GPS 定位拋石在長(zhǎng)江防洪搶險(xiǎn)中的應(yīng)用

李益進(jìn)，吳 杰，陳 輝，王冬梅，胡 寧

（1.南京市長(zhǎng)江河道管理處，210011，南京；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，210037，南京）

經(jīng)過(guò)幾十年的努力，我國(guó)對(duì)洪水、河道演變以及工程施工、搶險(xiǎn)技術(shù)等方面的研究和實(shí)踐已達(dá)到了較高的水平。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)家對(duì)防洪搶險(xiǎn)的反應(yīng)速度和施工效率提出了更高要求。平順拋石護(hù)岸是汛期崩岸、塌江等緊急險(xiǎn)情的常用治理方法之一，采用GPS定位拋石使得拋石護(hù)岸搶險(xiǎn)工作效率得到了較大提高，為搶險(xiǎn)贏得了寶貴時(shí)間。

一、傳統(tǒng)拋石定位工藝流程及存在的問(wèn)題

平順拋石護(hù)岸是在沉排護(hù)岸基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，在實(shí)踐中形成了以定位船垂直水流測(cè)量定位、裝石船按船圖排擋拋石的施工方法。為確保拋石護(hù)岸施工的定位準(zhǔn)確、拋投均勻、快速高效，經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)踐與摸索，制定了施工工藝流程：拋前水下地形測(cè)量→施工單元格劃分→測(cè)量、放樣→定位船定位→裝石船定位→拋投塊石→定位船移位→裝石船定位→拋投塊石(循環(huán)至拋石工程結(jié)束)→竣工→水下地形測(cè)量。

在傳統(tǒng)的拋石護(hù)岸工程施工中，首先在岸上放樣出斷面花桿和交匯花桿的位置，再采用六分儀后方交匯定位方法對(duì)拋石定位船進(jìn)行定位，為確保拋石的均勻性，定位船要不斷地進(jìn)行移位。傳統(tǒng)的拋石護(hù)岸工程存在以下問(wèn)題：前期準(zhǔn)備工作量較大，要花費(fèi)大量時(shí)間和人力進(jìn)行控制測(cè)量和斷面放樣等工作；施工受地形和天氣等外界因素約束較大；為確保拋石的均勻性，施工過(guò)程中要不斷進(jìn)行移位，依靠傳統(tǒng)定位手段效率較低；六分儀的定位精度相對(duì)GPS定位精度很低。

二、定位船GPS定位工作原理

隨著DGPS定位技術(shù)運(yùn)用越來(lái)越廣泛，運(yùn)用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)定位成為可能。南京市長(zhǎng)江河道管理處為提高拋石護(hù)岸的施工精度和效率，尋求新的定位方法，開(kāi)發(fā)了“拋石船GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)”，并成功運(yùn)用在護(hù)岸工程中。

定位工作原理是在定位船船頂固定兩臺(tái)GPS天線，并測(cè)量出天線和定位船的相對(duì)位置。GPS接收機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，定位軟件讀取GPS天線坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并根據(jù)天線與定位船的相對(duì)關(guān)系將定位船顯示出來(lái)，軟件調(diào)取搶險(xiǎn)施工區(qū)域的施工設(shè)計(jì)圖和水下地形圖，并將施工圖劃分成單元格。施工過(guò)程中根據(jù)定位船與施工單元格的偏差數(shù)據(jù)和直觀位置關(guān)系來(lái)指揮定位船移位，當(dāng)偏差小于閾值時(shí)便可進(jìn)行拋石施工。拋石過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)定位船位置進(jìn)行監(jiān)控，并實(shí)時(shí)記錄偏移數(shù)據(jù)，當(dāng)偏差較大時(shí)發(fā)出警告進(jìn)行移位。定位工作原理見(jiàn)圖1。

三、系統(tǒng)硬件及軟件開(kāi)發(fā)

1.系統(tǒng)硬件配置

本系統(tǒng)GPS采用高精度MX 421信標(biāo)機(jī)兩臺(tái)套，DGPS定位精度優(yōu)于1 m（RMS），IMO 授權(quán)，具備 NMEA 0183 （Ver.3.0）接口，RAIM、DGPS 靈巧天線接收機(jī)。在DGPS模式下使用RTCM改正數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)布優(yōu)于亞米級(jí)的定位精度，具有2個(gè)獨(dú)立的NMEA串口并具備一臺(tái)2個(gè)串口486以上計(jì)算機(jī)。

2.軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)采用VB編寫(xiě)主程序，軟件具有友好的交互界面和便捷的操作性，運(yùn)用VC++編制動(dòng)態(tài)連接庫(kù)來(lái)讀取GPS傳輸?shù)男畔⒉⑼瓿刹煌鴺?biāo)系之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，調(diào)用地理信息軟件MapInfo控件MapX作圖形接口，充分發(fā)揮其地圖顯示、編輯、查詢、存取等操作功能。程序?qū)崿F(xiàn)的主要流程及運(yùn)行步驟見(jiàn)圖2。

圖2 程序?qū)崿F(xiàn)的主要流程及運(yùn)行步驟

四、利用GPS進(jìn)行搶險(xiǎn)拋石定位施工的優(yōu)點(diǎn)

1.提高拋石搶險(xiǎn)施工定位精度

本系統(tǒng)采用MX 421高精度DGPS靈巧天線，DGPS定位精度優(yōu)于1 m（RMS），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于六分儀定位精度，而且不需要進(jìn)行測(cè)量控制、外業(yè)放樣，減少了施工環(huán)節(jié)，從一定程度上降低了測(cè)量初差產(chǎn)生的概率。在施工過(guò)程中軟件將施工設(shè)計(jì)圖、水下地形圖和定位船實(shí)時(shí)直觀地顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了“所見(jiàn)即所拋”。

2.受自然條件的影響小

GPS依靠衛(wèi)星信號(hào)來(lái)定位，GPS測(cè)量不要求通視，因此在拋石搶險(xiǎn)施工過(guò)程中不受風(fēng)、霧及晝夜的影響，只要能夠正常接受GPS衛(wèi)星信號(hào)且氣候符合施工條件即可進(jìn)行施工。這對(duì)汛期崩岸、塌江搶險(xiǎn)意義重大。

3.提高了施工效率和社會(huì)效益

GPS的應(yīng)用使艱苦復(fù)雜的測(cè)量外業(yè)放樣工作變?yōu)槭覂?nèi)操作，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。拋石搶險(xiǎn)施工中僅需打開(kāi)計(jì)算機(jī)，調(diào)入設(shè)計(jì)圖和水下地形圖，根據(jù)定位軟件計(jì)算的偏差指揮定位船移位、定位，便可進(jìn)行拋石，定位船每艘班可減少測(cè)工2人，為重大搶險(xiǎn)施工中作業(yè)船舶的全天候施工提供了技術(shù)支持，大大提高了船舶利用率和工作效率。本系統(tǒng)成功應(yīng)用于2008年汛期長(zhǎng)江南京天河口段度汛應(yīng)急工程，拋石施工效率由原來(lái)3 000 m3/d提高到 5 000 m3/d，大大縮短了應(yīng)急工程的施工工期。

五、結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用GPS定位拋石，防洪搶險(xiǎn)施工工作效率得到了較大提高，但是拋石搶險(xiǎn)效果究竟如何，還要通過(guò)水下地形測(cè)量分析比較才可得知。下一步計(jì)劃在定位船上設(shè)置滑道，架設(shè)多波束測(cè)深系統(tǒng)，一個(gè)斷面施工結(jié)束后隨拋隨測(cè)，通過(guò)分析軟件掌握拋石搶險(xiǎn)效果，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高搶險(xiǎn)施工效率，為沿江經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供保障。

[1]陳俊勇，胡建國(guó).建立中國(guó)差分GPS實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的思考[J].測(cè)繪工程，1998（1）.

[2]左偉.GPS技術(shù)及其在導(dǎo)航電子地圖中的應(yīng)用[J]. 地圖，2001（4）.