抓斗船精挖計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)

劉國(guó)生，曹湘波，劉烈暉，許向東，張繼潮，韋紀(jì)軍

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510300）

0 引言

港珠澳大橋沉管隧道基槽精挖質(zhì)量驗(yàn)收指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)行的疏浚工程和水運(yùn)工程規(guī)范要求，水下46 m的基槽精挖高程控制，直接受“縱向坡型+橫向坡型+潮位+挖泥設(shè)備固有誤差+海況擾動(dòng)”等多種垂直動(dòng)態(tài)變化量影響，呈現(xiàn)出復(fù)雜的實(shí)時(shí)高程測(cè)量計(jì)算關(guān)系，常規(guī)技術(shù)和設(shè)備均難以滿足隧道基槽開挖質(zhì)量要求[1-9]，承擔(dān)該工程施工的“金雄”30 m3抓斗挖泥船就存在以下問題有待解決：

1）挖泥定深控制設(shè)備是以人工方式預(yù)置抓斗設(shè)定深度值R，并且沒有RTK、潮位基準(zhǔn)數(shù)據(jù)直接輸入接口，因此無(wú)法自動(dòng)解算抓斗定位高程動(dòng)態(tài)改正值。

2）不能實(shí)時(shí)補(bǔ)償高程波動(dòng)干擾及船舶海上施工受到的環(huán)境擾動(dòng)。

3）定深設(shè)備綜合測(cè)量和控制誤差值，在基槽精挖允許誤差范圍內(nèi)（0～50 cm）貢獻(xiàn)比例過大，例如：僅纜長(zhǎng)測(cè)量傳感器系統(tǒng)的誤差等級(jí)為±10 cm，預(yù)置設(shè)定深度值裝置的分辨率也為±10 cm，因而留給下道挖泥工序的可用基槽精挖偏差余量太少。

4）船員基本沒有參與類似工程經(jīng)歷。

5）若以常規(guī)設(shè)備操作和運(yùn)行方式進(jìn)行精挖施工，存在挖泥操作工序復(fù)雜、質(zhì)量控制困難、施工效率低等問題，還會(huì)增加船員工作強(qiáng)度，或要求船員具有更高的現(xiàn)場(chǎng)操作技能。

為此需對(duì)“金雄”30 m3抓斗挖泥船進(jìn)行適用性技術(shù)升級(jí)與改造，研發(fā)抓斗船精挖計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與方案

由抓斗船精挖計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)接管或替換原船挖泥定深控制設(shè)備，將抓斗挖泥船模擬為1臺(tái)精密數(shù)控機(jī)床，其刀具是抓斗，可按基槽設(shè)計(jì)圖紙要求的形狀和尺寸，高效實(shí)施海底基槽精準(zhǔn)成型“精密加工”工藝。

該系統(tǒng)是一個(gè)分布式的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，由傳感器、通訊網(wǎng)絡(luò)、工控PC計(jì)算機(jī)、軟件算法、微控制器、PLC、傳感器接口電路、機(jī)電一體化命令執(zhí)行驅(qū)動(dòng)裝置等組成，如圖1所示。

圖1 抓斗船精挖計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 The schematic diagram of the computer control system for the grab bucket dredger

抓斗船精挖計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)由兩個(gè)主要部分組成：1） GIS電子圖形系統(tǒng)；2） 抓斗運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

兩個(gè)系統(tǒng)間通過通信網(wǎng)絡(luò)，交互提供船體空間定位信息和挖泥設(shè)備運(yùn)行工況信息。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)如下：1）冗余獲取RTK和潮位站高程基準(zhǔn)信息；2） 數(shù)字地形擬合與圖形顯示；3） 抓斗運(yùn)動(dòng)直接數(shù)字閉環(huán)控制DDC：修正各類偏差與干擾，抓斗定深精度＜50 cm；4）深基槽精挖施工過程可測(cè)、可視、可控；5）挖泥操作程序化、數(shù)字化、智能化；6）改善挖泥設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)性，增強(qiáng)工程質(zhì)量可控性；7）工程質(zhì)量?jī)?yōu)先，兼顧高的綜合施工效率。

2 主要功能

2.1 地理信息圖形顯示系統(tǒng)

1）自動(dòng)尋深：根據(jù)基槽施工區(qū)域的設(shè)計(jì)水深文件和測(cè)量水深文件，每次抓斗旋轉(zhuǎn)至待開挖坐標(biāo)（x，y）位置上方時(shí)，立即計(jì)算出抓斗開挖目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)（x，y，z），并輸出到抓斗運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化施工。

2）施工作業(yè)平面定位與導(dǎo)航：顯示和記錄當(dāng)前船位及抓斗挖泥平面移動(dòng)軌跡。

3）斷面和水深圖數(shù)據(jù)，顯示開挖前、后的泥層狀態(tài)。

4）水下作業(yè)區(qū)域可視化：顯示斗齒挖掘運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。

5） 顯示船體x，y，z空間姿態(tài)及挖泥現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況。

6）引導(dǎo)精確（排）布斗位，提高移船效率。

7）輔助施工指揮管理，組織工藝實(shí)施。

8）非自航船海上調(diào)遣安全監(jiān)督。

GIS電子圖形系統(tǒng)，是在GIS地理信息系統(tǒng)平臺(tái)上開發(fā)完成的，充分利用了GIS空間測(cè)量與計(jì)算、信息處理以及多圖層顯示等功能特性。該系統(tǒng)是一個(gè)開放性平臺(tái)，可兼容處理各類流行的圖形和地理信息文件，利于今后系統(tǒng)技術(shù)升級(jí)和移植推廣和與其他第三方信息系統(tǒng)對(duì)接。

2.2 抓斗精挖高程參考基準(zhǔn)冗余方案

抓斗船遠(yuǎn)?；劬谶^程中，完全依賴于高程參考基準(zhǔn)來(lái)滿足高精度指標(biāo)要求的系統(tǒng)定位導(dǎo)航、姿態(tài)測(cè)量、施工監(jiān)測(cè)、抓斗閉環(huán)控制等，必須保證獲取的參考高程基準(zhǔn)數(shù)據(jù)有效性、持續(xù)穩(wěn)定，對(duì)此系統(tǒng)采取了以下措施：

1） 同時(shí)接收RTK（港珠澳大橋工程統(tǒng)一的CORS系統(tǒng)信號(hào)）和海上潮位站兩類基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，高程計(jì)算時(shí)，以RTK數(shù)據(jù)為主，潮位數(shù)據(jù)為輔，互為冗余，由識(shí)別算法自動(dòng)選擇。

2）利用正確的RTK基準(zhǔn)高程數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)潮位站可能產(chǎn)生的分帶偏差，保障潮位測(cè)量精度和有效性，以備作為RTK基準(zhǔn)異常時(shí)間段的替代參考高程基準(zhǔn)。另外，通過對(duì)兩類高程基準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)值比對(duì)，判斷此刻高程基準(zhǔn)原始數(shù)據(jù)適用性。

3）抓斗船可通過單一數(shù)傳通訊鏈路，向外廣播發(fā)布這些可信度高、傳輸協(xié)議兼容性好的遠(yuǎn)海高程參考基準(zhǔn)數(shù)據(jù)源。

3 抓斗運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

精挖直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC系統(tǒng)）利用分布式計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的實(shí)時(shí)運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)抓斗精挖施工過程直接數(shù)字閉環(huán)控制方案，系統(tǒng)控制流程如圖2所示，閉環(huán)控制模型如圖3所示。

圖2DDC系統(tǒng)控制流程圖Fig.2 The control flow chart of the DDC

圖3 DDC系統(tǒng)閉環(huán)控制模型Fig.3 DDC closed-loop control model

3.1 DDC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能和目標(biāo)

1）抓斗定深下放閉環(huán)控制算法：從GIS電子圖形系統(tǒng)獲得當(dāng)前船體空間位置信息，并采集傳感器數(shù)據(jù)，修正各類偏差與干擾，使抓斗定深精度＜50 cm。

2）平整挖泥模式控制算法：精確控制抓斗閉合挖掘過程，實(shí)現(xiàn)精度指標(biāo)范圍內(nèi)的挖掘效率最大化。

3）超深監(jiān)控方案：強(qiáng)化質(zhì)量監(jiān)控，提高施工效率。

4）挖泥機(jī)具操作程序化、智能化、數(shù)字化：通過提高挖泥設(shè)備操作的自動(dòng)化水平，彌補(bǔ)挖泥船定深設(shè)備自身不足，降低船員操作水平差異化影響，促進(jìn)基槽精挖精度和平整度保持一致性或穩(wěn)定性。

5）挖泥工藝參數(shù)修定：使抓斗船挖掘能力能更好適應(yīng)不同土質(zhì)特性或施工工況。

6）及時(shí)測(cè)量：系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別記錄每斗實(shí)際挖深坐標(biāo)、裝泥重量、時(shí)間等施工信息。回放這些數(shù)據(jù)，可及時(shí)評(píng)估施工現(xiàn)狀。

7）水深測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)：消除DDC傳感器系統(tǒng)累積偏差，檢驗(yàn)測(cè)量設(shè)備性能狀態(tài)。

8）生產(chǎn)安全的監(jiān)測(cè)：在線監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。

3.2 DDC系統(tǒng)3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

1）抓斗定深下放閉環(huán)控制算法

抓斗定深下放閉環(huán)控制的軟件算法，通過把采集反映現(xiàn)場(chǎng)工況的傳感器信息數(shù)據(jù)，與由GIS電子圖形系統(tǒng)提供的抓斗目標(biāo)定位信息數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)比對(duì)計(jì)算處理，消除或修正偏差干擾，如圖3所示，最后由機(jī)電一體化命令執(zhí)行驅(qū)動(dòng)裝置，將抓斗驅(qū)動(dòng)移位到指定坐標(biāo)位置。如表1所示，列舉了閉環(huán)控制所考慮的各種偏差情況和對(duì)應(yīng)解決方法。

表1 抓斗定位偏差控制Table 1 The grab bucket positioning deviation control

2）平整挖泥模式控制算法

DDC系統(tǒng)將抓斗控制定位到指定坐標(biāo)位置后，接下來(lái)的工序是閉斗挖泥，待閉斗到約占全開口尺度的28%后，接著DDC有兩種閉斗挖掘模式可供選擇，即：平整挖泥、定深挖泥。定深挖泥模式DDC系統(tǒng)不需要介入抓斗閉合挖掘過程，只監(jiān)控是否超深，基槽精挖施工主要采用平整挖泥模式。

平挖模式是當(dāng)抓斗挖掘到全開口尺度的28%，形成一個(gè)（R-18）cm的土坑后，DDC系統(tǒng)依據(jù)斗形運(yùn)動(dòng)特征函數(shù)（1）建立的控制算法模型，和挖掘區(qū)域當(dāng)前泥質(zhì)狀況，動(dòng)態(tài)調(diào)控抓斗沉降碟盤剎車力矩Pn，用至少16個(gè)重復(fù)步驟Sn，控制抓斗斗體一邊下放一定的位移量Hn，一邊同時(shí)閉斗挖掘，逐步削平28%后的72%由抓斗齒運(yùn)動(dòng)幾何形狀產(chǎn)生的挖掘泥面淺點(diǎn)土層，待抓斗完全閉合后，形成一塊存在約±20 cm凸凹起伏相對(duì)平整的泥面，并與抓斗全開口尺度前28%段的泥面保持在同一水平高程，相對(duì)于定深挖泥模式，平挖模式能充分利用抓斗開口尺度，達(dá)到精度指標(biāo)范圍內(nèi)的無(wú)淺點(diǎn)挖掘面積最大化。平整挖泥模式目標(biāo)效果如圖4所示，如圖5所示展示了平整挖泥控制流程。由于Hn限定在±20 cm范圍，所以DDC系統(tǒng)采用了分辨率≤2 cm抓斗位移的測(cè)量傳感器，測(cè)量沉斗實(shí)際位移量Hn，保證平整挖泥模式高測(cè)控精度要求。

式中：xn表示斗齒的水平移動(dòng)位置；yn表示斗齒的垂向移動(dòng)位置；an表示抓斗側(cè)向投影幾何運(yùn)動(dòng)軌跡修正參數(shù)；n=1～16。

圖4 平整挖泥目標(biāo)效果示意圖Fig.4 Flat dredge target effect schematic diagram

3） 超深監(jiān)控方案

DDC系統(tǒng)中平挖工藝執(zhí)行PLC的軟件控制算法，利用分辨率≤2 cm抓斗的位移測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)，及接收來(lái)自GIS電子圖形系統(tǒng)的船體空間定位數(shù)據(jù)，在線計(jì)算出斗齒當(dāng)前的空間位置坐標(biāo)，監(jiān)測(cè)每步Sn挖掘斗齒是否超深，同時(shí)，DDC系統(tǒng)讀取碟式剎車液壓回路制動(dòng)壓力值，作為碟剎制動(dòng)力矩與土質(zhì)之相關(guān)性算法的輸入變量之一，間接識(shí)別判斷斗齒處土質(zhì)，預(yù)測(cè)各步長(zhǎng)Sn抓斗下沉位移量Hn，如發(fā)現(xiàn)斗齒軌跡超出±20 cm范圍，立即發(fā)出制動(dòng)剎車命令，阻止抓斗下滑（沉降），并終止本次閉斗挖掘。平整挖泥控制及超深處理流程如圖5所示。

3.3 設(shè)定DDC系統(tǒng)運(yùn)行工藝參數(shù)

隧道基槽各管節(jié)施工時(shí)，為使DDC系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境變化，達(dá)到較優(yōu)的控制效果，利用DDC的綜合偏差調(diào)整功能，提煉出4個(gè)物理上容易理解的關(guān)鍵參數(shù)，供船長(zhǎng)或工程管理人員結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)合理設(shè)定及優(yōu)化配置調(diào)整。

參數(shù)配置列表見表2。

圖5 平整挖泥控制及超深處理流程示意圖Fig.5 The schematic diagram of flat dredging control and ultra deep processing

4 結(jié)語(yǔ)

2011年4月2日抓斗船精挖計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在沉管隧道基槽開挖工程中投入使用，經(jīng)歷了西人工島E1段精挖兩個(gè)工程節(jié)點(diǎn)，實(shí)際工作情況表明：抓斗垂直綜合開挖精度＜+30 cm的可信度達(dá)到95%（測(cè)試的最大挖深約19.5 m），每斗挖泥循環(huán)周期＜4 min，能在可施工海況條件下，滿足精挖工程質(zhì)量指標(biāo)要求。

表2 參數(shù)配置列表Table 2 Parameters configuration table

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