基于C#与SQL Server的隧道洞门钢环检测系统*

张 洋，张志刚，钱 栋，田林亚，毕继鑫

(1. 苏州地质工程勘察院，江苏 苏州 215129； 2. 河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100)

基于C#与SQL Server的隧道洞门钢环检测系统*

张 洋1，张志刚1，钱 栋1，田林亚2，毕继鑫2

(1. 苏州地质工程勘察院，江苏 苏州 215129； 2. 河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100)

对基于空间向量拟合空间圆直接获取圆心坐标及半径的算法进行研究，将该算法应用于隧道洞门钢环空间形态的检测与分析。以C#编程语言和SQL Server数据库为工具，开发了隧道洞门钢环检测数据处理与分析系统，利用该系统可进行洞门钢环空间形态的拟合，进行洞门钢环圆心坐标和半径的计算，完成洞门钢环空间形态的质量评价。通过工程实例，验证了所提出的检测方法与分析系统的正确性，研究成果也可为其它类似建筑物的空间形态检测工作提供参考。

隧道工程；地铁隧道;洞门钢环;形态拟合;编程语言C#;数据库SQLServer;检测系统

0 引 言

在使用盾构机进行地铁隧道施工时，由于洞门的施工和安装存在误差，使得洞门钢环安装后的实际位置与洞门钢环的设计位置不一定完全重合。为了确保盾构机能够顺利出洞，需要对施工完成后的洞门钢环的圆心坐标[1-2]、半径、平整度以及圆度等特征值进行准确测定和计算，分析和评价洞门钢环的空间形态。由于这些特征值是不可直接量测的，所以只能通过测量洞门钢环上一系列点的三维坐标拟合出洞门钢环的形态，间接得到洞门钢环的特征值信息，将这些特征值与设计值进行比对，完成洞门钢环的检测工作。笔者结合苏州轨道交通4号线施工监测项目，充分发挥全站仪Leica TM30测量精度高、灵活机动、快速便捷等特点，基于C#与SQLServer编程技术开发了隧道洞门钢环检测系统，利用该系统可进行洞门钢环空间形态的拟合，计算和输出洞门钢环的特征值，将各洞门钢环的观测数据和计算成果入库，完成洞门钢环空间形态的质量评价。

1 隧道洞门钢环检测及数据处理

1.1 洞门钢环检测及数据预处理

在已知坐标和高程的地下控制点上安置全站仪，采用三维坐标法[3]观测洞门钢环内环上若干点的三维坐标，由于Leica TM30具有免棱镜测量功能和很高的标称精度(0.5″，1 mm+1 ppm)[4]，可以实现三维坐标的高精度测量。为了提高洞门钢环空间形态的拟合精度，避免空间形态拟合时出现病态方程，将观测点均匀分布于整个钢环的内边缘[5]。

1.2 洞门钢环空间平面拟合

将洞门钢环空间平面方程设为[6]

ax+by+cz+d=0

(1)

考虑到式(1)中系数a、b、c、d是线性相关的，平面拟合会得到无数组解，为了得到系数的固定解，在式(1)两边同时乘以一个非零的比例系数，将d化为1，所得方程依然表示该空间平面，即

ax+by+cz+1=0

(2)

当观测点数目n>3时，采用最小二乘法拟合该空间平面，误差方程如下：

(3)

其中：

由于是同精度独立观测，故将权阵P设为单位阵，根据VTPV=min，通过式(4)解得参数值，即

(4)

将参数值代入式(2)，拟合出洞门钢环所在的空间平面方程。

1.3 洞门钢环空间圆拟合

设P1、P2为位于同一平面上的洞门钢环内环观测点，其坐标分别为(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)，P0(x0，y0，z0)为圆心，P12为点P1与P2连线的中心点，根据空间几何理论，向量P1P2与向量P0P12相互垂直，可得

(5)

整理可得中垂面方程：

x12x0+y12y0+z12z0-l′=0

(6)

其中：

x12=x2-x1，y12=y2-y1，z12=z2-z1

当观测点数目为n时，可列n-1个线性无关的中垂面方程式，由于洞门钢环圆心P0同时位于1.2节所拟合的空间平面与本节所拟合的空间圆上，故结合1.2节中求出的空间平面的系数可列出误差方程式：

(7)

其中：

(8)

根据所得空间圆圆心坐标值，结合观测点坐标，通过式(9)可计算空间圆的半径，当观测点数目为n时，可计算各观测点所对应的半径，取其平均值作为洞门钢环空间圆的拟合半径：

(9)

1.4 基于拟合特征值的洞门钢环检测结果分析

隧道洞门钢环检测结果分析主要包括两个方面：

1) 分析安装的和设计的洞门钢环在位置上的差异。洞门钢环安装的圆心坐标已在1.3节中通过拟合法获取，法线方向即为(a，b，c)，这两个因素是评定洞门钢环安装位置和设计位置差别的主要指标。

2) 分析安装的和设计的洞门钢环在形状上的差异。这点可以通过洞门钢环的平整度、圆度以及圆半径等特征值进行评定。由1.2节拟合所得的空间平面方程，通过式(10)可计算各观测点到该空间平面的距离，即：

(10)

(11)

2 隧道洞门钢环检测系统的设计与实现

2.1 系统的主要功能

C#语言拥有快速开发和简单易用的特点，深受程序开发人员喜爱。笔者采用C#编程语言并连接SQL Server数据库进行隧道洞门钢环检测系统的开发，系统主界面如图1。

图1 系统主界面Fig.1 Main interface of the system

系统具有以下几个功能。

1) 数据录入：可直接读取全站仪观测数据文件，并将检测点坐标显示在界面中。

2) 拟合计算：可直接调用观测数据文件进行拟合计算，并将洞门钢环的圆心坐标、半径显示在界面中。

3) 平整度计算：可将各特征点到洞门钢环拟合平面垂直距离及洞门钢环平整度显示在界面中。

4) 圆度计算：可将各特征点到洞门钢环拟合圆的垂直距离以及洞门钢环的圆度显示在界面中。

5) 数据入库：与SQL Server数据库进行连接，将观测数据和计算结果存储到数据库中。

考虑到数据中可能存在的观测粗差或过大安装误差对平面拟合和空间圆拟合效果的干扰，程序中设置了观测点到拟合平面垂直距离的容限差ε1和各观测点到拟合圆垂直距离的容限差ε2，当某点的Δd>ε1或Δd>ε2时，检查原因并确认后将之剔除，然后重新进行平面和空间圆的拟合。

2.2 系统的工作流程

隧道洞门钢环检测系统的工作流程如图2。

图2 系统工作流程Fig.2 Working process of the system

2.3 系统开发关键技术

本系统是在Visual Studio2008集成开发环境平台上，使用C#编程语言以及SQL Server数据库技术开发完成的，系统开发时解决了以下几项关键技术，它们是整个系统的核心内容。

2.3.1 文件读取

利用全站仪自动存储功能，将观测点的三维坐标自动存储到所生成的“.txt”格式文件中，其具有固定的数据组织格式，因此编写本系统时仔细研究了数据文件格式，以实现一键读取所有观测数据。

2.3.2 系统数据库结构设计

在设计数据库结构时，做到尽量降低数据库冗余度，达到结构合理、易于维护的目的[8]。数据库结构设计时，采用的主要数据表如下：

1) 观测数据表：包括洞门号、观测日期、观测点号、观测点横坐标X、观测点纵坐标Y、观测点竖坐标Z等字段。

2) 洞门特征值计算表1：包括洞门号、观测日期、观测点号、观测点到拟合平面的垂直距离、观测点到拟合圆的半径之差等字段。

3) 洞门特征值计算表2：包括洞门号、观测日期、洞门圆心横坐标X、洞门圆心纵坐标Y、洞门圆心竖坐标Z、洞门半径、洞门平整度、洞门圆度等字段。

2.3.3 观测数据和计算结果导入SQLServer数据库

对外业观测数据进行计算后，将观测数据和计算成果导入SQL Server数据库中保存。

3 工程应用实例

对苏州轨道交通4号线汽车客运站东南洞门钢环进行了检测，共观测了11个点，经空间平面和空间圆的初步拟合计算和分析，剔除了3个点，保留8个特征点的观测数据(表1)用于洞门钢环的空间形态拟合和分析。

表1 特征点观测数据Table 1 Observation data of each feature point

将表1中的观测数据录入到本系统中，然后进行拟合计算，得到该洞门钢环的半径r=3.346 5 m和圆心坐标(25 346.771 5，57 994.597 2，-10.322 9)。各特征点到拟合平面的垂直距离见表2，到拟合圆的垂直距离见表3。

表2 特征点到拟合平面的距离Table 2 Distance between feature points to fitting plane m

表3 特征点到拟合圆的距离Table 3 Distance between feature points to fitting circle m

由表2可知，特征点到拟合平面的最大垂直距离为-0.007 2 m，最小垂直距离为-0.001 1 m，计算洞门钢环的平整度为±0.004 1 m。由表3可知，特征点到洞门钢环拟合圆的最大垂直距离为-0.006 8 m，最小垂直距离为0.000 2 m，计算洞门钢环的圆度为±0.003 2 m。

4 结 语

笔者研究了隧道洞门钢环的空间形态检测和数据处理方法，将圆形类洞门钢环看成一个球体与过球心的空间平面相交而成的大圆，根据空间向量理论推导了中垂面方程，并与空间平面方程联立求解其特征值，采用C#编程语言和SQL Server数据库技术实现了洞门钢环检测系统的开发，将研究成果应用于苏州轨道交通4号线隧道洞门钢环检测数据的计算与分析，取得了良好的实际应用效果。随着马蹄形、类矩形等非圆形盾构在隧道施工中的使用，对这些形状的洞门如何进行有效的检测、计算与分析，是笔者接下来要研究和解决的问题。

[1] 贾志强. 地铁盾构隧道洞门钢环圆心坐标的精确测定[J]. 测绘信息与工程，2011，36(2)：31-33.

JIA Zhiqiang. Accurate surveying of center coordinate of circle of subway shield tunnel gateway steel ring[J].JournalofGeomatics，2011，36(2)：31-33.

[2] 韩三琪，张晓川. 地铁洞门钢环中心三维坐标拟合计算[J]. 施工技术，2016，45(6)：521-523.

HAN Sanqi，ZHANG Xiaochuan. The 3D coordinate fitting calculate-on of the center of subway shield tunnel portal steel ring[J].ConstructionTechnology，2016，45(6)：521-523.

[3] 田林亚，王进峰，武东辉. 全站仪三维坐标法在桥梁施工测量中的应用[J].测绘科学，2010，35(3)：198-202.

TIAN Linya，WANG Jinfeng，WU Donghui. Application of total station three dimensional coordinate surveying in construction survey of bridge[J].ScienceofSurveyingandMapping，2010，35(3)：198-202.

[4] 刘九阳，杨凤芸，刘森，等. TM30测量机器人ATR功能的功效及精度[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2015，34(11)：1275-1279.

LIU Jiuyang，YANG Fengyun，LIU Sen，et al. Efficiency and precision of ATR function for TM30 measurement robot[J]. Journal of Liaoning Technical University (Natural Science)，2015，34(11)：1275-1279.

[5] 郭雪瑶，田林亚，黄瑾，等. 校园标志物空间形态的测量与分析[J]. 测绘通报，2015(9)：87-90.

GUO Xueyao，TIAN Linya，HUANG Jin，et al. Measurement and analysis of campus landmark spatial form[J].BulletinofSurveyingandMapping，2015(9)：87-90.

[6] 潘国荣，陈晓龙. 空间圆形物体数据拟合新方法[J]. 大地测量与地球动力学，2008，28(2)：92-94.

PAN Guorong，CHEN Xiaolong. A new method for 3D circular object fitting[J].JournalofGeodesyandGeodynamics，2008，28(2)：92-94.

[7] 潘国荣，李怀锋. 基于空间向量的空间圆形拟合检测新方法[J]. 大地测量与地球动力学，2010，30(4)：106-108.

PAN Guorong，LI Huaifeng. A new test method based on space vector in 3D circle fitting[J].JournalofGeodesyandGeodynamics，2010，30(4)：106-108.

[8] 闫旭. 浅谈SQL Server数据库的特点和基本功能[J]. 价值工程，2012，31(22)：229-230.

YAN Xu. Research of the characteristics and basic functions of the SQL Server database[J].ValueEngineering，2012，31(22)：229-230.

Detection System of Tunnel Portal Steel Ring Based on C# and SQL Server

ZHANG Yang1，ZHANG Zhigang1，QIAN Dong1，TIAN Linya2，BI Jixin2

(1. Suzhou Geological Engineering Investigation Institute，Suzhou 215129，Jiangsu，P. R. China； 2. School of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，Jiangsu，P. R. China)

The research on the algorithm that directly obtains the center coordinates and the radius based on space vector fitting 3D circle was carried out，and the proposed algorithm was applied to the detection and analysis of tunnel portal steel ring’s spatial formation. C# programming language and SQL Server database were used to develop the data processing and analysis system for detection of tunnel portal steel ring. The proposed system could fit portal steel ring’s spatial formation，calculate the center coordinates and radius of tunnel portal steel ring and accomplish the quality evaluation of the spatial formation of portal steel ring. Through an example of engineering application，the correctness of the proposed detection method and analysis system was verified. Research results can provide the reference to the detection work of spatial formation for other similar buildings.

tunnel engineering; metro tunnel; tunnel portal steel ring; formation-fitting; C# programming language; SQLServer database; detection system

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.04

2016-11-08；

2017-03-10

江苏省地质矿产勘查局科研项目(2016-KY-03)

张 洋(1968—)，男，江苏徐州人，高级工程师，主要从事精密工程测量方面的研究。E-mail：873240839@qq.com。

毕继鑫(1994—)，男，黑龙江牡丹江人，硕士，主要从事测量数据处理理论与方法方面的研究。E-mail：bijixin7317@163.com。

U231+.4

A

1674-0696(2017)12-018-04

谭绪凯)