雷鵬

（1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設(shè)計院，天津 300456；3.天津市水運工程測繪技術(shù)重點實驗室，天津 300456）

0 引言

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)定性差五大技術(shù)難點，是目前為止世界上技術(shù)難度最大的建設(shè)工程之一[1]。深中通道沉管隧道東段管節(jié)在預(yù)制完成后，需要浮運至指定位置坐底寄放，管節(jié)寄放區(qū)基礎(chǔ)處理是關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)[2-3]。此前在附近區(qū)域采用類似工藝的港珠澳大橋沉管隧道項目中，基床整平采用的“津平一號”是國內(nèi)首創(chuàng)、港珠澳大橋島隧工程獨有的平臺式拋石整平船。該整平船插樁就位在設(shè)計位置后，其主體部分位于水面以上，控制水下整平高程的拋石管與RTKGPS設(shè)備剛性連接，較易獲取用于指導(dǎo)水下整平施工的高精度高程數(shù)據(jù)，具有高程數(shù)據(jù)獲取直接的優(yōu)點，可以實現(xiàn)水深10耀50 m范圍內(nèi)碎石鋪設(shè)整平，在工程中取得了良好的應(yīng)用效果[4-5]，但相應(yīng)的裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

深中通道沉管隧道東段管節(jié)寄放區(qū)整平施工采用完全水下作業(yè)模式的水下整平機，該作業(yè)模式具有建造成本低、作業(yè)效率高等優(yōu)勢，但由于沒有剛性出水結(jié)構(gòu)，無法直接使用RTKGPS高程，高程精度控制更加困難[6-7]。以壓力傳感器為核心的柔性高程傳遞技術(shù)，能夠基于分別安裝在驗潮站水下控制點和整平機的壓力傳感器實時水壓力差，將水下控制點高程遠(yuǎn)程傳遞至整平機上的壓力傳感器。但該方法涉及的傳感器數(shù)量多，數(shù)據(jù)融合復(fù)雜，且整平施工現(xiàn)場對數(shù)據(jù)實時展示和整平數(shù)據(jù)管理都有較高要求，為此研發(fā)了深中通道管節(jié)寄放區(qū)整平施工輔助決策系統(tǒng)（以下簡稱輔助決策系統(tǒng)）。文章介紹了整平施工測控技術(shù)方案，剖析了輔助決策系統(tǒng)架構(gòu)和主要功能模塊，并給出了在深中通道管節(jié)寄放區(qū)整平施工中的實際應(yīng)用案例。

1 測控技術(shù)方案

深中通道管節(jié)寄放區(qū)整平施工測控系統(tǒng)主要包括：平面定位、整平機水下高程監(jiān)測和輔助決策系統(tǒng)3部分。

1）平面定位

平面定位系統(tǒng)用于獲取整平機在水下的平面位置及姿態(tài)，以引導(dǎo)整平機至設(shè)計位置精確就位，并監(jiān)測其在鋪石過程中的水平位置偏移，以保證整平機始終位于設(shè)計整平范圍內(nèi)。為了適應(yīng)整平機的完全水下作業(yè)模式，整平機水下實時平面坐標(biāo)通過安裝在整平機上的4個水下聲學(xué)定位信標(biāo)獲取。

2）整平機水下高程監(jiān)測

水下監(jiān)測系統(tǒng)包括安裝在整平機上的4個壓力傳感器，以及安裝在移動料斗上的測深儀和聲速計。壓力傳感器是系統(tǒng)實現(xiàn)柔性高程傳遞的核心（圖1），測深儀則用于在料斗移動過程中監(jiān)測整平后的基槽高程，實現(xiàn)整平質(zhì)量檢測。上述各設(shè)備的輸出數(shù)據(jù)均通過網(wǎng)絡(luò)實時傳輸至整平作業(yè)指揮室中的整平施工輔助決策系統(tǒng)軟件，進(jìn)行集中處理分析[8]。

圖1 基于壓力傳感器的柔性高程傳遞方法Fig.1 Flexible elevation transference method based on pressure sensor

3）輔助決策系統(tǒng)

輔助決策系統(tǒng)在常規(guī)海洋工程施工導(dǎo)航定位功能基礎(chǔ)上，進(jìn)一步針對實時水下高程數(shù)據(jù)這一核心，融合壓力傳感器、水下聲學(xué)定位信標(biāo)、傾斜儀和測深儀等設(shè)備數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)管理的處理流程，以二維平面電子地圖、三維虛擬場景、動態(tài)數(shù)據(jù)曲線等多種手段將整平施工關(guān)鍵參數(shù)直觀地呈現(xiàn)給現(xiàn)場指揮和操作人員。

2 輔助決策系統(tǒng)研發(fā)

輔助決策系統(tǒng)采用C#面向?qū)ο箝_發(fā)語言，系統(tǒng)中所涉及的船舶、整平機及各個設(shè)備等多個要素具有典型的面向?qū)ο筇卣?，系統(tǒng)應(yīng)用面向?qū)ο笏枷朐O(shè)計整個系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，抽象得到具有不同屬性和行為的“類”，使系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加清晰合理[9]。同時通過廣泛應(yīng)用設(shè)計模式，系統(tǒng)具有更強的代碼可讀性，更加清晰的設(shè)計思路，以及更強的可擴展性，方便未來伴隨需求的增加擴充功能[10]。系統(tǒng)用戶界面基于微軟新一代圖形系統(tǒng)WPF技術(shù)開發(fā)實現(xiàn)，WPF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[11]。系統(tǒng)在開發(fā)過程中，充分運用了WPF技術(shù)中的數(shù)據(jù)綁定、屬性依賴等技術(shù)特征，有效提升了用戶體驗。

輔助決策系統(tǒng)按照功能可以劃分為常規(guī)導(dǎo)航定位、整平參數(shù)設(shè)計與就位、整平施工監(jiān)測和整平數(shù)據(jù)組織管理4個模塊，各個模塊之間的交互關(guān)系如圖2所示。

圖2 輔助決策系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Module structure diagram of the decision support system

2.1 常規(guī)導(dǎo)航定位部分

整平施工作業(yè)區(qū)域按照精確設(shè)計的整平幅進(jìn)行逐幅精細(xì)化整平施工，整平施工船及整平機的實時精確位置是指導(dǎo)現(xiàn)場施工的重要信息，常規(guī)導(dǎo)航定位是系統(tǒng)針對這一需求的基礎(chǔ)功能模塊，用于引導(dǎo)現(xiàn)場指揮人員將整平機放置在設(shè)計位置以及整平過程中整平施工船、整平機等目標(biāo)的平面位置監(jiān)控。

系統(tǒng)基于WPF技術(shù)中的圖形繪制接口，通過WPF技術(shù)的動畫、依賴屬性等最新特性，從底層實現(xiàn)了輕量級電子地圖引擎，支持多種地理信息交換格式數(shù)據(jù)的讀寫，通過工作區(qū)-地圖集-圖層等概念對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分層管理，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(zhì)量渲染，以及地理信息應(yīng)用中常規(guī)的地圖漫游、空間查詢、屬性查詢等功能，實現(xiàn)了生動高效的圖形展示和方便快捷的地圖操作[12-13]。系統(tǒng)內(nèi)置AutoCAD的DXF數(shù)據(jù)、GeoTIFF柵格影像等常用文件格式的支持，方便用戶在整平施工過程中及時將整平設(shè)計位置、高程異常點、三維地形暈渲影像等不同類型的數(shù)據(jù)集成進(jìn)來，為整個系統(tǒng)的實現(xiàn)提供空間數(shù)據(jù)展現(xiàn)基礎(chǔ)。

為了實現(xiàn)整平現(xiàn)場整平施工船和整平機的實時精確定位，需要在各個目標(biāo)上安裝GNSS、姿態(tài)傳感器、水下聲學(xué)定位信標(biāo)等多種設(shè)備，以實時獲得目標(biāo)的精確位置、姿態(tài)等信息。系統(tǒng)的硬件設(shè)備管理模塊實時接入硬件設(shè)備，根據(jù)接入設(shè)備的不同類型，按照其指定的數(shù)據(jù)格式從原始數(shù)據(jù)中解析出絕對地理坐標(biāo)、相對坐標(biāo)、姿態(tài)角度等信息，并融合計算出用于整平機位置監(jiān)測的各項指標(biāo)。

2.2 整平參數(shù)設(shè)計與就位

整平參數(shù)設(shè)計需要結(jié)合整平幅位置坐標(biāo)、艏向、傾斜角度、尺寸、整平壟數(shù)量等信息綜合考慮。系統(tǒng)采用AutoCAD中DXF文件的形式，借助AutoCAD強大的圖文編輯功能適應(yīng)靈活多變的設(shè)計參數(shù)需求。同時在電子地圖的支持下，以鼠標(biāo)點選等友好的人機交互方式實現(xiàn)可視化整平設(shè)計。設(shè)計參數(shù)保存在自定義的.GSDesign文件中供后續(xù)調(diào)用。

整平機就位時，需要將整平機精確導(dǎo)引至設(shè)計文件中的設(shè)計位置，在滿足系統(tǒng)的水平定位精度要求后，緩慢坐底，開始整平作業(yè)。在粗略就位階段，系統(tǒng)結(jié)合整平機實時位置和設(shè)計位置的坐標(biāo)差值及各個錨纜拉力值，通過控制整平施工船上的絞錨機實時調(diào)整各個錨點的纜繩長度，逐步將整平機穩(wěn)定絞移至設(shè)計位置。就位過程中，系統(tǒng)將整平機四角距離設(shè)計位置的偏移分解至“右舷-艏向”船體坐標(biāo)系，并以指向箭頭的形式繪制在電子地圖中整平機對應(yīng)位置，方便現(xiàn)場指揮人員判斷整平機當(dāng)前位置與設(shè)計位置的關(guān)系。

在精細(xì)就位階段，整平施工船錨定在設(shè)計位置后，整平機開始下沉坐底。由于海底地形復(fù)雜，為了防止坐底過程中整平機橫梁與地形發(fā)生直接磕碰，系統(tǒng)在預(yù)先導(dǎo)入的多波束測深系統(tǒng)掃測數(shù)據(jù)支持下，繪制整平機4個剖面的剖面線，直觀地反映出液壓樁腿、整平機橫梁與地形的相互關(guān)系（見圖3）。

圖3 精細(xì)就位階段整平機各個剖面的就位剖面窗口Fig.3 Positioning window of leveling machine's profiles during its fine positioning

2.3 整平作業(yè)監(jiān)測

整平作業(yè)監(jiān)測是系統(tǒng)的核心，輔助決策系統(tǒng)融合水下聲學(xué)定位信標(biāo)、傾斜儀、測深儀和壓力傳感器等設(shè)備數(shù)據(jù)，獲取整平機的位置姿態(tài)、特別是高程等關(guān)鍵整平施工輔助決策信息，并以用戶易于理解的形式實時提供給現(xiàn)場施工人員。

整平機上的料斗口同時具備刮刀的功能，決定最終整平高程，其位置及高程是整平施工現(xiàn)場的關(guān)注重點。整平作業(yè)監(jiān)測中的數(shù)據(jù)融合功能根據(jù)現(xiàn)場各個設(shè)備的輸出內(nèi)容、校準(zhǔn)參數(shù)及其安裝位置進(jìn)行多個步驟的融合計算，實現(xiàn)“整平施工船-整平機-料斗口”的三維坐標(biāo)傳遞。系統(tǒng)中水下聲學(xué)定位信標(biāo)和壓力傳感器容易受到水深、海況、水密度等外部因素影響[14]，其工作狀態(tài)往往不夠穩(wěn)定，為了在寶貴的整平施工窗口期提供不間斷整平監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中提供了整平機定位要素（平面位置、高程及3個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度）的多個數(shù)據(jù)來源進(jìn)行冗余設(shè)備備份。

整平作業(yè)監(jiān)測模塊主窗口包括整平高程柵格圖、剖面圖和曲線圖3個部分，能夠從多個角度展現(xiàn)監(jiān)測過程中整平機的位置姿態(tài)，以及料斗口高程和設(shè)計高程的相對關(guān)系。

1）整平高程柵格圖：輔助決策系統(tǒng)將整平區(qū)域抽象為整平柵格圖，根據(jù)料斗在整平區(qū)域內(nèi)的當(dāng)前相對位置將料斗映射至柵格圖坐標(biāo)系中，并按照預(yù)設(shè)的顏色表，將當(dāng)前料斗口高程與設(shè)計高程的差值填充柵格圖中對應(yīng)的區(qū)域（圖4）。伴隨整平過程中料斗口逐壟行進(jìn)，柵格圖中也逐壟填充顏色，從而直觀地反映出實際整平高程和設(shè)計高程的差值（即該幅整平施工質(zhì)量）。同時在柵格圖中按照各個液壓樁腿的分布在對應(yīng)位置顯示各個液壓樁腿的伸長量、需要調(diào)整的距離等關(guān)鍵信息，使整平過程中用戶感興趣的各項參數(shù)在整平柵格圖中得到集中展示。

圖4 整平作業(yè)監(jiān)測主界面Fig.4 Main window for leveling operation monitoring

2）剖面圖：剖面圖中的主體是從4個角度觀察得到的整平機剖面，根據(jù)對應(yīng)方向的整平機傾斜角度，在剖面視圖中旋轉(zhuǎn)，展示對應(yīng)觀察角度整平機的姿態(tài)信息。同時，在剖面附屬的2個液壓樁腿的對應(yīng)位置顯示液壓樁腿伸長量、需要調(diào)整的距離等關(guān)鍵信息，從而為現(xiàn)場操作人員提供更加易于理解的操作提示。

3）曲線圖：曲線圖的橫軸表示當(dāng)前整平壟上各點到整平壟起始端的距離，縱軸表示高程。在曲線圖中繪制了設(shè)計高程曲線，及根據(jù)高程精度限差繪制的指示曲線。在整平過程中，系統(tǒng)根據(jù)料斗口高程實時更新料斗口高程動態(tài)曲線，從而反映出其與設(shè)計高程的相互關(guān)系及整平質(zhì)量。

2.4 整平數(shù)據(jù)管理

整平數(shù)據(jù)包含了最終的整平高程等施工關(guān)鍵信息，對于質(zhì)量管理、分析都具有重要價值，需要進(jìn)行有機組織管理以進(jìn)一步深入利用。文件系統(tǒng)相比較于常用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫具有操作方便的優(yōu)點，更適合當(dāng)前類型的工程需要，整平施工中的監(jiān)測成果以及各個傳感器的原始數(shù)據(jù)都以數(shù)據(jù)文件的形式被完整保存。

整平監(jiān)測數(shù)據(jù)文件自動以“當(dāng)前整平幅名稱+日期時間”的形式進(jìn)行命名，后綴名為.GSSurvey，包含文件頭和文件體兩部分。文件頭記錄了工程坐標(biāo)系參數(shù)、文件存儲路徑、記錄開始時間、設(shè)備名稱及偏移、工程項目備注信息等元數(shù)據(jù)；文件體則按照“整平幅-整平壟-采樣點”的結(jié)構(gòu)，每一個整平壟對應(yīng)一行數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)行中順序存儲該壟各個采樣點的監(jiān)測高程，實現(xiàn)對整平結(jié)果的質(zhì)量檢查、超限點個數(shù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)統(tǒng)計等工作。針對傳感器原始數(shù)據(jù)，輔助決策系統(tǒng)則按照“傳感器編號-時間戳-原始數(shù)據(jù)”的方式制定組織和存儲策略，設(shè)計了后綴為.GSRaw的二進(jìn)制文件格式，按照時間戳信息記錄各個設(shè)備的坐標(biāo)、壓力、高度等原始數(shù)據(jù)，并可通過系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)回放功能，在現(xiàn)場作業(yè)結(jié)束后回放整平施工過程，實現(xiàn)整平作業(yè)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效管理和充分利用。

系統(tǒng)中的整平數(shù)據(jù)按整平幅組織，在整平數(shù)據(jù)管理窗口中，當(dāng)前項目的整平數(shù)據(jù)集中在左側(cè)列表框中。選中某整平幅的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會自動調(diào)取詳細(xì)整平監(jiān)測數(shù)據(jù)并在右側(cè)顯示柵格影像及曲線圖。柵格影像用于表達(dá)整平區(qū)域的條帶狀連續(xù)整平高程信息[15]，輔助決策系統(tǒng)根據(jù)各個整平幅監(jiān)測數(shù)據(jù)生成GeoTIFF柵格影像，將整平施工時的平面位置記錄在對應(yīng)的.tfw文件中，用顏色表示整平實測高程和設(shè)計高程的差值，并顯示在電子地圖的背景底圖中，實現(xiàn)基于地理信息技術(shù)的整平監(jiān)測數(shù)據(jù)平面位置、整平高程質(zhì)量的關(guān)聯(lián)集中顯示，直觀的圖形化展示整平施工質(zhì)量。

3 輔助決策系統(tǒng)應(yīng)用

2020年7月和11月，輔助決策系統(tǒng)分別在深中通道E32、E31管節(jié)寄放區(qū)整平作業(yè)中得到應(yīng)用。在整平前，使用輔助決策系統(tǒng)中的整平參數(shù)設(shè)計模塊準(zhǔn)備整平區(qū)域內(nèi)各幅整平設(shè)計文件；測量人員使用全站儀獲取各個設(shè)備的精確安裝和校準(zhǔn)參數(shù)，輔助決策系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上，融合計算出整平機位置、水下料斗口實時高程等關(guān)鍵參數(shù)，指導(dǎo)現(xiàn)場操作人員完成寄放區(qū)基礎(chǔ)整平工作；整平施工結(jié)束后，輔助決策系統(tǒng)匯總各幅的整平質(zhì)量，統(tǒng)計各整平幅中偏離設(shè)計高程的采樣點三維坐標(biāo)，為后續(xù)施工環(huán)節(jié)提供參考。期間先后完成110余幅整平作業(yè)，輔助決策系統(tǒng)各個模塊的功能性、可靠性得到全面檢驗。

4 結(jié)語

1）輔助決策系統(tǒng)滿足了深中通道管節(jié)寄放區(qū)水下整平施工過程中的位置數(shù)據(jù)，特別是高精度高程數(shù)據(jù)監(jiān)測需求，已在深中通道寄放區(qū)整平中發(fā)揮重要作用。文章剖析了其系統(tǒng)架構(gòu)和主要功能模塊，并介紹了適應(yīng)完全水下整平作業(yè)模式的柔性高程傳遞技術(shù)。

2）應(yīng)用結(jié)果表明，輔助決策系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)融合計算方法高效正確，剖面、柵格、曲線、文本相結(jié)合的豐富數(shù)據(jù)展現(xiàn)方式能夠充分展示實時監(jiān)測高程和設(shè)計高程的相對關(guān)系，數(shù)據(jù)組織管理科學(xué)合理，適應(yīng)當(dāng)前精細(xì)化施工發(fā)展趨勢，滿足整平施工應(yīng)用需求。

3）后續(xù)可以和水下液壓控制系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)輔助決策系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)的聯(lián)動，進(jìn)一步提高水下整平施工現(xiàn)場的自動化水平。