地鐵盾構掘進導向系統1系統的構成地鐵盾構掘進導向系統是由英國ZED公司生產的ZED261盾構姿態測試儀和自行研究開發的數據采集管理系統組成。集測量、儀器儀表和計算機技術于一體，具有對盾構掘進姿態、與隧道設計軸線偏離進行動態測量的功能，測量所得的數據由后位工業計算機進行數據處理；向施工人員提供實時圖控界面、數據查詢手段和參數設置等友好的人機交換界面。(1)ZED261盾構姿態測試儀的構成ZED261盾構姿態測試儀是ZED公司生產的、專門用于隧道掘進過程中實時動態測量盾構掘進時的姿態和偏離設計軸線數據的儀器。1986年曾被授于英國技術成果女皇獎，成功地應用在英法海峽隧道的施工中，創掘進隧道80km偏差50mm的紀錄。它由目標單元、傾斜單元、控制單元、激光槍、小型終端機和分配箱等六部分組成，見圖1。圖1ZED261盾構姿態測試儀的構成①目標單元目標單元是個具有透明屏幕的長方形盒子，在一端有用于連接電纜的插座。它用來接收激光信號，能測量激光束照射在其靶面上的位置和入射角度。一般目標單元安裝在盾構前部的托架上，可以每50mm間距水平移動，也可以3°的角度轉動，因此能覆蓋更大的目標區域。其工作原理為：激光束通過前部透明屏幕進入目標單元(部分散射)，部分光擊中安裝在單元底部和側面的傳感器，傳感器可以探測光束進入屏幕時的位置；其余的光束通過透鏡到達安裝在軸心上的傳感器，此傳感器裝在單元的后部，用來測量光束的傾角。后部的傳感器與前部透明屏幕距離較大。因此，如果激光束很弱，就會造成讀數不精確。從傳感器出來的信號被轉換成電子信號，并通過單元后部的電纜輸入到控制單元。②傾斜單元傾斜單元內裝有兩只高穩定性、彼此成90°的傳感器。傳感器利用鐘擺重錘原理，測量重錘相對于重力的角度，然后轉換成電子信號(脈沖信號)，送入控制單元進行計算。兩只傳感器分別測量滾動角(繞盾構主軸的旋轉)和俯仰角(在垂直面中的旋轉)。移動范圍為±30mm/m以上，精度達0.5mm/m以上。長方體的傾斜單元應固定在目標單元附近。③分配箱分配箱是系統中最簡單的單元。它有兩個功能：連接目標單元與傾斜單元的信號，并使信號輸入到控制單元；向目標單元和傾斜單元提供電源。④控制單元控制單元是系統的中央"大腦"和記憶中樞，所有各單元提供的信息，都由控制單元來進行處理、計算和儲存，決定系統如何運轉的控制軟件把各信息計算后的結果顯示在屏幕上，數據可通過顯示屏幕下面的按鈕來選擇，各項控制參數和修改參數也可用KEY鑰匙鈕打開輸入口后輸入。⑤小型終端小型終端是一種類似于手提計算機的裝置，它具有以下功能：輸入和儲存設計軸線參數(DTA表)、激光槍的坐標參數；對控制單元進行一系列的檢測；與下位控制單元和上位工業計算機進行通信；能接收上位工業計算機上編制的設計軸線DTA表參數。(2)數據采集系統的構成數據采集系統主要由通信接口、實時監控和數據采集管理三大模塊組成，主要完成與ZED261的數據交換。①通信接口模塊通信接口模塊是數據采集管理系統的前向通道，采用ZED261系統的通信協議和通信規約，經ZED261控制單元的通信接口進行數據交換，實時刷新各項所需數據，并把數據放入數據緩存區，再以DDE方式向后續模塊提供各項數據。由于ZED261通信限定為RS-232C/9600波特(單工)方式，所以數據刷新周期為30S。②實時圖控模塊實時圖控模塊把實時測量數據以圖形方式顯示在計算機各界面上，有實時測量、姿態測量、系統檢測等界面。其主要功能有：盾構的姿態顯示、系統狀態檢測，以及完成對其它功能模塊的協調。·實時測量界面：實時測量界面以圖形方式表示ZED261盾構姿態測試儀所測得的實時動態數據，其中有盾構的現在位置和預測位置，游標方式顯示盾構的坡度值以及滾動角的當前值，同時界面上還用實時動態曲線表示滾動角和俯仰角連續變化的實況。·盾構姿態測試界面：盾構姿態測試界面以實時動態曲線方式顯示了盾構從前段時間直到當前對于設計軸線的偏離情況，從兩個方面描述了盾構的位置實況(水平面和垂直面)；另外也以圖象方式顯示了盾構的姿態；滾動角和俯仰角，整個界面具有動畫效果，可以讓人對盾構目前的姿態以及推進的情況有一個直觀的了解。·系統檢測界面：系統檢測界面主要用于檢測ZED261盾構姿態測量儀本身的性能，以保證整個系統工作的可靠性。界面顯示出激光束照射在目標單元前部透明屏幕上的位置，同時也用游標方式顯示盾構的滾動角、俯仰角及相應參數值。界面上還用實時圖形方式顯示出激光槍到目標單元的一個組合畫面，這樣可讓操作人員了解整個ZED261盾構姿態測量儀的目前狀況。③數據管理模塊數據管理模塊要實現與通信模塊的數據通信；實現數據定時采集；對所采集的數據進行建庫、查找、打印等，具有以下功能：·測量數據報表功能：把測量結果以報表形式顯示并打印輸出，可對測量結果進行查看，也能輸出特定某一環的測量報表·測量數據管理功能：對系統采集的各環測量數據進行查找，有單環數據的查找和環間數據的查找，查找結果可是數據報表或是數據曲線；在環間查找中可選擇目標的現在位置、目標的預測位置或目標單元屏幕上當前激光照射位置的數據等。·測量參數管理功能：測量參數管理功能是完成對各項測量參數包括本地鐵工程的設計軸線坐標參數、測量實際結果參數、測量修正參數等的管理。·系統通信檢測功能：從模塊界面上可以清晰地了解到"數據采集管理系統"和ZED261系統之間實時動態的通信和數據交換的情況。2系統的工作原理(1)ZED261盾構姿態測量儀工作原理當盾構在掘進時處于某一位置(N、N+1之間)，以掘進距離和激光槍的坐標點為基點，計算出目標單元的目前坐標點M，見圖2、圖3。NM=NA+ΔNEm=EA+ΔEZM=ZA+ΔZ其中：ΔN=S·cosαΔE=S·sinαΔZ=S·tgαα=180°-β測量開始前，系統要求輸入目標單元的坐標、激光槍的坐標、隧道的設計軸線坐標，并調整好起始參數。圖2掘進距離和激光槍坐標點圖3計算目前坐標點當盾構掘進開始，盾構沿著軸線向前推進，由于盾構所處的地質條件不同，盾構推進時的姿態將發生各種變化，這些變化就會具體地反映在系統上，引起各項參數的變化，一是目標單元上的激光點位置沿X軸或Y軸的變化，其次是傾斜單元的參數變化。(2)數據采集管理系統的工作原理數據采集管理系統主要的任務有三項：實現與ZED261系統的數據交換；實時監控界面；數據管理系統。①系統軟件的結構系統數據流是從ZED261開始，經通信接口，由后位計算機采集，流進實時圖控模塊和數據查詢模塊后，最后到達結果輸出模塊，見圖4。圖4系統數據流程②系統數據庫系統數據庫采用了ACCESS2.0，這是因為"數據采集管理系統"多數程序是用VB編制的，而VB可以直接捆綁ODBC類型的數據庫，且具有SQL的功能。采用ACCESS2.0后，有利于進行數據查找等一系列的操作，由于ACCESS又是WINDOWS下通用的數據庫，所以易與其他軟件進行數據交換。3系統的主要技術指標(1)ZED261盾構姿態測量儀儀器測試精度：±15mm儀器綜合測試精度：±25mm(2)J2固體激光經緯儀激光波長：635nm有效射程：200m水平方向標準偏差：±2″垂直方向標準偏差：±2″(3)數據采集管理系統系統硬件：工業級586電腦IPC-PT/M500S(PC)WOU基本配置：CPU奔騰166MHz、硬盤3.2G、880×720液晶真彩顯示器(帶觸摸功能)系統軟件平臺：MSWINDOWS95、INTOUCH5.0、MSVC4.0、MSVB4.0、ACCESS2.0系統通信模塊技術參數通信物理連接：RS-232C波特率：9600(單工)通信協議：INFORMATIONONMESSAGEFORMATFORZEDTUNNELGUIDANCESYSTEMS系統測量精度：±18mm4工程應用