方長遠(yuǎn)，趙建虎

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300；2.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079）

廣州洲頭咀隧道位于廣州西南部白鵝潭南端約800m處的珠江主航道上，西接荔灣區(qū)芳村花地大道，與芳村大道相交后下穿珠江，東聯(lián)海珠區(qū)內(nèi)環(huán)路的洪德路立交，與規(guī)劃的T13路相接。工程全長約3.25 km，是連接海珠與荔灣區(qū)芳村之間的交通要塞。洲頭咀隧道主線過江段將采用雙向六車道，設(shè)計(jì)車速50 km/h，隧道兩端為便于車輛上岸雙向多設(shè)一個(gè)匝道即雙向八車道。隧道主體采用沉管，水下安裝沉管每節(jié)管段高9.68m、長85m、寬度31.4m，重達(dá)2.5萬t，管節(jié)對(duì)接要求精度5 cm，沉放對(duì)接作業(yè)難度大，測(cè)量定位精度要求高。

洲頭咀項(xiàng)目管節(jié)沉放對(duì)接均在水下完成，其測(cè)量與陸地上傳統(tǒng)方法具有較大差異，再加上管節(jié)沉放，尤其是對(duì)接，要求精度較高，施工定位難度相對(duì)較大，給精確沉放和對(duì)接定位帶來了挑戰(zhàn)[1-2]。管節(jié)沉放對(duì)接雖在國內(nèi)已有成功案例，但多采用單一測(cè)量塔全站儀法，缺少有效的校驗(yàn)方法或措施[3-4]。特別是在沉管發(fā)生傾斜時(shí)，定位誤差較大；此外，傳統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理采用人工準(zhǔn)實(shí)時(shí)計(jì)算，用對(duì)講機(jī)通報(bào)管節(jié)狀態(tài)，自動(dòng)化程度低，計(jì)算結(jié)果人為誤差影響大，影響了管節(jié)沉放對(duì)接的精度、可靠性和效率。為此，本文針對(duì)廣州洲頭咀管節(jié)沉放對(duì)接的高精度、高可靠性以及自動(dòng)化需要，研制了精密測(cè)量定位系統(tǒng)，以滿足工程施工要求。

1 組合定位系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)管節(jié)沉放對(duì)接測(cè)量的高精度、高可靠性及自動(dòng)化，設(shè)計(jì)了由測(cè)量塔、全站儀、GPS、光纖羅經(jīng)、傾斜儀、通訊系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)形成的組合定位系統(tǒng)。

在岸邊控制點(diǎn)上，根據(jù)通視情況，分別架設(shè)2臺(tái)全站儀；此外在另一控制點(diǎn)上架設(shè)GPS參考站。GPS流動(dòng)臺(tái)和棱鏡分別固定在待沉管前、后測(cè)量塔頂上；借助極坐標(biāo)法，利用全站儀測(cè)量棱鏡的實(shí)時(shí)三維位置；利用RTK定位技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流動(dòng)臺(tái)GPS天線位置三維位置；前后測(cè)量塔正下方、沉管內(nèi)安裝光纖羅經(jīng)，監(jiān)測(cè)管節(jié)的實(shí)時(shí)姿態(tài)；測(cè)量塔上安裝傾斜儀，監(jiān)測(cè)管節(jié)在水下的實(shí)時(shí)形變。

整個(gè)系統(tǒng)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到指揮中心，中心計(jì)算機(jī)根據(jù)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)施數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行管節(jié)狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示。每個(gè)測(cè)量塔上配置2套電臺(tái)，1臺(tái)用于流動(dòng)站GPSRTK三維坐標(biāo)的發(fā)送，另1臺(tái)用于姿態(tài)傳感器和傾斜儀實(shí)時(shí)姿態(tài)參數(shù)的發(fā)送；在岸上，每臺(tái)測(cè)量機(jī)器上各配置1套電臺(tái)，負(fù)責(zé)棱鏡的實(shí)時(shí)三維定位坐標(biāo)發(fā)送。監(jiān)控中心配置1套電臺(tái)，負(fù)責(zé)野外各發(fā)射單元觀測(cè)數(shù)據(jù)的接收以及傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

2 測(cè)量定位數(shù)據(jù)處理

1）管節(jié)坐標(biāo)系定義及各特征點(diǎn)在管節(jié)坐標(biāo)系下坐標(biāo)測(cè)定

為建立管節(jié)各控制點(diǎn)及設(shè)備之間的相互關(guān)系和確定其在工程坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，需要建立管節(jié)坐標(biāo)系[5]。將沉管中心軸線對(duì)接面控制點(diǎn)o定義為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿中央縱向指向?qū)用娣较驗(yàn)閤軸，過原點(diǎn)與x軸正交定義為y軸，過原點(diǎn)與xoy面正交垂直向上為z軸。

完成管節(jié)坐標(biāo)系定義后，采用自由設(shè)站法測(cè)定GPS天線、棱鏡、管節(jié)上各控制點(diǎn)在管節(jié)坐標(biāo)系下坐標(biāo)，為后續(xù)各控制點(diǎn)工程坐標(biāo)計(jì)算及對(duì)接參數(shù)計(jì)算服務(wù)。

2）數(shù)據(jù)預(yù)處理及質(zhì)量控制

獲得了原始的全站儀觀測(cè)邊、角信息及GPS天線位置信息后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和質(zhì)量控制，確保點(diǎn)位計(jì)算正確。由于管節(jié)沉放過程緩慢，可認(rèn)為短時(shí)間內(nèi)測(cè)量的邊、角具有相對(duì)較好的一致性，因此可借助3σ原則對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制。RTK解則采用Kalman濾波實(shí)施質(zhì)量控制。消除了異常觀測(cè)后，由于RTK直接給出了GPS天線的位置，無需再做處理；而全站儀觀測(cè)數(shù)據(jù)則需預(yù)處理，以給出棱鏡的三維坐標(biāo)（x，y，H）。式中：x0，y0，H0為控制點(diǎn)三維坐標(biāo)；θ為方位角；δ為垂直角；D為平距，需根據(jù)斜距S計(jì)算得到。

3）歸位計(jì)算

RTK和全站儀測(cè)量，盡管獲得了GPS天線和棱鏡中心位置，但一則由于不是對(duì)接位置，需要轉(zhuǎn)換才能獲得對(duì)接點(diǎn)坐標(biāo)，無法直接用于指導(dǎo)作業(yè)；二則受管節(jié)姿態(tài)影響，簡單的平移轉(zhuǎn)換不能得到準(zhǔn)確的對(duì)接點(diǎn)坐標(biāo)。為此需結(jié)合姿態(tài)、各設(shè)備和控制點(diǎn)在管節(jié)坐標(biāo)系下坐標(biāo)，通過歸位計(jì)算，最終獲得對(duì)接點(diǎn)坐標(biāo)。以棱鏡為對(duì)象，若其理想管節(jié)坐標(biāo)系下坐標(biāo)為（x0，y0，z0），受姿態(tài)影響，其瞬時(shí)坐標(biāo)為（x，y，z）L，結(jié)合棱鏡的工程坐標(biāo)系下坐標(biāo)（X，Y，Z）L，則對(duì)接點(diǎn)P工程坐標(biāo)系下坐標(biāo)（X，Y，Z）L-P為：

式中：p為縱滾角pitch；r為橫滾角roll；R（p）為由縱滾角構(gòu)成的3×3旋轉(zhuǎn)矩陣；R（r）為由橫滾角構(gòu)成的 3×3旋轉(zhuǎn)矩陣；（x，y，z）P為對(duì)接點(diǎn)在管節(jié)坐標(biāo)系下坐標(biāo)；h為管節(jié)軸向方位。

類似地，基于測(cè)量塔上RTK三維解，也可得到對(duì)接點(diǎn)在工程坐標(biāo)系下坐標(biāo)（X，Y，Z）GPS-P。

4）定位結(jié)果檢校和融合

對(duì)于P點(diǎn)，存在源于棱鏡、RTK兩個(gè)定位解，為P點(diǎn)最終解提供了不同數(shù)據(jù)源和檢核條件。P點(diǎn)定位信息的可靠性可借助兩套定位解較差結(jié)果的統(tǒng)計(jì)特征來判斷。

Δ為限差，可根據(jù)RTK的定位精度和全站儀定位精度綜合給出。若前者定位精度為±6.0 cm，后者為±1.0 cm，則Δ為±6.1 cm。當(dāng)兩套定位解不一致時(shí)，則需分析異常原因，異?？筛鶕?jù)前一個(gè)時(shí)刻正確定位解結(jié)合管節(jié)運(yùn)動(dòng)速度綜合判斷。兩套定位數(shù)據(jù)一致時(shí)，則P點(diǎn)最終定位解可借助加權(quán)平均來獲得：

式中：w為總權(quán)重；wL-P和wGPS-P分別為棱鏡歸位計(jì)算所得位置的權(quán)重?？紤]定位精度，實(shí)際定權(quán)中wL-P和wGPS-P分別定義為0.7和0.3。

5）對(duì)接參數(shù)及對(duì)接條件判斷

對(duì)接參數(shù)主要包括平移量（ΔX，ΔY，ΔZ）和旋轉(zhuǎn)量 ΔA。平移量（ΔX， ΔY， ΔZ）可根據(jù)待沉管、已沉管上對(duì)應(yīng)對(duì)接點(diǎn)P和P′的工程坐標(biāo)（X，Y，H）P、（X，Y，H）P′差來計(jì)算；ΔA則可根據(jù)光纖羅經(jīng)提供的待沉管實(shí)時(shí)方位A與已沉管方位（設(shè)計(jì)方位）A′差來計(jì)算。

圖1 無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Wireless communication system structure

根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)指導(dǎo)待沉管移動(dòng)，若均小于設(shè)定限差，則認(rèn)為待沉管和已沉管實(shí)現(xiàn)很好對(duì)接。

3 通訊系統(tǒng)研制

為實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取，設(shè)計(jì)了由6個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的無線通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（圖1）。由于系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)相對(duì)較少，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星形結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)1～5為坐標(biāo)采集節(jié)點(diǎn)，5個(gè)節(jié)點(diǎn)分別由GPS（2個(gè)）、全站儀（2個(gè)）和姿態(tài)傳感器（1個(gè)）采集坐標(biāo)信息傳給控制器，由采集器對(duì)GGA坐標(biāo)進(jìn)行處理后通過無線模塊發(fā)送給中心。中心節(jié)點(diǎn)連接操作中心，將無線模塊收到的數(shù)據(jù)由控制器傳輸給終端電腦。

本系統(tǒng)無線節(jié)點(diǎn)分為坐標(biāo)采集節(jié)點(diǎn)和控制中心節(jié)點(diǎn)。坐標(biāo)采集節(jié)點(diǎn)主要完成觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)返回給操作中心。控制中心節(jié)點(diǎn)主要完成接收各采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并返回給操作中心，同時(shí)對(duì)各采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。各節(jié)點(diǎn)都由4個(gè)模塊構(gòu)成。其中坐標(biāo)采集節(jié)點(diǎn)由GPS/全站儀/MRU、控制器、無線模塊以及電源模塊構(gòu)成?？刂浦行墓?jié)點(diǎn)由電腦、控制器、無線模塊和電源模塊構(gòu)成。GPS/全站儀/MRU模塊負(fù)責(zé)采集各節(jié)點(diǎn)所在位置的坐標(biāo)，控制器模塊接收GPS/全站儀/MRU或無線模塊傳輸來的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；無線模塊通過無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；電源模塊為節(jié)點(diǎn)各模塊供電；電腦為終端設(shè)備，接收控制中心采集到的GPS/全站儀/MRU信息，并通過軟件將各點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)時(shí)表示出來。

4 軟件系統(tǒng)研制

為滿足工程對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)提取、存儲(chǔ)、處理、呈現(xiàn)和回放等功能要求，基于軟件工程，設(shè)計(jì)了沉管安裝測(cè)量定位軟件系統(tǒng)。首先開展了需求分析，認(rèn)為軟件需具備測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、定位數(shù)據(jù)的處理、待沉管和已沉管當(dāng)前狀態(tài)的呈現(xiàn)以及歷史回放、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)各類觀測(cè)數(shù)據(jù)以及信息發(fā)布的功能。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)融合及定位結(jié)果計(jì)算和輸出、動(dòng)態(tài)圖示、文本信息顯示、提示及預(yù)警機(jī)制、數(shù)據(jù)管理和回放、數(shù)據(jù)發(fā)布和幫助9個(gè)功能模塊。軟件框架如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Integrated design of the software system

軟件采用C++語言編寫，在Microsoft Windows XP操作系統(tǒng)中用Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)開發(fā)，共有7個(gè)功能區(qū)，包括菜單區(qū)、工具條區(qū)、實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示區(qū)、實(shí)時(shí)沉管位置姿態(tài)顯示區(qū)、主要角點(diǎn)位置信息顯示區(qū)、可編輯信息顯示區(qū)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)設(shè)備狀態(tài)顯示區(qū)。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管節(jié)沉放過程，精確安置管節(jié)于指定位置，在每個(gè)管節(jié)上安裝與水深相適應(yīng)高度的觀測(cè)塔，為使沉管平衡并使觀測(cè)塔間距盡量大，在沉管的兩端分別安裝觀測(cè)塔A和B，并在各觀測(cè)塔上分別固定1個(gè)棱鏡和1臺(tái)GPS，在其中1個(gè)觀測(cè)塔上安置傾斜儀。測(cè)量塔及棱鏡、GPS天線如圖3所示。

圖3 測(cè)量塔及棱鏡、GPS天線Fig.3 Measuring tower，prism and GPS antenna

沉放過程中，無線電臺(tái)實(shí)時(shí)接收不同位置的棱鏡坐標(biāo)、GPS天線坐標(biāo)、姿態(tài)參數(shù)、方位參數(shù)以及傾斜儀參數(shù)，并借助研制的軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算對(duì)接點(diǎn)坐標(biāo)、呈現(xiàn)管節(jié)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并通知指揮人員實(shí)時(shí)調(diào)整管節(jié)沉放作業(yè)。圖4軟件給出了管節(jié)實(shí)時(shí)位置和狀態(tài)參數(shù)以及與已沉管間關(guān)系。

圖4 軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控界面Fig.4 Software real-time monitoring interface

根據(jù)記錄的測(cè)量塔上GPS和棱鏡觀測(cè)數(shù)據(jù)，圖5給出了管節(jié)沉放和對(duì)接全軌跡。

圖5 A塔GPS1平面和垂直運(yùn)動(dòng)變化過程曲線Fig.5 Change process curve of planar motion and vertical motion of GPS1 in Tower A

從以上過程曲線可以看出，在整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中，RTK定位連續(xù)，除個(gè)別數(shù)據(jù)異常外，其他觀測(cè)數(shù)據(jù)均正常。全站儀定位精度較高，但由于中間吊車的晃動(dòng)、移位，出現(xiàn)了部分異?；蛘咧袛啵钥烧_呈現(xiàn)管節(jié)在不同時(shí)刻平面和垂直方向的實(shí)際運(yùn)動(dòng)。

結(jié)合上述觀測(cè)數(shù)據(jù)、各設(shè)備在管節(jié)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，分別計(jì)算得到了用于對(duì)接的管節(jié)上4個(gè)對(duì)接點(diǎn)坐標(biāo)，并將之與設(shè)計(jì)坐標(biāo)比較。

對(duì)各控制點(diǎn)時(shí)序定位數(shù)據(jù)濾波，消除了原始觀測(cè)數(shù)據(jù)中的異常，最終成果正確地反映了不同時(shí)期管節(jié)4個(gè)角點(diǎn)位置的變化。利用管節(jié)對(duì)接后4個(gè)角點(diǎn)實(shí)時(shí)定位坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)的偏移量、貫通測(cè)量成果，最終給出了組合系統(tǒng)定位精度（表1）。

表1 測(cè)量定位精度Table 1 Measurement precision

可以看出，最終的對(duì)接定位精度平面最大為3.0 cm，最小為1.0 cm；垂直方向最大偏差為3.0 cm，最小為2.0 cm。表明研究給出的數(shù)據(jù)處理方法正確，軟件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

6 結(jié)語

廣州洲頭咀項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用效果表明，研制的精密組合測(cè)量定位系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，研究給出的數(shù)據(jù)綜合處理方法正確，滿足了洲頭咀沉管隧道施工的精度要求，很好地服務(wù)了工程實(shí)施。研究成果對(duì)類似工程應(yīng)用具有借鑒作用。

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