深中通道管節浮運指揮系統研究

雷 鵬，王方正，張彥昌

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設計院有限公司，天津 300456；3.天津市水運工程測繪技術重點實驗室，天津 300456)

深中通道項目沉管段具有超寬、變寬、深埋、回於量大、挖砂坑區域地層穩定性差等五大技術難點，是世界技術難度最大的建設工程之一[1]。其最大管節長度可達165 m，寬度可達60 m，重約7萬t，且管節自身不具有動力，在浮運安裝過程中操控性較差，在珠江口復雜水流的作用下易出現失控乃至擱淺等事故，因此需要多艘工作拖輪嚴格按照設計方案相互協同作業以實現管節的安全浮運[2-3]。劉兆權等[4]開發了港珠澳大橋島隧工程浮運操作指揮系統，該系統使用RTKGPS進行管節定位定向，沒有集成管節三維姿態數據及全站儀定位數據以提高定位精度和系統可靠性；系統的展示形式較單一，僅通過二維平面電子海圖展示現場施工態勢。需要針對深中通道管節浮運測控技術方案開展進一步研究，滿足管節浮運過程中的現場指揮需求。

1 系統架構

深中通道管節浮運指揮系統(以下簡稱指揮系統)集成GNSS、地理信息等技術，在管節、工作拖輪上安裝的GNSS、姿態傳感器、壓力傳感器等定位設備的基礎上，通過現場管節定位設備的組織管理和數據融合計算，得到管節關鍵特征點實時三維坐標，實時計算管節上關鍵特征點的距離、角度、速度等決策參數，并發揮地理信息可視化技術特點，以二維平面、三維立體多個角度展示沉管隧道現場施工態勢，為管節施工、工作拖輪的指揮調度提供信息化的輔助決策手段，取得了良好的應用效果。指揮系統采用Visual Studio 2017集成開發環境和C#語言開發。系統中所涉及的管節、工作拖輪及各個設備等要素具有典型的面向對象特征，系統應用面向對象思想設計整個系統的內部結構，抽象得到具有不同屬性和行為的“類”，使系統的內部結構更加清晰合理。同時通過在指揮系統的設計中廣泛應用設計模式，使系統具有更強的代碼可讀性，更加清晰的設計思路，同時也具備更強的可擴展性，方便未來伴隨需求的增加擴充功能[5-6]。

系統用戶界面基于WPF技術開發實現，WPF是微軟新一代圖形系統，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一的描述和操作方法。系統在開發過程中充分運用了WPF技術中的數據綁定、屬性依賴等諸多先進可靠的技術特征，有效提升了用戶體驗。

系統在邏輯上劃分為硬件設備管理、數據融合計算、二維電子地圖平面顯示、三維場景顯示等模塊，各模塊之間的交互關系見圖1。

圖1 指揮系統中各模塊關系圖

1.1 硬件設備管理

為實現管節精確定位，系統需要接入GNSS、姿態傳感器、全站儀、壓力傳感器等眾多定位設備數據。

其中，GNSS是用于管節定位的核心設備，在深中通道CORS系統支持下，其平面定位精度優于1 cm，通過安裝于管節艏艉的兩個RTKGPS，結合各自精確標定的安裝坐標，可以計算出管節的實時精確艏向；姿態傳感器通過和管節剛性安裝，能夠實時獲取管節三維姿態，系統使用的Octans是唯一通過IMO認證的測量級陀螺羅經運動傳感器，其航向精度可達±0.2°，縱傾和橫傾精度可達±0.01°；全站儀獨立于GNSS通過光學手段獲取管節上棱鏡的三維坐標，其測量精度尤其是高程精度一般優于GNSS，在通過無線電實時傳輸至指揮系統后，可以與GNSS互相實時校核；壓力傳感器則獨立于姿態傳感器，通過水壓力差值計算管節姿態以作為姿態傳感器設備的補充[7]。

以上各個設備的連接方式、連接參數、數據格式、校準參數等均不相同，設備管理模塊將各個設備抽象成虛擬的設備類，各個設備對象具有相應的屬性特征，并通過ORM(Object Relational Mapping，對象關系映射)映射的方式將各個對象保存在數據庫中，實現設備配置信息的存取。設備管理模塊還負責根據設備的不同類型[8]，按照其指定的數據格式從原始數據中解析得到坐標、衛星數、姿態角度等信息，供后續數據融合計算模塊根據管節定位設備組合進一步分析計算。

1.2 數據融合計算

沉管管節的角點、艏艉底部中心點等關鍵特征點在系統中以管節坐標系中的坐標提供，而管節設計數據則以施工坐標提供，為了計算特征點距離設計位置的平面距離、高程差值等關鍵參數，則需要通過數據融合計算模塊按照坐標系層次結構分級實現關鍵特征點由管節局部坐標系至世界地理坐標系的轉換。

在三維空間中，坐標系的轉換公式如下

(1)

式中：Rε(x)、Rε(y)、Rε(z)分別是坐標系繞X軸、Y軸、Z軸的旋轉矩陣，而X′、Y′、Z′則是兩個坐標系原點之間的空間位移[9-10]。數據融合模塊根據各個設備解析得到的空間坐標、姿態旋轉角度等數據，結合設備的安裝位置和改正參數，計算對應的坐標變換矩陣(圖2)。

圖2 數據融合模塊中層次結構坐標轉換關系

在層次結構支持下，獲取任意一個節點的坐標轉換關系，只需將其父節點至根節點之間的各個節點的轉換關系逐層累計，即可獲取該節點在WGS84坐標系下的世界坐標。實際應用證明，通過層次狀結構，能夠有效表達真實世界的坐標轉換，方便沉管在世界坐標系和管節局部坐標系之間的轉換，實現“GNSS-管節-特征點”的坐標傳遞。由于系統中層次關系較多，計算的特征點也較多，所以數據融合計算模塊的計算量大。為了提高計算效率，系統在后臺線程中完成數據融合計算后再同步至用戶界面，從而減少交互操作遲滯感，改善用戶體驗。

1.3 二維平面和三維場景顯示模塊

顯示模塊負責以圖形化的形式將核心計算模塊的計算結果呈現在用戶界面上。平面電子地圖是系統的核心，現場施工場景，管節設計位置、沉管隧道中心線、周邊水深地形等施工相關要素，以及作業船舶、管節等各個動態目標的實時狀況均在電子地圖中進行渲染呈現。系統基于WPF技術中的圖形繪接口，從底層實現了輕量級電子地圖組件，支持DXF(AutoDesk)、Shp(ArcGIS)等格式數據文件的讀寫，并通過工作區-地圖集-圖層概念對空間數據進層次結構管理，在空間索引的支持下實現空間數據集的高效率、高質量渲染，以及地理信息應用中常規的地圖漫游、空間查詢、屬性查詢等功能[10]，為整個系統的實現提供了基礎支撐。在沉管隧道管節施工過程中，現場工程技術人員會根據需要臨時將設計數據、指示導引數據等加載至底圖中，供施工指揮人員參考，由于數據文件來源不一，內部坐標系各不相同，為此電子地圖組件增加了即時(on-the-fly)坐標轉換模式，方便了施工現場操作。

系統進一步利用三維可視化技術，將沉管隧道施工過程中所涉及的管節、工作拖輪等動態目標以及海底地形等靜態目標實時顯示在三維場景中，直觀展現各個目標之間的相對關系，解決沉管隧道施工過程中無法直接觀察水下目標的問題，真實反映現場實時作業態勢，為現場作業指揮人員提供輔助決策信息。作業前需要準備好系統中各個要素的三維模型，其中管節、工作拖輪的三維模型通過第三方建模軟件建立標準的三維模型文件。三維地形模型則使用地形模型構建工具在建立不規則三角網后自動生成。沉管隧道施工過程中，系統根據數據融合模塊的計算結果，應用各個目標的仿射變換矩陣自動實時更新三維場景中各個要素，實現動態場景展示(圖3)。

圖3 管節浮運典型三維場景

2 關鍵技術

2.1 定位精度實時評估

深中通道項目建設規模大、社會影響大，相應其管節浮運及沉放對接的精度要求更高，為了保證定位精度及系統可靠性，系統中用于提供管節定位要素的設備數據源存在適當冗余(表1)。在施工過程中，由于附件大型結構物遮擋、電離層異常及近岸無線電干擾等因素，各個設備的數據質量均可能受到不同程度的影響[11]。系統研發了能夠實時分析數據源質量參數的管節定位質量評估技術，實現定位設備組合自適應調整。

表1 管節浮運過程中定位數據源

(1)建立不同種類設備的歸一化精度評估指標，通過基線距離、位移速度、角速度、水壓力等多個指標監測設備的測量精度、更新頻率等工作狀況。將各個設備輸出的坐標、角度、距離、速度、加速度等具有不同的量綱和數量級的物理量，轉化為統一的空間位移，用于后續進一步定位設備組合精度評估。

(2)預先設立多個為管節定位提供完整定位要素(平面位置、高程、艏向、縱傾、橫傾)的定位設備組合方案，系統運行時，在異步后臺線程中按照1Hz的頻率根據當前工作環境狀況實時更新各個設備的歸一化精度指標，并進一步計算各個預設定位設備組合方案的綜合精度并分析比對，如果當前組合綜合定位精度低于最優組合，則在后臺自動切換至最優設備組合，從而使系統能夠自適應施工現場的環境變化，始終處于最佳工作狀態，為沉管隧道施工提供連續無縫的高精度定位服務，避免定位精度降低帶來的潛在施工安全風險。

2.2 網絡化分布式實時導航定位數據處理方法

管節在浮運及對接過程中，需要多艘工作拖輪的協同拖帶作業。為了實現管節和拖輪的實時指揮調度，管節及各艘拖輪都安裝了多套定位設備，導致系統中測量設備多、更新頻率快和系統實時性要求高。為了實現數據的高效處理，系統利用施工現場施工指揮室、各艘拖輪等各個節點天然的空間分布特性，首先在各個節點的導航計算機針對高頻并發定位設備數據，充分利用現代計算機計算能力，通過適應多核處理器的數據調度算法，將數據路由至多個獨立數據處理模塊，在完成解算后再同步至數據融合模塊。

系統在工業無線網橋和定制客戶端軟件的軟硬件支持下，通過系統中自定義數據傳輸協議和消息信道，實現了多船船際定位數據共享和指揮命令協同，并結合電子地圖實時可視化指揮調度工作拖輪。基于“本地-遠程”端口映射，借助4G/5G通訊網絡實現局域網和廣域網信息融合，在廣域網中分發廣播沉管管節定位數據，實現“現場實時測量，遠程多處實時監控”，保障施工安全(圖4)。

圖4 基于船際網絡的協同作業及可視化工作拖輪指揮調度

2.3 BIM、三維激光掃描儀深度結合集成應用

BIM技術目前已經在全球范圍內得到業界的廣泛認可，能有效解決復雜工程的大數據創建、管理和共享應用等問題，通過將BIM引入到沉管隧道的浮運和對接工作中，發揮BIM設計模型細節豐富和三維激光掃描儀數據幾何信息精確的優勢[12-13]，為系統提供高精度三維模型。三維激光掃描技術采用激光測距方式，通過測量管節表面各點的三維坐標值、反射率及紋理信息等，借助于激光點云算法，快速獲得管節的三維模型及其線、面、體等各種數據，具有方便快捷、精度高、范圍廣等特點，同時能夠提升施工效率和施工質量，便于項目施工管理。沉管管節高精度幾何參數直接影響最終對接精度，系統利用三維激光掃描，結合BIM設計資料在點云數據拼接后完成了由實體預制管節到離散點云數據的轉換，再通過點云抽稀、特征點提取和拓撲關系建立，實現了可以最終用于指揮系統中沉管隧道施工場景三維可視化的抽象三維模型。該方法減少了重復建模的工作量，避免了由此帶來的數據一致性問題，實現了干塢內靜態管節的預制完工驗收測量與管節對接定位的一體化作業(圖5)。

5-a 離散點云數據 5-b 抽象三維模型

3 應用推廣

2020年7月和11月，系統分別在深中通道E32和E31管節出塢浮運中得到成功應用，系統融合現場用于管節定位的GNSS、慣導等多種數據，在管節出塢、浮運及坐底就位等各個階段提供了不間斷的高精度定位數據，實時計算管節上外圍輪廓角點、前后底邊中心點等關鍵特征點到干塢邊線、計劃中心線的距離，移動速度、沉放速度等多種決策參數，并通過電子地圖和三維場景從多個角度以可視化形式展示施工現場態勢，支撐了項目順利開展，成為現場施工的指揮決策中心，取得了良好應用效果，伴隨深中通道項目的持續推進，后續還將繼續擴大系統應用規模(圖6)。

圖6 基于WPF的電子地圖引擎呈現的實時管節浮運施工場景

4 結語

本文針對深中通道管節浮運中的高精度位置需求，以GNSS定位為核心，結合地理信息技術，通過現場管節定位設備的組織管理和數據融合計算，得到管節關鍵特征點實時三維坐標，并進一步通過實時精度評估、網絡化分布式實時導航定位數據處理方法、BIM模型和三維激光掃描數據聯合應用，實現復雜施工環境下長時間不間斷高精度位置信息服務、可視化的工作拖輪指揮調度及管節高精度精細三維模型獲取，解決了沉管隧道施工現場實時態勢感知，促進了深中通道沉管隧道段的精細化、科學化施工，拓寬了測繪地理信息技術在國家重大工程建設中的應用范圍。后續可以通過集成壓力、拉力等更多類型的傳感器，引入VR等更先進的技術手段，進一步豐富完善系統功能。