張彥昌

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津市水運(yùn)工程測(cè)繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

2016年8月31日，南昌紅谷隧道最后一節(jié)沉管成功對(duì)接，標(biāo)志著我國(guó)最深的跨江河沉管隧道水下沉放全部完成，實(shí)現(xiàn)了贛江紅谷灘和對(duì)岸老城區(qū)的通途跨越。整個(gè)過(guò)程的導(dǎo)航定位測(cè)量工作包括沉管的浮運(yùn)、安放和對(duì)接定位。歷時(shí)1年零4個(gè)月，完成12節(jié)沉管對(duì)接施工[1]。本項(xiàng)目中首次成功應(yīng)用了完全為我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全景智能化水上水下導(dǎo)航定位技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了全程三維可視化、智能化的高精度導(dǎo)航定位。大大提高了工作效率，節(jié)約了成本。本工程規(guī)模宏大，定位導(dǎo)航應(yīng)用了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，解決了工程中三維坐標(biāo)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換、協(xié)同定位、信息互聯(lián)等諸多難點(diǎn)[1]，本文將就該項(xiàng)目中沉管浮運(yùn)、對(duì)接的導(dǎo)航定位部分做一基本介紹，以闡述這些難點(diǎn)及創(chuàng)新，因鑒于篇幅所限和專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，本文不做詳細(xì)的技術(shù)論證和分析。

1 項(xiàng)目概況

南昌紅谷隧道座落在南昌，位于南昌大橋、八一大橋之間，主線全長(zhǎng)約2 650 m，其中過(guò)江段總長(zhǎng)1 329 m，采用水下沉管技術(shù)施工。分為12節(jié)管節(jié)，每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)度115 m、高度8.3 m、寬度30 m、重量約2.8萬(wàn)t。是國(guó)內(nèi)內(nèi)河規(guī)模最大、管節(jié)浮運(yùn)距離最長(zhǎng)的沉管隧道工程。沉管頂面水深在12～20 m，施工沉放中，除測(cè)量塔外，其他部分都將沒(méi)入水下。所以本項(xiàng)目屬于深水沉管對(duì)接。

沉管采用現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制，預(yù)制廠位于隧址上游約9 km處。每預(yù)制一節(jié)后，浮運(yùn)至隧址，然后完成對(duì)接。浮運(yùn)前需要專(zhuān)門(mén)開(kāi)挖航槽。在沉管浮運(yùn)對(duì)接過(guò)程中，測(cè)量組負(fù)責(zé)所有的沉管浮運(yùn)定位、對(duì)接定位、航道水深測(cè)量、水文測(cè)量等工作。采用了全站儀、RTK、慣導(dǎo)、多波束、姿態(tài)儀、ADCP、無(wú)線網(wǎng)橋、無(wú)線電等設(shè)備，通過(guò)自主研發(fā)的定位軟件，將數(shù)據(jù)完美結(jié)合在一起。在項(xiàng)目中我們開(kāi)發(fā)和利用了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，研制開(kāi)發(fā)了針對(duì)該類(lèi)工程需求的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工控要求。下面按照浮運(yùn)和對(duì)接兩部分介紹。

2 沉管浮運(yùn)

預(yù)制廠位于隧址上游約9 km處，從預(yù)制廠浮運(yùn)至隧址需要通過(guò)三座大橋：生米大橋、朝陽(yáng)大橋、南昌大橋，橋面寬度約30～40 m(見(jiàn)圖1和圖2)。浮運(yùn)前需要開(kāi)挖專(zhuān)門(mén)的航道。浮運(yùn)中由5～6艘拖輪前后左右拖運(yùn)(如圖3)。為了節(jié)約成本，浮運(yùn)航道開(kāi)挖較窄，所以浮運(yùn)過(guò)程中需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)路線行駛導(dǎo)航，尤其是通過(guò)南昌大橋時(shí)，橋孔最大寬度62 m，通過(guò)時(shí)，兩側(cè)最大富余寬度僅6.9 m(圖4)。航行一旦出現(xiàn)偏差，碰上橋墩后果嚴(yán)重。所以項(xiàng)目對(duì)浮運(yùn)過(guò)程中導(dǎo)航定位提出了很高的技術(shù)要求[2]：

圖1 浮運(yùn)航道平面圖Fig.1 Waterway for float transport

(1)平面定位優(yōu)于0.2 m，艏向精度優(yōu)于0.1°[3]。

(2)對(duì)全部拖船及沉管同時(shí)顯示真實(shí)位置，相互可見(jiàn)，全部導(dǎo)航信息圖形集中傳輸?shù)娇刂剖?主船駕駛室)內(nèi)，統(tǒng)一指揮。

(3)實(shí)時(shí)顯示沉管、水下地形、航道邊線、大橋等輔助信息。

(4)實(shí)時(shí)顯示沉管及各拖輪的航向、航速、艏向，警示距離等必要的信息。

就沉管浮運(yùn)，本次導(dǎo)航定位系統(tǒng)采用了以下關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新成果：

圖2 紅谷隧道隧址 圖3 沉管浮運(yùn)拖輪編隊(duì)圖 Fig.2 Address of Nanchang Honggu tunnelFig.3 Floating tug formation

(1)自主研制了專(zhuān)門(mén)的多源數(shù)據(jù)的水上水下導(dǎo)航定位軟件(沉管浮運(yùn)模塊)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守局域網(wǎng)多船互操作和廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)[3]?；诠I(yè)無(wú)線網(wǎng)橋和專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的客戶端軟件的軟硬件配合，通過(guò)自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和信息信道，實(shí)現(xiàn)了多船的測(cè)量數(shù)據(jù)共享和指揮命令協(xié)同。并通過(guò)端口映射技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了多船、多通道、多元導(dǎo)航信息的集控顯示和控制，便于現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)一指揮，并實(shí)時(shí)記錄和回放，如圖5。

(2)GPS-RTK羅經(jīng)與光纖羅經(jīng)并用，監(jiān)測(cè)每一個(gè)拖船及沉管的艏向方位，用于計(jì)算和顯示每一條駁船及浮運(yùn)沉管的真實(shí)位置輪廓。

(3)采用了慣導(dǎo)技術(shù)。由于拖船的速度很慢，尤其在通過(guò)大橋時(shí)，速度1～2節(jié)。這樣GPS進(jìn)入橋下方時(shí)會(huì)被遮擋收不到衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)入盲區(qū)。此時(shí)需要切換到另一種定位模式——慣性導(dǎo)航。再通過(guò)軟件中的卡爾曼濾波技術(shù)，保證航跡的連續(xù)和很高的精度。直至完全通過(guò)大橋后再切換至GPS模式[3](圖4)。

(4)軟件中，將航槽、水深、地形、水流、潮位、大橋等信息全部顯示在屏幕上，為決策者提供足夠的導(dǎo)航信息。并提供了危險(xiǎn)距離預(yù)警機(jī)制。

3 沉管對(duì)接定位

深水大型水下沉管對(duì)接定位技術(shù)目前是世界性難題。水下對(duì)接就是將在裝的沉管和前一節(jié)已裝的沉管對(duì)接面完全對(duì)接起來(lái)，并保證沉管的縱傾、橫傾，中軸線、立軸線對(duì)齊，完全符合設(shè)計(jì)要求[4-5]。本次對(duì)接的精度要求在3.5 cm之內(nèi)。在水下受到非穩(wěn)態(tài)水流等作用下，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)重達(dá)2.8萬(wàn)t，長(zhǎng)110 m的龐然大物的精準(zhǔn)對(duì)接更是難上加難。本項(xiàng)目在沒(méi)有水下攝像設(shè)備、沒(méi)有水下觀測(cè)墩、水下控制點(diǎn)的條件下，實(shí)現(xiàn)了水下完全的“盲目對(duì)接”。項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)利用了以下關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)：

(1)測(cè)量設(shè)備時(shí)間同步、空間標(biāo)定及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)撓曲形變修正。

①針對(duì)因設(shè)備分布式測(cè)量和軟件集中計(jì)算的矛盾所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間延遲問(wèn)題，研究并實(shí)現(xiàn)了基于PPS(Pulse Per Second)的時(shí)間延遲同步改正，在標(biāo)定各設(shè)備延遲參數(shù)后，根據(jù)標(biāo)定延遲值修正各數(shù)據(jù)項(xiàng)的時(shí)間戳至格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，建立數(shù)據(jù)隊(duì)列，保證計(jì)算模型中各個(gè)參數(shù)在時(shí)間維度上完整有效。

②研究并實(shí)現(xiàn)了設(shè)備在干塢靜止?fàn)顟B(tài)下和動(dòng)態(tài)浮動(dòng)狀態(tài)下的標(biāo)定技術(shù)，將常規(guī)基于全站儀直接觀測(cè)的靜態(tài)設(shè)備標(biāo)定方法，發(fā)展為基于激光測(cè)距的空間交會(huì)法，并利用最小二乘法進(jìn)行平差計(jì)算保證標(biāo)定參數(shù)精度，消除了管段運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響，適應(yīng)在管段運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的設(shè)備標(biāo)定，解決了動(dòng)態(tài)環(huán)境下的高精度設(shè)備校準(zhǔn)的難題。

③針對(duì)設(shè)備校準(zhǔn)初始值在風(fēng)浪流等外力作用下發(fā)生撓曲形變而失真的問(wèn)題，利用激光垂直照準(zhǔn)技術(shù)對(duì)校準(zhǔn)值進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)修正，建立了測(cè)量體系中不同設(shè)備的補(bǔ)償模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)量塔撓度的實(shí)時(shí)糾正，提高了沉管對(duì)接定位精度。該方法將惡劣環(huán)境下的對(duì)接定位精度提高至0.02 m，擴(kuò)大了測(cè)量塔定位模式的應(yīng)用范圍[5]。

(2)研發(fā)了國(guó)內(nèi)首個(gè)專(zhuān)用于內(nèi)河大規(guī)模沉管隧道施工、滿足浮拖及對(duì)接全過(guò)程需求的綜合輔助決策系統(tǒng)—全景智能化水上水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在軟件功能、數(shù)據(jù)組織、顯示效果等多個(gè)方面均優(yōu)于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有軟件系統(tǒng)，場(chǎng)景全要素回放和無(wú)人值守局域網(wǎng)多船互操作均為利用最新技術(shù)針對(duì)新問(wèn)題的解決方案，為國(guó)內(nèi)外同行業(yè)首次實(shí)現(xiàn)。

①研究并實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守局域網(wǎng)多船互操作和廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)?；诠I(yè)無(wú)線網(wǎng)橋和專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的客戶端軟件的軟硬件配合，通過(guò)自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和消息信道，實(shí)現(xiàn)了多船的測(cè)量數(shù)據(jù)共享和指揮命令協(xié)同。并通過(guò)端口映射技術(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的融合，并研發(fā)了系統(tǒng)中沉管管段測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分發(fā)廣播，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量，多處實(shí)時(shí)直播監(jiān)控。

②針對(duì)系統(tǒng)中測(cè)量設(shè)備多、更新頻率快和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求高的問(wèn)題，研究并實(shí)現(xiàn)了高頻并發(fā)數(shù)據(jù)的分布處理技術(shù)，適應(yīng)多核CPU進(jìn)行優(yōu)化的調(diào)度算法將數(shù)據(jù)路由至多個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)處理模塊，充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)計(jì)算能力，在完成解算后再同步至數(shù)據(jù)更新模塊。

③研發(fā)了基于時(shí)間戳數(shù)據(jù)組織方式的施工場(chǎng)景回放技術(shù)，更好的分析事故原因，演練施工方案。在接收到完整數(shù)據(jù)項(xiàng)并進(jìn)行延遲改正后，記錄包含時(shí)間戳的數(shù)據(jù)至原始數(shù)據(jù)文件中，在場(chǎng)景回放時(shí)，根據(jù)時(shí)間戳信息載入數(shù)據(jù)至對(duì)應(yīng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)包括沉管歷史位置和姿態(tài)等內(nèi)容的全要素場(chǎng)景回溯。

④基于自主研發(fā)的WPF技術(shù)下輕量級(jí)電子地圖引擎和托管環(huán)境下三維渲染引擎，實(shí)現(xiàn)了二維平面和三維立體同步，多屏幕、多視角的施工場(chǎng)景展示，更加直觀高效的展示實(shí)時(shí)沉管施工情景[6](圖6)。

6-a 管段拖航船隊(duì)指揮協(xié)作 6-b 多視角對(duì)接輔助測(cè)控模塊 6-c 應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)情景圖6 沉管隧道施工輔助決策系統(tǒng)Fig.6 Auxiliary decision-making system for immersed tube tunnel

4 全景智能化沉管對(duì)接定位的基本原理[7]

沉管，是最終要沉入江(海)底的管段，施工中必須全部沒(méi)入水中(圖7和圖8)。對(duì)于較小規(guī)模、水深較淺的跨江隧道沉管，施工中可以采用全站儀直接定位的方法完成對(duì)接。其對(duì)接定位可以不顧及沉管的縱橫搖和運(yùn)動(dòng)，看作是靜態(tài)定位；而對(duì)于深水大型沉管則必須采用更加復(fù)雜的動(dòng)態(tài)定位技術(shù)。鑒于水下聲學(xué)定位技術(shù)精度不高，且受到噪聲、濁度、以及聲波反射、繞射、多路徑等影響，定位無(wú)法滿足高精度施工要求。故采用以水面RTK定位為基本位置數(shù)據(jù)源，同時(shí)采用姿態(tài)儀、羅經(jīng)實(shí)時(shí)測(cè)定縱橫搖及艏向。通過(guò)數(shù)據(jù)融合完成沉管對(duì)接定位。RTK及光纖姿態(tài)儀的精度是保障沉管最終對(duì)接精度達(dá)到厘米級(jí)的基礎(chǔ)[8]。

圖7 吊裝測(cè)量塔 圖8 沉放過(guò)程中Fig.7 Hoisting measuring tower Fig.8 Being submerged into water

測(cè)量塔是沉管入水后唯一露出水面的部分。測(cè)量塔上安裝RTK-GPS，是定位的初始位置數(shù)據(jù)源，另外沉管內(nèi)部的姿態(tài)儀、電羅經(jīng)等設(shè)備同時(shí)測(cè)得沉管姿態(tài)和方位。沉管的建模過(guò)程是獲得沉管本身尺寸和獨(dú)立坐標(biāo)的過(guò)程。通過(guò)對(duì)上述多組數(shù)據(jù)的融合處理和計(jì)算，就可以獲得沉管水下個(gè)角點(diǎn)的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)，并顯示。系統(tǒng)的基本組成如下：

測(cè)量塔+RTK +姿態(tài)儀(羅經(jīng))+撓度系統(tǒng)+QC控制系統(tǒng)+三維顯示系統(tǒng)+三維地形場(chǎng)景。

三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換改正數(shù)學(xué)模型如下[7]：

設(shè)X為沉管上某點(diǎn)的沉管坐標(biāo)，X′為其相應(yīng)的地理坐標(biāo)[9]，

根據(jù)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，則：X′=RZ·Ry·Rx·X

其中：

顧及坐標(biāo)原點(diǎn)的平移，則：X′=Rz·Ry·Rx·(X-X0)+XP

式中：X0=(x0，y0,z0)T為GPS天線位置在沉管坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；XP=(xp，yp，hp)T為GPS天線位置在地理坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，即RTK實(shí)測(cè)坐標(biāo)值；X為管段上特征點(diǎn)在沉管坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；X′為上述特征點(diǎn)的最終地理坐標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于RTK-GPS+測(cè)量塔的水下沉管對(duì)接技術(shù)適用于較深水的海底及跨江隧道沉管建設(shè)。該技術(shù)屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，在南昌紅谷隧道、香港沙中隧道等項(xiàng)目中得到了成功的應(yīng)用。其主要優(yōu)點(diǎn)是，工作效率高，對(duì)接精度高，而且設(shè)備成本大大降低。采用了高精度姿態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)[10]，克服了全站儀作業(yè)距離近、無(wú)法顧及沉管縱橫搖的缺點(diǎn)。其中實(shí)現(xiàn)了許多的創(chuàng)新技術(shù)，包括三維實(shí)時(shí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及可視化技術(shù)，數(shù)據(jù)全程記錄和回放技術(shù)，還有遠(yuǎn)端多終端實(shí)時(shí)同步播放技術(shù)等等。在浮運(yùn)階段，高精度的導(dǎo)航定位技術(shù)在項(xiàng)目中起了重要作用。該技術(shù)在目前的沉管隧道建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景，并越來(lái)越多地被許多施工單位認(rèn)可。