基于激光雷达的输电线路杆塔基坑监测管控系统

赵 涛，弓建新，樊 荣，郭华平

(太原明远工程监理有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

高压输电线路转角塔基础一般采用4个独立的浅基础，其中2个受拉、2个受压，在附近开挖机坑时杆塔基础的不均匀沉降或基坑变形较大会容易引起杆塔的倾斜。在基坑开挖过程中，由于原有土层土压力降低，考虑到基坑外侧主动土压力的作用，基坑四周的土壤会向基坑内移动并发生形变，这种形变的移动速度以及变形变化量将会影响杆塔基础施工的安全性，因此，在基坑周围土壤变形的监测问题上需要采取相应的策略及时有效发现明显的变形，并针对土壤的参数对可能发生的变形进行预测。

针对输电线路杆塔的基坑监测文献研究较少，已有研究主要集中在输电线路杆塔的分析。文献[1]分析了轻型井点降水技术在输电线路杆塔基础流沙基坑开挖中的应用；文献[2]针对临近深基坑高压输电杆塔基础加固进行设计；文献[3]研究了风荷载作用下基坑开挖对邻近输电杆塔的影响；文献[4]分析了输电线路基坑人工开挖施工安全管理；文献[5]分析了特高压输电线路塔基外敷降阻策略；文献[6]提出了基于柔性石墨防腐蚀材料的杆塔桩基紧凑型接地。可以看出，针对输电线路杆塔基坑监测管控研究较少，也未见激光雷达SLAM定位成像方面的文献。

因此,本文利用激光雷达测距技术，实现了对输电线路杆塔基坑施工过程中的检测以及管控。

1 输电线路杆塔基坑施工

输电线路的施工过程主要包括基坑开挖、杆塔施工以及架线施工。其中，基坑开挖作为电力线路施工的首要工作，在很大层面上影响着后续工程的开展情况。

在基坑开挖过程中，需要重点关注开挖过程中的动态工作内容，主要包括相应的施工设备、施工人员的实施情况，利用相应的辅助设备实现安全管控，按照工程项目的规章制度和管理条例进行施工作业。基坑开挖的监测通常利用视频、成像和激光雷达等辅助手段实现设备和人员运行的安全监控。因此，在针对输电线路杆塔基坑的动态监测和成像方面，整体质量的好坏影响着对施工过程和施工进度的把控，也影响着后续的施工进程。

在基坑施工过程中需要对基坑开挖的全过程进行状态监测，掌握相应的土壤以及护壁结构的力学数据，从而确保施工过程的安全。一方面需要对开挖过程中随着深度变化而变化的土壤性质进行监测，确定是否在开挖过程中发生相应的土壤位移，从而确定基坑支护的有效性和合理性；另一方面，还需要考虑随着四周开挖环境的变化而导致周围其他物体对基坑的影响。尤其是针对相应的土壤位移、土壤沉降等变化速率较大的情况进行监测。

2 基于SLAM的雷达位姿图成像算法

基于SLAM的雷达位姿图成像算法原理如图1所示。

图1 算法原理

图1说明了SLAM系统的结构。雷达处理单元将动态和静态目标进行区分，同时对相应雷达传感器的速度进行估计。测距元件对连续状态以及雷达获取的速度信息进行相应的变化估计。扫描对比元件则能够通过与雷达扫描结果进行序列对比实现相应位置的变化识别。最终，循环元件则能够用于计算相应位置变化的相对量，这类相对估计量则构成了位姿图。SLAM算法能够通过对图像的优化实现相应信息的处理和估计。这个过程需要由雷达探测器组成的元件绘制相应的图像[7]。

a.雷达预处理。雷达预处理的目标是在笛卡儿传感器坐标下找到相应的位置矢量和速度变化。在仅考虑静态目标的前提下，地图构建过程则需要将移动目标剔除。为实现这一目标，利用雷达运动估计，对传感器得到的数据进行相应的识别，利用传感器的算法对真实数据进行计算，其中运动物体的速度计算式为

-vr,i=vS,xcosφi+vS,ysinφi

(1)

vr,i为物体i的实际速度；vS,x和vS,y分别为物体的水平x和y轴的分速度；φi为高度角。

式(1)仅针对静态物体的运动过程，针对其他情况，本文采用随机采样一致算法。

b.测距。为估计土壤等物体移动的速度以及连续传感器量测之间的相对位置，需要利用测距仪对上述物理量进行观测，本文使用无迹卡尔曼滤波。该方法能够在非线性环境中含有噪声量测的情况下提供更加准确的估计，并且无需在线计算雅可比矩阵。

(2)

x、y为位置坐标；φ为高度角；v为周围物体移动速度；k为校正系数；bδ为偏差。

c.扫描匹配。扫描匹配用来估计当前与雷达扫描预测的相对变化，使用2D点对点ICP算法。ICP算法核心思想维计算2组观测点P和Q之间最近点对的最小距离。假设原始平动和转动估计值为t0和θ0，当前估计值为tk和θk，迭代关系式为

(3)

最小距离dk+1计算式为

(4)

R为变换矩阵。

d.回环检测。回环检测是为了识别先前已扫描位置，减少成像中不必要的位姿估计累积。

e.SLAM位姿图。SLAM位姿图能够在给定相关量的基础上进行最优估计。假设运动轨迹坐标为xi=[xi,yi,φi]T。Z为独立量测量，描述xi到xj之间的相对变化。位姿图即为p(X|Z)在非归一化后验的分布，节点为xi，边为zij及该边方向变化的不确定性[8]。

3 基于激光雷达的线路杆塔基坑监测系统

3.1 系统构架

系统架构如图2所示。其分为数据采集、数据分析、数据决策预警以及查询系统。数据采集系统是数据的输入和收集的过程，需要针对输电线路基坑施工过程中的土壤数据、沉降观测数据、水平位移数据、深层水平位移数据、沉降观测原始数据、基坑基本数据和环境数据等进行采集和输入。这类数据需要在激光雷达定位、无线传感器采集的基础上进行处理，从而形成具有辨识性、可编辑的数据类型，经过相应存储可以进一步为数据分析做准备。

图2 系统构架

数据分析主要针对数据采集得到的数据形成相应的数据库，经过数据库的存储调用实现对原始数据的分析，数据的分析算法主要包括多因素综合分析以及多参数变量计算。通过数据的分析和处理，形成对原始数据的编辑，形成进一步的数据决策预警系统的输入。

数据决策预警系统是针对输电线路杆塔基坑监测结果的重要指标。在输电线路杆塔基坑施工过程中需要实时监测相应的施工进程和安全稳定性，因此针对数据分析得到的结果进行预设安全值的校核，通过相应的报警系统进行比对，如果出现相应的异常或事故则需要进行报警处理。根据事故或异常状况的严重情况不同可以分为1级、2级和3级报警。报警数据一方面能够指导基坑施工的安全作业，另一方面能够提升系统在这方面数据应用的有效性。经过数据报警决策的数据再进一步处理形成历史数据库，这一部分则可以通过系统的应用层进行数据查询。

数据的查询主要包括数据抽取模块、数据可视化处理模块、报表生成查询模块和基坑基本信息查询模块。这类查询数据是面向终端用户的直接窗口，不仅反映了系统在数据处理过程中的透明、可视化的基本特征，而且能够体现系统在输电线路杆塔基坑作业中的指导意义。

3.2 系统监测流程

在输电线路杆塔基坑施工过程中需要定期或不定期的重复获取变形数据，通过各种分析方法确定基坑的变形状态，针对激光雷达定位系统能够准确了解基坑的安全状况，利用本文系统进行基坑信息的实时传输和发布，主要包括基坑监测数据管理、数据分析和处理、监测信息数据发布和反馈。系统监测流程如图3所示。

图3 监测流程

a.监测数据管理。对输电线路施工过程中所接触到的土壤、地形、周围环境等数据进行收集和整合，通过相应的数据库对数据进行存储和分类，形成相应的原始数据。对这类原始数据进行相应的读写和处理，存入数据库的数据可以形成多样化的数据库，进一步方便后期对基坑状态进行分析。

b.数据分析和处理。输电线路杆塔基坑施工过程中，形变数据主要是在数据管理库中获得的数据分析基础上得到的形变过程、形变规律和形变幅度，对这类数据进一步处理得到形变原因、形变量以及与其相关的因素，从而为后续基坑作业施工提供相应的安全指导。在这一过程中，数据分析主要应用相应的灰色模型、时间序列模型和回归模型。

c.基坑状态信息发布和反馈。基坑状态信息的发布和反馈是数据的应用环节，通过对施工单位、项目单位、监测部门进行信息发布，可以有效提升各类信息在不同层面、不同对象之间的传输有效性和分析多样性，进一步提升数据的反馈质量，从而有针对性地对基坑状态进行相关的处理，形成修改或最终决策。

4 应用效果分析

本文根据某地实际需求开挖一处16 m、尺寸为25 m×20 m的基坑，施工现场如图4所示，图4中单位为mm。

图4 施工现场

考虑到项目所在地的地理环境较为复杂，结合周边环境情况以及以往施工经验，利用本文系统对相应的数据进行监测，根据相应的激光雷达测距算法，并通过分析对比，实现具体施工内容的综合分析。结果如表1所示。

表1 基坑监测内容

根据基坑沉降数据，施工现场中A点、B点的沉降变形较小，C点和D点的沉降变形稍大。沉降过程与施工作业的流程顺序和周围环境密切相关，沉降分为初始阶段、变化阶段和稳定阶段。根据数据分析，最大沉降值为12.7 mm，沉降率为0.8 mm/d，根据相应系统的预警功能，提醒施工作业人员进行边坡支护，实现对基坑的稳定性操作，最终实现基坑的沉降值和变化速率满足规范及设计要求。

综上，在整个监测过程中，系统运行良好，数据采集、存储、分析均反映了基坑施工过程中的实时变化情况，说明在本项目基坑过程中受到环境影响的可能性较小，施工过程整体安全可控，在各个阶段均未发出报警信号，各项测试顺利通过，为后续基坑进一步施工提供了技术保证。

5 结束语

本文利用激光雷达测距技术实现了对输电线路杆塔基坑施工过程中的检测以及管控。经过对输电线路基坑施工作业流程以及相应激光雷达成像测距原理的分析，利用本文所提出的系统对某项目的基坑支护作业风险进行分析。经过分析可知，本文系统在输电线路杆塔基坑施工作业管控过程中是有效的，不仅能够提升基坑本身施工作业流程的安全和可控能力，并且能够有效提升对周围环境因素以及其他相邻杆塔之间作业风险分析的有效性。本文系统可以广泛应用于各电压等级的输电线路杆塔基坑施工作业。