1 引 言
全断面隧道掘进机是通过周边壳体保护，同步完成开挖、推进、出渣和支护等作业工序，实现隧道一次成型的专用机械设备[1]，高精度、高可靠度的位姿测量是掘进机顺利施工的重要保障[2]。导向系统用于提供掘进机施工的位姿指引，实时、准确、高精度地获取掘进机的当前位置和姿态是高精度指引掘进机掘进进位姿的重要环节[3]，只有准确测量掘进机的位姿，并结合隧道设计轴线及时控制调向，才能保证最终的隧道施工质量。一旦测量出现错误，将导致掘进机司机无法正确判断掘进机的位姿，必须停机进行人工复核，这会严重影响隧道施工的进程；若不进行复核，在没有准确位姿的情况下进行掘进，会导致隧道掘偏、无法顺利出洞，甚至对其他建筑物造成破坏等事故。
掘进机位姿测量技术随着工业水平的进步不断发展，最早为人工前后标尺法测量。随着测量机器人的发展，德国PPS公司开发了多棱镜导向系统，可以通过若干个棱镜和倾角传感器实现对掘进机位姿的测量；德国TACS公司设计了基于测量激光入射角的掘进机导向系统；德国VMT公司、英国ZED公司等分别设计了不同原理的激光靶实现掘进机位姿 测量；日本ENZAN公司采用陀螺仪测量姿态角，设计了基于惯性的掘进机位姿测量方法。随着中国隧道修建技术的发展，国产掘进机位姿测量系统也不 断涌现，先后设计了多棱镜法、激光靶法、惯性导航 法等位姿测量产品。
虽然现有的掘进机导向系统已得到较多的工程实践应用，但是掘进机振动、掘进机动态作业、通视条件、粉尘干扰等因素仍然会对现有导向系统的测量精度和可靠性产生影响。随着长距离、小转弯、大埋深隧道工程建设需求的增长，以及少人化、无人化智能掘进需求的发展，对掘进机位姿的测量提出了更高的要求。本文通过对国内外文献和产品的调研，分类归纳目前掘进机导向定位的测量方法和存在的问题，并对掘进机导向技术发展方向进行展望， 以期对全断面隧道掘进机导向技术的发展提供指导和借鉴。
2 掘进机导向定位技术
2.1 人工标尺测量法
在掘进机早期施工中，受技术水平限制，导向定位主要采用人工前后标尺测量法，如图 1所示。人 工前后标尺测量法主要是在掘进机安装前后标尺、 坡度板、U形管等装置，通过对比始发前和施工时测量标尺、坡度板、U形管和掘进机首尾中心的位姿关系，采用相似三角形原理，推算得到掘进机在导航坐标系下的平面坐标。其中，标尺早期采用经纬仪，后期改进为全站仪；姿态角通过重锤在坡度板上的偏移量来计算；U形管是通过测量液位差来计算角度， 后面改进为水平尺测量角度。该方法的精度理论上 可以达到平面精度±10 mm，高程精度±15mm。
图 1 人工标尺法
在工程应用中，20世纪80年代德国 PPS公司、 TACS公司先后开发了隧道测量计算软件辅助计算 掘进机位姿。欧阳平等[4]介绍了标尺法在广州地铁3号线的应用情况。高俊强等[5]详细讨论了前后标尺法的测量原理和计算方法，并分析了其测量精度。 人工前后标尺法存在人力投入大、测量时间较长、数据后处理较慢等问题，而且测量只能在每环结束时进行，无法实时获知掘进机的姿态和偏差情况，测量效率低下，但是当需要复核自动导向系统的测量数 据或自动导向系统发生故障时，施工单位仍需采用该方法[6]。
2.2 多棱镜法掘进机导向定位技术
多棱镜法掘进机导向定位技术是通过测量多个安装在掘进机上的棱镜坐标，进而求解掘进机位姿的方法，主要由反射棱镜组、全站仪、后视棱镜和位姿测量系统软件组成，如图2所示。
图 2 多棱镜法
多棱镜法主要使用的测量仪器是全站仪，全站仪是一种集水平角、垂直角、距离测量于一体的测绘仪器，可以通过测量角度和距离计算出被测目标的坐标。多棱镜法实施步骤为：始发前在掘进机上安装若干个棱镜，并标定出棱镜与掘进机切口和盾尾中心在掘进机坐标系下的位置关系；在掘进过程中，采用全站仪依次测量安装在掘进机上的若干个棱镜坐标，由于掘进机在掘进的过程中棱镜和掘进机的相对位姿关系不会发生改变，因此可以计算出切口和盾尾中心的坐标以及3个姿态角；结合隧道设计轴线数据，可以计算出掘进偏差，从而指导司机纠偏。对多棱镜法的研究主要集中在基于多棱镜坐标求解掘进机首尾中心坐标的算法上。
多棱镜法中最早取得应用的是三棱镜法，冯冬健等[7]将三棱镜坐标求解问题抽象为空间中的点和点之间的距离关系，并以此数学模型列出2组三元二次方程组，通过对方程组求解，计算掘进机的位姿，但并未对如何求解方程组作出说明。Shen等[8]将三棱镜计算问题转换为矢量观测定姿的Wahba问题，并采用 TRIAD（Tri-Axial Attitude Determination，即双矢量定姿算法）方法对掘进机位姿进行求解。TRIAD法将3个棱镜转换为2个互不平行的矢量，分别记为掘进机坐标系下的矢量和导航坐标系下的矢量，然后用坐标系来表示矢量，最后通过求解2个坐标系的转换关系得到正交姿态矩阵。这些方法在构造正交基后，求解姿态时仅使用了其中姿态矩阵中的部分方程，未能充分利用多余观测。针对该问题，Shen等[9]采用QUEST（QUaternion ESTimator）法中的四元数来描述姿态，并采用最小二乘法求解最优估计，观测精度有所提高。该方法通过最小二乘有效地利用了观测信息，但是仅适用于3个棱镜的情况，不能扩展到更多个棱镜的场合。潘国荣等[10]将三棱镜坐标求解问题转变为多点坐标转换问题， 采用大角度空间直角坐标转换模型进行盾构姿态计算，并进行了案例应用。
棱镜法测量精度较高，结构简单，造价便宜。但是，由于全站仪需要测量多个棱镜，存在以下缺陷：
（1）由于测量不同步而容易产生误差；（2）全站仪容易丢失测量目标，影响测量效率；（3）需要提供较大的通视空间；（4）需要避免全站仪测量棱镜时识别错误。
为了减小多个棱镜测量坐标时因测量不同步带来的误差，研究者们从两个方向进行了技术改进。 一个是双棱镜法，如图 3所示。潘国荣等[11]提出了双棱镜和倾角传感器结合的掘进机位姿解算方法， 在三棱镜大角度空间坐标转换模型的基础上，引入倾角传感器的观测值，建立联合误差方程，实现了只用测量双棱镜坐标即可对掘进机位姿进行求解。针对双棱镜方法中引入的倾角传感器测量误差问题， 潘国荣等[12]提出了一种棱镜和倾角传感器融合的平差模型，将单次观测周期中倾角传感器采集的多对双轴角度数据视为平面点云，利用选权迭代法对其进行稳健估计，以获取单次观测周期中倾角传感器数据的最佳估值及其协方差阵，并利用最小二乘配置方法推导了棱镜与倾角传感器数据融合的严密解算模型。以上方法通过增加倾角传感器提供的观测信息，将棱镜个数减少到了2个，降低了三棱镜测量不同步的误差，但该方法仍然需要使用2个棱镜，而 且并未解决这2个棱镜在掘进机掘进时所带来的不同步误差。
图 3 双棱镜和倾角传感器融合系统
另一个是预测算法。针对棱镜测量不同步以及系统随机噪声和观测噪声造成的误差，黄俊杰等[13]提出了基于卡尔曼滤波的棱镜坐标预测算法，以掘进机平滑运动为前提建立状态方程，先对棱镜坐标进行预测以提高精度，再用预测后的结果进行掘进机位姿求解。该方法将多个不同时刻测量的棱镜坐标通过预测统一到同一个时刻，从而减小棱镜坐标测量不同步对测量精度的影响，但该方法仅通过棱镜坐标观测值进行预测，未有效利用掘进机的油缸行程等有效信息。
多棱镜法的工程应用始于20世纪90年代测量机器人全站仪的工程应用，德国PPS公司研制了PPS-TBM4多棱镜导向系统，日本ENZAN公司研制了ROBTEC多棱镜导向系统，可以通过若干个棱镜和倾角传感器实现对掘进机位姿的测量，如图4所示。国内广州地铁设计研究院在2006年开发的“金地掘进导向系统”[14]在广州地铁盾构工程进行了应用，上海城建集团市政二公司在2007年开发了“雄鹰盾构姿态导向系统”[15]并在上海地铁隧道进行了应用，铁建重工、力信、米度等企业也开发了棱镜式导向系统并进行了应用。其中，铁建重工采用目标识别算法对棱镜进行区分识别，减小了棱镜的设计复杂度，降低了系统发生故障的风险。
图 4 PPS和 ENZAN 的多棱镜系统
实践应用表明，多棱镜法具有结构简单、抗振性好等优势，但也存在占用测量通道加大、棱镜坐标测量不同步等问题。此外，多棱镜法应用时要求全站仪和棱镜之间不能有任何遮挡物，且全站仪作为测量基准需要保持稳定，然而隧道中人员、粉尘、水雾等环境因素均会占用测量通道，遮挡全站仪视线，管片浮动、围岩收敛等环境因素会移动全站仪的位置， 这些都会导致测量失效。因此，目前多棱镜法一般用于敞开式TBM等测量通道较大、振动较强的掘进机上，或在盾构机上作为复核方案使用。
2.3 激光靶法掘进机导向定位技术
激光靶法掘进机导向定位技术是通过测量安装在掘进机上的激光靶的坐标和姿态角进行掘进机位姿求解[16]，主要由全站仪、激光靶、后视棱镜、通信控制箱和导向系统软件组成，如图5所示。
图 5 激光靶法
激光靶法的步骤为：始发前在掘进机上安装激光靶，并标定出激光靶、掘进机切口中心和盾尾中心在掘进机坐标系下的位姿；在掘进过程中，全站仪测量激光靶的三维坐标，激光靶测量3个姿态角；由于 掘进过程中激光靶与掘进机的相对位姿关系不会发生改变，因此通过坐标转换算法可以计算切口和盾尾中心的坐标；最后结合隧道设计轴线数据，可以计算出掘进偏差，从而指导司机纠偏。激光靶法与多棱镜法的步骤类似，主要区别是将用于测量坐标的棱镜改变为了既可以测量坐标又可以测量姿态角的激光靶，这样在施工时，仅需测量1个目标就可以完成掘进机位姿的计算。
激光靶作为激光靶法的核心部件一直是该方法的研究重点。通过全站仪测量激光靶上的棱镜获取坐标，通过倾角传感器测量获取俯仰角和滚动角。 德国TACS公司、英国ZED公司、德国VMT公司的激光靶采用了基于图像识别的双屏幕检测方式，在激光靶内部前后分别设计了2个屏幕，并用2个相机分别拍摄这2 个屏幕上的光斑，通过识别光斑在屏幕 上的位置换算激光的入射角，进而计算方位角，为保证角度的计算精度，屏幕之间的距离需要足够远，因此激光靶的尺寸一般较大，如图6所示。
图 6 双屏幕检测激光靶
华中科技大学朱国力教授带领的课题组在973项目“全断面大型掘进装备设计制造中的基础科学问题 ”的支持下，研究了基于面阵列CCD的激光角度测量电子标靶[17]。这种激光靶由角锥棱镜、薄透镜、CCD相机组成，通过在角锥棱镜后方开1个小孔 让激光既可以反射一部分回全站仪用于坐标测量， 也可以穿透一部分到棱镜的后方，如图7所示。棱镜后方安装1个薄透镜，薄透镜后方安装1个CCD相机，穿透棱镜的激光经过薄透镜后聚焦在CCD相机的焦平面上。由于全站仪发射的激光可以看作是平行光线，因此当激光垂直入射棱镜时CCD相机上 的光斑应该位于CCD中心，当激光存在入射角时CCD相机上的光斑会发生相应的偏离，这样通过图像识别光斑的偏移量，就可以计算出激光入射角的变化，从而计算出方位角。这种激光靶尺寸小、精度高，占用测量通视空间小，有利于在掘进机上安装， 得到了广泛的应用，如图8所示。
注：1.ATR 激光；2. 棱镜；3. 小孔光阑；4. 滤光片；5. 工业相机 镜头；6. 相机；7. 双轴倾角仪
图 7 单相机激光靶
图 8 VMT 的 SLS-T 激光靶系统
孟祥瑞等[18]分析指出激光靶法误差主要是环境光干扰引起的光斑误差和振动引起的倾角传感器测量误差。针对相机受环境光干扰产生的误差，杨文辉等[19]提出了光斑中心提取的优化算法。陈慧等[20]提出了无衍射光的解决方案，通过将入射光调制成环栅状的无衍射光，提高光斑中心提取的精度。针对倾角传感器受振动影响而产生的误差，潘明华等[21]利用准直激光、单轴倾角传感器和 CCD 摄像机 构建了俯仰角组合测量系统来提高俯仰角测量的精度，实现了俯仰角的高精度组合测量，但仍未解决滚转角测量受振动影响而产生的误差。张春草等[22]提出了将陀螺仪和倾角仪组合并通过扩展卡尔曼融合滤波估计的方式来进行TBM的姿态角测量，通过倾角仪和陀螺仪的实时互相校正，提高其测量可靠性和稳定性，这一方法需要额外增加陀螺仪，导致成本增加，并且需要解决引入陀螺仪带来的漂移误差。
激光靶法的工程应用始于20世纪90年代，德国TACS公司、英国ZED公司、德国VMT公司率先展开了激光靶法工程应用[23]。国内华中科技大学和上海隧道工程公司采用进口激光靶开发了自主导向系统，并应用在上海地铁2号线。2012年华中科技大学和铁建重工联合开发了国产激光靶导向系统，并在长沙地铁2号线取得工程应用，现在已经成为掘进机施工时的主流方案。
2.4 惯性导航法掘进机导向定位技术
惯性导航技术最早起源于在航空、航天、航海等军事领域的应用，从平台式惯导系统逐渐发展为捷联式惯导系统，捷联式惯导的尺寸、重量、成本均大幅减少，获得了广泛的应用[24]。
惯性导航法掘进机导向定位技术是通过安装在掘进机上的惯性测量单元进行掘进机位姿求解的方法，主要由惯性测量单元和导向系统软件组成，如图9所示。惯性测量单元是惯性导航法中最重要的测量仪器，由三轴陀螺仪和三轴加速度传感器组成，当掘进机运动时，陀螺仪和加速度传感器可以测量出角加速度和运动加速度值，通过积分可以得到角速度、 运动速度、角度、位置等信息。惯性导航法的优点是 不依赖外部信息、不需要测量通道、可以实现自主导航；缺点是存在误差发散问题，在应用中采用需要其他测量手段对误差进行修正[25]。
图 9 惯性导航系统
针对积分导致的累积误差问题，潘国荣等[26,27]提 出将惯性测量单元测量的姿态角与掘进机推进油缸的行程组合，计算掘进机的实时位置和姿态，避免加速度积分带来的距离误差。
日本KEIKI公司、德国VMT公司、德国PPS公司等先后开发了惯性导航定位产品。2020年，国内由铁建重工研制的掘进机惯性导航定位系统在天津中石油天然气管廊工程中成功应用，突破了国外的技术垄断。
2.5 推进油缸并联机构正解导向定位技术
推进油缸并联机构正解导向定位技术是通过推进油缸行程计算掘进机位姿的测量方法。掘进机通常有多根推进油缸，如图10所示，一般通过4组分区进行控制，因此可以将推进系统看作油缸伸长方向与掘进机轴线平行的并联机构。根据运动学原理，可以采用并联机构模拟推进系统，将管片视为静平台，盾体视为动平台，推进油缸视为支链。通过对掘进机进行并联机构建模，建立并联机构正解算法，实现掘进机位姿的求解[28]。
图 10 推进油缸并联机构正解法
油缸行程传感器通常采用预埋在推进油缸中的磁致伸缩行程传感器，具有不易受振动、粉尘等环境干扰的优势。在实际应用中，因并联机构正解法是以管片为基准进行掘进机位姿解算，其假设前提是管片在掘进过程中始终处于稳定状态。但是在掘进时，管片会受到推力的反作用力、盾尾注浆的压力、管片自重等的影响，导致管片浮动。管片浮动会导致并联机构正解法的假设前提失效，从而导致测量失效[29]，因此本方法需与其他导向定位方法组合使用。
2.6 计算机视觉法掘进机导向定位技术
计算机视觉法掘进机导向定位技术是通过安装在掘进上的视觉测量单元进行掘进机位姿测量的方法[30]由光学特征点、相机、通信控制箱和导向系统软件组成，如图11所示。计算机视觉法的测量原理：始发前在掘进机上安装光学特征点及相机，并标定出光学特征点、相机与前后盾中心之间的相对位姿关系；掘进过程中，相机实时采集光学特征点的图像，通过图像中识别光学特征点的位置，并且与始发前标定的位置进行比较，得出前盾和后盾的相对位置关系，从而实现掘进机盾体间位姿的非接触式测量[31,32]。
图 11 计算机视觉法
Yang 等[33]设计了单目视觉和激光靶标相结合的双护盾硬岩隧道掘进机导向系统，利用单目视觉测量前后盾体的相对位姿，再结合激光靶和全站仪，实现了掘进机位姿的两级传导测量。但是光学特征点所需空间很大，在一些小直径的盾体内，空间受限，难以安装光学特征点。贺泊宁[34]设计了一种双护盾位置检测装置，把相机和双轴倾角传感器集成到感光靶内，感光靶接收激光器发射的光斑，解决了空间不足的问题，如图12所示。
图 12 计算机视觉导向系统
计算机视觉法掘进机导向定位技术主要适用于顶管机或多节盾体间的位姿测量。德国VMT最先开发了视觉位姿测量系统，国内由铁建重工研制的双护盾TBM导向系统于2019年在青岛地铁4号线首次应用，突破了国外的技术垄断。实践应用表明，盾体内粉尘很大，本方法容易受到粉尘干扰[35]。
3 存在的问题
掘进机导向定位的精度直接影响到掘进机的工作效率和安全性，随着智能化技术的不断发展，掘进机导向定位的精度要求也越来越高，高精度的掘进机导向定位测量精度必须能够达到毫米级别。前文所述的多棱镜法、激光靶法、惯性导航法等各种单一测量方法有各自的优缺点和适应条件，见表1。
现有掘进机导向系统应用中面临着以下问题：
（1）环境干扰
掘进机施工过程中常常存在如粉尘、渗水、管片拼装、焊接作业等环境干扰，当出现这些情况时，多棱镜法和激光靶法等基于光学原理的测量方法会出现无数据或者数据跳动的故障；管片浮动会导致推进油缸并联机构正解法测量失效。
（2）硬件故障
多棱镜法中的全站仪，激光靶法中的相机、倾角传感器，惯性测量单元中的陀螺、加速度传感器，推进油缸行程传感器等硬件故障会导致掘进机位姿测量无数据的故障；基于惯性导航原理的位姿测量系统存在长期运行时的误差发散问题。
全站仪搬站坐标设置错误、惯性导航系统对准参数设置错误、油缸安装尺寸设置错误等人为操作错误会导致测量故障。
（3）操作错误
全站仪搬站坐标设置错误、惯性导航系统对准参数设置错误、油缸安装尺寸设置错误等人为操作错误会导致测量故障。
（4）设备变形
现有的导向定位技术是建立在掘进机的结构是刚体不发生变形的基础上的，对于土压平衡盾构机、 泥水平衡盾构机、单护盾岩石隧道掘进机、双护盾岩 石隧道掘进机而言，盾体长度较短，盾体内部无变形，结构满足这一条件。但是敞开式岩石隧道掘进机的主梁较长，撑靴和主梁也是连接的，受力时主梁存在一定变形，通过在主梁上安装激光靶测得的姿态角不能反映完整的主梁姿态，存在一定的模型误差。
4 结论与展望
本文对掘进机的高精度导向定位技术的研究应用现状进行了总结分析，经过导航理论、计算机、机器人等技术的发展，国内外掘进机导向定位技术已经取得巨大成果，并在实际工程中取得了推广应用，支持了国家重大工程建设。在应用过程中，应针对不同掘进机应用场景选择合适的导向技术。针对现有掘进机导向系统应用中面临的问题，未来的研究可以从以下方面进行改进和完善：
（1）多源信息融合导航定位
针对单一测量方法存在的问题，通过对多个同类或异类传感器的分析、协同及有机融合，可以在最大程度上克服单一传感器可能存在的缺陷[36]，主要从多源信息融合处理方法和架构设计，传感器单元之间信息分配方法，融合滤波算法等方面开展研究。
（2）设备变形误差补偿
针对敞开式岩石隧道掘进机，可就主梁变形下的测量补偿方法开展研究，提高姿态测量精度。
（3）智能掘进纠偏曲线
在实际工程中掘进机与隧道设计轴线偏差较小时，掘进机司机仍然按照隧道设计线路掘进。但是当掘进机与隧道设计轴线偏差较大时，掘进机司机需要重新规划纠偏曲线进行纠偏。随着智能化的发展，需要智能掘进系统代替人工进行掘进纠偏，可以从纠偏曲线的设计方法方面开展研究，为智能掘进提供指导。