测量机器人在大跨度CFST拱桥中的应用研究

罗小斌 蔡明桐 魏华 兰国腾

摘要：文章介绍了测量机器人的构成、原理、特点及满足CFST拱桥施工测量需要的配套软件，并以广西荔玉高速公路平南三桥为例，提出了测量机器人在大跨度CFST拱桥施工阶段的控制网及观测点布设、就位跟踪测量、线形调整测量、拱圈线形连续测量及数据处理方案，对同类型大桥施工中的测量工作有实际的指导意义和借鉴价值。

关键词：测量机器人;CFST拱桥;线形;测量

中图分类号：U448. A 01 001 3

0 引言

钢管混凝土拱桥（CFST拱桥）具有跨越能力大、施工方便、造价低和外形美观等特点，被广泛应用在交通工程中。从1990年我国建成第一座具有工程意义的旺苍东河大桥开始，至今已建成460余座[1]钢管混凝土拱桥。2019年12月，世界大跨径拱桥建设技术大会在广西南宁顺利召开，来自国内外300多名专家、学者参观了跨径为575 m的广西荔玉高速公路平南三桥，将CFST拱桥建设推向了一个新的高度。随着CFST拱桥的跨径不断增大，安装难度随之提升。安装过程中的拱肋线形监测，对确保桥梁的安全和工程的顺利推进非常关键。根据以往CFST拱桥的吊装施工经验，线形监测通常采用全站仪进行测设，由人工进行数据的整理，耗时长、效率低、易出错，且受到环境、人员技能水平的影响大[2]，对降低拱桥安装阶段的施工风险非常不利。随着信息化技术和装配制造技术的发展，对自动化、智能化、信息化的要求越来越高，近年发展起来的测量机器人就具备这些特点。本文介绍了测量机器人技术在大跨径CFST拱桥中的应用，解决了线形监测的难题。

1 测量机器人

测量机器人又称自动全站仪，是一种集自动目标识别、自动照准、自动测角与测距、自动目标跟踪、自动记录于一体的测量平台。它主要由硬件和软件两大部分组成：硬件主要由主机、内/外部电池、[KG（0.1mm]数据传输线、电源线、SD存储卡等组成;软件主要包含系统软[KG）]

测量机器人在大跨度CFST拱桥中的应用研究/罗小斌，蔡明桐，魏 华，兰国腾

件和应用软件。本文所述的测量机器人，以徕卡TS60自动全站仪（图1）为研究对象。

1.1 原理

测量机器人在普通全站仪的基础上集成了高精度的测距测角系统、马达驱动、CCD影像传感器以及ATR自动目标识别等装置，结合了应用软件的开发使用形成，通过仪器的中央处理系统来控制仪器测量程序的运行，进行数据计算得到相关结果[3-4]。

在工作时，通过人工或者使用软件给测量机器人下达测量指令，精密的马达驱动系统可以根据仪器的指令启动，转动仪器搜索目标。ATR（Automatic Target Recognition）即目标自动识别功能，通过红外信号发射器发射红外激光，在光学部件投影下通过望远镜的物镜平行发射出去，再通过棱镜反射回到CCD相机接收器中。CCD相机接收到信号后转换成相应的图像，通过不断地处理计算使图像中心和CCD相机中心重合，即准确识别目标[5]。测量机器人的高精度测距测角系统通过处理器修正获取高精度的距离和角度数据，最后计算出坐标信息得到相关观测结果。工作过程如图2所示。

1.2 特点

测量机器人与普通全站仪相比有以下优势（见表1）：

（1）高精度：测量中的照准误差、调焦误差等可以自动消除。

（2）高效率：具有记忆功能，自动找点。以监测拱肋上22个监测点为例，测量机器人仅需要3 min，人工找准至少需要25 min。

（3）连续监测：配置数据处理软件，可实现24 h不间断监测。

（4）自动化监测：按设定自动输出结果，便于数据的交换。可远程监控，降低人工成本。

1.3 数据处理软件

（1）GeoMoS软件

GeoMoS软件由Monitor和Analyzer两大功能模块组成。Monitor通过与测量机器人的连接，向测量机器人发送监测指令，达到远程监测并获取数据的目的，能够无人值守不间断测量拱肋线形。软件中具备建立项目、观测点组等功能，并为不同的点组设置不同的测量参数。操控电脑与设备间通过网络连接，且应在同一局域网环境内。Analyzer主要实现对监测期间获得的监测数据进行分析整理，得到监测点随时间轴变化的数据，可绘制控制点的三维坐标值或偏差值的趋势图，也可生成监测报告，允许将监测数据导入其它数据处理软件进行后处理。

（2）Location Tracking软件

Location Tracking是一款可以对单个监测点进行定位追踪的软件，它通过蓝牙端口的连接来控制测量机器人的测量活动，可以在软件中得到监测点的实时监测数据偏差，其特点是操作界面简单具有直观性，能够实时指导拱肋吊装监测。

2 CFST拱桥施工阶段线形测量

平南三桥是广西荔浦至玉林高速公路平南北互通连接线上跨越浔江的一座特大桥。大桥全长1 035 m，主跨为575 m中承式钢管混凝土拱桥。主拱肋共分为44個吊装节段，单边单侧11个节段，对称布置。该桥拱肋架设中的线形监测采用“固定式测点+测量机器人+处理软件”的组合方式。

2.1 测量准备

（1）控制网布设

在大桥两岸上下游侧，分别设置控制点，各控制点相互通视，形成闭环的施工测量控制网，如图3所示。北岸的控制点PNS8、PNS12距桥梁轴线分别为61.736/68.447 m，南岸控制点PNS10、PNS2距桥梁轴线分别为62.676/84.491 m。其中PNS10控制点距离轴线较近，兼顾南岸拱座基坑内部结构物的测量。详见图3。

控制桩均采用钢筋混凝土墩的结构形式，与三脚架相比，沉降误差小。控制桩采用小管桩基础，打入坚硬基岩，墩顶设置强制对中器。施工完成后需进行1个月的沉降观测，满足要求后，方可使用。

（2）观测点布设

在拱肋节段上布置固定式观测点，每节段上下弦各布置1个点（见图4）。上弦A点为主测点，下弦B点为复测点。各测点均位于竖向腹杆与弦管中心交点的外侧面，且需靠近接头附近，便于观测点的维护。测点采用基座+“L”型支架+棱镜的构造型式。基座在拱肋卧式拼装阶段按指定的点位焊接固定，丝孔内填灌润滑脂进行保护。节段运抵桥址后，安装棱镜。主测点A安装360°全方位小棱镜，复测点B安装普通小棱镜，全桥棱镜总数为88个。

2.2 节段就位跟踪测量

节段起吊至就位期间，对节段进行跟踪测量。操作步骤为：（1）在控制点架设测量机器人并调平;（2）接通电源，使用蓝牙端口连接仪器，设置监测点的设计坐标、观测点设计坐标;（3）人工粗略照准观测点，启动Location Tracking跟踪测量程序，软件自动显示当前监测点的实际坐标、偏位;（4）定时将偏位报告现场指挥人员，以调整节段姿态就位。

自动跟踪测量，实时显示测点的三维坐标的实测与设计的偏差值，在节段就位中可调高节段就位效率。根據统计，全桥拱肋节段的平均就位速率为23 min/段，远小于行业平均水平。

2.3 节段线形调整测量

节段就位后，紧接着进入扣索安装与张拉工序，调整节段线形，需进行节段线形调整测量，以指导扣索张拉。操作步骤：（1）关闭Location Tracking跟踪测量软件;（2）建立局域网，将测量机器人、电脑均接入同一网络;（3）打开GeoMoS软件，转动仪器照准后视点，在软件完成：选择仪器站点→输入仪器高→选择后视点→照准棱镜中心→点击测量，自动计算方位角完成定向;（4）录入当前工况下所有节段的主观测点A、复核点B的设计值，编入同一监测点组，并设置为当前组;（5）设置测量间隔时间，测量方式选择连续测量，启动测量;（6）在软件窗口中读取当前安装阶段各测点偏差值，反馈给现场施工指挥人员，以指导扣索张拉施工。

2.4 拱圈线形连续测量

扣索张拉完毕后，当前工况下的拱肋安装即完成。测量工作的重点转化为拱圈线形的连续测量。测量目的为：观测不同时段、温度、日照等情况下拱肋线形的变化规律，为拱肋节段安装线形调整提供数据支撑。连续测量步骤与上文所述线形调整测量基本相同，不同点为：连续测量时长24 h以上，时间间隔适当增大，以一个测回时长加5 min为宜;仪器应连接电源，遮阳挡雨，具备条件时可在观测墩上搭设简易遮阳房，减少光照对仪器的影响;每1/2 h，记录一次气温。测量期间，在GeoMoS软件的Analyzer模块中可查看线形的变化情况，如图5所示。

2.5 数据后处理

GeoMoS软件为测量通用型软件，数据处理能力具有一定的局限性。对于大跨度的CFST拱桥，需要提取各观测点的历程数据、各工况的线形数据，以指导施工。此时可将连续测量数据导出，采用其数据处理软件对测量数据进行后处理，深度挖掘测量数据的价值。本文的背景工程数据采用Office Excel电子表格进行处理，通过其强大的数据、图标功能，总结工程规律（如图6所示）。通常可将数据的处理程序提前进行设计，测量完成后将数据导入即可，以提高效率。

3 结语

通过测量机器人在大跨径CFST拱桥中的应用，充分发挥了测量机器人高效、自动化程度高等特点。在传统拱桥施工测量的基础上，设置钢筋混凝土固定式观测桩、固定式棱镜测点，使用“测量机器人+数据处理软件”的方式，实现了线形测量的自动化、智能化，解决了传统测量方式耗时长、计算量大等不足。通过对连续线形的连续监测，可获得线形在不同时段、温度、工况下的变化规律，为精细化施工提供数据支撑。另一方面，在使用过程中，反复地切换软件、导入数据等还存在诸多的繁琐操作，应继续加强操作方式优化、专业化软件开发等方面的研究。

[1]郑皆连.500米级钢管混凝土拱桥建造创新技术[M].上海：上海科学技术出版社，2020.

[2]葛金龙.大跨度拱桥监测系统的研究与实现[D].安徽：合肥工业大学，2014.

[3]张正禄.测量机器人[J].测绘通报，2001（5）：17.

[4]陈向阳.测量机器人实时测量系统在桥梁施工中的应用研究[J].常州工学院学报，2010（5）：24-27.

[5]朱顺平，薛 英.ATR的工作原理、校准及检测[J].北京测绘，2005（3）：26-29，18.

作者简介：罗小斌（1985—），工程师，主要从事大跨度桥梁的施工管理与技术研究工作;

蔡明桐（1996—），助理工程师，主要从事大跨度桥梁的施工管理工作;

魏 华（1983—），高级工程师，主要从事大跨度桥梁的施工管理与技术研究工作;

兰国腾（1996—），助理工程师，主要从事大跨度桥梁的施工管理工作。

基金项目：[HT9.XH]国家自然科学基金重点项目（项目编号51738004）;广西科技重大专项（项目编号桂科AA18118029）;交通运输行业重点科技项目（项目编号 2018-MS1-003）