抓斗船精挖計算機測控系統

劉國生，曹湘波，劉烈暉，許向東，張繼潮，韋紀軍

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510300）

0 引言

港珠澳大橋沉管隧道基槽精挖質量驗收指標遠遠超出了現行的疏浚工程和水運工程規范要求，水下46 m的基槽精挖高程控制，直接受“縱向坡型+橫向坡型+潮位+挖泥設備固有誤差+海況擾動”等多種垂直動態變化量影響，呈現出復雜的實時高程測量計算關系，常規技術和設備均難以滿足隧道基槽開挖質量要求[1-9]，承擔該工程施工的“金雄”30 m3抓斗挖泥船就存在以下問題有待解決：

1）挖泥定深控制設備是以人工方式預置抓斗設定深度值R，并且沒有RTK、潮位基準數據直接輸入接口，因此無法自動解算抓斗定位高程動態改正值。

2）不能實時補償高程波動干擾及船舶海上施工受到的環境擾動。

3）定深設備綜合測量和控制誤差值，在基槽精挖允許誤差范圍內（0～50 cm）貢獻比例過大，例如：僅纜長測量傳感器系統的誤差等級為±10 cm，預置設定深度值裝置的分辨率也為±10 cm，因而留給下道挖泥工序的可用基槽精挖偏差余量太少。

4）船員基本沒有參與類似工程經歷。

5）若以常規設備操作和運行方式進行精挖施工，存在挖泥操作工序復雜、質量控制困難、施工效率低等問題，還會增加船員工作強度，或要求船員具有更高的現場操作技能。

為此需對“金雄”30 m3抓斗挖泥船進行適用性技術升級與改造，研發抓斗船精挖計算機測控系統。

1 系統設計思路與方案

由抓斗船精挖計算機測控系統接管或替換原船挖泥定深控制設備，將抓斗挖泥船模擬為1臺精密數控機床，其刀具是抓斗，可按基槽設計圖紙要求的形狀和尺寸，高效實施海底基槽精準成型“精密加工”工藝。

該系統是一個分布式的計算機測控系統，由傳感器、通訊網絡、工控PC計算機、軟件算法、微控制器、PLC、傳感器接口電路、機電一體化命令執行驅動裝置等組成，如圖1所示。

圖1 抓斗船精挖計算機測控系統構成示意圖Fig.1 The schematic diagram of the computer control system for the grab bucket dredger

抓斗船精挖計算機測控系統由兩個主要部分組成：1） GIS電子圖形系統；2） 抓斗運動控制系統。

兩個系統間通過通信網絡，交互提供船體空間定位信息和挖泥設備運行工況信息。系統實現目標如下：1）冗余獲取RTK和潮位站高程基準信息；2） 數字地形擬合與圖形顯示；3） 抓斗運動直接數字閉環控制DDC：修正各類偏差與干擾，抓斗定深精度＜50 cm；4）深基槽精挖施工過程可測、可視、可控；5）挖泥操作程序化、數字化、智能化；6）改善挖泥設備運行平穩性，增強工程質量可控性；7）工程質量優先，兼顧高的綜合施工效率。

2 主要功能

2.1 地理信息圖形顯示系統

1）自動尋深：根據基槽施工區域的設計水深文件和測量水深文件，每次抓斗旋轉至待開挖坐標（x，y）位置上方時，立即計算出抓斗開挖目標點的空間坐標（x，y，z），并輸出到抓斗運動控制系統，實現數字化施工。

2）施工作業平面定位與導航：顯示和記錄當前船位及抓斗挖泥平面移動軌跡。

3）斷面和水深圖數據，顯示開挖前、后的泥層狀態。

4）水下作業區域可視化：顯示斗齒挖掘運動軌跡曲線。

5） 顯示船體x，y，z空間姿態及挖泥現場實際工況。

6）引導精確（排）布斗位，提高移船效率。

7）輔助施工指揮管理，組織工藝實施。

8）非自航船海上調遣安全監督。

GIS電子圖形系統，是在GIS地理信息系統平臺上開發完成的，充分利用了GIS空間測量與計算、信息處理以及多圖層顯示等功能特性。該系統是一個開放性平臺，可兼容處理各類流行的圖形和地理信息文件，利于今后系統技術升級和移植推廣和與其他第三方信息系統對接。

2.2 抓斗精挖高程參考基準冗余方案

抓斗船遠海基槽精挖過程中，完全依賴于高程參考基準來滿足高精度指標要求的系統定位導航、姿態測量、施工監測、抓斗閉環控制等，必須保證獲取的參考高程基準數據有效性、持續穩定，對此系統采取了以下措施：

1） 同時接收RTK（港珠澳大橋工程統一的CORS系統信號）和海上潮位站兩類基準數據，高程計算時，以RTK數據為主，潮位數據為輔，互為冗余，由識別算法自動選擇。

2）利用正確的RTK基準高程數據，校準潮位站可能產生的分帶偏差，保障潮位測量精度和有效性，以備作為RTK基準異常時間段的替代參考高程基準。另外，通過對兩類高程基準進行實時數值比對，判斷此刻高程基準原始數據適用性。

3）抓斗船可通過單一數傳通訊鏈路，向外廣播發布這些可信度高、傳輸協議兼容性好的遠海高程參考基準數據源。

3 抓斗運動控制系統

精挖直接數字控制系統（DDC系統）利用分布式計算機強大的實時運算能力，實現對抓斗精挖施工過程直接數字閉環控制方案，系統控制流程如圖2所示，閉環控制模型如圖3所示。

圖2DDC系統控制流程圖Fig.2 The control flow chart of the DDC

圖3 DDC系統閉環控制模型Fig.3 DDC closed-loop control model

3.1 DDC系統實現功能和目標

1）抓斗定深下放閉環控制算法：從GIS電子圖形系統獲得當前船體空間位置信息，并采集傳感器數據，修正各類偏差與干擾，使抓斗定深精度＜50 cm。

2）平整挖泥模式控制算法：精確控制抓斗閉合挖掘過程，實現精度指標范圍內的挖掘效率最大化。

3）超深監控方案：強化質量監控，提高施工效率。

4）挖泥機具操作程序化、智能化、數字化：通過提高挖泥設備操作的自動化水平，彌補挖泥船定深設備自身不足，降低船員操作水平差異化影響，促進基槽精挖精度和平整度保持一致性或穩定性。

5）挖泥工藝參數修定：使抓斗船挖掘能力能更好適應不同土質特性或施工工況。

6）及時測量：系統自動識別記錄每斗實際挖深坐標、裝泥重量、時間等施工信息。回放這些數據，可及時評估施工現狀。

7）水深測量系統校準：消除DDC傳感器系統累積偏差，檢驗測量設備性能狀態。

8）生產安全的監測：在線監測設備運行狀態參數。

3.2 DDC系統3項關鍵技術

1）抓斗定深下放閉環控制算法

抓斗定深下放閉環控制的軟件算法，通過把采集反映現場工況的傳感器信息數據，與由GIS電子圖形系統提供的抓斗目標定位信息數據進行動態比對計算處理，消除或修正偏差干擾，如圖3所示，最后由機電一體化命令執行驅動裝置，將抓斗驅動移位到指定坐標位置。如表1所示，列舉了閉環控制所考慮的各種偏差情況和對應解決方法。

表1 抓斗定位偏差控制Table 1 The grab bucket positioning deviation control

2）平整挖泥模式控制算法

DDC系統將抓斗控制定位到指定坐標位置后，接下來的工序是閉斗挖泥，待閉斗到約占全開口尺度的28%后，接著DDC有兩種閉斗挖掘模式可供選擇，即：平整挖泥、定深挖泥。定深挖泥模式DDC系統不需要介入抓斗閉合挖掘過程，只監控是否超深，基槽精挖施工主要采用平整挖泥模式。

平挖模式是當抓斗挖掘到全開口尺度的28%，形成一個（R-18）cm的土坑后，DDC系統依據斗形運動特征函數（1）建立的控制算法模型，和挖掘區域當前泥質狀況，動態調控抓斗沉降碟盤剎車力矩Pn，用至少16個重復步驟Sn，控制抓斗斗體一邊下放一定的位移量Hn，一邊同時閉斗挖掘，逐步削平28%后的72%由抓斗齒運動幾何形狀產生的挖掘泥面淺點土層，待抓斗完全閉合后，形成一塊存在約±20 cm凸凹起伏相對平整的泥面，并與抓斗全開口尺度前28%段的泥面保持在同一水平高程，相對于定深挖泥模式，平挖模式能充分利用抓斗開口尺度，達到精度指標范圍內的無淺點挖掘面積最大化。平整挖泥模式目標效果如圖4所示，如圖5所示展示了平整挖泥控制流程。由于Hn限定在±20 cm范圍，所以DDC系統采用了分辨率≤2 cm抓斗位移的測量傳感器，測量沉斗實際位移量Hn，保證平整挖泥模式高測控精度要求。

式中：xn表示斗齒的水平移動位置；yn表示斗齒的垂向移動位置；an表示抓斗側向投影幾何運動軌跡修正參數；n=1～16。

圖4 平整挖泥目標效果示意圖Fig.4 Flat dredge target effect schematic diagram

3） 超深監控方案

DDC系統中平挖工藝執行PLC的軟件控制算法，利用分辨率≤2 cm抓斗的位移測量傳感器數據，及接收來自GIS電子圖形系統的船體空間定位數據，在線計算出斗齒當前的空間位置坐標，監測每步Sn挖掘斗齒是否超深，同時，DDC系統讀取碟式剎車液壓回路制動壓力值，作為碟剎制動力矩與土質之相關性算法的輸入變量之一，間接識別判斷斗齒處土質，預測各步長Sn抓斗下沉位移量Hn，如發現斗齒軌跡超出±20 cm范圍，立即發出制動剎車命令，阻止抓斗下滑（沉降），并終止本次閉斗挖掘。平整挖泥控制及超深處理流程如圖5所示。

3.3 設定DDC系統運行工藝參數

隧道基槽各管節施工時，為使DDC系統適應環境變化，達到較優的控制效果，利用DDC的綜合偏差調整功能，提煉出4個物理上容易理解的關鍵參數，供船長或工程管理人員結合施工經驗合理設定及優化配置調整。

參數配置列表見表2。

圖5 平整挖泥控制及超深處理流程示意圖Fig.5 The schematic diagram of flat dredging control and ultra deep processing

4 結語

2011年4月2日抓斗船精挖計算機測控系統在沉管隧道基槽開挖工程中投入使用，經歷了西人工島E1段精挖兩個工程節點，實際工作情況表明：抓斗垂直綜合開挖精度＜+30 cm的可信度達到95%（測試的最大挖深約19.5 m），每斗挖泥循環周期＜4 min，能在可施工海況條件下，滿足精挖工程質量指標要求。

表2 參數配置列表Table 2 Parameters configuration table

參考文獻：

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