智能3D引導系統在河道疏浚工程中的應用

摘要：河道疏浚施工過程中因水下施工不可見，傳統的挖泥船疏浚，要在約定的工期內實現高精度地拓寬和開挖，難以滿足高精度質量要求，存在返工的巨大風險。通過應用智能3D引導系統，為機械操作手實時反饋工作面的狀況，使得水下施工“可視化”，定位精確且易于操作人員控制與調整，成功保障了水下施工的工程質量與進度。

Abstract： Due to invisible underwater construction during the course of river dredging， traditional dredger dredging must be widened and excavated with high accuracy within the agreed construction period. It is difficult to meet the high-precision quality requirements and there is a huge risk of rework. By applying the intelligent 3D guidance system， real-time feedback of the working surface condition for the robotic operator makes the underwater construction "visual"， accurate positioning and easy operator control and adjustment， which successfully guarantees the quality and progress of the underwater construction project.

關鍵詞：智能3D引導系統;可視化作業;河道疏浚

Key words： intelligent 3D guidance system;visual operation;river dredging

中圖分類號：TV851? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）09-0252-03

1? 應用背景

河道疏浚工程中，開挖、修坡與防護是工程中常見的施工項目。開挖、修坡的整平度要求高，施工工藝關系到整個項目的施工進度與成本控制。施工過程中，因水下施工不可見，往往造成施工質量和設計要求差別很大，傳統的挖泥船疏浚，要在約定的工期內實現高精度地拓寬和開挖，難以滿足高精度質量要求，存在返工的巨大風險。

中國電建市政集團有限公司實施的弗羅茨瓦夫防洪工程位于歐洲波蘭，項目包含5，6，7工區的施工任務，其中第6工區，為11.6公里奧得河主河道擴浚，設計底寬105m，行洪能力為2043m3/s，控制洪峰流量3146m3/s，開挖量306萬方，近40%的開挖量為堅硬粘土開挖，開挖難度大，精度難以把握，且工期要求緊，環保要求高。為滿足河道通航要求、環保要求等條件，無法創造干地施工的作業條件，項目部面臨工期緊、任務重，水下開挖施工精度要求較高等難題。對此項目部進行了技術攻關，基于全球定位系統技術引進了智能3D挖掘引導系統，形成智能引導水下開挖精度控制關鍵技術，取得了良好的實施效果。

2? 智能3D引導系統技術特點及適用范圍

利用智能3D挖掘引導系統進行水下高精度開挖，開挖過程中通過GNSS測量技術與機械控制系統的有機結合，實現了三維坐標的精確定位。該技術操作簡單，以圖形、數值及LED光靶等多種形式實時指示填挖量，操作手可以便捷的完成開挖，使復雜的水下開挖流程“可視化”，提升了河道水下開挖工程施工的可靠性。操作手根據系統引導，即可輕松完成挖填作業，同時夜間作業不受影響。該技術適用于水下高精度開挖河道、航道等疏浚工程，同時還適用于高精度邊坡修整、溝槽開挖、復雜表面開挖等。

3? 工藝原理

基于全球衛星導航定位系統，獲取厘米級定位值，結合位于挖掘機車身的傳感器計算出挖掘機斗齒的三維坐標，并根據車載控制器中的三維設計數據進行引導挖掘。實現了車體實時三維坐標與設計數據的有機整合，實現了設計數據與施工設備的無縫對接，讓水下工作變得“可視化”，使數字化貫穿于施工全過程，使現場作業變的輕松、高效。

4? 工藝流程及操作要點

4.1 工藝操作流程

施工準備→3D模型建立及導入→應用與測試→躉船定位→可視化開挖→開挖料運輸。

4.2 操作要點

4.2.1 施工準備

①技術準備工作。

熟悉工程設計理念、圖紙、施工技術要求，組織開展圖紙會審。依據規范、設計文件、施工合同及現場實際情況編寫水下工程開挖及邊坡防護工程實施方案，并進行評審與技術交底工作。

獲取大地坐標與當地坐標的轉換參數。通過靜態聯測，獲得當地已知高級控制點的PE-90坐標（GLONASS使用的前蘇聯地心坐標系統），同時輸入至少三個已知點的當地坐標和PE-90坐標，就可以獲得控制點區域的坐標轉換七參數（三個平移參數、三個旋轉參數和一個尺度參數），將此轉換參數保存并設置，系統就可以自動將測得的PE-90坐標轉換為當地坐標。

②設備物資準備工作。

采購或者租賃帶有定位樁的躉船，排水量89t及以上，并完成河道試水。采購俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）接收設備，供應商需提供全球定位系統接收機鑒定證書，完成接收機定位精度和性能的檢測工作。

4.2.2 模型建立與導入

將機載3D元件與挖掘機控制器進行連接，主機放置于駕駛室座位后面，顯示器安裝于駕駛室右側中控區域，衛星天線置于挖機尾端進行信號接收，角度傳感器置于挖機的前臂轉動處，詳見圖1機載設備的安裝示意圖。依據挖機的實時姿態，并結合三維坐標系統的轉換模型，將車體坐標轉換為工程坐標。實現挖掘機開挖速度、經度、緯度、方向的準確計算和測量。

在河道斷面數據采集中，將GLONASS接收機按照順序依次安裝完成后，架設在地面高級控制點上，并把電臺與天線上的數據線連接;設置基準站，輸入天線高與點名，設置數據鏈，連接設備;要確保數據鏈和各項參數一致。通過挖掘機配置的衛星天線和無線電數據通訊系統構成的河道斷面數據采集系統，實時采集河道斷面的三維坐標等基礎數據。

依據設計圖紙要求，建立3D開挖模型數據，按照機載GLONASS設備要求的格式導入機載面板計算機設備中。依據河道斷面采集的數據與提取的3D開挖模型數據，設備啟動后，系統將在屏幕上顯示挖掘的深度、坡度等參數。由于GLONASS 系統的接入，還可以記錄挖掘位置的相關信息，通過系統的記錄，在屏幕上以不同顏色來區別待開挖區域、已挖合格區域及超深區域，效避免漏挖、欠挖現象的出現。

4.2.3 應用與測試

對配置完善的系統進行水上實地測試，依據系統屏幕上顯示的可視化三維模型引導現場作業。應用前，對3D挖掘引導系統運行狀態及挖掘機運行時間、機油壓力、發動機水溫、液壓油溫度等挖掘機運行狀態進行測試。在移到躉船上之前，在旱地上模擬挖坑，測試高程、位置、寬度等進行檢驗，經過試挖測試，并用常規測量手段檢查開挖精度，滿足當地質量標準（PN-EN 12063，±10cm）的要求后，再進行水上開挖測試，水上真實場景測試滿足要求后，再大規模推廣應用。

4.2.4 躉船定位

采用機載定位系統挖掘機與躉船（排水量89t）的組合模式進行水中作業定位，挖掘作業時，躉船利用自身配置的兩根定位樁進行固定，為挖掘機提供水上施工作業平臺，躉船動力系統采用BP-400拖輪提供水上行走動力。

4.2.5 可視化開挖

機載GLONASS 挖掘機依據導入的斷面開挖模型，在顯示器中自動形成可視化的三維開挖模型，操作手在顯示屏中開挖軌跡的引導下，通過調整挖掘機鏟斗的位置使其與開挖模型設計線保持一致，實現便捷的水下開挖作業，開挖的淤泥直接裝載到駁船中。

4.2.6 開挖料運輸

每套挖掘系統配備一艘拖輪和2艘500t駁船進行水上渣土外運，到達指定的碼頭后，按渣土的污染程度分類堆放，進行二次陸路運輸與污泥無害化處理。

5? 應用實例

①中國電建市政建設集團承建的波蘭弗羅茨瓦夫防洪項目第五工區任務段，3.6km城市運河疏浚與改造。運河河道設計底寬24m，分洪能力為150m3/s，控制洪峰流量為170m3/s，總開挖量約20萬m3;2015年07月至2015年11月，運河疏浚與改造工程應用了智能3D 挖掘引導系統，施工進度、質量、安全均滿足要求，取得很好的經濟效益和社會效益。

②中國電建市政建設集團承建的波蘭弗羅茨瓦夫防洪項目第六工區任務段，11.6km奧得河河道擴浚，設計底寬105m，行洪能力為2043m3/s，控制洪峰流量3146m3/s，總開挖量306萬m3;2014年07月至2015年07月，該段河道水下開挖及修坡工程應用了智能3D 挖掘引導系統技術，施工進度、質量、安全均滿足要求，取得了很好的經濟效益和社會效益。

6? 效益分析

6.1 經濟效益

通過引入智能3D 挖掘引導系統技術，將施工數據直接導入，形成三維模型引導現場施工作業，避免了傳統施工方法中釋放浮標、插竹竿、水尺等前期作業，減少了施工中的測量檢核任務，避免了前期作業帶來的施工誤差。從質量檢測斷面效果來看，一次施工到位，精度得到保障。傳統作業方式，時間長，一次性成功率低，返工成本大。通過該項技術的引用，水下開挖與修坡作業機械效率提升約42%（傳統技術修坡效率單臺設備28～30延米/臺班，引入智能3D引導技術后設備效率值提升到40～43延米/臺班），取得較好的經濟效益。

6.2 技術效益

通過智能3D挖掘引導系統的應用，提供了一種水下開挖高精度控制工藝，精度提高到±10cm內，達到了質量要求，遠遠高于常規疏浚施工標準（小于設計水深5%，小于30cm）確保了水下一次性施工質量合格率，保證了項目的施工進度。

6.3 社會效益

項目的順利實施，受到社會各界和新聞媒體的高度關注，人民日報、鳳凰網、天津電視臺先后到項目實地采訪、報道，對項目的進度控制、施工質量及安全環保方面取得的成績給予了高度評價。特別是在項目完工后，2017年8月29日人民日報駐波蘭記者對項目進行了題為“中企在這里筑起新‘防洪墻”的專題報道，該文章登錄在人民日報、人民網的首頁位置，同時被國務院新聞辦公室轉載。

7? 應用前景

隨著人工等各項成本的不斷上漲，以及工程質量和工期要求的不斷提高，可以預見，智能3D挖掘引導系統的應用必將成為一種趨勢。通過該工藝在波蘭弗羅茨瓦夫防洪工程項目的應用效果實例可以看出，挖掘引導系統的應用能夠將隱蔽工程透明施工，提高工程質量，減少返工，避免重復施工;能夠全天候作業，無間斷施工，提高可作業時間，縮短工期;能夠減少輔助人員的進場配合作業，降低配合的時間，提高人員的安全性，從而降低施工成本和人員開支，為施工帶來極大的便利和經濟效益。為以后類似工程及隱蔽工程施工提供了經驗借鑒，應用前景廣闊。

參考文獻：

[1]李海明.（河北省水利工程局）.GPS衛星定位技術在水利疏浚工程的應用[J].水科學與工程技術，2014（6）：74-77.

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[3]PN-EN 12063，波蘭水利工程技術規范[S].

[4]CH/T 2009-2010，全球定位系統實時動態測量（RTK）技術規范[S].

作者簡介：梁錢（1985-），男，安徽蚌埠人，中級工程師，本科，學士，研究方向為項目技術管理。