EVA裝置各單元預埋工件空間姿態的精密測控

奚冠凡，郭沈凡

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210009)

0 引 言

EVA，即乙烯-醋酸乙烯共聚物英文名稱的簡稱[1]。EVA由EVA裝置生產，而EVA裝置須在無應力的狀態下完成安裝，以保證它在超高壓的環境下正常運行。這對各預埋的基礎及工件的定位及施工要求極高。根據項目實際情況，EVA項目精密測控要求場地內各預埋工件空間姿態測控相對精度優于±1 mm，即滿足相鄰預埋工件之間的相對尺寸測量中誤差不超過±1 mm。

在控制網的基礎上，用全站儀和水準儀分批次測控EVA裝置各單元預埋基礎的空間姿態。若測得空間姿態數據與設計數據較差超過限差，則需要施工單位調整預埋工件，直至較差在限差范圍內。

1 精密高程傳遞測量

為了EVA各單元設備的順利對接，在施工過程中要保證設備基礎的頂部標高與設計相吻合。所以在混凝土澆筑設備基礎前，測定每個設備預埋件螺栓的頂部標高，螺栓頂部打磨光滑，便于架立水準尺(圖1)。

圖1 預埋件示意圖

采用水準儀的測量方法，在測量過程前后進行兩次i角檢定，檢定結果顯示i角較小，即i角對每一站不等視距測量的結果影響不大。觀測時應將儀器安置在穩定的地方，后視水準網控制點，前視條碼尺分別放置在各個螺栓頂部，測取讀數。盡量保證后視距離與前視平均距離一致[2-3]。

2 精密平面位置測量

結合本項目精度要求，在項目實施中采用徠卡TS30全站儀配合徠卡專用小棱鏡進行放樣，在項目開始前應對全站儀和小棱鏡進行校核，確定儀器加乘常數和棱鏡改正數。為保證檢測基礎及管墩的相對位置關系，在項目實施過程中應在相同精密導線控制點上進行測量，其余控制點用于檢核。

2.1 徠卡TS30全站儀及ATR原理

TS30全站儀精度標準達到了0.5"的測角精度和的測距精度，還結合了自動目標識別(ATR)、多測回測量等一系列優勢性能。

自動目標識別(ATR)系統作為智能型全站儀中的新系統，是TS30全站儀的一大特色功能。該技術集成了步進馬達、CCD和計算機等傳感器，使它們成為有機協調的整體，實現自動識別并精確照準目標。

將ATR安裝到望遠鏡同軸上，通過反射棱鏡返回ATR裝置發射的紅外光來判斷棱鏡的視場位置。如果CCD 相機無法在視場內找到到棱鏡，則應當在馬達驅動下，展開螺旋式搜索。當找到棱鏡后，光信號則會被CCD陣列轉換成影像，借助于圖像處理算法處理影像，則可得出棱鏡中心。利用馬達驅動，全站儀可自動精準地照準棱鏡中心。

ATR技術實現精確定位測量，需通過3個步驟來實現：① 搜索；② 目標照準；③ 測量。

開始ATR通過對棱鏡位置的搜索，來判斷棱鏡是否在視場范圍內，如果不在則利用馬達驅動，在初始位置展開螺旋式搜索，找到棱鏡后，儀器立即停止轉動。

在目標照準過程中，為了減少測量時間，當望遠鏡十字絲與棱鏡中心有小量偏差時，儀器停止轉動，之后通過ATR測出十字絲與棱鏡中心的偏移量，同時改正水平角和垂直角。

測量過程中，ATR要想精準識別目標，則需要在棱鏡的配合下，才可以實現。ATR同時展開距離測量和角度測量，在測量期間，每一次的角度偏離量都會被重新確定，從而實現對垂直角、水平方向的改正，精準的測出距離，再通過數學計算得出目標點坐標[4-12]。

2.2 ATR測量精度評定

ATR的測量精度按照影響因素的差異，又可劃分為內部精度和外部精度。其中，ATR的內部精度則主要依賴CCD陣列的測量環境、分辨力、測量時機等因素。在既定的時間范圍內，設備的工作性能處于最佳水平時，內部精度則最高。外部精度則取決于環境條件和棱鏡型號的影響，尤其是棱鏡型號，因此外部精度又被稱作棱鏡定位精度。在既定時間范圍內，通過對目標點的重復測量，則可獲得外部精度。在測量棱鏡位置時，應用ATR自動目標識別來進行，其測量精度則依賴于內、外部精度。

通常情況下，在用戶手冊中，廠家僅僅說明了外部精度這一項指標，而未能詳細說明內部精度。同時，從測量單位的角度而言，ATR的外部精度至關重要。

ATR的外部精度按照測量距離的同步，又可劃分為2個部分：① 在既定距離范圍內，外部精度為一固定值；② 超過這個距離，外部精度與測角精度成正比。由此可見，由于測量距離存在差異，對外部精度的限差的評測也存有差異。其中，測角限差的計算公式如下：

式中，D表示測站—鏡站的距離，α限表示水平方向或垂直角標準偏差限差，md表示ATR標稱定位精度。

當測量環境、測量距離不同時，通常以全圓觀測法進行測試，全站儀對近似等距離的4個棱鏡展開盤左盤右連續觀測，且每次測回應大于10個。

測量結果證實：

(1)ATR的定位精度與手冊各項規定基本符合。其中，可能是遭受氣象環境的干擾，垂直角精度通常稍差于水平方向精度。

(2)當排除氣象條件的影響時，近距離測量精度往往要遠大于遠距離測量精度。

(3)應用ATR測角極易受到環境的影響。因此，在測角時要避免大氣湍流等氣象環境，同時工作人員的人為晃動，都會對測量精度造成巨大影響。

(4)隨著距離的遞增，ATR精度逐步遞減，兩者成反比。通常情況下，觀測距離在150 m以內時，測量精度較高，因此，在實際觀測中，要特別重視測量距離對測量精度的影響。

2.3 預埋工件平面特征點標定及測量

EVA裝置由很多個單體構成，每個單體由很多個設備，設備之間由高壓管道連接。為了保證設備之間的順利對接，需要在土建階段埋設預埋工件，所以預埋工件的精確定位對設備的順利對接至關重要。

預埋工件的定位由定位模板控制，定位模板均為矩形鋼板，鋼板上預留圓形空洞，用于穿插螺栓。定位模板由廠家預先加工好，運抵現場進行架設。架設時，控制定位模板的兩條相垂直的軸線。定位模板的軸線由廠家預先刻好，每塊定位模板選取5個特征點，其中1個為兩條軸線交點，其余4個分別布設于兩條軸線上，且分別距邊緣20 mm(圖2)。

圖2 特征點標定示意圖

為保證特征點測量精度，控制各工作面的相對位置關系，平面放樣以混凝土澆筑時間為一個時間節點，兩個時間節點間為一個時間段。在一個時間段內，保證空間基準與時間基準相統一，空間基準采用固定基準和平均基準相結合的方式，固定基準即每個時間段內使用相同的架站點和定向點，由于通視條件原因，需要在不同架站點觀測的數據應歸算到同一架站點。平均基準即除首個時間段觀測外，其余時間段觀測需聯測之前時間段的特征點，聯測數據采用最小二乘法處理，得到當前時間段的平移和旋轉改正量，即當前時間段內的所有觀測數據需加入此改正量。

平面位置測量采用極坐標的作業方法，測角、測距各一個測回，對觀測數據進行傾斜、加常數和棱鏡常數的改正。在充分消除重復設站及轉站影響的前提下，結合場地內觀測平均距離小于100 m，平均垂直角小于30°，儀器標稱測角精度為0.5″，儀器標稱測距精度為0.6 mm+1×10-6，根據誤差傳播定律得出，X方向和Y方向測量中誤差分別小于1 mm，滿足場地內基座及支墩檢測精度要求。

其中，等精度觀測條件下X方向互差、Y方向互差及點位互差應滿足：

VΔx≤2σ

VΔy≤2σ

式中，σ為各工件的檢測精度。

即當同精度檢測時點位互差不超過±2.8 mm時判定合格，否則施工方應做改正。

特殊情況處理：當現場施工面高出精密導線強制觀測墩表面時，為保證可有效控制放樣點位精度，應將精密導線點坐標聯測至施工面以上。具體做法可采用GNSS或精密導線測量方案。測量精度應滿足精密導線控制網技術要求。

3 空間姿態數據處理

在連云港EVA項目中，完成外業測量預埋工件的空間姿態數據后，需要對數據進行及時處理，處理結果及時反饋給業主單位。若測量數據合格，則進行下一道工序；若數據不合格，則對預埋工件姿態進行調整，直至測量數據合格。

空間姿態數據主要分為兩個部分，一部分為高程數據，即各預埋工件的螺栓頂部高程；另一部分為平面數據，即各預埋工件特征點的坐標數據。兩個部分的數據分別進行改正。

由于現場條件限制，無法在同一時間內，完成全部的預埋工件空間姿態測控，只能分時間段、分區域、分批次進行測量。所以測量的數據，會因為重復設站、轉站等原因造成測量誤差。通過最小二乘法能有效地減少這些誤差，從而保證測量的高精度要求。

每批次預埋工件的空間姿態測量時，選取4個聯測點，使4個聯測點的組成空間盡量包含或接近當前批次區域的外輪廓。當進行另一批次測量時，按一定的順序聯測相近批次的聯測點，即兩批次的空間姿態測量，有4個聯測點重復測量了兩次，對兩次的聯測點坐標及高程分別進行最小二乘擬合，確定轉換參數，再對當前批次的空間姿態數據進行改正，從而得到準確的空間姿態數據。

(1)平面數據處理

選擇二次壓縮機區域的4個工件軸線交點作為聯測的特征點，工件編號分別為221-A-1130、222-A-1027、222-A-1027、221-A-1060。由于是平面擬合，高程值不進行賦值。初始坐標和目標坐標如表1和表2所示。

表1 管式壓縮機棚高壓管墩平面聯測點初始坐標

表2 管式壓縮機棚高壓管墩平面聯測點目標坐標

擬合之后目標坐標與初始坐標的殘差平方和為8.26×10-7m2，幾乎可以忽略不計。擬合確定轉換參數，再對樣本的平面姿態數據進行改正，改正之后數據比較如表3所示。

表3 管式壓縮機棚高壓管墩改正前后坐標比較表

改正后的數據與設計坐標比較，對互差超過±2.8 mm的定位鋼板進行調整，直至調整到位。

(2)高程數據處理

選擇二次壓縮機區域的4個工件螺栓頂部作為聯測的特征點，工件編號分別為221-A-1130、222-A-1027、222-A-1027、221-A-1060。由于是高程數據擬合，平面坐標不進行賦值。初始坐標和目標坐標如表4和表5所示。

表4 管式壓縮機棚高壓管墩高程聯測點初始高程

表5 管式壓縮機棚高壓管墩高程聯測點目標高程

擬合之后目標坐標與初始坐標的殘差平方和為2.56×10-5m2,幾乎可以忽略不計。擬合確定轉換參數，再對樣本的高程姿態數據進行改正，改正之后的數據比較如表6所示。

表6 管式壓縮機棚高壓管墩改正前后高程比較表

4 結 語

本文闡述了預埋工件空間姿態精密測控的主要內容、原理及數據處理原理。針對連云港EVA項目，從特征點位設計、觀測實施方法設計、數據處理等角度進行詳細說明，主要結論如下：

(1)預埋工件特征點應標定在關鍵位置，且標定位置要便于儀器觀測。

(2)在聯測特征點的選擇上，選取4個特征點，構成的范圍盡可能大，包含盡量多的工件。按一定順序測量4個聯測特征點，對聯測特征點的坐標進行最小二乘擬合，計算轉換參數，改正空間姿態數據。

(3)為了保證各預埋工件的相對位置關系，擬合的目標數據是該聯測特征點的首次測量數據，待擬合的數據為當前批次的聯測點觀測數據，最小二乘擬合的過程是一個迭代的過程。

(4)用最小二乘法對兩個批次聯測點數據擬合后的殘差平方和最大為，擬合的效果好，從而能保證轉換后的空間姿態數據的匹配性，減弱由于重復設站、轉站造成的測量誤差，使數據能真實反映各預埋工件的相對位置，為后續的施工方案的調整提供重要的依據。