深水拋填船實時測控驗收系統設計與應用

馮海暴，吳一鳴，曾凡軍，周良玉，馮甲鑫

（1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中國交通建設股份有限公司，北京 100088；3.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100；）

深水拋填船實時測控驗收系統設計與應用

馮海暴1,3，吳一鳴2，曾凡軍1，周良玉1，馮甲鑫1

（1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中國交通建設股份有限公司，北京 100088；3.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100；）

航道整治工程中，施工拋填塊石施工時，船舶對水下拋石的厚度和平面位置確定具有一定的難度，設計深水拋填船測控系統實現塊石拋填的厚度和位置實時顯示，并介紹了本系統的設計原理、系統設計和操作工藝，經測試證明，該技術具有先進性，自動化程度高，對工況適應性強，可達到高效作業，解決了拋填施工的技術難題，可為類似工程借鑒應用。

深水拋填船；自動測控系統；實時顯示

1 工程概況

長江南京以下12.5 m深水航道二期工程，起于南通天生港與一期工程上端點順接，上端止于南京新生圩港區的上游邊界，并與上游航道順接，河段全長227 km。自下而上整治福姜沙、口岸直、和暢洲、儀征4個重點礙航水道。和暢洲水道整治工程位于江蘇鎮江與揚州之間的鎮揚水道，施工區域距離上游南京市約95 km。

工程施工現場由于拋填和暢洲水道整治工程內容包括新建2道長度分別為1 817 m和1 919 m的潛堤及其接岸工程，完成和暢洲水道共10.771 km的護岸專項工程。工程平面布置見圖1。

工程內容包含拋石約 181萬 m3，軟體排鋪設157萬m2，砂肋軟體排33萬m2，以及沖灌砂被、堤心砂袋拋填等。工程施工中需要配置的船舶也非常多，在江中施工船舶之間互相靠泊，對船舶的撞擊力也需要結合實際情況進行計算分析，采取相應的措施消除影響。

圖1 工程平面布置

1.1 深水拋填船概況

深水拋填船是專為長江南京以下 12.5 m深水航道二期工程設計的專用拋填塊石的船舶，該船由母船和拋石結構組成，主船一側安裝拋石結構，一次移船駐位可實現延船縱軸方向移動20 m，豎向可升降高度為30 m。為了防止拋石施工時，石料受水流影響使得石料落底位置偏離過大，拋石施工作業采用一個深入水下的石料溜槽，石料從上部料斗導入，通過溜槽將石料引導下落到槽口溜槽安裝在臺車上，可以沿船玄方向前后直線移動，根據施工區域的水底高程可上下調節溜槽口高度。平面布置示意見圖2。

圖2 深水拋填船平面布置示意

1.2 實時測控驗收技術

通過聲吶測控系統對水下拋石厚度高程和平面位置進行發射聲波，待聲波接觸拋填塊石后會自動反射到接收器，測控系統通過發射和回收的時間自動計算出拋填塊石的高程，然后通過溜槽上部的GPS1測出水下發射儀器的絕對位置，將豎向絕對高程、平面絕對位置傳遞至電腦進行處理記錄，實時動態顯示記錄拋填船的的工作狀態。

2 測控系統設計

“拋石船測控系統”設計了冗余設備，以獲得更好的定位精度和可靠性。實際使用時，可根據需要接入設備，選擇不同工作模式。完整的可接入設備及安裝方式見圖3。

圖3 測控系統工作原理

系統由定位由GPS1、GPS2、GPS3組成，水下拋石的高程和厚度由水下測量儀器測控，船體的姿態測控由傾斜儀控制，通過系統中安裝的 RTK GPS、水下測量儀器等傳感器，實現對水下拋石施工的石料拋填點的實時精確三維定位與實時檢測。GPS1安裝于拋填結構溜槽上部，GPS2和GPS3安裝于母船上，母船定位通過GPS2和GPS3實現；GPS1通過溜槽換算出換能器的高程和位置；傾斜儀控制母船的姿態從而實現控制溜槽在水下的姿態控制換算修正；水下測量儀器負責測出水下拋石的相對厚度，再通過上述儀器轉換換算出拋石的絕對厚度和平面位置，通過數據采集與處理、圖文顯示等功能與方式，精確測定石料拋填點實時位置，從而實現拋填船測控系統的設計和目的，指導施工作業。

2.1 水下測量儀器選型

測控系統的水下測控設備主要針對測深儀和高度計[1～3]進行了比選，對比統計見表1。

表1 測控系統的水下測控設備比選

通過比選，數字單頻測深儀水深工作范圍僅為10 m，該項目最大工作水深約為50 m，而高度計從精度上更加精確，易于維護，采用了高強度鋁合金外殼防水一體化設計，LCD數碼/鍵盤設置參數/操作簡便，水底自動跟蹤門技術，可適用于50 m以上的工作水深，故選取高度計作為本系統設計的水下測控設備。

2.2 定位系統

在船舶艏端對稱設置2臺GPS接收機，溜槽上部設置1臺GPS，將數據線通過無線發射模塊傳送至總控制室，根據 GPS平面坐標讀數以及位置關系，計算出船舶及水下拋填塊石的平面位置絕對坐標，系統誤差可實現5 mm～1 ppm。

2.3 拋填豎向測控系統

定位系統包括3臺RTK GPS工作模式和2臺RTK GPS工作模式[6]。

1）3臺RTK GPS工作模式

當系統中接入3臺正常工作的RTK GPS時，可選擇3臺RTK GPS工作模式。此時，GPS1、GPS2用于船位確定，GPS3用于溜槽位置和槽口高度（高度計高度）的確定。此工作模式的定位及測高原理較為簡單。

2）2臺RTK GPS工作模式

當系統中GPS1和GPS2有1臺未接入或工作不正常，GPS3工作正常時，可選擇2臺RTK GPS工作模式。假設GPS1工作正常，此時采用GPS1和GPS3進行船位確定，GPS3仍用于溜槽位置和槽口高度（高度計高度）的確定。

此工作模式由于GPS3處于移動狀態，為了正確進行船位確定，需要在設備標定時測定行車軌道在船體坐標系中的方向，建立軌道的平面方程，通過GPS1、GPS3的距離實時解算GPS3的船體坐標，以建立船體坐標系與施工坐標系的實時坐標轉換關系。

當溜槽固定在一定高程位置上時，通過GPS換算出下部高度計的端部高度，換算示意見圖4。

圖4 高程換算示意

水面高程為0位高程，GPS測出讀數為H讀，GPS與水面線之間的距離為H1，高度計距離水面線距離為H2，高度計的讀數為H3，設基床面的實時高程顯示為H4，則基床面高程H4=H讀-H1-H2-H3，即為基床拋石面的高程。

3 系統功能

系統設計能夠接入上述全部設備數據進行工作，結合工程的施工情況，主要具備如下功能和數據的記錄工作。

3.1 顯示關鍵數據的功能

系統要實現顯示甲板高程、船舶工作區設計位置和實際位置、導向板的平面位置、下放深度、導向板底高程、檢測點高程、檢測結果、平面偏差、高程偏差。

同時能夠實時檢測記錄拋填區高程、控制導向板的移動速度和移動長度、已拋石部分和未拋石部分用不同顏色區分開、可以實現有線和無線數據同時接入，能夠通過局域網實時發布數據，做到多用戶同時共享數據；各種觀測量本身在系統轉換時確保采用嚴密的計算過程，以保證在數據轉換時精度不受損失，通過合理設置設備安裝方式，確保導向板的平面和高程精度均能滿足拋石需要。

3.2 坐標轉換及圖形處理

能夠實現坐標轉換功能，將 GPS測得的WGS-84坐標轉換成工程坐標系中的坐標；能夠導入Auto CAD格式的背景圖等；可以輸入實時氣象預報數據；能夠導入Office Excel格式的相關數據，根據施工需要生成Office Word格式和Office Excel格式施工記錄表；實時、同步采集各儀器設備數據，計算出導向板底部的三維坐標，實現拋石和驗收的同步測量。

實現二維和三視圖三維動態顯示，實時用圖形的形式直觀的顯示，并且可以多角度切換，給技術人員提供直觀的參考；系統可實現實時抓圖、自動記錄顯示文件并以圖文形式儲存。

4 系統操作要點

4.1 拋填船就位

拋填船通過錨泊系統實現初步定位，然后開啟GPS精確就位系統，通過纜系調整起拋填船精確就位，實現平面位置偏差不大于5cm。

4.2 運料船靠泊

運料船采用平板駁，靠泊船舶航行速度不得大于0.3 m/s，且靠泊船舶的噸位不大于3 000 t級，靠泊后通過定位纜系綁定連接。

4.3 溜槽就位

啟動系統提升或下降溜槽系統至一定的高度后，開啟測控系統測量進行掃測水下原基床面的高程，進行一次記錄。

4.4 拋填作業

首先設定設計拋填高程后，通過送料系統向溜槽內送料，并開啟測控系統實時檢測拋填塊石厚度的變化情況，達到設計拋填高程后，停止送料作業，此時測控系統自動記錄拋填塊石的高程，并開啟溜槽橫向移動卷揚機，拉動系統延船舶縱向移動，移動至設計行程后，通過錨系絞纜移船至下一船位。

4.5 掃測驗收

待整個船尾拋填完成后，提升拋填溜槽距離拋填面一定高度，開啟掃測驗收系統，進行拋填基床面的驗收比對作業，并行成驗收數據，完成該船位的塊石拋填、驗收作業。

在整個過程中，GPS實時顯示基床面拋填塊石的高程并記錄[7]，該系統不受潮位的影響，并可以通過傾斜儀數據，在系統軟件中實時修正拋填塊石的厚度和高程，實現自動化作業。

5 結 論

該系統在深水拋填船中得到應用，并在后海基地進行了系統測試，通過分析研究證明該系統是先進的，在我國水運工程航道整治工程中，對大流速、深水惡劣工況的適應性更強，系統的應用得出塊石拋填高度偏差不超過1cm±0.1 %所測深度[4]，平面位置拋填偏差不大于10cm，該系統具有深度大、精度高、工效高、自動化等顯著，并有效的提高有效作業時間，可為類似工程測控系統的設計及使用借鑒應用。

[1]劉亞龍.HY-2雷達高度計海面高度定標技術研究[D].中國海洋大學,2014.

[2]李國慶.單波束測深儀設計與實現[D].哈爾濱工程大學,2009.

[3]牛剛.基于嵌入式的回聲測深儀系統設計[D].南京理工大學,2009.

[4]胡昌順.單波束測深儀系統仿真設計[D].哈爾濱工程大學,2012.

[5]程劍剛.網絡RTK技術聯合數字測深儀在湖泊庫容測量中的應用[D].中國地質大學（北京）,2014.

[6]孫建東.回聲測深儀數字系統設計[D].南京理工大學,2007.

[7]呂繼書,萬仕平,李瑋.GPS結合測深儀水下地形測量原理與應用[J].天然氣與石油,2010,02:50-51.

Design and Application of Real-time Measuring and Control System Used by Deepwater Riprap Vessels

Feng Haibao1,3,Wu Yiming2,Zeng Fanjun1,Zhou Liangyu1,Feng Jiaxin1
(1.No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao Shandong 266071,China; 2.China Communications Construction Co.,Ltd.,Beijing 100088,China; 3.Engineering Institute,Ocean University of China,Qingdao Shandong 266100,China)

During the construction of riprap in waterway regulating projects,it is difficult for a vessel to determine the thickness and plane position of underwater riprap.The monitoring and control system of deepwater riprap vessel displays the thickness and position of riprap in real time.Its design principle,systematic design and operation technology are introduced in detail.The technique is proved to be advanced,highly automatic and adaptable to various operating conditions.The above system supports efficient operation and solves the technical trouble of riprap construction,which will provide a reference for similar projects.

deepwater riprap vessels; automatic measuring and control system; real-time display

U617.6

：A

：1004-9592（2016）06-0044-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160611

2015-09-08

馮海暴（1980-），男，高級工程師，主要從事港口、航道等工程施工及研究工作。