基于拋石駁船的自動(dòng)定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

丁志兵 , 陳 鵬

(1.鎮(zhèn)江市億華系統(tǒng)集成有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212000;2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

湖北襄陽(yáng)過(guò)江隧道建設(shè)工程是襄陽(yáng)市城市交通建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，該工程對(duì)施工精度的要求較高。在沉管施工過(guò)程中，利用拋石駁船進(jìn)行移動(dòng)施工，但拋石駁船在水體移動(dòng)時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生位移誤差，從而對(duì)拋石施工帶來(lái)一定的影響。為了能夠提高拋石駁船的位移精度，項(xiàng)目組采用水下拋錨的移船方式，在施工周邊打水下樁(受力控制在110 kN)，錨纜系在樁位上，從而能確保錨點(diǎn)的準(zhǔn)確性以及纜繩上的張力。同時(shí)，為了控制精度以及船舶的位移平穩(wěn)性,項(xiàng)目組引入實(shí)時(shí)定位動(dòng)態(tài)技術(shù) (Real-time kinematic，RTK)衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并通過(guò)安裝架設(shè)基站的RTK GPS實(shí)時(shí)解算和定位駁船的地理坐標(biāo)，從而進(jìn)一步提升了船舶的精度。

本文在分析四定位絞車自動(dòng)定位控制移船原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究移船控制精度及平緩性。

1 項(xiàng)目施工背景概述

本項(xiàng)目來(lái)自湖北襄陽(yáng)過(guò)江隧道工程，其中沉管隧道的碎石墊層需承受來(lái)自隧道本身、回填、管頂保護(hù)層以及回淤載荷，并將該載荷傳遞至海床基礎(chǔ)。碎石墊層設(shè)置V形槽，縱斷面鋸齒形，平面S 型鋪設(shè)。碎石壟溝截面見圖1。

圖1 碎石壟溝截面圖

碎石墊層頂橫向?qū)挾?5.2 m(結(jié)構(gòu)寬31.2 m+結(jié)構(gòu)外緣線兩側(cè)各預(yù)留2 m)，單壟頂縱向?qū)挾?.2 m，V 型槽頂縱向?qū)挾?.6 m，管節(jié)間大槽頂寬2.6 m。碎石壟邊坡坡率暫按1∶1.5設(shè)計(jì)，實(shí)際按自然休止角成形。基礎(chǔ)碎石壟溝結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 基礎(chǔ)碎石壟溝結(jié)構(gòu)圖

項(xiàng)目所用拋石駁船配備4臺(tái)100 kN定位絞車，采用三速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。船體甲板兩側(cè)分別布置2臺(tái)絞車。對(duì)這4臺(tái)三速錨絞車增加施工控制系統(tǒng)，使其滿足自動(dòng)移船功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

拋石駁船定位控制系統(tǒng)是一套基于RTK衛(wèi)星定位的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由船舶定位控制計(jì)算機(jī)、RTK基站、GPS衛(wèi)星接收機(jī)、可編程控制器(PLC)絞車控制器、設(shè)備傳感器等模塊組成。

RTK基站采用iRTK5高精度的1+2模式(陸地架設(shè)1個(gè)基站，船舶安裝2臺(tái)移動(dòng)站)。根據(jù)實(shí)測(cè)，定位精度達(dá)到5 cm以內(nèi)。RTK基站建在河岸邊固定位置處，基站將接收到的移動(dòng)駁船GPS位置信號(hào)通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)實(shí)時(shí)發(fā)給定位控制計(jì)算機(jī)；控制計(jì)算機(jī)將移動(dòng)駁船GPS位置信號(hào)和基站信號(hào)實(shí)時(shí)聯(lián)合解算，從而求得基站和移動(dòng)駁船間坐標(biāo)增量。

設(shè)備傳感器主要包括絞車鋼絲繩拉力傳感器、絞車編碼器。拉力傳感器安裝在鋼絲繩導(dǎo)向輪軸處，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼絲繩受力數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送至控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)通過(guò)分析計(jì)算后發(fā)出指令控制PLC。絞車編碼器安裝于絞車軸側(cè)端，用于檢測(cè)絞車盤線纜收放速度以及線纜收放長(zhǎng)度。

系統(tǒng)主要工作流程見圖3?？刂朴?jì)算機(jī)首先下發(fā)船舶移位激活指令給PLC絞車控制器，自動(dòng)移船定位激活后，PLC絞車控制器接受RTK、拉力傳感器等信號(hào)，實(shí)時(shí)控制4個(gè)絞車上的拉力保持平衡，并根據(jù)當(dāng)前船舶位置、4個(gè)樁錨位點(diǎn)計(jì)算出絞車的收放繩長(zhǎng)，判斷出當(dāng)前控制范圍：粗控制、精控制，計(jì)算出絞車的收放狀態(tài)以及收放速度，并根據(jù)絞車編碼器反饋的絞車速度建立PID控制模型。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

3 移船位移控制原理

絞車通過(guò)計(jì)算機(jī)控制信號(hào)來(lái)實(shí)時(shí)收放絞車?yán)|索達(dá)到控制駁船有序移動(dòng)的過(guò)程，每次需要將船從P1移至P2位置。移船初始位置見圖4。

移船的過(guò)程如下：

首先松開F2、S2處纜索，接著收緊F1和S1處纜索。若船位發(fā)生右偏，則松開F2纜索，收緊F1纜索；若船位發(fā)生左偏，則松開F1纜索，收緊F2纜索。待船舶基本穩(wěn)定，重復(fù)上述過(guò)程進(jìn)行修正，比對(duì)船舶位置，直至符合要求，控制角度在0.2°以內(nèi)。船舶移動(dòng)示意見圖5。

P1—當(dāng)前船舶位置；P2—目標(biāo)船舶位置；F1、F2—船首2個(gè)

圖5 船舶移動(dòng)示意圖

絞車速度控制如下：

首先判斷當(dāng)前船舶GPS的位置，若偏差較大(>2 m)，則收放絞車的速度為V1，持續(xù)判定船舶位置；若偏差在1～2 m間，則收放絞車的控制速度為V2；若偏差在1 m以內(nèi)，則收放絞車的控制速度為V3。其中：V1>V2>V3。

每次船舶橫向移動(dòng)2 m，移動(dòng)后縱向保持不變，在拋石作業(yè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移船功能。具體技術(shù)要求如下：定位精度5～10 cm，預(yù)緊力50 kN，每次移動(dòng)距離2 m，每次移動(dòng)時(shí)間15 min。

為了實(shí)現(xiàn)絞車自動(dòng)移船功能，4臺(tái)絞車采用交叉布錨方案，錨固定在錨樁上，定位絞車控制系統(tǒng)接收船上提供的GPS信號(hào)，根據(jù)船舶當(dāng)前位置坐標(biāo)及目標(biāo)位置坐標(biāo)，控制系統(tǒng)輸出絞車收放動(dòng)作信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)駁船的自動(dòng)移船功能，驅(qū)動(dòng)船舶沿給定軌跡移船，整個(gè)系統(tǒng)為一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。自動(dòng)移船系統(tǒng)框圖見圖6。

圖6 自動(dòng)移船系統(tǒng)控制框圖

4 粗定位與精定位的實(shí)現(xiàn)

整個(gè)絞車駁船自動(dòng)定位控制分為粗定位和精定位兩個(gè)步驟。

粗定位過(guò)程如下：

同時(shí)啟動(dòng)駁船上的4臺(tái)定位絞車，F(xiàn)1、S1收纜，F(xiàn)2、S2放纜；每臺(tái)定位絞車控制收纜或放纜V1值，從而到達(dá)要求的粗定位位置。V1值為1.5～2.0 m/min。粗定位實(shí)施示意見圖7。

G1—船首GPS；G2—船尾GPS。

精定位步驟對(duì)于拋石駁船的位移有較高的要求，所以是本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。第一步和粗定位操作相同，仍然是啟動(dòng)4臺(tái)定位絞車，F(xiàn)1、S1處收纜，F(xiàn)2、S2處放纜。每臺(tái)定位絞車控制收纜或放纜V2值并等待幾秒，系統(tǒng)通過(guò)GPS判斷船位偏差情況。V2設(shè)定為接近0.3 m/min的某個(gè)數(shù)值。通過(guò)實(shí)測(cè)偏差數(shù)值對(duì)船位置進(jìn)行分析，主要分為3種情況。

第一種偏差情況：橫向位置未達(dá)到既定目標(biāo)位置，無(wú)需糾偏，繼續(xù)精定位操作即可。偏差一實(shí)施示意見圖8。

圖8 偏差一實(shí)施示意圖

第二種偏差情況：船體在縱向上出現(xiàn)偏移，此時(shí)啟動(dòng)糾偏措施。對(duì)于這種情況，需同時(shí)啟動(dòng)4臺(tái)定位絞車，F(xiàn)1、F2處收纜，S1、S2處放纜，定位絞車動(dòng)作速度為V3(V3<0.2 m/min)。偏差二實(shí)施示意見圖9。

第三種偏差情況：船體在橫軸方向與縱軸方向均產(chǎn)生偏差位移。對(duì)于此種情況需同時(shí)啟動(dòng)4臺(tái)定位絞車，F(xiàn)1收纜、F2放纜，S1收纜、S2放纜，定位絞車動(dòng)作速度為V4(V4<0.1 m/min)。

每次進(jìn)行一次精定位操作或者一次糾偏操作后，等待數(shù)秒，由系統(tǒng)來(lái)判斷船舶的位置，并決定下一次操作是精定位還是糾偏操作，直到系統(tǒng)判斷船位的定位誤差在精度許可范圍內(nèi)(比如：橫向偏差0.1 m，扭轉(zhuǎn)偏差0.1°)。偏差三實(shí)施示意見圖10。

圖9 偏差二實(shí)施示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種拋石駁船在水下工程施工中的位置定位自動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和工作原理，通過(guò)引入GPS定位系統(tǒng)和RTK基站輔助實(shí)現(xiàn)駁船的位移精度控制，控制計(jì)算機(jī)在本系統(tǒng)中起到位置信息數(shù)據(jù)的比較和分析作用，并且能夠給絞車盤下達(dá)指令，從而實(shí)現(xiàn)拖曳船體的作業(yè)過(guò)程。在實(shí)際工程應(yīng)用中，測(cè)得拋石駁船位移施工的平均誤差小于20 cm。