標(biāo)系o-xyz中。點P在O-XYZ中的坐標(biāo)為（X，Y，Z），在o-xyz中的坐標(biāo)為（x，y，z），則有：

同理也有：

式中，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，繞X、Y、Z測量坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)矩陣分別表示為：

旋轉(zhuǎn)矩陣的構(gòu)造按Kardan旋轉(zhuǎn)進行，其要點是三個連動的旋轉(zhuǎn)軸中不出現(xiàn)同名軸。首先繞X軸旋轉(zhuǎn)x，此時Z軸到達OYZ與OYX兩面的交線位置；其次繞旋轉(zhuǎn)后的Y軸旋轉(zhuǎn)y，使Z軸最終到達z軸；最后繞z軸旋轉(zhuǎn)z，最終使X、Y軸分別與x、y軸重合。則旋轉(zhuǎn)矩陣R為：

式中，R矩陣的諸參數(shù)為：

4.3 設(shè)計方案

4.3.1 系統(tǒng)組成

如圖3～圖5所示，基于工業(yè)攝影測量的架橋機精確落梁監(jiān)控系統(tǒng)由工業(yè)攝影測量相機［11－12］（6）和（7），測量標(biāo)志（8）、（9）、（10）、（11）、（12）、（13），數(shù)據(jù)采集終端，監(jiān)測平臺以及顯示屏幾部分組成。

圖3 系統(tǒng)組成示意a

圖4 系統(tǒng)組成示意b

圖5 系統(tǒng)組成示意c

其中測量標(biāo)志包括布置于架橋機前支腿3表面的測量標(biāo)志（13），以及設(shè)置于待架梁對應(yīng)橋墩（16）上方支座墊石中心的測量標(biāo)志（11），設(shè)置于待架梁對應(yīng)橋墩（17）上方支座墊石中心的測量標(biāo)志（12），以及設(shè)置于已架梁（14）前端頂面邊緣，沿邊緣橫向布置的2個測量標(biāo)志（10），以及設(shè)置于待架梁（15）前端頂面邊緣中心的測量標(biāo)志（9）和后端頂面邊緣中心的測量標(biāo)志（8）。

其中工業(yè)攝影測量相機和數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)采集終端同監(jiān)測平臺均通過有線方式進行通訊連接。

4.3.2 系統(tǒng)運行流程設(shè)計

基于工業(yè)攝影測量相機的架橋機落梁偏位監(jiān)測裝置和方法，運行流程設(shè)計如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)運行流程設(shè)計示意

具體實施步驟如下：

步驟S1：在架橋機選定位置固定安裝工業(yè)攝影測量相機（6）和（7），并調(diào)整角度，以使所述工業(yè)攝影測量相機（6）的測量范圍，在落梁前包括測量標(biāo)志（10）和（11），在落梁過程中包括測量標(biāo)志（10）和（8）；以使所述工業(yè)攝影測量相機（7）的測量范圍，在落梁前包括測量標(biāo)志（12）和（13），在落梁過程中包括測量標(biāo)志（9）和（13）。

步驟S2：在架橋機前方腿（3）上布設(shè)測量標(biāo)志（13），每個支腿立柱各布置1個，并調(diào)整布設(shè)位置，以使所述測點在落梁過程中，避開所架梁體的遮擋。架橋機就位后，設(shè)置待架梁對應(yīng)橋墩（16）上方支座墊石中心的測量標(biāo)志（11），以及設(shè)置待架梁對應(yīng)橋墩（17）上方支座墊石中心的測量標(biāo)志（12），以及設(shè)置已架梁（14）前端頂面邊緣沿橫向布置的2個測量標(biāo)志（10）。在待架梁對應(yīng)的前方兩個支座墊石中心，以及后方兩個支座墊石中心，各布設(shè)1個測量標(biāo)志；在已架梁前段頂面邊緣，沿邊緣橫向布置2個測量標(biāo)志。

步驟S3：架橋機就位，喂梁前，工業(yè)攝影測量相機（7）拍攝架橋機前支腿（3）上布設(shè)的測量標(biāo)志（13）和待架梁對應(yīng)橋墩（17）上方支座墊石中心的測量標(biāo)志（12）；工業(yè)攝影測量相機（6）拍攝已架梁（14）前端頂面邊緣沿橫向布置的2個測量標(biāo)志（10）和待架梁對應(yīng)橋墩（16）上方支座墊石中心的測量標(biāo)志（11）。

工業(yè)攝影測量相機（7）的拍攝數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集終端處理并傳輸至監(jiān)測平臺，分析處理，以待架梁對應(yīng)橋墩（17）上方支座墊石中心的測量標(biāo)志（12）的兩個測量標(biāo)志相對位置關(guān)系建立空間坐標(biāo)系XYZ-1，并計算得到架橋機前方腿（3）的兩個測量標(biāo)志在空間坐標(biāo)系XYZ-1中的三維坐標(biāo)值。

工業(yè)攝影測量相機（6）的拍攝數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集終端處理并傳輸至監(jiān)測平臺，分析處理，以待架梁對應(yīng)橋墩（16）上方支座墊石中心的測量標(biāo)志（11）的兩個測量標(biāo)志相對位置關(guān)系建立空間坐標(biāo)系XYZ-2，并計算得到已架梁（14）前端頂面邊緣沿橫向布置的2個測量標(biāo)志（10）在空間坐標(biāo)系XYZ-2中的三維坐標(biāo)值。

步驟S4：喂梁到位后以及落梁過程中，工業(yè)攝影測量相機（7）實時拍攝架橋機前方腿（3）上布設(shè)的測量標(biāo)志（13）和待架梁（15）前端頂面邊緣中心的測量標(biāo)志（9）；工業(yè)攝影測量相機（6）拍攝已架梁（14）前端頂面邊緣沿橫向布置的2個測量標(biāo)志（10）和待架梁（15）后端頂面邊緣中心的測量標(biāo)志（8）。

工業(yè)攝影測量相機（7）的拍攝數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集終端處理并傳輸至監(jiān)測平臺，分析處理，以架橋機前方腿（3）上布設(shè)的測量標(biāo)志（13）的兩個測量標(biāo)志相對位置關(guān)系建立空間坐標(biāo)系XYZ-1′，并計算得到待架梁（15）前端頂面邊緣中心的測量標(biāo)志（9）在空間坐標(biāo)系XYZ-1′中的三維坐標(biāo)值；依據(jù)S4中測量分析結(jié)果，對空間坐標(biāo)系XYZ-1′進行轉(zhuǎn)換，得到待架梁（15）前端頂面邊緣中心的測量標(biāo)志（9）在空間坐標(biāo)系XYZ-1中的空間坐標(biāo)值。

工業(yè)攝影測量相機（6）的拍攝數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集終端處理并傳輸至監(jiān)測平臺，分析處理，以已架梁（14）前端頂面邊緣沿橫向布置的2個測量標(biāo)志（10）相對位置關(guān)系建立空間坐標(biāo)系XYZ-2′，并計算得到待架梁（15）后端頂面邊緣中心的測量標(biāo)志（8）在空間坐標(biāo)系XYZ-2′中的三維坐標(biāo)值；依據(jù)S4中測量分析結(jié)果，對空間坐標(biāo)系XYZ-2′進行轉(zhuǎn)換，得到待架梁（15）前端頂面邊緣中心的測量標(biāo)志（8）在空間坐標(biāo)系XYZ-2中的空間坐標(biāo)值。

步驟S5：落梁過程中，在S4中得到的待架梁（15）前端頂面邊緣中心的測量標(biāo)志（9）在空間坐標(biāo)系XYZ-1中的空間坐標(biāo)值，待架梁（15）前端頂面邊緣中心的測量標(biāo)志（8）在空間坐標(biāo)系XYZ-2中的空間坐標(biāo)值，與落梁最終的理論設(shè)計位置進行對比分析，即得到落梁過程中待架梁的實時位置偏差。實時位置偏差分析結(jié)果通過顯示屏通過數(shù)字和圖像形式直觀展示給架橋機操作員，輔助其精確架梁。

5 結(jié)束語

本文采用基于工業(yè)攝影測量技術(shù)的方法，通過對架橋機落梁過程中各個特征點連續(xù)監(jiān)測，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算，實現(xiàn)了架橋機落梁過程中偏位狀態(tài)的自動監(jiān)控。該方法的不足之處在于工業(yè)攝影測量需要設(shè)置專門的測量標(biāo)志，整個落梁監(jiān)控系統(tǒng)仍然需要人工參與，為了完善架橋機的自動架梁技術(shù)，下一步將圍繞如何進一步減少人工參與，實現(xiàn)完全的自動化問題展開研究。