基于北斗衛(wèi)星的全自動橋梁轉(zhuǎn)體系統(tǒng)開發(fā)

高樹能，欒興元

（中國中鐵八局集團(tuán)昆明鐵路建設(shè)有限公司，云南 昆明 650200）

對于橋梁工程而言，轉(zhuǎn)體施工技術(shù)拓展了建橋的范圍，而且創(chuàng)新了建橋的思路，對于橋梁工程的發(fā)展具有重要意義。橋梁工程的轉(zhuǎn)體施工是一種無支架的施工方式，施工過程中，將橋梁從跨中分成兩個半跨，半跨施工完成后再通過旋轉(zhuǎn)在跨中合攏，從而完成橋梁建設(shè)，橋梁轉(zhuǎn)體工藝對于橫跨大江大河、運(yùn)營交通線等的橋梁建設(shè)具有重要意義。當(dāng)前，橋梁轉(zhuǎn)體主要采用水平轉(zhuǎn)體和豎直轉(zhuǎn)體法，并逐漸形成了相應(yīng)的橋梁工程體系，在平原地區(qū)、山區(qū)、公路、鐵路等工程中具有廣泛的應(yīng)用。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱北斗系統(tǒng)）是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。

隨著北斗系統(tǒng)建設(shè)和服務(wù)能力的發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預(yù)報(bào)、測繪地理信息、森林防火、通信系統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救等領(lǐng)域，逐步滲透到人類社會生產(chǎn)和生活的各個方面，為全球經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展注入新的活力。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是全球性公共資源，多系統(tǒng)兼容與互操作已成為發(fā)展趨勢。中國始終秉持和踐行 中國的北斗，世界的北斗 的發(fā)展理念，服務(wù) 一帶一路 建設(shè)發(fā)展，積極推進(jìn)北斗系統(tǒng)國際合作。與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)攜手，與各個國家、地區(qū)和國際組織一起，共同推動全球衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)發(fā)展，讓北斗系統(tǒng)更好地服務(wù)全球、造福人類。

本文擬將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)引入橋梁轉(zhuǎn)體過程中，為提高精度在地面建立固定站，在轉(zhuǎn)體橋梁上建立移動站，通過北斗衛(wèi)星和地面站構(gòu)建天地一體的轉(zhuǎn)體角度監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁轉(zhuǎn)體角度的實(shí)時(shí)反饋，開發(fā)橋梁轉(zhuǎn)體的驅(qū)動控制系統(tǒng)，與北斗衛(wèi)星的監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁的全自動轉(zhuǎn)體。

在高架鐵路、大型橋梁等建設(shè)過程中，為盡量減小施工對其他經(jīng)濟(jì)活動的影響，如高速公路、鐵路運(yùn)輸?shù)龋薪ǚ蕉嗖捎迷阼F路和公路旁邊平行施工，在澆塊段施工完畢后，通過墩頂預(yù)埋的轉(zhuǎn)體裝置完成墩頂轉(zhuǎn)體，將橋梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)到原來設(shè)計(jì)的橋位上。

橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的運(yùn)用在橋梁建設(shè)中有很多優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，減少了建設(shè)成本。橋梁轉(zhuǎn)體是利用橋梁本身的結(jié)構(gòu)來做支撐，可以避免在河道上建設(shè)管架，降低鋼管等材料的投入成本。其次，有利于確保施工安全。橋梁轉(zhuǎn)體施工主要是采取岸邊陸地作業(yè)的方式，避免了水上作業(yè)，改善了施工環(huán)境，有利于施工的安全。再者，將橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)應(yīng)用好，能更好地把控好橋梁的質(zhì)量。而轉(zhuǎn)體施工技術(shù)具有操作簡單方便的優(yōu)點(diǎn)，能縮短實(shí)際施工周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

轉(zhuǎn)動設(shè)備施工進(jìn)行的主要要素之一，轉(zhuǎn)動系統(tǒng)主要有牽引系統(tǒng)、防過轉(zhuǎn)及微調(diào)系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等組成。為了實(shí)現(xiàn)大動力、穩(wěn)定性高的目標(biāo)，轉(zhuǎn)動牽引系統(tǒng)通常應(yīng)該用全液壓、自動和連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)，在牽引所安裝固定后，應(yīng)該注意防潮、防濕，以保證使用期間的安全。微系統(tǒng)能讓轉(zhuǎn)體在一定范圍通過修改相應(yīng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)微調(diào)。測量系統(tǒng)主要是提供轉(zhuǎn)體數(shù)據(jù)，提高結(jié)構(gòu)安裝的精確度。

在橋梁轉(zhuǎn)體施工過程中，最關(guān)鍵的是將可移動部分與固定部分精確對準(zhǔn)。本文的重點(diǎn)即是解決高精度對準(zhǔn)過程中的高精度定位問題。

1 主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及系統(tǒng)組成

本文運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)主要有多頻多星座聯(lián)合高精度定位、觀測量篩選與剔除技術(shù)。能夠很好地適應(yīng)野外環(huán)境：北斗系統(tǒng)適應(yīng)野外施工條件，北斗覆蓋區(qū)域均可使用；系統(tǒng)設(shè)備擴(kuò)展性好：北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集可以擴(kuò)展應(yīng)用提升時(shí)空精準(zhǔn)度；系統(tǒng)設(shè)備能夠重復(fù)利用：設(shè)備安裝便捷，可重復(fù)使用；系統(tǒng)定位精度高：達(dá)到厘米級，能夠滿足橋梁、建筑物精確移動和高精度對準(zhǔn)需求；系統(tǒng)設(shè)備實(shí)時(shí)性好：可以現(xiàn)場實(shí)時(shí)給出定位結(jié)果，無須對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，滿足快速施工需求。

圖1為橋梁轉(zhuǎn)體系統(tǒng)組成和工作原理圖，其包括監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)。通過監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)體橋梁的方位角信息給控制系統(tǒng)保證了轉(zhuǎn)體橋梁的精準(zhǔn)定位。

圖1 系統(tǒng)組成基本工作原理

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 轉(zhuǎn)體檢測系統(tǒng)

轉(zhuǎn)體監(jiān)測系統(tǒng)的組成和工作流程如圖2、圖3所示，監(jiān)測系統(tǒng)由固定站、移動站、中心主機(jī)、通信設(shè)備組成。固定站安裝在待轉(zhuǎn)體的橋梁附近的地面上，移動站安裝在待轉(zhuǎn)體的橋梁上，通過高精度的北斗定位解算可以精確確定橋梁的方位角，即橋梁轉(zhuǎn)體的角度。

具體工作過程為：固定站和移動站分別接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，獲取各自的原始偽距、載波相位觀測量，并通過無線通信設(shè)備向主機(jī)發(fā)送，在主機(jī)上運(yùn)行高精度相對定位解算軟件，完成對固定站、移動站觀測量的處理，得到移動站和固定站間高精度相對位置信息。在圖形界面上顯示該位置信息用于人員對施工狀態(tài)的監(jiān)視，也可以將高精度相對位置信息引入橋梁轉(zhuǎn)體液壓驅(qū)動電機(jī)的控制環(huán)路，使其完成橋梁的全自動精確轉(zhuǎn)動。

圖2 高精度北斗定位對準(zhǔn)校準(zhǔn)系統(tǒng)概念圖

2.2 轉(zhuǎn)體檢測系統(tǒng)組成定位流程

基于北斗的高精度橋梁轉(zhuǎn)體監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)存儲單元、固定站數(shù)據(jù)處理模塊、移動站數(shù)據(jù)處理模塊、相對位置輸出、顯示模塊和數(shù)據(jù)鏈路組成，系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。固定站與移動站的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)浇y(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。收到的數(shù)據(jù)首先會存在一個數(shù)據(jù)存儲單元等待處理。當(dāng)收到當(dāng)前歷元的3個固定站的觀測量數(shù)據(jù)后，會對固定站數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度解算，并根據(jù)所解得的基線向量結(jié)果來確定當(dāng)前歷元固定站在空間中的姿態(tài)和位置信息。在收到3個移動站的觀測量數(shù)據(jù)后，可以獲得當(dāng)前歷元移動站在空間中的姿態(tài)和位置信息，同時(shí)，獲得移動站相對固定站的相對位置和相對姿態(tài)信息，然后，輸出及顯示移動站和固定站的相對位置和姿態(tài)。

圖3 高精度對準(zhǔn)系統(tǒng)組成

圖4 整體定位系統(tǒng)流程圖

2.3 高精度相對定位算法

為確定橋梁固定端和移動端的相對位置關(guān)系，需要對二者的相對位置和姿態(tài)進(jìn)行測量，為此測量系統(tǒng)需要解算出3個固定站和3個移動站之間的基線向量。將該過程抽象成對多個基線的動基準(zhǔn)RTK解算過程，其算法流程如圖5所示。

2.4 相對位姿確定

利用高精度相對定位算法可以確定固定端三臺固定站間的三條基線矢量，由于兩條相交直線可以確定一個直角坐標(biāo)系，因此，利用三臺固定站可以定義一個固定端本地坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系下獲得固定端和移動端的相對位置，即可用于高精度對準(zhǔn)控制。

利用高精度相對定位算法可以得到三臺移動站與所有固定站間在固定端本地坐標(biāo)系內(nèi)的基線矢量，從而最終得到二者的相對位置和姿態(tài)。

3 全自動橋梁轉(zhuǎn)體監(jiān)控系統(tǒng)

全自動橋梁轉(zhuǎn)體監(jiān)控系統(tǒng)是對整個轉(zhuǎn)體橋設(shè)備的系統(tǒng)操作，涵蓋了北斗的實(shí)時(shí)監(jiān)測、千斤頂狀態(tài)的反饋、參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行模式選擇（自動模式或手動模式），如圖6所示為全自動橋梁轉(zhuǎn)體監(jiān)控系統(tǒng)圖。全自動橋梁轉(zhuǎn)體監(jiān)控系統(tǒng)是一個執(zhí)行整體運(yùn)作的系統(tǒng)。

圖5 RTK算法流程圖

圖6 全自動橋梁轉(zhuǎn)體監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 北斗實(shí)時(shí)檢測

北斗實(shí)時(shí)監(jiān)測部分是利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)對橋梁轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)角度的一個實(shí)時(shí)反饋。圖7描述了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理圖，首先，我們可以預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)體角度為目標(biāo)角度，如90度，云端服務(wù)器通過4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接收轉(zhuǎn)體橋的測量角度，通過云端服務(wù)器計(jì)算轉(zhuǎn)過角度和剩余角度，將上述角度通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給顯示終端，進(jìn)行顯示，很好地進(jìn)行了人機(jī)交互，如圖8所示。為保證施工安全，還設(shè)計(jì)了兩轉(zhuǎn)體橋防碰撞預(yù)警系統(tǒng)。橋梁轉(zhuǎn)體前左右轉(zhuǎn)體橋上的定向接收機(jī)測量二者夾角作為基準(zhǔn)角度，并預(yù)設(shè)兩橋的夾角門限。轉(zhuǎn)動過程中，軟件同時(shí)接收左轉(zhuǎn)體橋和右轉(zhuǎn)體橋定向測量角度，同時(shí)，計(jì)算和監(jiān)測兩橋梁之間的夾角，并與預(yù)設(shè)夾角門限比對，當(dāng)兩橋梁夾角大于門限時(shí)給出告警信息，從而能夠很好地預(yù)防兩轉(zhuǎn)體速度不一致導(dǎo)致的嚴(yán)重后果。

3.2 控制部分模塊

對于橋梁轉(zhuǎn)體千斤頂?shù)目刂剖侵刂兄兀彩潜敬喂こ讨械牡诙蠹夹g(shù)難點(diǎn)。控制部有兩種控制模式，手動模式和自動模式如圖9所示。在自動模式中可以提前設(shè)定預(yù)緊力，根據(jù)橋梁轉(zhuǎn)體所需力的要求設(shè)定預(yù)緊力。在試轉(zhuǎn)過程中，速度設(shè)為4km/h，試轉(zhuǎn)角度可任意設(shè)定，一般設(shè)定5度左右。試轉(zhuǎn)過后進(jìn)行自動轉(zhuǎn)體，一般設(shè)定剩余角度為3度左右，這所有的過程都可以是自動化實(shí)現(xiàn)，不再人為地點(diǎn)動轉(zhuǎn)體。

圖7 實(shí)時(shí)監(jiān)測軟件示意圖

圖8 監(jiān)控系統(tǒng)—北斗實(shí)時(shí)監(jiān)測部分

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)—控制部分

4 橋梁轉(zhuǎn)體中的自動化

在以往的橋梁轉(zhuǎn)體中，都是人工是用對講機(jī)交流，進(jìn)行橋梁轉(zhuǎn)體工作。本節(jié)將從橋梁轉(zhuǎn)體工作中對比分析自動化橋梁轉(zhuǎn)體的優(yōu)點(diǎn)。如圖10所示為進(jìn)行橋梁轉(zhuǎn)體操作的實(shí)際過程：

圖10 橋梁轉(zhuǎn)體實(shí)際操作流程圖

第一天工程進(jìn)行預(yù)緊，最主要的目的是確定鋼纜達(dá)到的預(yù)緊力是否能帶動橋墩底座轉(zhuǎn)動。這種預(yù)緊力是可以計(jì)算出來的，所以這一操作過程是可以先設(shè)定預(yù)緊力，如圖11所示，可以在監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)定預(yù)緊力的大小，一般設(shè)定為13500N。計(jì)算出鋼纜拉緊過程最平緩的拉緊方式進(jìn)行預(yù)緊。通過北斗實(shí)時(shí)檢測窗口觀察所轉(zhuǎn)角度，確定預(yù)緊力達(dá)到要求，保證在接下來停止轉(zhuǎn)動時(shí)，設(shè)定的預(yù)緊力能夠持續(xù)施力在鋼纜上。

圖11 自動模式下預(yù)緊力的設(shè)定

對于第二天的轉(zhuǎn)體工作是試轉(zhuǎn)，試轉(zhuǎn)的目的是為了排除在正式轉(zhuǎn)體過程中可能出現(xiàn)的問題。試轉(zhuǎn)過程是人工通過對講機(jī)交流進(jìn)行點(diǎn)動操作，可能會出現(xiàn)信息延誤，溝通不及時(shí)，操作工人會出現(xiàn)在不經(jīng)商量的情況下做出決定而造成操作嚴(yán)重失誤。實(shí)現(xiàn)自動化試轉(zhuǎn)可以避免這些不必要的人為因素。自動化過程中通過北斗實(shí)時(shí)監(jiān)測所反饋過來的角度可以準(zhǔn)確地判斷出各自橋梁所轉(zhuǎn)的角度，通過對自己預(yù)設(shè)所轉(zhuǎn)的角度與北斗檢測所轉(zhuǎn)角度對比，可以很好地控制所轉(zhuǎn)角度的準(zhǔn)確性。在試轉(zhuǎn)的過程中一定要慢，這樣才能在橋梁轉(zhuǎn)動的過程中更好更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障，從而排除故障。

圖12 自動模式下試轉(zhuǎn)角度的設(shè)定

圖13 自動模式下剩余角度的設(shè)定

第三天的正式轉(zhuǎn)體橋梁才是橋梁轉(zhuǎn)體中最重要的部分。基于前年做好的準(zhǔn)備工作開始進(jìn)入正式工程。在一般人工橋梁轉(zhuǎn)體過程中，都是通過好幾個人上下通力合作，有人負(fù)責(zé)橋墩的刻度標(biāo)尺觀測，有人負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)體點(diǎn)動轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動的同時(shí)，還要時(shí)刻注意兩座橋梁不要產(chǎn)生碰撞，或者是兩座橋梁的中心線產(chǎn)生的角度是否變小。這些工作都需要人工去判斷和處理，難免會產(chǎn)生一些人為誤差因素。使用全自動化的操作方式通過參數(shù)的設(shè)定可以避免這些問題。同步誤差的設(shè)定可以避免兩條鋼纜位移不一致的問題；轉(zhuǎn)體角度的監(jiān)測可以時(shí)刻監(jiān)測轉(zhuǎn)體角度的變化值，碰撞預(yù)警角度的設(shè)定能夠避免轉(zhuǎn)體橋發(fā)生碰撞，起到雙層保護(hù)的作用。在 后到設(shè)定剩余角度之前這段角度鋼纜的速度都是可控的，都可以保持高速的勻速行駛，在即將快到達(dá)設(shè)定剩余角度時(shí)，還可以逐步降低速度，已達(dá)到避免橋梁慣性所到了的超出轉(zhuǎn)體過程的后果，如圖12和圖13所示，可以在監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)置試轉(zhuǎn)角度和剩余角度。在千斤頂微調(diào)姿態(tài)時(shí)，還可以切換到手動模式進(jìn)行點(diǎn)動微調(diào)，在之前的自動化方式運(yùn)行中，大大地降低了出現(xiàn)事故的概率，并且還提高了作業(yè)效率。

在精確安裝和已知旋轉(zhuǎn)角度條件下，從預(yù)警到剩余1°范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)橋梁轉(zhuǎn)動角度的精確監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于北斗衛(wèi)星的全自動橋梁轉(zhuǎn)體系統(tǒng)。通過北斗衛(wèi)星和地面站構(gòu)建天地一體的轉(zhuǎn)體角度監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁轉(zhuǎn)體角度的實(shí)時(shí)反饋，設(shè)計(jì)了橋梁轉(zhuǎn)體驅(qū)動控制系統(tǒng)，與北斗衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁的高精度全自動轉(zhuǎn)體。本文設(shè)計(jì)開發(fā)的基于北斗衛(wèi)星的全自動橋梁轉(zhuǎn)體系統(tǒng)在行業(yè)是首次采用，達(dá)到了降低安全風(fēng)險(xiǎn)、提高對接精度，提高效率的目的，得到了業(yè)主的好評，具有一定的推廣價(jià)值。