沉管隧道最终接头水下安装定位系统及定位方法与流程

1.本发明属于沉管隧道施工技术领域，具体涉及一种沉管隧道最终接头水下安装定位系统及定位方法。


背景技术：

2.沉管隧道施工时，为使最后管节顺利沉放，必须留有长于该最后管节的距离空间；当最后管节沉放安装完成后，最后管节与待对接管节之间通过最终接头进行连接。参考图3、图4所示，最终接头30通常设置于最后管节40内部，当最后管节40沉放安装完成后，最终接头30向外顶推以与待对接管节50之间进行对接安装，进而实现沉管隧道的连接贯通；可以理解的是，最终接头30向外顶推时，在最后管节40的约束下会产生平面位移和平面旋转，但不会产生侧倾和俯仰；因此在最终接头30顶推施工过程中，需要实时监测最终接头30的平面位移量及旋转角，获知最终接头30的实时位姿信息，进而确保最终接头30的安装精度满足施工要求。
3.目前，最终接头安装时常用的定位方法有测量塔法、声呐法等；但随着作业水深的逐渐增大，这些常规水下定位方法的定位精度逐渐降低，且成本较高，难以更好地保障最终接头安装施工的精确性和可靠性。


技术实现要素：

4.针对相关技术中存在的不足之处，本发明提供一种沉管隧道最终接头水下安装定位系统及定位方法，旨在精确监测最终接头顶推时的平面位移量及旋转角，实现对最终接头的高精度定位定姿，更好地保障最终接头安装施工的精确性和可靠性。
5.本发明提供一种沉管隧道最终接头水下安装定位系统，包括：至少两套水下定位设备，布设于最终接头靠近待对接管节的一端；每套水下定位设备包括仪器箱、安装于仪器箱内的摄像位移计和拉线位移计，摄像位移计的拍摄方向与拉线位移计的出线方向均朝向待对接管节；至少两套水下定位目标，布设于待对接管节靠近最终接头的一端，并与水下定位设备呈一一相对设置；串口服务器，与摄像位移计和拉线位移计均通信连接，以实时接收并传输摄像位移计和拉线位移计的测量数据；数据处理终端，与串口服务器通信连接，用于获取测量数据以解算出最终接头的实时平面位移量及旋转角。
6.在其中一些实施例中，每套水下定位目标包括朝向水下定位设备的拉环和多个光源；拉环为拉线位移计的拉线测点，多个光源构成摄像位移计的光源测点。
7.在其中一些实施例中，摄像位移计包括并排设置的两台相机，以测量摄像位移计与光源测点之间的相对距离和方向；拉线位移计包括可转动的拉杆、贯穿拉杆且可伸缩的拉线、测定拉线长度的拉线编码器和测定拉线方向的激光测角装置，以测量拉线位移计与
拉线测点之间的相对距离和方向。
8.本发明还提供一种沉管隧道最终接头水下安装定位方法，采用上述的沉管隧道最终接头水下安装定位系统进行，包括以下步骤：s1、施工标定步骤，具体包括：s11、建立基于最后管节的最后管节坐标系和基于最终接头的最终接头坐标系，且使最终接头坐标系的初始状态与最后管节坐标系相同；s12、将水下定位设备和水下定位目标分别安装于最终接头和待对接管节上，标定拉线位移计坐标系与最终接头坐标系之间的转换参数，标定摄像位移计坐标系与最终接头坐标系之间的转换参数；s2、顶推前测量步骤，在最后管节沉放安装完成后且最终接头顶推前进行；具体包括：s21、建立施工坐标系；s22、在待对接管节上设一检测点，通过贯通测量获得该检测点于最后管节坐标系下的平面坐标和于施工坐标系下的平面坐标，以解算最后管节坐标系与施工坐标系之间的平面位移量和旋转角，进而结合最终接头的结构尺寸，获得最终接头顶推到位时的理论平面位移量和理论旋转角；s3、最终接头顶推安装步骤，在最终接头顶推过程中，数据处理终端利用多个摄像位移计和多个拉线位移计的同步测量数据，解算出最终接头的实时平面位移量及实时旋转角；当且时，最终接头顶推安装完成。
9.在其中一些实施例中，在步骤s2中，还包括：s23、通过贯通测量获得所有拉线测点和光源测点于最后管节坐标系下的平面坐标，将其记作，其中，或或
…
或；在步骤s3中，包括如下步骤：s31、在最终接头顶推过程中，利用拉线位移计测量拉线测点于拉线位移计坐标系下的坐标，并结合获得拉线测点于最终接头坐标系下的实时平面坐标；利用摄像位移计测量光源测点于摄像位移计坐标系下的坐标，并结合获得光源测点于最终接头坐标系下的实时平面坐标；将拉线测点和光源测点于最终接头坐标系下的实时平面坐标记作；s32、建立一拉线测点或光源测点的观测方程，表示为式（1）；（1）；式（1）中，为一拉线测点或光源测点的测量改正数；为最终接头的实时平面位移量，也即为最终接头坐标系相对于最后管节坐标系的实时平面位移量；为最终接头的实时旋转角，也即为最终接头坐标系相对于最后管节坐标系的实时旋转角；
令，，，；则所有拉线测点和光源测点的观测方程表示为式（2）；（2）；根据最小二乘法原理，得到的解表示为式（3），由此即获得最终接头的实时平面位移量及实时旋转角；（3）。
10.在其中一些实施例中，在步骤s3中，还包括：s33、将解算出的代入到式（1）中，得到测量改正数；判断的绝对值是否超过预设最大允许偏差，若否，则完成对当前顶推位置下的解算精度检核，按步骤s3进行下一次顶推，直至最终接头顶推安装完成；若是，则剔除该对应的测点坐标数据，利用其它未被剔除的测点坐标数据重新解算；若未被剔除的测点坐标数据量小于2，则重新测量和获取当前顶推位置下拉线测点和光源测点于最终接头坐标系下的平面坐标，以重新进行的解算和检核。
11.在其中一些实施例中，在步骤s22中，将检测点于最后管节坐标系下的平面坐标记作、于施工坐标系下的平面坐标记作，根据式（4）解算最后管节坐标系与施工坐标系之间的平面位移量和旋转角；（4）。
12.在其中一些实施例中，沉管隧道最终接头水下安装定位方法还包括以下步骤：s0、设备标定步骤，在水下定位设备未安装于最终接头之前进行；标定拉线位移计坐标系与仪器箱坐标系之间的转换参数，标定摄像位移计坐标系与仪器箱坐标系之间的转换参数；在步骤s12中，当将水下定位设备安装于最终接头上时，标定仪器箱坐标系与最终接头坐标系之间的转换参数，将与相结合以获得拉线位移计坐标系与最终接头坐标系之间的转换参数，将与相结合以获得摄像位移计坐标系与最终接头坐标系之间的转换参数。
13.基于上述技术方案，本发明实施例中的沉管隧道最终接头水下安装定位系统及定位方法，能够在最终接头顶推过程中精确监测最终接头的平面位移量及旋转角，实现对最终接头的高精度定位定姿，更好地保障最终接头安装施工的精确性和可靠性。
附图说明
14.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发
明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明的沉管隧道最终接头水下安装定位系统中水下定位设备的示意图（透视化显示）；图2为本发明的沉管隧道最终接头水下安装定位系统中水下定位目标的示意图；图3为本发明的沉管隧道最终接头水下安装定位方法中最终接头坐标系初始状态示意图；图4为本发明的沉管隧道最终接头水下安装定位方法中最终接头坐标系施工期间状态示意图；图5为本发明的沉管隧道最终接头水下安装定位方法的流程图。
15.图中：10、水下定位设备；11、仪器箱；111、激光指示器；12、摄像位移计；121、相机；13、拉线位移计；131、拉杆、132、拉线；133、激光测角装置；20、水下定位目标；21、主壳体；22、光源；23、拉环；30、最终接头；40、最后管节；50、待对接管节。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
18.术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
19.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
20.参考图1-图4所示，本发明的沉管隧道最终接头水下安装定位系统，包括至少两套水下定位设备10、至少两套水下定位目标20、串口服务器及数据处理终端；需要说明的是，水下定位设备10与水下定位目标20的数量对应一致。
21.多套水下定位设备10布设于最终接头30靠近待对接管节50的一端。每套水下定位设备10包括仪器箱11、安装于仪器箱11内的摄像位移计12和拉线位移计13。摄像位移计12的拍摄方向与拉线位移计13的出线方向均朝向待对接管节50。多套水下定位目标20布设于待对接管节50靠近最终接头30的一端，并与多套水下定位设备10呈一一相对设置。本领域技术人员可以理解的是，摄像位移计12和拉线位移计13均对水下定位目标20进行测距测
向，以此对最终接头30进行定位定姿。
22.进一步说明，通过将摄像位移计12和拉线位移计13组合于同一仪器箱11内，实现了多种定位装置的紧凑化集成式设置，使水下定位设备10具备较好的设备冗余度，显著降低了多种定位装置各自安装时的安装难度和空间占用，提高施工效率，并可实现多种定位装置的通讯线缆的整合设置，降低施工成本；而且，能够对多种定位装置进行统一标定以提高水下定位设备10的标定精度，对不同定位装置的冗余测量数据进行相互校核以提高定位质量，进而实现对最终接头30的高精度定位定姿。
23.串口服务器与摄像位移计12和拉线位移计13均通信连接，以实时接收并传输摄像位移计12和拉线位移计13的测量数据。数据处理终端与串口服务器通信连接，用于获取摄像位移计12和拉线位移计13的测量数据以解算出最终接头30的实时平面位移量及旋转角，由此能够准确获知最终接头30顶推过程中的实时位姿信息，进而确保最终接头30的安装精度能够满足施工要求。
24.上述示意性实施例，通过摄像位移计12和拉线位移计13组合而成的多套水下定位设备10的设置，能够在最终接头30顶推过程中精确监测最终接头30的平面位移量及旋转角，实现对最终接头30的高精度定位定姿，能够更好地保障最终接头30安装施工的精确性和可靠性。
25.参考图2所示，在一些实施例中，每套水下定位目标20包括主壳体21、安装于主壳体21外侧的拉环23、安装于主壳体21内的多个光源22；拉环23的挂接方向朝向水下定位设备10；多个光源22的发光方向也朝向水下定位设备10。拉环23用于与拉线位移计13连接，作为拉线位移计13的拉线测点。多个光源22构成摄像位移计12的光源测点，为摄像位移计12提供摄像测量视场。
26.参考图1所示，在一些实施例中，摄像位移计12包括并排设置的两台相机121，以测量摄像位移计12与光源测点之间的相对距离和方向，即通过摄像测量的方法测定最终接头30与待对接管节50之间的相对位置关系。拉线位移计13包括可转动的拉杆131、贯穿拉杆131且可伸缩的拉线132、测定拉线132长度的拉线132编码器和测定拉线132方向的激光测角装置133，以测量拉线位移计13与拉线测点之间的相对距离和方向，即通过拉线132测量的方法测定最终接头30与待对接管节50之间的相对位置关系；可以理解的是，拉杆131转动中心位于仪器箱11内，拉线132与拉杆131的转动状态一致；进一步说明，拉线131的一端缠绕于一绕线盘上，另一端用于与拉线测点连接；绕线盘用于收放拉线132，拉线编码器设于绕线盘处以测量绕线盘的旋转角度，进而计算拉线132长度。激光测角装置133包括激光器和光斑相机；激光器安装于拉杆131上以随拉杆131同步转动，激光器用于向外发出激光；光斑相机面向激光器，以采集激光于相片上形成的像素点位置信息，进而计算拉杆131也即拉线132方向。该示意性实施例，通过多种定位装置的组合式设置，能够获得不同测量方式下较多的冗余测量数据，进而可对数据质量进行检核和筛选，提高结果数据的精度和可靠性。
27.参考图1-图5所示，本发明的沉管隧道最终接头水下安装定位方法，采用上述的沉管隧道最终接头水下安装定位系统进行，包括以下步骤：s1、施工标定步骤，具体包括：s11、建立基于最后管节40的最后管节坐标系，将其记作坐标系；建立基于最终接头30的最终接头坐标系，将其记作坐标系；并且使最终接头坐标系的初
始状态与最后管节坐标系相同，即最终接头30未被顶推前最终接头坐标系与最后管节坐标系重合，如图3所示；可以理解的是，最后管节40沉放安装完成后，管节坐标系的状态不再发生变化，而最终接头坐标系的状态会随着最终接头30的顶推而实时变化，如图4所示；因此，当最终接头30顶推施工开始后，最终接头30的实时平面位移量等同于最终接头坐标系相对于最后管节坐标系的实时平面位移量，最终接头30的实时旋转角等同于最终接头坐标系相对于最后管节坐标系的实时旋转角；s12、将多套水下定位设备10布设并安装于最终接头30靠近待对接管节50的一端，将多套水下定位目标20布设并安装于待对接管节50靠近最终接头30的一端，且多套水下定位设备10与多套水下定位目标20呈一一相对设置；进一步地，可采用四套水下定位设备10和四套水下定位目标20的配置方式，将四套水下定位设备10分别布设于最终接头30端封门的四角处，将四套水下定位目标20分别布设于待对接管节50端封门的四角处，可以理解的是，本发明并不以此数量和布局为限，但水下定位设备10和水下定位目标20的数量均至少为两套；建立基于拉线位移计13的拉线位移计坐标系、基于摄像位移计12的摄像位移计坐标系，标定拉线位移计坐标系与最终接头坐标系之间的转换参数，标定摄像位移计坐标系与最终接头坐标系之间的转换参数；可以理解的是，因水下定位设备10与最终接头30之间的相对位置关系恒定，因而和为常量；进一步说明，通过和的标定，能够将拉线位移计13于拉线位移计坐标系下的测量数据和摄像位移计12于摄像位移计坐标系下的测量数据均换算为于最终接头坐标系下的测量数据，由此实现将不同坐标系下的测量数据统一换算成同一坐标系下的测量数据，便于后续对测量数据的处理和对最终接头30实时位姿状态的解算。
28.s2、顶推前测量步骤，在最后管节40沉放安装完成后且最终接头30顶推前进行；具体包括：s21、建立施工坐标系，将其记作坐标系；s22、在待对接管节50上设一检测点，通过最后管节40沉放安装完成后的贯通测量，获得该检测点于最后管节坐标系下的平面坐标和于施工坐标系下的平面坐标，以解算最后管节坐标系与施工坐标系之间的平面位移量和旋转角；因最终接头坐标系的初始状态与管节坐标系相同，也即获得顶推前的最终接头坐标系初始状态与施工坐标系之间的平面位移量和旋转角；由此结合最终接头30的结构尺寸，即可获得最终接头30顶推到位时的理论平面位移量和理论旋转角；需要说明的是，该检测点可直接利用一拉线测点或光源测点，也可另行设置。
29.s3、最终接头顶推安装步骤，在最终接头30顶推过程中，数据处理终端通过串口服务器实时获取多个摄像位移计12和多个拉线位移计13的同步测量数据，以解算出最终接头30的实时平面位移量及实时旋转角；当且时，最终接头30顶推安装完成。
30.上述示意性实施例，通过施工标定步骤、顶推前测量步骤和最终接头顶推安装步骤的设置，能够精确监测最终接头30顶推时的平面位移量及旋转角，实现对最终接头30的
高精度定位定姿，保障最终接头30顶推安装施工的精确性和可靠性。
31.在一些实施例中，在步骤s2中，还包括：s23、通过最后管节40沉放安装完成后的贯通测量，获得所有拉线测点和光源测点于最后管节坐标系下的平面坐标，对所有拉线测点和光源测点进行编号并将其于最后管节坐标系下的平面坐标记作，其中，或或
…
或；可以理解的是，；需要说明的是，由于最后管节40的沉放安装已完成，因而在最终接头30顶推过程中，为一常量。
32.在步骤s3中，包括如下步骤：s31、在最终接头30顶推过程中，利用拉线位移计13测量拉线测点于拉线位移计坐标系下的坐标，并结合获得拉线测点于最终接头坐标系下的实时平面坐标；利用摄像位移计12测量光源测点于摄像位移计坐标系下的坐标，并结合获得光源测点于最终接头坐标系下的实时平面坐标；将拉线测点和光源测点于最终接头坐标系下的实时平面坐标记作，可以理解的是，为一变量，随最终接头30的顶推而发生变化；s32、建立一拉线测点或光源测点的观测方程，表示为式（1）；（1）；式（1）中，为一拉线测点或光源测点的测量改正数；为最终接头30的实时平面位移量，也即为最终接头坐标系相对于最后管节坐标系的实时平面位移量；为最终接头30的实时旋转角，也即为最终接头坐标系相对于最后管节坐标系的实时旋转角；令，，，；则所有拉线测点和光源测点的观测方程表示为式（2）；（2）；根据最小二乘法原理，得到的解表示为式（3），由此即获得最终接头30的实时平面位移量及实时旋转角；（3）。
33.上述示意性实施例，实现了最终接头30顶推过程中的实时平面位移量和实时旋转角的解算，进而能够实时监测最终接头30的平面位移量及旋转角，准确获知最终接头30顶推时的实时位姿信息。
34.在一些实施例中，在步骤s3中，还包括：s33、将解算出的代入到式（1）中，得到测量改正数；判断的绝对值是否超过预设最大允许偏差，若未超过预设最大允许偏差，则完成对当前顶推位置下的解算精度检核，即确定最终接头30当前姿态解算准确，按步
骤s3进行下一次顶推，直至最终接头30顶推安装完成；若超过预设最大允许偏差，则剔除该对应的测点坐标数据，利用其它未被剔除的测点坐标数据重新解算；若未被剔除的测点坐标数据量小于2，则重新测量和获取当前顶推位置下拉线测点和光源测点于最终接头坐标系下的平面坐标，以重新进行的解算和检核。该示意性实施例，实现了对最终接头30实时平面位移量和实时旋转角的结果检核，确保解算结果的精确性，进一步保障最终接头30安装施工的精确性和可靠性。
35.在一些实施例中，在步骤s22中，将检测点于最后管节坐标系下的平面坐标记作、于施工坐标系下的平面坐标记作，根据式（4）解算最后管节坐标系与施工坐标系之间的平面位移量和旋转角；进一步地，在已获得和的基础上，结合最终接头30的具体结构尺寸进行简单计算，即可获得最终接头30顶推到位时的理论平面位移量和理论旋转角；（4）。
36.上述示意性实施例，实现了最终接头30顶推到位时的理论平面位移量和理论旋转角的解算。
37.在一些实施例中，沉管隧道最终接头水下安装定位方法还包括以下步骤：s0、设备标定步骤，在水下定位设备10未安装于最终接头30之前进行；标定拉线位移计坐标系与仪器箱坐标系之间的转换参数，标定摄像位移计坐标系与仪器箱坐标系之间的转换参数；具体地，设备标定步骤包括：s01、分别建立基于仪器箱11的仪器箱坐标系、基于摄像位移计12的摄像位移计坐标系、基于拉线位移计13的拉线位移计坐标系；将仪器箱坐标系的原点记作，位于仪器箱11顶面的中心，将仪器箱坐标系的主轴记作轴，轴朝向摄像位移计12的拍摄方向；s02、将仪器箱11放置于地面上并使其保持水平状态；仪器箱11顶面设置激光指示器111，利用激光指示器111发出的激光来指示轴的方向；在轴上间隔设置两个参考点、，并记录其在仪器箱坐标系下的坐标；沿轴方向间隔设置多个标靶并在每一标靶上布设多个标靶点，对所有标靶点编号并记作，其中，或或
…
或；s03、架设全站仪以测量、、及于全站仪坐标系下的坐标；利用摄像位移计12测量于摄像位移计坐标系下的坐标；利用拉线位移计13测量于拉线位移计坐标系下的坐标；s04、利用、、于全站仪坐标系下的坐标与于仪器箱坐标系下的坐标，解算全站仪坐标系向仪器箱坐标系转换时的全站仪坐标系转换参数；根据全站仪坐标系转换参数，将于全站仪坐标系下的坐标换算为于仪器箱坐标系下的坐标；
s05、利用于仪器箱坐标系下的坐标和于摄像位移计坐标系下的坐标，建立标靶点的第一观测方程，以解算摄像位移计坐标系向仪器箱坐标系转换时的摄像位移计坐标系转换参数；利用于仪器箱坐标系下的坐标和于拉线位移计坐标系下的坐标，建立标靶点的第二观测方程，以解算拉线位移计坐标系向仪器箱坐标系转换时的拉线位移计坐标系转换参数。
38.通过上述步骤，能够对多种定位装置进行同一坐标系下的统一标定，实现了水下定位设备10自身的标定且提高标定精度，确保拉线位移计13和摄像位移计12的测量结果更加准确可靠，进而得以在最终接头顶推施工中对最终接头进行高精度定位定姿。
39.在步骤s12中，当将水下定位设备10安装于最终接头30上时，首先标定仪器箱坐标系与最终接头坐标系之间的转换参数，然后将与相结合以获得拉线位移计坐标系与最终接头坐标系之间的转换参数，将与相结合以获得摄像位移计坐标系与最终接头坐标系之间的转换参数。该示意性实施例，实现了拉线位移计坐标系与最终接头坐标系之间转换参数的解算，实现了摄像位移计坐标系与最终接头坐标系之间转换参数的解算。
40.综上所述，本发明的沉管隧道最终接头水下安装定位系统及定位方法，能够在最终接头30顶推过程中精确监测最终接头30的平面位移量及旋转角，实现对最终接头30的高精度定位定姿，更好地保障最终接头30安装施工的精确性和可靠性。
41.最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
42.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

技术特征：
1.沉管隧道最终接头水下安装定位系统，其特征在于，包括：至少两套水下定位设备，布设于最终接头靠近待对接管节的一端；每套所述水下定位设备包括仪器箱、安装于所述仪器箱内的摄像位移计和拉线位移计，所述摄像位移计的拍摄方向与拉线位移计的出线方向均朝向待对接管节；至少两套水下定位目标，布设于所述待对接管节靠近最终接头的一端，并与所述水下定位设备呈一一相对设置；串口服务器，与所述摄像位移计和拉线位移计均通信连接，以实时接收并传输所述摄像位移计和拉线位移计的测量数据；数据处理终端，与所述串口服务器通信连接，用于获取所述测量数据以解算出最终接头的实时平面位移量及旋转角。2.根据权利要求1所述的沉管隧道最终接头水下安装定位系统，其特征在于，每套所述水下定位目标包括朝向水下定位设备的拉环和多个光源；所述拉环为拉线位移计的拉线测点，多个所述光源构成摄像位移计的光源测点。3.根据权利要求2所述的沉管隧道最终接头水下安装定位系统，其特征在于，所述摄像位移计包括并排设置的两台相机，以测量所述摄像位移计与光源测点之间的相对距离和方向；所述拉线位移计包括可转动的拉杆、贯穿所述拉杆且可伸缩的拉线、测定所述拉线长度的拉线编码器和测定拉线方向的激光测角装置，以测量所述拉线位移计与拉线测点之间的相对距离和方向。4.沉管隧道最终接头水下安装定位方法，其特征在于，采用如权利要求2或3所述的沉管隧道最终接头水下安装定位系统进行，包括以下步骤：s1、施工标定步骤，具体包括：s11、建立基于最后管节的最后管节坐标系和基于最终接头的最终接头坐标系，且使最终接头坐标系的初始状态与最后管节坐标系相同；s12、将水下定位设备和水下定位目标分别安装于最终接头和待对接管节上，标定拉线位移计坐标系与最终接头坐标系之间的转换参数，标定摄像位移计坐标系与最终接头坐标系之间的转换参数；s2、顶推前测量步骤，在最后管节沉放安装完成后且最终接头顶推前进行；具体包括：s21、建立施工坐标系；s22、在待对接管节上设一检测点，通过贯通测量获得该检测点于最后管节坐标系下的平面坐标和于施工坐标系下的平面坐标，以解算最后管节坐标系与施工坐标系之间的平面位移量和旋转角，进而结合最终接头的结构尺寸，获得最终接头顶推到位时的理论平面位移量和理论旋转角；s3、最终接头顶推安装步骤，在最终接头顶推过程中，数据处理终端利用多个摄像位移计和多个拉线位移计的同步测量数据，解算出最终接头的实时平面位移量及实时旋转角；当且时，最终接头顶推安装完成。5.根据权利要求4所述的沉管隧道最终接头水下安装定位方法，其特征在于，在步骤s2中，还包括：s23、通过贯通测量获得所有拉线测点和光源测点于最后管节坐标系下的平面
坐标，将其记作，其中，或或
…
或；在步骤s3中，包括如下步骤：s31、在最终接头顶推过程中，利用拉线位移计测量拉线测点于拉线位移计坐标系下的坐标，并结合获得拉线测点于最终接头坐标系下的实时平面坐标；利用摄像位移计测量光源测点于摄像位移计坐标系下的坐标，并结合获得光源测点于最终接头坐标系下的实时平面坐标；将拉线测点和光源测点于最终接头坐标系下的实时平面坐标记作；s32、建立一拉线测点或光源测点的观测方程，表示为式（1）；（1）；式（1）中，为一拉线测点或光源测点的测量改正数；为最终接头的实时平面位移量，也即为最终接头坐标系相对于最后管节坐标系的实时平面位移量；为最终接头的实时旋转角，也即为最终接头坐标系相对于最后管节坐标系的实时旋转角；令，，，；则所有拉线测点和光源测点的观测方程表示为式（2）；（2）；根据最小二乘法原理，得到的解表示为式（3），由此即获得最终接头的实时平面位移量及实时旋转角；（3）。6.根据权利要求5所述的沉管隧道最终接头水下安装定位方法，其特征在于，在步骤s3中，还包括：s33、将解算出的代入到式（1）中，得到测量改正数；判断的绝对值是否超过预设最大允许偏差，若否，则完成对当前顶推位置下的解算精度检核，按步骤s3进行下一次顶推，直至最终接头顶推安装完成；若是，则剔除该对应的测点坐标数据，利用其它未被剔除的测点坐标数据重新解算；若未被剔除的测点坐标数据量小于2，则重新测量和获取当前顶推位置下拉线测点和光源测点于最终接头坐标系下的平面坐标，以重新进行的解算和检核。7.根据权利要求4所述的沉管隧道最终接头水下安装定位方法，其特征在于，在步骤s22中，将所述检测点于最后管节坐标系下的平面坐标记作、于施工坐标系下的平面坐标记作，根据式（4）解算最后管节坐标系与施工坐标系之间的平面位移量和旋转角；
（4）。8.根据权利要求4所述的沉管隧道最终接头水下安装定位方法，其特征在于，所述沉管隧道最终接头水下安装定位方法还包括以下步骤：s0、设备标定步骤，在水下定位设备未安装于最终接头之前进行；标定拉线位移计坐标系与仪器箱坐标系之间的转换参数，标定摄像位移计坐标系与仪器箱坐标系之间的转换参数；在步骤s12中，当将水下定位设备安装于最终接头上时，标定仪器箱坐标系与最终接头坐标系之间的转换参数，将与相结合以获得拉线位移计坐标系与最终接头坐标系之间的转换参数，将与相结合以获得摄像位移计坐标系与最终接头坐标系之间的转换参数。

技术总结
本发明属于沉管隧道施工技术领域，具体涉及一种沉管隧道最终接头水下安装定位系统及定位方法。该定位系统包括布设于最终接头上的至少两套水下定位设备、布设于待对接管节上的至少两套水下定位目标；每套水下定位设备包括组合于同一仪器箱内的摄像位移计和拉线位移计；数据处理终端通过串口服务器与摄像位移计和拉线位移计均通信连接，以实时获取测量数据进而解算出最终接头的实时平面位移量及旋转角。使用本发明的沉管隧道最终接头水下安装定位系统，能够在最终接头顶推过程中精确监测最终接头的平面位移量及旋转角，实现对最终接头的高精度定位定姿，更好地保障最终接头安装施工的精确性和可靠性。工的精确性和可靠性。工的精确性和可靠性。


技术研发人员：锁旭宏 李允良 岳远征 王强 宁进进 刘兆权 管泽旭 张超
受保护的技术使用者：中交一航局第二工程有限公司 人工智能与数字经济广东省实验室（深圳）
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/8/16