深中通道管節寄放區整平施工輔助決策系統研究

雷鵬

（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，天津 300456；3.天津市水運工程測繪技術重點實驗室，天津 300456）

0 引言

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五大技術難點，是目前為止世界上技術難度最大的建設工程之一[1]。深中通道沉管隧道東段管節在預制完成后，需要浮運至指定位置坐底寄放，管節寄放區基礎處理是關鍵施工環節[2-3]。此前在附近區域采用類似工藝的港珠澳大橋沉管隧道項目中，基床整平采用的“津平一號”是國內首創、港珠澳大橋島隧工程獨有的平臺式拋石整平船。該整平船插樁就位在設計位置后，其主體部分位于水面以上，控制水下整平高程的拋石管與RTKGPS設備剛性連接，較易獲取用于指導水下整平施工的高精度高程數據，具有高程數據獲取直接的優點，可以實現水深10耀50 m范圍內碎石鋪設整平，在工程中取得了良好的應用效果[4-5]，但相應的裝備結構復雜，成本較高。

深中通道沉管隧道東段管節寄放區整平施工采用完全水下作業模式的水下整平機，該作業模式具有建造成本低、作業效率高等優勢，但由于沒有剛性出水結構，無法直接使用RTKGPS高程，高程精度控制更加困難[6-7]。以壓力傳感器為核心的柔性高程傳遞技術，能夠基于分別安裝在驗潮站水下控制點和整平機的壓力傳感器實時水壓力差，將水下控制點高程遠程傳遞至整平機上的壓力傳感器。但該方法涉及的傳感器數量多，數據融合復雜，且整平施工現場對數據實時展示和整平數據管理都有較高要求，為此研發了深中通道管節寄放區整平施工輔助決策系統（以下簡稱輔助決策系統）。文章介紹了整平施工測控技術方案，剖析了輔助決策系統架構和主要功能模塊，并給出了在深中通道管節寄放區整平施工中的實際應用案例。

1 測控技術方案

深中通道管節寄放區整平施工測控系統主要包括：平面定位、整平機水下高程監測和輔助決策系統3部分。

1）平面定位

平面定位系統用于獲取整平機在水下的平面位置及姿態，以引導整平機至設計位置精確就位，并監測其在鋪石過程中的水平位置偏移，以保證整平機始終位于設計整平范圍內。為了適應整平機的完全水下作業模式，整平機水下實時平面坐標通過安裝在整平機上的4個水下聲學定位信標獲取。

2）整平機水下高程監測

水下監測系統包括安裝在整平機上的4個壓力傳感器，以及安裝在移動料斗上的測深儀和聲速計。壓力傳感器是系統實現柔性高程傳遞的核心（圖1），測深儀則用于在料斗移動過程中監測整平后的基槽高程，實現整平質量檢測。上述各設備的輸出數據均通過網絡實時傳輸至整平作業指揮室中的整平施工輔助決策系統軟件，進行集中處理分析[8]。

圖1 基于壓力傳感器的柔性高程傳遞方法Fig.1 Flexible elevation transference method based on pressure sensor

3）輔助決策系統

輔助決策系統在常規海洋工程施工導航定位功能基礎上，進一步針對實時水下高程數據這一核心，融合壓力傳感器、水下聲學定位信標、傾斜儀和測深儀等設備數據，按照數據解析、數據融合、數據管理的處理流程，以二維平面電子地圖、三維虛擬場景、動態數據曲線等多種手段將整平施工關鍵參數直觀地呈現給現場指揮和操作人員。

2 輔助決策系統研發

輔助決策系統采用C#面向對象開發語言，系統中所涉及的船舶、整平機及各個設備等多個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[9]。同時通過廣泛應用設計模式，系統具有更強的代碼可讀性，更加清晰的設計思路，以及更強的可擴展性，方便未來伴隨需求的增加擴充功能[10]。系統用戶界面基于微軟新一代圖形系統WPF技術開發實現，WPF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[11]。系統在開發過程中，充分運用了WPF技術中的數據綁定、屬性依賴等技術特征，有效提升了用戶體驗。

輔助決策系統按照功能可以劃分為常規導航定位、整平參數設計與就位、整平施工監測和整平數據組織管理4個模塊，各個模塊之間的交互關系如圖2所示。

圖2 輔助決策系統模塊結構圖Fig.2 Module structure diagram of the decision support system

2.1 常規導航定位部分

整平施工作業區域按照精確設計的整平幅進行逐幅精細化整平施工，整平施工船及整平機的實時精確位置是指導現場施工的重要信息，常規導航定位是系統針對這一需求的基礎功能模塊，用于引導現場指揮人員將整平機放置在設計位置以及整平過程中整平施工船、整平機等目標的平面位置監控。

系統基于WPF技術中的圖形繪制接口，通過WPF技術的動畫、依賴屬性等最新特性，從底層實現了輕量級電子地圖引擎，支持多種地理信息交換格式數據的讀寫，通過工作區-地圖集-圖層等概念對空間數據進行分層管理，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，實現了生動高效的圖形展示和方便快捷的地圖操作[12-13]。系統內置AutoCAD的DXF數據、GeoTIFF柵格影像等常用文件格式的支持，方便用戶在整平施工過程中及時將整平設計位置、高程異常點、三維地形暈渲影像等不同類型的數據集成進來，為整個系統的實現提供空間數據展現基礎。

為了實現整平現場整平施工船和整平機的實時精確定位，需要在各個目標上安裝GNSS、姿態傳感器、水下聲學定位信標等多種設備，以實時獲得目標的精確位置、姿態等信息。系統的硬件設備管理模塊實時接入硬件設備，根據接入設備的不同類型，按照其指定的數據格式從原始數據中解析出絕對地理坐標、相對坐標、姿態角度等信息，并融合計算出用于整平機位置監測的各項指標。

2.2 整平參數設計與就位

整平參數設計需要結合整平幅位置坐標、艏向、傾斜角度、尺寸、整平壟數量等信息綜合考慮。系統采用AutoCAD中DXF文件的形式，借助AutoCAD強大的圖文編輯功能適應靈活多變的設計參數需求。同時在電子地圖的支持下，以鼠標點選等友好的人機交互方式實現可視化整平設計。設計參數保存在自定義的.GSDesign文件中供后續調用。

整平機就位時，需要將整平機精確導引至設計文件中的設計位置，在滿足系統的水平定位精度要求后，緩慢坐底，開始整平作業。在粗略就位階段，系統結合整平機實時位置和設計位置的坐標差值及各個錨纜拉力值，通過控制整平施工船上的絞錨機實時調整各個錨點的纜繩長度，逐步將整平機穩定絞移至設計位置。就位過程中，系統將整平機四角距離設計位置的偏移分解至“右舷-艏向”船體坐標系，并以指向箭頭的形式繪制在電子地圖中整平機對應位置，方便現場指揮人員判斷整平機當前位置與設計位置的關系。

在精細就位階段，整平施工船錨定在設計位置后，整平機開始下沉坐底。由于海底地形復雜，為了防止坐底過程中整平機橫梁與地形發生直接磕碰，系統在預先導入的多波束測深系統掃測數據支持下，繪制整平機4個剖面的剖面線，直觀地反映出液壓樁腿、整平機橫梁與地形的相互關系（見圖3）。

圖3 精細就位階段整平機各個剖面的就位剖面窗口Fig.3 Positioning window of leveling machine's profiles during its fine positioning

2.3 整平作業監測

整平作業監測是系統的核心，輔助決策系統融合水下聲學定位信標、傾斜儀、測深儀和壓力傳感器等設備數據，獲取整平機的位置姿態、特別是高程等關鍵整平施工輔助決策信息，并以用戶易于理解的形式實時提供給現場施工人員。

整平機上的料斗口同時具備刮刀的功能，決定最終整平高程，其位置及高程是整平施工現場的關注重點。整平作業監測中的數據融合功能根據現場各個設備的輸出內容、校準參數及其安裝位置進行多個步驟的融合計算，實現“整平施工船-整平機-料斗口”的三維坐標傳遞。系統中水下聲學定位信標和壓力傳感器容易受到水深、海況、水密度等外部因素影響[14]，其工作狀態往往不夠穩定，為了在寶貴的整平施工窗口期提供不間斷整平監測數據，系統中提供了整平機定位要素（平面位置、高程及3個坐標軸的旋轉角度）的多個數據來源進行冗余設備備份。

整平作業監測模塊主窗口包括整平高程柵格圖、剖面圖和曲線圖3個部分，能夠從多個角度展現監測過程中整平機的位置姿態，以及料斗口高程和設計高程的相對關系。

1）整平高程柵格圖：輔助決策系統將整平區域抽象為整平柵格圖，根據料斗在整平區域內的當前相對位置將料斗映射至柵格圖坐標系中，并按照預設的顏色表，將當前料斗口高程與設計高程的差值填充柵格圖中對應的區域（圖4）。伴隨整平過程中料斗口逐壟行進，柵格圖中也逐壟填充顏色，從而直觀地反映出實際整平高程和設計高程的差值（即該幅整平施工質量）。同時在柵格圖中按照各個液壓樁腿的分布在對應位置顯示各個液壓樁腿的伸長量、需要調整的距離等關鍵信息，使整平過程中用戶感興趣的各項參數在整平柵格圖中得到集中展示。

圖4 整平作業監測主界面Fig.4 Main window for leveling operation monitoring

2）剖面圖：剖面圖中的主體是從4個角度觀察得到的整平機剖面，根據對應方向的整平機傾斜角度，在剖面視圖中旋轉，展示對應觀察角度整平機的姿態信息。同時，在剖面附屬的2個液壓樁腿的對應位置顯示液壓樁腿伸長量、需要調整的距離等關鍵信息，從而為現場操作人員提供更加易于理解的操作提示。

3）曲線圖：曲線圖的橫軸表示當前整平壟上各點到整平壟起始端的距離，縱軸表示高程。在曲線圖中繪制了設計高程曲線，及根據高程精度限差繪制的指示曲線。在整平過程中，系統根據料斗口高程實時更新料斗口高程動態曲線，從而反映出其與設計高程的相互關系及整平質量。

2.4 整平數據管理

整平數據包含了最終的整平高程等施工關鍵信息，對于質量管理、分析都具有重要價值，需要進行有機組織管理以進一步深入利用。文件系統相比較于常用的關系數據庫具有操作方便的優點，更適合當前類型的工程需要，整平施工中的監測成果以及各個傳感器的原始數據都以數據文件的形式被完整保存。

整平監測數據文件自動以“當前整平幅名稱+日期時間”的形式進行命名，后綴名為.GSSurvey，包含文件頭和文件體兩部分。文件頭記錄了工程坐標系參數、文件存儲路徑、記錄開始時間、設備名稱及偏移、工程項目備注信息等元數據；文件體則按照“整平幅-整平壟-采樣點”的結構，每一個整平壟對應一行數據，在數據行中順序存儲該壟各個采樣點的監測高程，實現對整平結果的質量檢查、超限點個數等關鍵數據統計等工作。針對傳感器原始數據，輔助決策系統則按照“傳感器編號-時間戳-原始數據”的方式制定組織和存儲策略，設計了后綴為.GSRaw的二進制文件格式，按照時間戳信息記錄各個設備的坐標、壓力、高度等原始數據，并可通過系統提供的數據回放功能，在現場作業結束后回放整平施工過程，實現整平作業實時監測數據的有效管理和充分利用。

系統中的整平數據按整平幅組織，在整平數據管理窗口中，當前項目的整平數據集中在左側列表框中。選中某整平幅的監測數據后，系統會自動調取詳細整平監測數據并在右側顯示柵格影像及曲線圖。柵格影像用于表達整平區域的條帶狀連續整平高程信息[15]，輔助決策系統根據各個整平幅監測數據生成GeoTIFF柵格影像，將整平施工時的平面位置記錄在對應的.tfw文件中，用顏色表示整平實測高程和設計高程的差值，并顯示在電子地圖的背景底圖中，實現基于地理信息技術的整平監測數據平面位置、整平高程質量的關聯集中顯示，直觀的圖形化展示整平施工質量。

3 輔助決策系統應用

2020年7月和11月，輔助決策系統分別在深中通道E32、E31管節寄放區整平作業中得到應用。在整平前，使用輔助決策系統中的整平參數設計模塊準備整平區域內各幅整平設計文件；測量人員使用全站儀獲取各個設備的精確安裝和校準參數，輔助決策系統在此基礎上，融合計算出整平機位置、水下料斗口實時高程等關鍵參數，指導現場操作人員完成寄放區基礎整平工作；整平施工結束后，輔助決策系統匯總各幅的整平質量，統計各整平幅中偏離設計高程的采樣點三維坐標，為后續施工環節提供參考。期間先后完成110余幅整平作業，輔助決策系統各個模塊的功能性、可靠性得到全面檢驗。

4 結語

1）輔助決策系統滿足了深中通道管節寄放區水下整平施工過程中的位置數據，特別是高精度高程數據監測需求，已在深中通道寄放區整平中發揮重要作用。文章剖析了其系統架構和主要功能模塊，并介紹了適應完全水下整平作業模式的柔性高程傳遞技術。

2）應用結果表明，輔助決策系統使用的數據融合計算方法高效正確，剖面、柵格、曲線、文本相結合的豐富數據展現方式能夠充分展示實時監測高程和設計高程的相對關系，數據組織管理科學合理，適應當前精細化施工發展趨勢，滿足整平施工應用需求。

3）后續可以和水下液壓控制系統結合，實現輔助決策系統和工業控制系統的聯動，進一步提高水下整平施工現場的自動化水平。