雷 鵬，王方正，張彥昌

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設計院有限公司，天津 300456；3.天津市水運工程測繪技術重點實驗室，天津 300456)

深中通道項目沉管段具有超寬、變寬、深埋、回於量大、挖砂坑區(qū)域地層穩(wěn)定性差等五大技術難點，是世界技術難度最大的建設工程之一[1]。其最大管節(jié)長度可達165 m，寬度可達60 m，重約7萬t，且管節(jié)自身不具有動力，在浮運安裝過程中操控性較差，在珠江口復雜水流的作用下易出現(xiàn)失控乃至擱淺等事故，因此需要多艘工作拖輪嚴格按照設計方案相互協(xié)同作業(yè)以實現(xiàn)管節(jié)的安全浮運[2-3]。劉兆權等[4]開發(fā)了港珠澳大橋島隧工程浮運操作指揮系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用RTKGPS進行管節(jié)定位定向，沒有集成管節(jié)三維姿態(tài)數(shù)據(jù)及全站儀定位數(shù)據(jù)以提高定位精度和系統(tǒng)可靠性；系統(tǒng)的展示形式較單一，僅通過二維平面電子海圖展示現(xiàn)場施工態(tài)勢。需要針對深中通道管節(jié)浮運測控技術方案開展進一步研究，滿足管節(jié)浮運過程中的現(xiàn)場指揮需求。

1 系統(tǒng)架構

深中通道管節(jié)浮運指揮系統(tǒng)(以下簡稱指揮系統(tǒng))集成GNSS、地理信息等技術，在管節(jié)、工作拖輪上安裝的GNSS、姿態(tài)傳感器、壓力傳感器等定位設備的基礎上，通過現(xiàn)場管節(jié)定位設備的組織管理和數(shù)據(jù)融合計算，得到管節(jié)關鍵特征點實時三維坐標，實時計算管節(jié)上關鍵特征點的距離、角度、速度等決策參數(shù)，并發(fā)揮地理信息可視化技術特點，以二維平面、三維立體多個角度展示沉管隧道現(xiàn)場施工態(tài)勢，為管節(jié)施工、工作拖輪的指揮調度提供信息化的輔助決策手段，取得了良好的應用效果。指揮系統(tǒng)采用Visual Studio 2017集成開發(fā)環(huán)境和C#語言開發(fā)。系統(tǒng)中所涉及的管節(jié)、工作拖輪及各個設備等要素具有典型的面向對象特征，系統(tǒng)應用面向對象思想設計整個系統(tǒng)的內部結構，抽象得到具有不同屬性和行為的“類”，使系統(tǒng)的內部結構更加清晰合理。同時通過在指揮系統(tǒng)的設計中廣泛應用設計模式，使系統(tǒng)具有更強的代碼可讀性，更加清晰的設計思路，同時也具備更強的可擴展性，方便未來伴隨需求的增加擴充功能[5-6]。

系統(tǒng)用戶界面基于WPF技術開發(fā)實現(xiàn)，WPF是微軟新一代圖形系統(tǒng)，運行在.NET Framework 3.0及以上版本下，為用戶界面、2D/3D圖形、文檔和媒體提供了統(tǒng)一的描述和操作方法。系統(tǒng)在開發(fā)過程中充分運用了WPF技術中的數(shù)據(jù)綁定、屬性依賴等諸多先進可靠的技術特征，有效提升了用戶體驗。

系統(tǒng)在邏輯上劃分為硬件設備管理、數(shù)據(jù)融合計算、二維電子地圖平面顯示、三維場景顯示等模塊，各模塊之間的交互關系見圖1。

圖1 指揮系統(tǒng)中各模塊關系圖

1.1 硬件設備管理

為實現(xiàn)管節(jié)精確定位，系統(tǒng)需要接入GNSS、姿態(tài)傳感器、全站儀、壓力傳感器等眾多定位設備數(shù)據(jù)。

其中，GNSS是用于管節(jié)定位的核心設備，在深中通道CORS系統(tǒng)支持下，其平面定位精度優(yōu)于1 cm，通過安裝于管節(jié)艏艉的兩個RTKGPS，結合各自精確標定的安裝坐標，可以計算出管節(jié)的實時精確艏向；姿態(tài)傳感器通過和管節(jié)剛性安裝，能夠實時獲取管節(jié)三維姿態(tài)，系統(tǒng)使用的Octans是唯一通過IMO認證的測量級陀螺羅經(jīng)運動傳感器，其航向精度可達±0.2°，縱傾和橫傾精度可達±0.01°；全站儀獨立于GNSS通過光學手段獲取管節(jié)上棱鏡的三維坐標，其測量精度尤其是高程精度一般優(yōu)于GNSS，在通過無線電實時傳輸至指揮系統(tǒng)后，可以與GNSS互相實時校核；壓力傳感器則獨立于姿態(tài)傳感器，通過水壓力差值計算管節(jié)姿態(tài)以作為姿態(tài)傳感器設備的補充[7]。

以上各個設備的連接方式、連接參數(shù)、數(shù)據(jù)格式、校準參數(shù)等均不相同，設備管理模塊將各個設備抽象成虛擬的設備類，各個設備對象具有相應的屬性特征，并通過ORM(Object Relational Mapping，對象關系映射)映射的方式將各個對象保存在數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)設備配置信息的存取。設備管理模塊還負責根據(jù)設備的不同類型[8]，按照其指定的數(shù)據(jù)格式從原始數(shù)據(jù)中解析得到坐標、衛(wèi)星數(shù)、姿態(tài)角度等信息，供后續(xù)數(shù)據(jù)融合計算模塊根據(jù)管節(jié)定位設備組合進一步分析計算。

1.2 數(shù)據(jù)融合計算

沉管管節(jié)的角點、艏艉底部中心點等關鍵特征點在系統(tǒng)中以管節(jié)坐標系中的坐標提供，而管節(jié)設計數(shù)據(jù)則以施工坐標提供，為了計算特征點距離設計位置的平面距離、高程差值等關鍵參數(shù)，則需要通過數(shù)據(jù)融合計算模塊按照坐標系層次結構分級實現(xiàn)關鍵特征點由管節(jié)局部坐標系至世界地理坐標系的轉換。

在三維空間中，坐標系的轉換公式如下

(1)

式中：Rε(x)、Rε(y)、Rε(z)分別是坐標系繞X軸、Y軸、Z軸的旋轉矩陣，而X′、Y′、Z′則是兩個坐標系原點之間的空間位移[9-10]。數(shù)據(jù)融合模塊根據(jù)各個設備解析得到的空間坐標、姿態(tài)旋轉角度等數(shù)據(jù)，結合設備的安裝位置和改正參數(shù)，計算對應的坐標變換矩陣(圖2)。

圖2 數(shù)據(jù)融合模塊中層次結構坐標轉換關系

在層次結構支持下，獲取任意一個節(jié)點的坐標轉換關系，只需將其父節(jié)點至根節(jié)點之間的各個節(jié)點的轉換關系逐層累計，即可獲取該節(jié)點在WGS84坐標系下的世界坐標。實際應用證明，通過層次狀結構，能夠有效表達真實世界的坐標轉換，方便沉管在世界坐標系和管節(jié)局部坐標系之間的轉換，實現(xiàn)“GNSS-管節(jié)-特征點”的坐標傳遞。由于系統(tǒng)中層次關系較多，計算的特征點也較多，所以數(shù)據(jù)融合計算模塊的計算量大。為了提高計算效率，系統(tǒng)在后臺線程中完成數(shù)據(jù)融合計算后再同步至用戶界面，從而減少交互操作遲滯感，改善用戶體驗。

1.3 二維平面和三維場景顯示模塊

顯示模塊負責以圖形化的形式將核心計算模塊的計算結果呈現(xiàn)在用戶界面上。平面電子地圖是系統(tǒng)的核心，現(xiàn)場施工場景，管節(jié)設計位置、沉管隧道中心線、周邊水深地形等施工相關要素，以及作業(yè)船舶、管節(jié)等各個動態(tài)目標的實時狀況均在電子地圖中進行渲染呈現(xiàn)。系統(tǒng)基于WPF技術中的圖形繪接口，從底層實現(xiàn)了輕量級電子地圖組件，支持DXF(AutoDesk)、Shp(ArcGIS)等格式數(shù)據(jù)文件的讀寫，并通過工作區(qū)-地圖集-圖層概念對空間數(shù)據(jù)進層次結構管理，在空間索引的支持下實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)集的高效率、高質量渲染，以及地理信息應用中常規(guī)的地圖漫游、空間查詢、屬性查詢等功能[10]，為整個系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了基礎支撐。在沉管隧道管節(jié)施工過程中，現(xiàn)場工程技術人員會根據(jù)需要臨時將設計數(shù)據(jù)、指示導引數(shù)據(jù)等加載至底圖中，供施工指揮人員參考，由于數(shù)據(jù)文件來源不一，內部坐標系各不相同，為此電子地圖組件增加了即時(on-the-fly)坐標轉換模式，方便了施工現(xiàn)場操作。

系統(tǒng)進一步利用三維可視化技術，將沉管隧道施工過程中所涉及的管節(jié)、工作拖輪等動態(tài)目標以及海底地形等靜態(tài)目標實時顯示在三維場景中，直觀展現(xiàn)各個目標之間的相對關系，解決沉管隧道施工過程中無法直接觀察水下目標的問題，真實反映現(xiàn)場實時作業(yè)態(tài)勢，為現(xiàn)場作業(yè)指揮人員提供輔助決策信息。作業(yè)前需要準備好系統(tǒng)中各個要素的三維模型，其中管節(jié)、工作拖輪的三維模型通過第三方建模軟件建立標準的三維模型文件。三維地形模型則使用地形模型構建工具在建立不規(guī)則三角網(wǎng)后自動生成。沉管隧道施工過程中，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)融合模塊的計算結果，應用各個目標的仿射變換矩陣自動實時更新三維場景中各個要素，實現(xiàn)動態(tài)場景展示(圖3)。

圖3 管節(jié)浮運典型三維場景

2 關鍵技術

2.1 定位精度實時評估

深中通道項目建設規(guī)模大、社會影響大，相應其管節(jié)浮運及沉放對接的精度要求更高，為了保證定位精度及系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)中用于提供管節(jié)定位要素的設備數(shù)據(jù)源存在適當冗余(表1)。在施工過程中，由于附件大型結構物遮擋、電離層異常及近岸無線電干擾等因素，各個設備的數(shù)據(jù)質量均可能受到不同程度的影響[11]。系統(tǒng)研發(fā)了能夠實時分析數(shù)據(jù)源質量參數(shù)的管節(jié)定位質量評估技術，實現(xiàn)定位設備組合自適應調整。

表1 管節(jié)浮運過程中定位數(shù)據(jù)源

(1)建立不同種類設備的歸一化精度評估指標，通過基線距離、位移速度、角速度、水壓力等多個指標監(jiān)測設備的測量精度、更新頻率等工作狀況。將各個設備輸出的坐標、角度、距離、速度、加速度等具有不同的量綱和數(shù)量級的物理量，轉化為統(tǒng)一的空間位移，用于后續(xù)進一步定位設備組合精度評估。

(2)預先設立多個為管節(jié)定位提供完整定位要素(平面位置、高程、艏向、縱傾、橫傾)的定位設備組合方案，系統(tǒng)運行時，在異步后臺線程中按照1Hz的頻率根據(jù)當前工作環(huán)境狀況實時更新各個設備的歸一化精度指標，并進一步計算各個預設定位設備組合方案的綜合精度并分析比對，如果當前組合綜合定位精度低于最優(yōu)組合，則在后臺自動切換至最優(yōu)設備組合，從而使系統(tǒng)能夠自適應施工現(xiàn)場的環(huán)境變化，始終處于最佳工作狀態(tài)，為沉管隧道施工提供連續(xù)無縫的高精度定位服務，避免定位精度降低帶來的潛在施工安全風險。

2.2 網(wǎng)絡化分布式實時導航定位數(shù)據(jù)處理方法

管節(jié)在浮運及對接過程中，需要多艘工作拖輪的協(xié)同拖帶作業(yè)。為了實現(xiàn)管節(jié)和拖輪的實時指揮調度，管節(jié)及各艘拖輪都安裝了多套定位設備，導致系統(tǒng)中測量設備多、更新頻率快和系統(tǒng)實時性要求高。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效處理，系統(tǒng)利用施工現(xiàn)場施工指揮室、各艘拖輪等各個節(jié)點天然的空間分布特性，首先在各個節(jié)點的導航計算機針對高頻并發(fā)定位設備數(shù)據(jù)，充分利用現(xiàn)代計算機計算能力，通過適應多核處理器的數(shù)據(jù)調度算法，將數(shù)據(jù)路由至多個獨立數(shù)據(jù)處理模塊，在完成解算后再同步至數(shù)據(jù)融合模塊。

系統(tǒng)在工業(yè)無線網(wǎng)橋和定制客戶端軟件的軟硬件支持下，通過系統(tǒng)中自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和消息信道，實現(xiàn)了多船船際定位數(shù)據(jù)共享和指揮命令協(xié)同，并結合電子地圖實時可視化指揮調度工作拖輪。基于“本地-遠程”端口映射，借助4G/5G通訊網(wǎng)絡實現(xiàn)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)信息融合，在廣域網(wǎng)中分發(fā)廣播沉管管節(jié)定位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“現(xiàn)場實時測量，遠程多處實時監(jiān)控”，保障施工安全(圖4)。

圖4 基于船際網(wǎng)絡的協(xié)同作業(yè)及可視化工作拖輪指揮調度

2.3 BIM、三維激光掃描儀深度結合集成應用

BIM技術目前已經(jīng)在全球范圍內得到業(yè)界的廣泛認可，能有效解決復雜工程的大數(shù)據(jù)創(chuàng)建、管理和共享應用等問題，通過將BIM引入到沉管隧道的浮運和對接工作中，發(fā)揮BIM設計模型細節(jié)豐富和三維激光掃描儀數(shù)據(jù)幾何信息精確的優(yōu)勢[12-13]，為系統(tǒng)提供高精度三維模型。三維激光掃描技術采用激光測距方式，通過測量管節(jié)表面各點的三維坐標值、反射率及紋理信息等，借助于激光點云算法，快速獲得管節(jié)的三維模型及其線、面、體等各種數(shù)據(jù)，具有方便快捷、精度高、范圍廣等特點，同時能夠提升施工效率和施工質量，便于項目施工管理。沉管管節(jié)高精度幾何參數(shù)直接影響最終對接精度，系統(tǒng)利用三維激光掃描，結合BIM設計資料在點云數(shù)據(jù)拼接后完成了由實體預制管節(jié)到離散點云數(shù)據(jù)的轉換，再通過點云抽稀、特征點提取和拓撲關系建立，實現(xiàn)了可以最終用于指揮系統(tǒng)中沉管隧道施工場景三維可視化的抽象三維模型。該方法減少了重復建模的工作量，避免了由此帶來的數(shù)據(jù)一致性問題，實現(xiàn)了干塢內靜態(tài)管節(jié)的預制完工驗收測量與管節(jié)對接定位的一體化作業(yè)(圖5)。

5-a 離散點云數(shù)據(jù) 5-b 抽象三維模型

3 應用推廣

2020年7月和11月，系統(tǒng)分別在深中通道E32和E31管節(jié)出塢浮運中得到成功應用，系統(tǒng)融合現(xiàn)場用于管節(jié)定位的GNSS、慣導等多種數(shù)據(jù)，在管節(jié)出塢、浮運及坐底就位等各個階段提供了不間斷的高精度定位數(shù)據(jù)，實時計算管節(jié)上外圍輪廓角點、前后底邊中心點等關鍵特征點到干塢邊線、計劃中心線的距離，移動速度、沉放速度等多種決策參數(shù)，并通過電子地圖和三維場景從多個角度以可視化形式展示施工現(xiàn)場態(tài)勢，支撐了項目順利開展，成為現(xiàn)場施工的指揮決策中心，取得了良好應用效果，伴隨深中通道項目的持續(xù)推進，后續(xù)還將繼續(xù)擴大系統(tǒng)應用規(guī)模(圖6)。

圖6 基于WPF的電子地圖引擎呈現(xiàn)的實時管節(jié)浮運施工場景

4 結語

本文針對深中通道管節(jié)浮運中的高精度位置需求，以GNSS定位為核心，結合地理信息技術，通過現(xiàn)場管節(jié)定位設備的組織管理和數(shù)據(jù)融合計算，得到管節(jié)關鍵特征點實時三維坐標，并進一步通過實時精度評估、網(wǎng)絡化分布式實時導航定位數(shù)據(jù)處理方法、BIM模型和三維激光掃描數(shù)據(jù)聯(lián)合應用，實現(xiàn)復雜施工環(huán)境下長時間不間斷高精度位置信息服務、可視化的工作拖輪指揮調度及管節(jié)高精度精細三維模型獲取，解決了沉管隧道施工現(xiàn)場實時態(tài)勢感知，促進了深中通道沉管隧道段的精細化、科學化施工，拓寬了測繪地理信息技術在國家重大工程建設中的應用范圍。后續(xù)可以通過集成壓力、拉力等更多類型的傳感器，引入VR等更先進的技術手段，進一步豐富完善系統(tǒng)功能。