基于測(cè)量機(jī)器人的數(shù)字化船塢建設(shè)方法及應(yīng)用研究

方　露，魏葉青，劉新霞

(1. 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 南京 211170； 2. 南京舸綠寶船舶技術(shù)有限公司，

江蘇 南京 211100； 3. 華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050020)

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基于測(cè)量機(jī)器人的數(shù)字化船塢建設(shè)方法及應(yīng)用研究

方露1，魏葉青2，劉新霞3

(1. 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 南京 211170； 2. 南京舸綠寶船舶技術(shù)有限公司，

江蘇 南京 211100； 3. 華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050020)

Method for Digital Dock Construction Based on the Robot and Its Application Research

FANG Lu，WEI Yeqing，LIU Xinxia

摘要：闡述了基于測(cè)量機(jī)器人的數(shù)字化船塢建設(shè)方法，主要分析了數(shù)字化船塢建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，深入研究了基準(zhǔn)控制點(diǎn)選擇及基準(zhǔn)控制點(diǎn)穩(wěn)定性觀測(cè)的方法，并對(duì)控制網(wǎng)測(cè)量平差及精度進(jìn)行了評(píng)定，最后結(jié)合案例給出了建設(shè)數(shù)字化船塢在建設(shè)及應(yīng)用中的幾點(diǎn)意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：測(cè)量機(jī)器人；數(shù)字化船塢；船舶建造；精度控制

船舶及海洋工程裝備在建造過(guò)程中，先以分段形式在平地區(qū)域進(jìn)行建造，經(jīng)檢測(cè)合格后吊運(yùn)至船塢進(jìn)行定位搭載。船塢作為瓶頸資源，其使用周期直接決定了船舶及海洋工程裝備的生產(chǎn)周期[1]。

目前國(guó)內(nèi)主流船廠主要基于船塢中心線或半寬基準(zhǔn)線、肋位線和船塢高度基準(zhǔn)線進(jìn)行分段定位搭載。分段前后位置與高低位置需通過(guò)相應(yīng)的肋位線與高度基準(zhǔn)線來(lái)確認(rèn)。該搭載方式要求所有的基準(zhǔn)線必須在可視范圍內(nèi)，否則需根據(jù)基準(zhǔn)線重新畫(huà)出可視的基準(zhǔn)，而二次畫(huà)線時(shí)存在誤差累積，直接影響后續(xù)定位搭載精度。本文基于精密工程測(cè)量技術(shù)，詳細(xì)闡述了數(shù)字化船塢建設(shè)方法，并對(duì)對(duì)數(shù)字化船塢建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，包括基準(zhǔn)控制點(diǎn)選擇、基準(zhǔn)控制點(diǎn)穩(wěn)定性觀測(cè)、控制網(wǎng)測(cè)量平差及精度評(píng)定等。實(shí)例應(yīng)用表明，該方法能夠滿足船塢分段定位搭載要求，提高了船體建造質(zhì)量，縮短了船塢使用周期。

一、數(shù)字化船塢建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字化船塢的建設(shè)主要針對(duì)500 m×100 m尺寸的新型船塢，其關(guān)鍵在于研究適用于分段定位搭載的控制點(diǎn)布設(shè)方法，并結(jié)合船臺(tái)/塢現(xiàn)場(chǎng)遮擋嚴(yán)重、施工不間斷、變形時(shí)刻發(fā)生等特點(diǎn)，研究滿足造船精度要求的數(shù)字化船臺(tái)/塢作業(yè)方法。

1. 基準(zhǔn)控制點(diǎn)選擇及穩(wěn)定性觀測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)踏勘作為數(shù)字化船塢方案設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，需對(duì)點(diǎn)位布設(shè)位置、船塢利用周期進(jìn)行詳盡考察，選擇合適時(shí)機(jī)進(jìn)行數(shù)字化船塢建設(shè)?；鶞?zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)需通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行平差計(jì)算，得到基準(zhǔn)坐標(biāo)及誤差分布圖等，從而建立數(shù)字化船塢。數(shù)字化船塢基準(zhǔn)控制點(diǎn)應(yīng)按照現(xiàn)場(chǎng)條件及造船進(jìn)度情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和布設(shè)。一般沿船臺(tái)(或塢壁)兩側(cè)每隔40～60 m選擇易保護(hù)區(qū)域布設(shè)一對(duì)基準(zhǔn)控制點(diǎn)。

如圖1所示，在A點(diǎn)架設(shè)高精度全站儀(如索佳NET05)，選擇外圍穩(wěn)定點(diǎn)P1、P2作為監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)。每一期變形觀測(cè)測(cè)得P1、P2、1、2、3、…、n共n+2個(gè)方向角、天頂距、斜距，各期數(shù)據(jù)綜合計(jì)算得到各點(diǎn)位移情況。

圖1　基準(zhǔn)控制點(diǎn)水平位移監(jiān)測(cè)示意圖

各點(diǎn)位移量可表示為

(1)

式中，Δβi=(末次觀測(cè)方向值)-(前次觀測(cè)方向值)；Si為各觀測(cè)點(diǎn)到A點(diǎn)的距離。

在船塢區(qū)域外選擇穩(wěn)定點(diǎn)作為沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)，對(duì)基準(zhǔn)控制點(diǎn)的垂直沉降量hi可采用二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2. 基準(zhǔn)控制網(wǎng)測(cè)量平差及精度評(píng)定

數(shù)字化船塢控制網(wǎng)采用自由測(cè)站邊角交會(huì)法施測(cè)，如圖2所示控制網(wǎng)觀測(cè)從一端開(kāi)始，每次設(shè)站觀測(cè)塢壁設(shè)置的4對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)，直至最后一測(cè)站，過(guò)程中需對(duì)船塢中心線兩端設(shè)置的觀測(cè)點(diǎn)及標(biāo)高控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)。

圖2　自由設(shè)站觀測(cè)過(guò)程示意圖

基準(zhǔn)控制網(wǎng)測(cè)量得到斜距、方向、天頂距3類(lèi)觀測(cè)值。記設(shè)站點(diǎn)k、測(cè)量點(diǎn)i，分別對(duì)斜距Ski、方向Lki、天頂距Aki誤差方程線性化得

(2)

(3)

(4)

則有誤差方程

V=Bt-l

(5)

取方向觀測(cè)值中誤差mL為單位權(quán)中誤差，即m0=mL，則Ski、Lki、Aki觀測(cè)值定權(quán)為

(6)

按最小范數(shù)原理，可得未知數(shù)向量為

(7)

單位權(quán)中誤差為

(8)

式中，Nr為方向觀測(cè)數(shù)；NS為斜距觀測(cè)數(shù)；Ni為未知數(shù)個(gè)數(shù)；Nk為測(cè)站數(shù)。

(9)

二、某數(shù)字化船塢建設(shè)實(shí)例及應(yīng)用

某數(shù)字化船塢兩側(cè)各布置8個(gè)基準(zhǔn)控制點(diǎn)(P1、P2、…、P8，S1，S2、…、S8)，在船塢一個(gè)使用周期中對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)?；鶞?zhǔn)控制點(diǎn)沉降量和位移量監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，各點(diǎn)變化量均在2 mm以?xún)?nèi)，視作滿足布點(diǎn)要求。對(duì)控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，平差計(jì)算后各基準(zhǔn)控制點(diǎn)結(jié)果及精度評(píng)定見(jiàn)表2，最大點(diǎn)位誤差為1.4 mm，滿足分段定位搭載要求。

表1　基準(zhǔn)控制點(diǎn)沉降量位移量監(jiān)測(cè)結(jié)果　mm

表2　基準(zhǔn)控制點(diǎn)平差坐標(biāo)結(jié)果　mm

續(xù)表2

圖3為數(shù)字化船臺(tái)/塢定位搭載示意圖，采用自由設(shè)站原理進(jìn)行數(shù)字化船臺(tái)/塢內(nèi)的分段定位搭載作業(yè)，所選兩個(gè)基準(zhǔn)控制點(diǎn)應(yīng)盡量覆蓋分段定位搭載區(qū)域，且交會(huì)角應(yīng)控制在40°～150°之間，在自由設(shè)站完成后分段測(cè)量前，需對(duì)其他某一已知點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)量確認(rèn)，以提高定位搭載的可靠性。

圖3　數(shù)字化船臺(tái)/塢定位搭載示意圖

三、結(jié)束語(yǔ)

基于數(shù)字化船臺(tái)/塢的分段定位搭載作業(yè)，避免了傳統(tǒng)參照中心線、半寬線、肋位線等基準(zhǔn)進(jìn)行分段定位搭載時(shí)存在的大量吊裝分段下工作，大大提高了安全系數(shù)。由于基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在船臺(tái)/塢周邊，定位搭載時(shí)至少有兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)處于可視位置，適用于所有分段的搭載定位。數(shù)字化船臺(tái)/塢適用于任何船型，避免了傳統(tǒng)方式作業(yè)中由于船型不同而引起的重置船臺(tái)/塢基準(zhǔn)線等問(wèn)題。此外，基于數(shù)字化船臺(tái)/塢搭載作業(yè)，可三維實(shí)時(shí)獲取定位搭載偏差，有效地縮短船臺(tái)/塢周期，提高生產(chǎn)效率。

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中圖分類(lèi)號(hào)：P258

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)03-0087-03

作者簡(jiǎn)介：方露(1983—)，女，碩士，講師，研究方向?yàn)榫芄こ虦y(cè)量。E-mail：seahudie@163.com

收稿日期：2015-04-13

引文格式： 方露，魏葉青，劉新霞. 基于測(cè)量機(jī)器人的數(shù)字化船塢建設(shè)方法及應(yīng)用研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(3)：87-89.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0094.