CN115388867B - 沉井下沉姿态实时观测播报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于沉井下沉姿态实时观测播报系统的观测播报方法，系统包括设置在沉井施工现场的观测系统和第一传输系统，及设置在中控室内的处理系统和第二传输系统；观测系统包括多台沉井棱镜、至少两台控制点棱镜、全站仪和服务器；观测播报方法为通过控制点棱镜实现定向和观测误差确认，通过多台沉井棱镜获得沉井刃脚顶点坐标以模拟沉井下沉姿态变化，在沉井过程中持续观测沉井的下沉过程中的实时状态以及终沉状态是否存在异常；该沉井下沉姿态实时观测播报系统及其观测播报方法实现在沉井下沉过程中对沉井三维坐标进行实时、精确测量和定位，大幅提高了沉实时姿态及终沉姿态的观测效率及精度，从而实现沉井下沉姿态实时观测定位和模拟。

Description

沉井下沉姿态实时观测播报方法

技术领域

本发明涉及市政工程技术领域，特别涉及一种沉井下沉姿态实时观测播报方法。

背景技术

沉井是井筒状的结构物，它是以井内取土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底，形成基础或泵房结构。沉井按平面形状可分为圆形沉井、矩形沉井、圆端形沉井，其中矩形沉井与上部结构适应性好，模板制作简单，但边角土不易挖除，下沉易产生倾斜。随着沉井技术的日益成熟，沉井规模及平面面积也越来越大，沉井受力越来越复杂，基底土相对不均匀性越来越多，对沉井的下沉控制精度提出了越来越高的要求。

已公开专利CN112814011B公开了一种超大型沉井基础施工监测系统及基于该监测系统的施工调控方法，包括确定沉井监测测点、提出全面自动监测结合辅助校核的复合测试、指出沉井对应的指标内容、在监测指标的基础上建立全新的评判体系并根据检核异常状态、针对异常状态的调整措施。该发明的有益效果是：构建了沉井自动采集和人工校核相结合的沉井施工数据采集方法，避免了自动监测异常数据干扰沉井状态评判；在沉井监测内容基础上构建反应沉井施工状态的结构应力、几何姿态和控制参数状态指标体系及多级状态等级，状态评估模块根据阈值等级自动判断沉井施工状态，发出对应警示同时，给出针对性的调控方法，克服现有监控技术中监控数据难以准确判断沉井施工状态的缺陷。其不足是自动化监测水平不高，仍需人工辅助校核。

已公开专利CN111622252B公开了一种大型沉井施工全过程智能控制系统及控制方法，包括：实时信息采集模块、数据处理模块、综合预警模块、智能决策模块、PLC设备控制模块和控制系统客户端；所述实时信息采集模块和PLC设备控制模块安装于沉井结构上；所述数据处理模块、综合预警模块、智能决策模块均集成于集成服务器上；该发明对沉井各个施工阶段的重要参数进行监测，以及时掌握沉井结构内部应力及整体稳定性，根据实时监测数据分析结果动态控制施工现场设备调整沉井姿态，从而为安全施工提供预警信息，确保基础施工顺利进行，达到指导施工和反馈设计的目的，但不足是仅列出监测及控制指标要求，未给出实质的监测实施方案。

基于上述现有技术存在的缺陷，有必要设计并开发出一种能够实现沉井实时下沉姿态观测并根据沉井实时下沉姿态变化对异常情况进行报警的观测播报系统及相应的观测播报方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够对沉井实时下沉姿态进行准确观测并播报实时下沉姿态是否存在异常的沉井下沉姿态实时观测播报方法。

为此，本发明技术方案如下：

一种沉井下沉姿态实时观测播报方法，该方法基于沉井下沉姿态实时观测播报系统实现。

沉井下沉姿态实时观测播报系统包括设置在沉井施工现场的观测系统和第一传输系统，以及设置在中控室内的处理系统和第二传输系统。

观测系统包括若干台沉井棱镜、至少两台控制点棱镜、一台全站仪和一台服务器；其中，

若干台沉井棱镜沿周向均布设置在沉井的顶部边沿处；沉井棱镜的数量与沉井的尺寸和形状相适应，使其能够基于沉井棱镜的设置点位获得能够实现模拟沉井下沉姿态变化的目的；

例如：当沉井的径向截面为方形时，沉井棱镜的数量至少为四个，且四个沉井棱镜分别设置在沉井顶部的四个顶角处；而当沉井的尺寸较大时，则沉井棱镜的数量多于四个，除了沉井顶部的四个顶角处各设置一个以外，同时还在沉井顶部每相邻两个顶角之间的沉井边沿处居中设置一个或均布设置至少两个；而当沉井的径向截面为圆形时，多个沉井棱镜沿圆周方向均布设置在沉井顶部边沿处；另外，当沉井局部设有需要进行特殊监测的部位时，则同时还需要在特殊监测的部位处增设一个沉井棱镜；

由于沉井下沉过程中，沉井的平面位置及高程均会发生变化，因此，沉井棱镜均采用360°棱镜，以保证全站仪始终可以照准棱镜中心；

至少两台控制点棱镜间隔设置在沉井区域外的稳固基点上；稳固基点应为不受沉井下沉影响点位，即沉井过程中，稳固基点不会发生下沉；

控制点棱镜由于平面位置及高程均不会发生变化，因此，控制点棱镜可以采用360°棱镜，也可以采用圆棱镜；但是，需要注意的是，全站仪在照准不同种类棱镜时，需设置相应的棱镜常数，棱镜常数可在徕卡全站仪配置中查询到对于各种棱镜常数的默认值；也可以手动输入棱镜常数；或在沉井下沉监测系统中选择照准的棱镜或反射片，系统中也有默认的棱镜常数；例如：360°棱镜常数为+23.1mm；徕卡GPR1圆棱镜常数为0；对于徕卡GPR1圆棱镜来说，它的常数为0，若输入棱镜常数为-30.4mm，则距离就会产生30.4mm的误差；

全站仪设置在一呈水平设置的监测平台上，其设置位置能够满足观测并读取到至少两个控制点棱镜以及至少三个沉井棱镜的位置坐标和标高；其中，监测平台应为建造稳固牢靠并不受沉井下沉影响的平台，即沉井过程中，监测平台一般不会发生下沉；全站仪的测角范围为0-360°，角度精确度0.5″；全站仪的平面位置及高程测量范围为0.9-3500m，精确度为固定误差0.6mm，每公里+1mm的修正误差；

服务器设置在全站仪邻侧，并与全站仪连接；服务器用于接收全站仪获取的数据，具体地，服务器采用串口服务器，其上配置的多个串口能够使其接入不同类型的设备（如宽带路由器）、传感器等；同样地，处理系统中设置的设备同时预留有相匹配的数据端口，进一步使本系统功能多样化；

处理系统包括处理器和与处理器连接的显示器；第一传输系统与第二传输系统之间采用无线传输的方式连接，使与第一传输系统连接的观测系统和与第二传输系统连接的处理系统之间实现数据交互。

进一步地，第一传输系统包括宽带路由器和发射无线AP；第二传输系统包括接收无线AP；服务器、宽带路由器和发射无线AP依次通过数据传输线连接；接收无线AP与处理器连接；发射无线AP与接收无线AP之间通过无线网络实现数据传输。

在具体实施过程中，若沉井施工地点与中心控制室相距较远，则可以通过在发射无线AP和/或接收无线AP处增设信号放大器实现远距离的无线数据传输；发射无线AP负责发送全站仪采集的数据；发送无线AP与接收无线AP信号相匹配；接收无线AP收集全站仪发送的数据并输送给处理器；接收无线AP还可用于与其他移动设备连接，如平板电脑、笔记本电脑等，以同步进行沉井下沉姿态实时观测。

进一步地，全站仪设置在沉井与控制点棱镜之间，其设置位置满足其在整个沉井过程中能够读取到至少两个控制点棱镜和至少三个沉井棱镜的坐标信息。

一种基于上述沉井下沉姿态实时观测播报系统实现的沉井下沉姿态实时观测播报方法，具体步骤如下：

S1、确定工程坐标系和高程基准，并利用第一控制点棱镜完成全站仪的设站定向；

S2、构建沉井坐标系，获得各沉井棱镜参照点在沉井坐标系下的坐标、以及与各沉井棱镜对应的沉井刃脚顶点的坐标；沉井棱镜参照点具体选取沉井棱镜的中心点或沉井棱镜的安装点；

S3、构建沉井坐标系与工程坐标系之间的动态变换模型，以获得沉井坐标系与工程坐标系之间的实时转换关系；

构建工程坐标系与沉井坐标系之间动态变换模型，其表达式为：

，

式中，

为该点在工程坐标系下的坐标，

为任一点在沉井坐标系 下的坐标，

为沉井坐标系的原点在工程坐标系下的坐标；

为绕Z轴的旋转矩阵，

，

为沉井坐标系的Z轴转动至与工程坐标系的Z轴重合的旋转角 度；

为绕Y轴的旋转矩阵，

，

为沉井坐标系的Y轴转动至与 工程坐标系的X轴重合的旋转角度；

为绕X轴的旋转矩阵，

，

为沉井坐标系的Z轴转动至与工程坐标系的Z轴重合的旋转角度；

根据工程坐标系与沉井坐标系之间动态变换模型的表达式，可以确定：

这六个变量为沉井实时姿态的关键模型参数；

采用线性迭代最小二乘法求解得到沉井实时姿态的关键模型参数，其线性迭代求取公式为：

，

其中，

的函数；

X为未知数向量，

；

为线性迭代计算过程中待求 解参数的增量，

；

V表示残差矩阵，V ^T 表示残差矩阵V的转置，V的表达式为：

，

，

在上两式中，由于模型计算需要至少三个沉井棱镜，即i=1, 2,…, n，n≥3；(x _Gi , y _Gi , z _Gi )为第i个沉井棱镜参照点在工程坐标系下的坐标，(x _Ci , y _Ci , z _Ci )为第i个沉井棱镜参照点在沉井坐标系下的坐标；

在上述线性迭代计算中，设置线性迭代计算的初值为：

，

式中，arctan2(y _Gj - y _Gi , x _Gj – x _Gi )为工程坐标系下第i沉井棱镜至第j沉井棱镜的方位角，arctan2(y _Cj - y _Ci , x _Cj – x _Ci )为沉井坐标系下第i沉井棱镜至第j沉井棱镜的方位角；(x _Gi , y _Gi , z _Gi )、(x _{G j} , y _{G j} , z _{G j} )分别为第i沉井棱镜参照点、第j沉井棱镜参照点在工程坐标系下的实时坐标，(x _Ci , y _Ci , z _Ci )、(x _{C j} , y _{C j} , z _{C j} ) 分别为第i沉井棱镜参参照点、第j沉井棱镜参照点在沉井坐标系下的坐标；其中，第i沉井棱镜和第j沉井棱镜为两个相邻的沉井棱镜；

在上述线性迭代计算中，设置线性迭代计算的迭代停止条件为：当迭代计算得到

中每个元素的绝对值都小于一个给定的微小数值

；

进而，基于线性迭代初始值，将各沉井棱镜在工程坐标系下的实时坐标代入至上 述线性迭代求取公式中，即可求出

，而

作为下一次迭代计算的待求参数近似值；通 过不断线性迭代计算出新的待求解参数的增量

，直至待求解参数的增量

达到迭代停 止条件为止；更新

的结果，即为

的最优解；将由步骤S303得 到的

的最优解代入步骤S301构建的工程坐标系与沉井坐标系之 间动态变换模型中，即得到工程坐标系与沉井坐标系之间的当前坐标转换关系式；

S4、在沉井过程中，基于间隔观测时间T，持续观测各沉井棱镜参照点在工程坐标系下的实时坐标，以获得各刃脚顶点在工程坐标系下的实时坐标，进而判断沉井的实时下沉状态是否存在异常；

S5、沉井终沉后，观测各沉井棱镜参照点在工程坐标系下的终沉坐标，以获得各刃脚顶点在工程坐标系下的终沉坐标，进而判断沉井的终沉状态是否存在异常。

进一步地，步骤S1的具体实施步骤如下：

S101、确定沉井施工的工程坐标系和高程基准；

S102、基于工程坐标系，分别获得第一控制点棱镜安装点、第二控制点棱镜安装点、以及全站仪设站点在工程坐标系下的坐标；

S103、基于高程基准，分别获得第一控制点棱镜安装点、第二控制点棱镜安装点、以及全站仪设站点的标高；同时，分别测量得到全站仪、两个控制点棱镜、以及四个沉井棱镜的高度；

S104、基于步骤S102和步骤S103获得测量结果，利用全站仪照准第一控制点棱镜完成全站仪的设站定向，使全站仪能够直接读取得到第二控制点棱镜参照点在工程坐标系下的坐标和标高、以及各沉井棱镜参照点在工程坐标系下的坐标和标高。

进一步地，步骤S2的具体实施步骤如下：

S201、基于各沉井棱镜的安装位置，分别在沉井顶部定义特征顶点，在沉井底部刃脚处定义刃脚顶点，使各沉井棱镜一一对应地与位于同侧的特征顶点以及刃脚顶点相关联；其中，定义特征顶点为沉井顶部边沿上的点，且其位于刃脚顶点的上方和对应地沉井棱镜的邻侧；

S202、选取沉井顶面上任一特征顶点为沉井坐标系的原点，X轴和Y轴相互垂直并与沉井的顶面重合，Z轴为垂直于X轴与Y轴形成的平面，构建得到沉井坐标系；

S203、沉井前，测量各个特征顶点在沉井坐标系下的坐标；基于各个特征顶点在沉井坐标系下的坐标，测量得到各沉井棱镜安装点在沉井坐标系下的坐标，进而确定各沉井棱镜参照点的坐标；基于各个特征顶点在沉井坐标系下的坐标，测量得到各个刃脚顶点在沉井坐标系下的坐标。

进一步地，步骤S4的具体实施步骤为：

S401、由全站仪读取得到三个沉井棱镜参照点在工程坐标系下的实时坐标和实时标高；

S402、基于三个沉井棱镜参照点分别在工程坐标系下的实时坐标和在沉井坐标系下的坐标，采用步骤S3的方法获得工程坐标系与沉井坐标系之间的当前坐标转换关系式；

S403、将由步骤203得到的四个刃脚顶点在沉井坐标系下的坐标代入至步骤S402确定的工程坐标系与沉井坐标系之间的当前坐标转换关系式中，得到四个刃脚顶点在工程坐标系下的实时坐标；

S404、根据刃脚顶点与沉井棱镜参照点之间的固定高差、以及各沉井棱镜的实时标高，得到四个刃脚顶点的实时标高；

S405、根据各刃脚顶点在工程坐标系下的实时坐标和实时标高，判断沉井下沉过程中的关键参量是否符合设定的阈值要求；其中，关键参量包括沉井的四角高差和沉井的中心位移；

（1）计算沉井的四角高差是否存在异常：根据由步骤S403得到的各刃脚顶点的实时标高，计算任何两个刃脚顶点实时标高之间的差值，取差值最大值为沉井四角高差结果：1）若沉井四角高差≤500mm，则沉井的四角高差处于正常范围内；2）若沉井四角高差＞500mm，则沉井的四角高差异常，需要报警，并由现场人员对沉井过程进行干预和调整；

（2）计算沉井的中心位移是否存在异常：根据各刃脚顶点的实时坐标，计算出各刃脚顶点所在平面中心点的实际坐标，进而计算出平面中心点与沉井设计状态下相同下沉高度时四个刃脚顶点所在平面中心点之间的间距，得到中心位移结果：1）若中心位移≤300mm，则沉井的中心位移处于正常范围内；2）若中心位移＞300mm，则沉井的中心位移异常，需要报警，并由现场人员对沉井过程进行干预和调整；

进一步地，步骤S5的具体实施步骤为：

S501、由全站仪读取得到三个沉井棱镜参照点在工程坐标系下的终沉坐标和终沉标高；

S502、基于三个沉井棱镜参照点分别在工程坐标系下的终沉坐标和在沉井坐标系下的坐标，采用步骤S3的方法获得工程坐标系与沉井坐标系之间的当前坐标转换关系式；

S503、将由步骤203得到的四个刃脚顶点在沉井坐标系下的坐标代入至步骤S502确定的工程坐标系与沉井坐标系之间的当前坐标转换关系式中，得到四个刃脚顶点在工程坐标系下的终沉坐标；

S504、根据刃脚顶点与沉井棱镜参照点之间的固定高差、以及各沉井棱镜的终沉标高，得到四个刃脚顶点的终沉标高；

S505、根据各刃脚顶点在工程坐标系下的终沉坐标和终沉标高，判断沉井终沉状态下的关键参量是否符合设定的阈值要求；其中，关键参量包括沉井的刃脚平均标高、沉井的刃脚中心线位移和沉井的四角高差；

（1）计算沉井的刃脚平均标高是否存在异常：

计算由步骤S503得到的四个刃脚顶点的终沉标高的平均值，得到实际刃脚平均标高结果，进而计算实际刃脚平均标高与沉井设计状态下刃脚平均标高的差值，得到刃脚平均标高偏差值：1）若刃脚平均标高偏差值≤±100mm，则沉井的刃脚平均标高处于正常范围内；2）若刃脚平均标高偏差值＞±100mm，则沉井的刃脚平均标高异常，需要报警；

（2）计算沉井的刃脚中心线位移是否存在异常：

根据步骤S503得到的四个刃脚顶点的终沉坐标、以及设计终沉状态下四个刃脚顶点的设计终沉坐标，分别计算每个刃脚顶点的终沉坐标点与其设计终沉坐标点之间的间距，得到刃脚中心线位移结果：1）若每个刃脚顶点的终沉坐标点与其设计终沉坐标点之间的间距均＜200mm，则沉井的刃脚中心线位移处于正常范围内；2）若任一刃脚顶点的终沉坐标点与其设计终沉坐标点之间的间距≥200mm，则沉井的刃脚中心线位移异常，需要报警；

（3）计算沉井的四角高差是否存在异常：

根据由步骤S504得到的四个刃脚顶点的终沉标高，计算任何两个刃脚顶点终沉标高之间的差值，取差值最大值为沉井四角高差结果：1）若沉井四角高差≤300mm，则沉井的四角高差处于正常范围内；2）若沉井四角高差＞300mm，则沉井的四角高差异常，需要报警。

进一步地，在上述步骤S4和步骤S5中，全站仪每次对各沉井棱镜在工程坐标系下的坐标进行读取前，均需要先确认全站仪是处于正常工作状态下；具体地，全站仪的工作状态确认步骤为：

步骤i：在完成步骤S1的全站仪设站定向后，全站仪读取得到第二控制点棱镜参照点的坐标和标高，以得到全站仪的高程测量误差和平面测量误差；

步骤ii：根据步骤i得到全站仪的高程测量误差，设定高程测量误差的允许范围；根据步骤i得到全站仪的平面测量误差，设定平面测量误差的允许范围；

步骤iii：在每次获得沉井棱镜参照点坐标前，全站仪再次读取得到第二控制点棱镜参照点的坐标和标高，并判断当前全站仪的高程测量误差和平面测量误差是否存在至少一项超过步骤ii设定的高程测量误差的允许范围和平面测量误差的允许范围；若是，则需要调整观测播报系统恢复至正常；若否，则全站仪继续读取获得沉井棱镜参照点的坐标。

与现有技术相比，该沉井下沉姿态实时观测播报方法解决了传统沉井监测技术精确度不高、且需投入大量人力的不足的问题，实现在沉井下沉过程中对沉井三维坐标进行实时、精确测量和定位，以及沉井下沉姿态的模拟，大幅提高了沉井下沉实时姿态以及终沉姿态是否存在异常的观测效率及精度，从而实现沉井下沉姿态实时观测定位，有效保证沉井施工的施工效果。

附图说明

图1为本发明的实施例中沉井下沉姿态实时观测播报系统的结构示意图；

图2为本发明的实施例中沉井下沉姿态实时观测播报系统的俯视图；

图3为本发明的实施例中沉井下沉姿态实时观测播报系统的侧视图；

图4为本发明的实施例中基于沉井下沉姿态实时观测播报系统实时的观测方方法中在沉井上基于沉井棱镜设置特征顶点和刃脚顶点的结构示意图；

图5为本发明的实施例中基于沉井下沉姿态实时观测播报系统实时的观测方方法中确定线性迭代初始值的参照图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

在本实施例中，位于某施工地点的沉井为一径向截面为矩形的沉井，其尺寸为长×宽×高=36.4m×34.15m×19.8m；基于《沉井与气压沉箱施工规范》中6.3.1及6.3.3规定，对该沉井的施工标准设定为：①在下沉过程中，沉井四角高差≤500mm、中心位移≤300mm；②沉井终沉后，刃脚平均标高≤±100mm、刃脚中心线位移＜200mm、四角中任何两角高差≤300mm。

实施例1

参见图1、图2和图3，针对待施工沉井，该沉井下沉姿态实时观测播报系统具体包括设置在沉井施工现场的观测系统和第一传输系统，以及设置在中控室内的处理系统和第二传输系统；具体地，

观测系统包括四台沉井棱镜、两台控制点棱镜、一台全站仪9和一台服务器10；具体地，

四台沉井棱镜分别为第一沉井棱镜2、第二沉井棱镜3、第三沉井棱镜4和第四沉井棱镜5；该四台沉井棱镜均采用360°棱镜，并分别设置在沉井1顶部的四个顶角处；

两台控制点棱镜分别为第一控制点棱镜6和第二控制点棱镜7，二者具体采用360°棱镜，二者间隔设置在沉井区域外的2个稳固基点处；其中，稳固基点为不受沉井干扰而发生下沉的位置，具体为在整个沉井过程中，两个控制点棱镜6和第二控制点棱镜7的坐标位置始终保持不变；

全站仪9和服务器10设置在位于沉井区域外的一个呈水平的监测平台8上，且位于沉井区域与控制点棱镜设置区域之间；具体地，

监测平台8建造稳固牢靠并不受沉井下沉影响，且其建造位置能够满足位于其上的全站仪9观测并读取两个控制点棱镜的位置坐标、以及距离较近的三个沉井棱镜的位置坐标。

全站仪9的测角范围为0~360°，角度精确度0.5″；全站仪的平面位置及高程测量范围为0.9~3500m，精确度0.6mm+1ppm（即固定误差0.6mm，每公里+1mm的修正误差）；根据本实施例的监测平台8的建造位置，该全站仪9与距离最近的第三沉井棱镜4的直线距离至少为20m，与距离最远的第一沉井棱镜2的直线距离至少为70m；服务器10设置在全站仪9邻侧，并与全站仪9连接，以接收并存储全站仪获取的数据。

第一传输系统也设置在监测平台8上，其包括宽带路由器11和发射无线AP12；服务器10、宽带路由器11和发射无线AP12依次通过数据传输线连接，以通过服务器10将全站仪采集的数据通过第一传输系统远程传输至中心控制端；

第二传输系统和处理系统设置在作为中心控制端的接收站13内；第二传输系统包括接收无线AP16；具体地，处理系统包括处理器15和显示器14；其中，处理器包括相连的数据处理模块、数据存储模块和异常数据报警模块。其中，数据处理模块用于对全站仪接收的各沉井棱镜的实时坐标进行处理，以通过模拟沉井下沉过程中的实时姿态变化确定是否存在异常；数据存储模块用于对全站仪接收的各沉井棱镜的实时坐标、以及数据处理模块处理得到的结果进行存储；异常数据报警模块用于在数据处理模块处理得到的结果为异常时发出报警信号；在实际应用中，报警信号通过短信报警系统发出，一旦某项监测数据超出报警值即可自动给系统内预留的手机号按设置好的内容发送报警短信；接收无线AP16与发射无线AP12之间通过无线传输的方式连接，以接收全站仪9采集的数据；接收无线AP16与处理器15连接，以将全站仪9采集的数据传输给处理器；显示器14与处理器15连接，以实时显示采集数据，以及通过处理器15中配置的软件绘制出沉井沉降过程中的数据变化，以及基于沉降坐标数据模拟出的沉井实时姿态图像，由显示器14进行实时显示。

作为本实施例的一个优选技术方案，接收无线AP16还可用于与其他移动设备连接，如平板电脑、笔记本电脑等，以同步进行沉井下沉姿态实时观测。

作为本实施例的另一优选技术方案，接收站13内还设置有报警器，其与处理器15连接，当处理器判断出沉井状态出现异常时，则启动报警器发出警报。

实施例2

如图4所示，基于实施例1的沉井下沉姿态实时观测播报系统，本申请实现沉井下沉姿态实时观测播报方法的实施步骤如下：

S1、确定工程坐标系和高程基准，并利用第一控制点棱镜完成全站仪的设站定向；

在本实施例中，该步骤S1的具体实施步骤如下：

S101、确定将该沉井施工地点所属地区的地方坐标系作为工程坐标系，该地方坐标系由国家坐标系扩展而来，由地方政府建立；确定施工地点所在地的地方最低理论潮位高程基准，即在此高程基准下，各坐标点处的标高均为坐标点到地方最低理论潮面的距离；

S102、基于工程坐标系，采用导线测量法分别获得第一控制点棱镜安装点、第二控制点棱镜安装点、以及全站仪设站点在工程坐标系下的坐标；

S103、基于高程基准，采用电磁波测距三角高程测量法或水准测量法分别获得第一控制点棱镜安装点、第二控制点棱镜安装点、以及全站仪设站点的标高；同时，利用量尺分别测量全站仪、两个控制点棱镜、以及四个沉井棱镜的高度；

S104、基于步骤S102和步骤S103获得测量结果，利用全站仪照准第一控制点棱镜完成全站仪的设站定向；全站仪的具体设站方式为：全站仪照准第一控制点棱镜，利用全站仪设站点在工程坐标系下的坐标和标高、以及第一控制点棱镜安装点在工程坐标系下的坐标和标高，完成全站仪与第一控制棱镜之间的定向操作，使完成定向操作后的全站仪能够直接读取得到第二控制点棱镜参照点在工程坐标系下的坐标和标高、以及各沉井棱镜参照点在工程坐标系下的坐标和标高；

在本实施例中，沉井棱镜的参照点选取为沉井棱镜的安装点，即在利用全站仪进行设站时，同时将各沉井棱镜、以及各控制点棱镜的高度也输入至全站仪中，使全站仪直接读取得到的棱镜点坐标为沉井棱镜安装点的坐标，而沉井棱镜安装点由于刚好位于沉井顶面上，因此还能达到简化后续计算过程的目的；

S2、构建沉井坐标系，定义与各沉井棱镜对应的沉井特征顶点和沉井刃脚顶点，并获得各沉井棱镜安装点的坐标、与各沉井棱镜安装点对应的特征顶点的坐标、以及与各特征顶点对应的刃脚顶点的坐标；其中，沉井特征顶点为联系沉井棱镜安装点与沉井刃脚顶点的关联点；

具体地，该步骤S2的具体实施步骤如下：

S201、基于各沉井棱镜安装点，分别在沉井顶部定义特征顶点，在沉井底部刃脚处定义刃脚顶点，使各沉井棱镜一一对应地与位于同侧的特征顶点以及刃脚顶点相关联；具体地，

由于在沉井过程中，沉井底部各刃脚的实时下沉状态为判断沉井下沉姿态变化的关键要素，因此，为了获得各刃脚点的下沉状态，通过在沉井顶面定义多个特征顶点，以利用特征顶点将沉井棱镜与刃脚点之间形成关联，进而实现基于沉井棱镜安装点的位置坐标获得沉井刃脚点的实时位置坐标；其中，定义刃脚顶点为刃脚外侧边沿上的两个端点、刃脚外侧边沿的中点、或刃脚外侧边沿上的两个端点以及中点；定义特征顶点为沉井顶部边沿上的点，且位于刃脚顶点的上方、以及对应地沉井棱镜的邻侧，使每个沉井棱镜对应有至少一个特征顶点和至少一个刃脚顶点；

作为一种优选技术方案，在条件允许的情况下，特征顶点和沉井棱镜的中心点优选地均设置在刃脚顶点所在垂线上，即三者在空间上坐标仅有垂线距离上的差别，以简化坐标换算；

在本实施例中，参见图4，由于沉井的径向截面为矩形，选取沉井顶面四个顶角的顶点为特征顶点，具体为：西南角顶角顶点（点TZ01）、西北角顶角顶点（点TZ04）、东南角顶角顶点、以及东北角顶角顶点（点TZ03）；选取沉井底面四个尖刃脚的外侧边沿中点为刃脚顶点，具体为：西南角刃脚顶点（点RJ01）、西北角刃脚顶点（点RJ04）、东南角刃脚顶点（点RJ02）、以及东北角刃脚顶点（点RJ03）；对应地，四个沉井棱镜分别一一对应地设置在沉井顶面的四个顶角处邻侧，各沉井棱镜的中心点具体为：第一沉井棱镜安装点（点SP01）、第二沉井棱镜安装点（点SP04）、第三沉井棱镜安装点（点SP03）、以及第四沉井棱镜安装点（点SP02）；其中，对于第一沉井棱镜安装点（点SP01），与之对应的特征顶点为西南角顶角顶点（点TZ01），与之对应的刃脚顶点为西南角刃脚顶点（点RJ01）；对于第二沉井棱镜安装点（点SP04），与之对应的特征顶点为西北角顶角顶点（点TZ04），与之对应的刃脚顶点为西北角刃脚顶点（点RJ04）；对于第三沉井棱镜安装点（点SP03），与之对应的特征顶点为东北角顶角顶点（点TZ03），与之对应的刃脚顶点为东北角刃脚顶点（点RJ03）；对于第四沉井棱镜安装点（点SP02），与之对应的特征顶点为东南角顶角顶点（点TZ02），与之对应的刃脚顶点为东南角刃脚顶点（点RJ02）；

S202、选取沉井顶面上任一特征顶点为沉井坐标系的原点，沉井坐标系的X轴和Y轴相互垂直并与沉井的顶面重合，沉井坐标系的Z轴为垂直于X轴与Y轴形成的平面，进而构建得到沉井坐标系；

由于在整个沉井过程中，沉井的下沉姿态处于不断变化的过程，因此，沉井坐标系也随沉井下沉姿态变化而发生变化，而相对于沉井坐标系而言，沉井棱镜安装点、特征顶点、刃脚顶点在沉井坐标系下的坐标自始至终不发生改变；

在本实施例中，选取沉井顶面位于西南角的顶角顶点（即设置有第四沉井棱镜5一侧的沉井顶角顶点）作为沉井坐标系的原点（参见图4中的点TZ01），其X轴为自西南角的顶角顶点指向西北角的顶角顶点（参见图4中的点TZ01指向点TZ04的方向），Y轴为自西南角的顶角顶点指向东南角的顶角顶点（参见图4中的点TZ01指向点TZ02的方向），Z轴为自西南角的顶角顶点（参见图4中的点TZ01）竖直朝上，且垂直于X轴与Y轴形成的平面；

S203、沉井前，测量各个特征顶点在沉井坐标系下的坐标；基于各个特征顶点在沉井坐标系下的坐标，测量得到各沉井棱镜安装点在沉井坐标系下的坐标，进而通过各沉井棱镜的测量长度，获得各沉井棱镜安装点的坐标；基于各个特征顶点在沉井坐标系下的坐标，测量得到各个刃脚顶点在沉井坐标系下的坐标；

在本实施例中，四个沉井棱镜安装点作为四个观测点，将沉井底部四个刃脚顶点作为观测目标点，将沉井四个顶角的顶点作为沉井特征点，以联系沉井棱镜安装点与刃脚顶点，；基于此，分别获得在沉井坐标系下，四个沉井棱镜安装点，即点SP01、点SP02、点SP03和点SP04的坐标，以及分别与四个沉井棱镜一一对应的四个刃脚顶点，即点RJ01、点RJ02、点RJ03和点RJ04的坐标；

S3、构建沉井坐标系与工程坐标系之间的动态变换模型，以获得沉井坐标系与工程坐标系之间的实时转换关系；

S301、构建工程坐标系与沉井坐标系之间动态变换模型，其表达式为：

，

式中，

为该点在工程坐标系下的坐标，

为任一点在沉井坐标系 下的坐标，

为沉井坐标系的原点在工程坐标系下的坐标；

为绕Z轴的旋转矩阵，

，

为沉井坐标系的Z轴转动至与工程坐标系的Z轴重合的旋转角 度；

为绕Y轴的旋转矩阵，

，

为沉井坐标系的Y轴转动至与 工程坐标系的X轴重合的旋转角度；

为绕X轴的旋转矩阵，

，

为沉井坐标系的Z轴转动至与工程坐标系的Z轴重合的旋转角度；

在上述工程坐标系与沉井坐标系之间动态变换模型中，沉井棱镜安装点在工程坐 标系下的坐标由全站仪实时获取得到，而沉井棱镜安装点在沉井坐标系下的坐标始终保持 不变，因此，模型中的变量为三个旋转参数

和三个平移参数

，该六个 变量也即确定沉井实时姿态的关键模型参数，以实现工程坐标系与沉井坐标系之间的配 准；

S302、采用最小二乘法的方式实现沉井坐标系与工程坐标系之间的配准；

全站仪在整个沉井过程中实测得到的三个沉井棱镜（分别命名为第一沉井棱镜、第二沉井棱镜和第三沉井棱镜）安装点在工程坐标系下的坐标依次为：(x _G1 , y _G1 , z _G1 )、(x _G2 , y _G2 , z _G2 )、(x _G3 , y _G3 , z _G3 )，而该三个沉井棱镜安装点在沉井坐标系下的坐标依次为：(x _C1 , y _C1 , z _C1 )、(x _C2 , y _C2 , z _C2 )、(x _C3 , y _C3 , z _C3 )，将两组坐标代入至步骤S301构建的工程坐标系与沉井坐标系之间动态变换模型中，得到如下方程组：

式（1），

由于上述方程组存在多组解，为了求解得到上述方程组的最优解，构建残差矩阵V，其表达式为：

式（2），

式中，i= 1, 2, 3；

采用最小二乘法获得

的最优解，即求出残差平方和最 小时的解，即：

，

式中，

的函数；V ^T 表示残差矩阵V的转置；

当

取最小值时，有：

，

设未知数向量

，则：

，

进而，最小二乘法的实质转换为求解下式：

式（3）；

S303、利用线性迭代法求解

的最优解；

步骤1：设置线性迭代计算的初值；

由于沉井下沉过程中，沉井始终大致水平，因此，旋转角

的迭代初始值可取 0，即

；

而对于旋转角

，参见图5，

是沉井坐标系X轴在工程坐标系XY平面内投影的方位 角，因此，

的迭代初始值通过将任意两个沉井棱镜安装点（以选取第一沉井棱镜和第二沉 井棱镜为例）分别在工程坐标系坐标和在沉井坐标系下坐标代入下式计算得到：

式中，arctan2(y _G2 - y _G1 , x _G2 – x _G1 ) 为工程坐标系下第一沉井棱镜至第二沉井棱镜的方位角，arctan2(y _C2 - y _C1 , x _C2 – x _C1 ) 为沉井坐标系下第一沉井棱镜至第二沉井棱镜的方位角；

进而，基于三个旋转角的迭代初始值，将任一沉井棱镜安装点（以选取第一沉井棱镜为例）分别在工程坐标系和沉井坐标系下的坐标，即可求得三个平移参数的迭代初始值，即：

，

步骤2：将步骤S302构建的残差公式线性化（泰勒级数展开至一次项），即：

式（4），

式中，i为沉井棱镜的编号；i=1, 2, 3；

为待求解

的近似值，

为待求解

的 近似值，

为待求解

的近似值，x _0≈ 为待求解x ₀ 的近似值，y _0≈ 为待求解y ₀ 的近似值，z _0≈ 为待 求解z ₀ 的近似值；

设待求解参数的增量

，则

即为经过迭 代计算得到的参数近似值，即：

；

进而，对于每个沉井棱镜来说，

式（5），

式中，

，i为沉井棱镜的编号；i=1, 2, 3；

将上述式（5）中的

代入步骤S302的式（3）中，则进一步整理得到

的线性迭代求取公式为：

式（6），

进而，基于步骤1设置的线性迭代初始值，将各沉井棱镜分别在工程坐标系和沉井 坐标系下的坐标代入至上述线性迭代求取公式（6）中，即可求出

，而

就是下一次 迭代计算的待求参数近似值；通过不断线性迭代计算出新的待求解参数的增量

，直至待 求解参数的增量

达到步骤2设置的迭代停止条件为止；迭代停止，更新

的计算结 果，即得到

的最优解；

步骤3：设置线性迭代计算的迭代停止条件；

由于根据通过式（5）不断迭代解出的

是呈不断收敛的，因此设定当迭代计算得 到

中每个元素的绝对值都小于一个给定的微小数值

，即可停止迭代计算；此时，将当 前迭代计算出的得到

与上一步迭代计算得到X进行加和，即得到上述步骤S302中式（1） 所示的方程组的最优解

；在本实施例中，微小数值

设定为10^-8； S304、将由步骤S303得到的

的最优解代入步骤S301构建的工程 坐标系与沉井坐标系之间动态变换模型中，即得到工程坐标系与沉井坐标系之间的实时坐 标转换关系式；

S4、在沉井过程中，基于间隔观测时间T，持续观测沉井的下沉状态是否存在异常；

S401、由于全站仪在整个沉井过程中只能读取到三个沉井棱镜（第一沉井棱镜、第二沉井棱镜和第三沉井棱镜）安装点在工程坐标系下的坐标，因此，由全站仪读取得到三个沉井棱镜安装点在工程坐标系下的实时坐标和实时标高；

S402、基于三个沉井棱镜安装点分别在工程坐标系下的实时坐标和在沉井坐标系下的坐标，采用步骤S3的方法获得工程坐标系与沉井坐标系之间的当前坐标转换关系式；

S403、将由步骤203得到的四个刃脚顶点在沉井坐标系下的坐标代入至步骤S402确定的工程坐标系与沉井坐标系之间的当前坐标转换关系式中，得到四个刃脚顶点在工程坐标系下的实时坐标；

S404、根据刃脚顶点与沉井棱镜参照点之间的固定高差、以及各沉井棱镜的实时标高，得到四个刃脚顶点的实时标高；

S405、根据各刃脚顶点在工程坐标系下的实时坐标和实时标高，判断沉井下沉过程中的关键参量是否符合设定的阈值要求；其中，关键参量包括沉井的四角高差和沉井的中心位移；具体地，

（1）计算沉井的四角高差是否存在异常：

根据各刃脚顶点的实时标高，计算任何两个刃脚顶点实时标高之间的差值，取差值最大值为沉井四角高差结果：

1）若沉井四角高差≤500mm，则沉井的四角高差处于正常范围内；

2）若沉井四角高差＞500mm，则沉井的四角高差异常，需要报警，并由现场人员对沉井过程进行干预和调整；

（2）计算沉井的中心位移是否存在异常：

根据各刃脚顶点的实时坐标，计算出各刃脚顶点所在平面中心点的实际坐标，进而计算出平面中心点与沉井设计状态下相同下沉高度时四个刃脚顶点所在平面中心点之间的间距，得到中心位移结果：

1）若中心位移≤300mm，则沉井的中心位移处于正常范围内；

2）若中心位移＞300mm，则沉井的中心位移异常，需要报警，并由现场人员对沉井过程进行干预和调整；

S5、沉井终沉后，观测沉井的终沉状态是否存在异常；

S501、由全站仪读取得到三个沉井棱镜安装点在工程坐标系下的终沉坐标和终沉标高；

S502、基于三个沉井棱镜安装点分别在工程坐标系下的终沉坐标和在沉井坐标系下的终沉坐标，采用步骤S3的方法获得工程坐标系与沉井坐标系之间的当前坐标转换关系式；

S503、将由步骤203得到的四个刃脚顶点在沉井坐标系下的终沉坐标代入至步骤S502确定的工程坐标系与沉井坐标系之间的当前坐标转换关系式中，得到四个刃脚顶点在工程坐标系下的终沉坐标；

S504、根据刃脚顶点与沉井棱镜参照点之间的固定高差、以及各沉井棱镜的终沉标高，得到四个刃脚顶点的终沉标高；

S505、根据各刃脚顶点在工程坐标系下的终沉坐标和终沉标高，判断沉井终沉状态下的关键参量是否符合设定的阈值要求；其中，关键参量包括沉井的刃脚平均标高、沉井的刃脚中心线位移和沉井的四角高差；具体地，

（1）计算沉井的刃脚平均标高是否存在异常：

计算由步骤S503得到的四个刃脚顶点的终沉标高的平均值，得到实际刃脚平均标高结果，进而计算实际刃脚平均标高与沉井设计状态下刃脚平均标高的差值，得到刃脚平均标高偏差值：

1）若刃脚平均标高偏差值≤±100mm，则沉井的刃脚平均标高处于正常范围内；

2）若刃脚平均标高偏差值＞±100mm，则沉井的刃脚平均标高异常，需要报警；

（2）计算沉井的刃脚中心线位移是否存在异常：

根据步骤S503得到的四个刃脚顶点的终沉坐标、以及设计终沉状态下四个刃脚顶点的设计终沉坐标，分别计算每个刃脚顶点的终沉坐标点与其设计终沉坐标点之间的间距，得到刃脚中心线位移结果：

1）若每个刃脚顶点的终沉坐标点与其设计终沉坐标点之间的间距均＜200mm，则沉井的刃脚中心线位移处于正常范围内；

2）若任一刃脚顶点的终沉坐标点与其设计终沉坐标点之间的间距≥200mm，则沉井的刃脚中心线位移异常，需要报警；

（3）计算沉井的四角高差是否存在异常：

根据由步骤S504得到的四个刃脚顶点的终沉标高，计算任何两个刃脚顶点终沉标高之间的差值，取差值最大值为沉井四角高差结果：

1）若沉井四角高差≤300mm，则沉井的四角高差处于正常范围内；

2）若沉井四角高差＞300mm，则沉井的四角高差异常，需要报警。

作为本实施例的一个优选技术方案，在上述步骤S4和步骤S5中，全站仪每次对各沉井棱镜在工程坐标系下的坐标进行读取前，均需要先确认全站仪是处于正常工作状态下；具体地，全站仪的工作状态确认步骤为：

步骤i：在完成步骤S1的全站仪设站定向后，全站仪读取得到第二控制点棱镜安装点的坐标和标高，以得到全站仪的高程测量误差和平面测量误差；

步骤ii：根据步骤i得到全站仪的高程测量误差，设定高程测量误差的允许范围；根据步骤i得到全站仪的平面测量误差，设定平面测量误差的允许范围；

步骤iii：在每次获得沉井棱镜安装点坐标前，全站仪再次读取得到第二控制点棱镜安装点的坐标和标高，并判断当前全站仪的高程测量误差和平面测量误差是否存在至少一项超过步骤ii设定的高程测量误差的允许范围和平面测量误差的允许范围；若是，则需要调整观测播报系统恢复至正常；若否，则全站仪继续读取获得沉井棱镜安装点的坐标。

需要说明的是，本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术；此外，尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均为保护之列。

Claims (8)

1.一种沉井下沉姿态实时观测播报方法，其特征在于，该方法基于沉井下沉姿态实时观测播报系统实现，其中，

沉井下沉姿态实时观测播报系统包括设置在沉井施工现场的观测系统和第一传输系统，以及设置在中控室内的处理系统和第二传输系统；其中，观测系统包括若干台沉井棱镜、至少两台控制点棱镜、一台全站仪和一台服务器；若干台沉井棱镜沿周向均布设置在沉井的顶部边沿处；沉井棱镜均采用360°棱镜，以保证全站仪始终照准棱镜中心；至少两台控制点棱镜间隔设置在沉井区域外的稳固基点上；控制点棱镜采用360°棱镜或圆棱镜；全站仪设置在一呈水平设置的监测平台上，其设置位置能够满足观测并读取到至少两个控制点棱镜以及至少三个沉井棱镜的位置坐标和标高；服务器设置在全站仪邻侧，并与全站仪连接，以接收全站仪获取的数据；处理系统包括处理器和与处理器连接的显示器；第一传输系统与第二传输系统之间采用无线传输的方式连接，使与第一传输系统连接的服务器和与第二传输系统连接的处理系统之间实现数据交互；

采用沉井下沉姿态实时观测播报系统实现的沉井下沉姿态实时观测播报方法的步骤如下：

S1、确定工程坐标系和高程基准，并利用第一控制点棱镜完成全站仪的设站定向；

S2、构建沉井坐标系，获得各沉井棱镜参照点在沉井坐标系下的坐标、以及与各沉井棱镜对应的沉井刃脚顶点的坐标；沉井棱镜参照点具体选取沉井棱镜的中心点或沉井棱镜的安装点；

S3、构建沉井坐标系与工程坐标系之间的动态变换模型，以获得沉井坐标系与工程坐标系之间的实时转换关系；

构建工程坐标系与沉井坐标系之间动态变换模型，其表达式为：

，

式中，

为该点在工程坐标系下的坐标，

为任一点在沉井坐标系下的 坐标，

为沉井坐标系的原点在工程坐标系下的坐标；

为绕Z轴的旋转矩阵，

，

为沉井坐标系的Z轴转动至与工程坐标系的Z轴重合的旋转角 度；

为绕Y轴的旋转矩阵，

，

为沉井坐标系的Y轴转动至与 工程坐标系的X轴重合的旋转角度；

为绕X轴的旋转矩阵，

，

为沉井坐标系的Z轴转动至与工程坐标系的Z轴重合的旋转角度；

根据工程坐标系与沉井坐标系之间动态变换模型的表达式，确定：

这六个变量为沉井实时姿态的关键模型参数；

采用线性迭代最小二乘法求解得到沉井实时姿态的关键模型参数，其线性迭代求取公式为：

，

其中，

的函数；X为未知数向量，

；

为线性迭代计算过程中待求解参数的增量，

；

V表示残差矩阵，V ^T 表示残差矩阵V的转置，V的表达式为：

，

，

在上两式中，由于模型计算需要至少三个沉井棱镜，即i=1, 2,…, n，n≥3；(x _Gi , y _Gi ,z _Gi )为第i个沉井棱镜参照点在工程坐标系下的坐标，(x _Ci , y _Ci , z _Ci )为第i个沉井棱镜参照点在沉井坐标系下的坐标；

在上述线性迭代计算中，设置线性迭代计算的初值为：

，

式中，arctan2(y _Gj - y _Gi , x _Gj – x _Gi )为工程坐标系下第i沉井棱镜至第j沉井棱镜的方位角，arctan2(y _Cj - y _Ci , x _Cj – x _Ci )为沉井坐标系下第i沉井棱镜至第j沉井棱镜的方位角；(x _Gi , y _Gi , z _Gi )、(x _{G j} , y _{G j} , z _{G j} )分别为第i沉井棱镜参照点、第j沉井棱镜参照点在工程坐标系下的实时坐标，(x _Ci , y _Ci , z _Ci )、(x _{C j} , y _{C j} , z _{C j} ) 分别为第i沉井棱镜参参照点、第j沉井棱镜参照点在沉井坐标系下的坐标；其中，第i沉井棱镜和第j沉井棱镜为两个相邻的沉井棱镜；

在上述线性迭代计算中，设置线性迭代计算的迭代停止条件为：当迭代计算得到

中 每个元素的绝对值都小于一个给定的微小数值

；

进而，基于线性迭代初始值，将各沉井棱镜在工程坐标系下的实时坐标代入至上述线 性迭代求取公式中，即可求出

，而

作为下一次迭代计算的待求参数近似值；通过 不断线性迭代计算出新的待求解参数的增量

，直至待求解参数的增量

达到迭代停止 条件为止；更新

的计算结果，即为

的最优解；将由步骤 S303得到的

的最优解代入步骤S301构建的工程坐标系与沉井坐 标系之间动态变换模型中，即得到工程坐标系与沉井坐标系之间的当前坐标转换关系式；

S4、在沉井过程中，基于间隔观测时间T，持续观测各沉井棱镜参照点在工程坐标系下的实时坐标，以获得各刃脚顶点在工程坐标系下的实时坐标，进而判断沉井的实时下沉状态是否存在异常；

S5、沉井终沉后，观测各沉井棱镜参照点在工程坐标系下的终沉坐标，以获得各刃脚顶点在工程坐标系下的终沉坐标，进而判断沉井的终沉状态是否存在异常。

2.根据权利要求1所述的沉井下沉姿态实时观测播报方法，其特征在于，第一传输系统包括宽带路由器和发射无线AP，服务器、宽带路由器和发射无线AP依次通过数据传输线连接；第二传输系统包括接收无线AP，接收无线AP与处理器连接。

3.根据权利要求1所述的沉井下沉姿态实时观测播报方法，其特征在于，全站仪设置在沉井与控制点棱镜之间，其设置位置满足其在整个沉井过程中能够读取到至少两个控制点棱镜和至少三个沉井棱镜的坐标信息。

4.根据权利要求1所述的沉井下沉姿态实时观测播报方法，其特征在于，步骤S1的具体实施步骤如下：

S101、确定沉井施工的工程坐标系和高程基准；

S102、基于工程坐标系，分别获得第一控制点棱镜安装点、第二控制点棱镜安装点、以及全站仪设站点在工程坐标系下的坐标；

S103、基于高程基准，分别获得第一控制点棱镜安装点、第二控制点棱镜安装点、以及全站仪设站点的标高；同时，分别测量得到全站仪、两个控制点棱镜、以及四个沉井棱镜的高度；

S104、基于步骤S102和步骤S103获得测量结果，利用全站仪照准第一控制点棱镜完成全站仪的设站定向，使全站仪能够直接读取得到第二控制点棱镜参照点在工程坐标系下的坐标和标高、以及各沉井棱镜参照点在工程坐标系下的坐标和标高。

5.根据权利要求1所述的沉井下沉姿态实时观测播报方法，其特征在于，步骤S2的具体实施步骤如下：

S201、基于各沉井棱镜的安装位置，分别在沉井顶部定义特征顶点，在沉井底部刃脚处定义刃脚顶点，使各沉井棱镜一一对应地与位于同侧的特征顶点以及刃脚顶点相关联；其中，定义特征顶点为沉井顶部边沿上的点，且其位于刃脚顶点的上方和对应地沉井棱镜的邻侧；

S202、选取沉井顶面上任一特征顶点为沉井坐标系的原点，X轴和Y轴相互垂直并与沉井的顶面重合，Z轴为垂直于X轴与Y轴形成的平面，构建得到沉井坐标系；

S203、沉井前，测量各个特征顶点在沉井坐标系下的坐标；基于各个特征顶点在沉井坐标系下的坐标，测量得到各沉井棱镜安装点在沉井坐标系下的坐标，进而确定各沉井棱镜参照点的坐标；基于各个特征顶点在沉井坐标系下的坐标，测量得到各个刃脚顶点在沉井坐标系下的坐标。

6.根据权利要求1所述的沉井下沉姿态实时观测播报方法，其特征在于，步骤S4的具体实施步骤为：

S401、由全站仪读取得到三个沉井棱镜参照点在工程坐标系下的实时坐标和实时标高；

S402、基于三个沉井棱镜参照点分别在工程坐标系下的实时坐标和在沉井坐标系下的坐标，采用步骤S3的方法获得工程坐标系与沉井坐标系之间的当前坐标转换关系式；

S403、将由步骤203得到的四个刃脚顶点在沉井坐标系下的坐标代入至步骤S402确定的工程坐标系与沉井坐标系之间的当前坐标转换关系式中，得到四个刃脚顶点在工程坐标系下的实时坐标；

S404、根据刃脚顶点与沉井棱镜参照点之间的固定高差、以及各沉井棱镜的实时标高，得到四个刃脚顶点的实时标高；

S405、根据各刃脚顶点在工程坐标系下的实时坐标和实时标高，判断沉井下沉过程中的关键参量是否符合设定的阈值要求；其中，关键参量包括沉井的四角高差和沉井的中心位移；

（1）计算沉井的四角高差是否存在异常：根据各刃脚顶点的实时标高，计算任何两个刃脚顶点实时标高之间的差值，取差值最大值为沉井四角高差结果：1）若沉井四角高差≤500mm，则沉井的四角高差处于正常范围内；2）若沉井四角高差＞500mm，则沉井的四角高差异常，需要报警，并由现场人员对沉井过程进行干预和调整；

（2）计算沉井的中心位移是否存在异常：根据各刃脚顶点在工程坐标系下的实时坐标，计算出各刃脚顶点所在平面中心点的实际坐标，进而计算出平面中心点与沉井设计状态下相同下沉高度时四个刃脚顶点所在平面中心点之间的间距，得到中心位移结果：1）若中心位移≤300mm，则沉井的中心位移处于正常范围内；2）若中心位移＞300mm，则沉井的中心位移异常，需要报警，并由现场人员对沉井过程进行干预和调整。

7.根据权利要求1所述的沉井下沉姿态实时观测播报方法，其特征在于，步骤S5的具体实施步骤为：

S501、由全站仪读取得到三个沉井棱镜参照点在工程坐标系下的终沉坐标和终沉标高；

S502、基于三个沉井棱镜参照点分别在工程坐标系下的终沉坐标和在沉井坐标系下的坐标，采用步骤S3的方法获得工程坐标系与沉井坐标系之间的当前坐标转换关系式；

S503、将由步骤203得到的四个刃脚顶点在沉井坐标系下的坐标代入至步骤S502确定的工程坐标系与沉井坐标系之间的当前坐标转换关系式中，得到四个刃脚顶点在工程坐标系下的终沉坐标；

S504、根据刃脚顶点与沉井棱镜参照点之间的固定高差、以及各沉井棱镜的终沉标高，得到四个刃脚顶点的终沉标高；

S505、根据各刃脚顶点在工程坐标系下的终沉坐标和终沉标高，判断沉井终沉状态下的关键参量是否符合设定的阈值要求；其中，关键参量包括沉井的刃脚平均标高、沉井的刃脚中心线位移和沉井的四角高差；

（1）计算沉井的刃脚平均标高是否存在异常：

计算四个刃脚顶点的终沉标高的平均值，得到实际刃脚平均标高结果，进而计算实际刃脚平均标高与沉井设计状态下刃脚平均标高的差值，得到刃脚平均标高偏差值：1）若刃脚平均标高偏差值≤±100mm，则沉井的刃脚平均标高处于正常范围内；2）若刃脚平均标高偏差值＞±100mm，则沉井的刃脚平均标高异常，需要报警；

（2）计算沉井的刃脚中心线位移是否存在异常：

根据步骤S503得到的四个刃脚顶点的终沉坐标、以及设计终沉状态下四个刃脚顶点的设计终沉坐标，分别计算每个刃脚顶点的终沉坐标点与其设计终沉坐标点之间的间距，得到刃脚中心线位移结果：1）若每个刃脚顶点的终沉坐标点与其设计终沉坐标点之间的间距均＜200mm，则沉井的刃脚中心线位移处于正常范围内；2）若任一刃脚顶点的终沉坐标点与其设计终沉坐标点之间的间距≥200mm，则沉井的刃脚中心线位移异常，需要报警；

（3）计算沉井的四角高差是否存在异常：

根据由步骤S504得到的四个刃脚顶点的终沉标高，计算任何两个刃脚顶点终沉标高之间的差值，取差值最大值为沉井四角高差结果：1）若沉井四角高差≤300mm，则沉井的四角高差处于正常范围内；2）若沉井四角高差＞300mm，则沉井的四角高差异常，需要报警。

8.根据权利要求1所述的沉井下沉姿态实时观测播报方法，其特征在于，在上述步骤S4和步骤S5中，全站仪每次对各沉井棱镜在工程坐标系下的坐标进行读取前，均需要先确认全站仪是处于正常工作状态下；具体地，全站仪的工作状态确认步骤为：

步骤i：在完成步骤S1的全站仪设站定向后，全站仪读取得到第二控制点棱镜参照点的坐标和标高，以得到全站仪的高程测量误差和平面测量误差；

步骤ii：根据步骤i得到全站仪的高程测量误差，设定高程测量误差的允许范围；根据步骤i得到全站仪的平面测量误差，设定平面测量误差的允许范围；

步骤iii：在每次获得沉井棱镜参照点坐标前，全站仪再次读取得到第二控制点棱镜参照点的坐标和标高，并判断当前全站仪的高程测量误差和平面测量误差是否存在至少一项超过步骤ii设定的高程测量误差的允许范围和平面测量误差的允许范围；若是，则需要调整观测播报系统恢复至正常；若否，则全站仪继续读取获得沉井棱镜参照点的坐标。

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