CODA聲吶成像系統(tǒng)在防波堤扭王字塊可視化安裝中的應(yīng)用

夏曉露，聶洪斌，劉競輝

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

關(guān)鍵字：防波堤；扭王字塊；聲吶成像；可視化安裝

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，海岸線逐步被利用，迫使海港和人工島嶼的選址逐步邁向深水、海況復(fù)雜區(qū)域演變。作為海港和人工島嶼的外圍結(jié)構(gòu)，防波堤起到防御波浪，抵御泥沙侵襲的作用；拋石斜坡式防波堤主要由塊石和人工塊體等散體材料組成，因施工方便，便于維護(hù)，近年來得到了廣泛的應(yīng)用；扭王字塊是我國學(xué)者在20世紀(jì)80年代學(xué)習(xí)消化國外的ACCROPODE 后進(jìn)行了部分修改優(yōu)化而來，經(jīng)過30 多年的運(yùn)用，已逐步成為了我國最流行的人工護(hù)面塊體［1］。隨著我國建筑施工企業(yè)不斷走向國際化，扭王字塊也逐漸應(yīng)用到海外項(xiàng)目中，為適應(yīng)國外的要求，扭王字塊的施工標(biāo)準(zhǔn)也往往與國際接軌，對(duì)塊體的安裝質(zhì)量要求更具體化。

目前，國內(nèi)絕大部分工程項(xiàng)目在扭王字塊安裝工藝上仍選用的是盲裝工藝，其主要方法是利用吊機(jī)配鋼絲繩，根據(jù)GPS 或極坐標(biāo)定點(diǎn)安裝塊體。塊體安裝完成后，在長時(shí)間的重力、波浪水流等外力的作用下塊體間的姿態(tài)不斷的重新調(diào)整、擠密，直至塊體間鉤聯(lián)緊密，最終達(dá)到整體穩(wěn)定［2］。盲裝工藝存在安裝精度低，塊體初期咬合程度低，驗(yàn)收困難，工后返修幾率高，基于此設(shè)計(jì)階段往往通過加大塊體尺寸和重量減少施工造成的風(fēng)險(xiǎn)，造成成本增加。本文以某港口城填海造地項(xiàng)目為依托，介紹人工塊體CODA 聲吶可視化安裝工藝。

1 項(xiàng)目概況

某港口城填海造地項(xiàng)目，位于斯里蘭卡首都科倫坡西海岸，填海面積為269 萬m2，施工內(nèi)容主要為水工結(jié)構(gòu)、陸域回填及地基處理，其中水工結(jié)構(gòu)包括外防波堤，內(nèi)防波堤，潛堤，南、北攔沙堤，游艇碼頭內(nèi)、外護(hù)岸，內(nèi)河護(hù)岸，人工沙灘擋墻等（見圖1）。

圖1 項(xiàng)目總平面布置Fig.1 General Layout of the Project

外防波堤為主要防護(hù)結(jié)構(gòu)，長度為3 245 m，堤頂高程為+4.0 m，采用斜坡式結(jié)構(gòu)，護(hù)面塊體采用單層扭王字塊，坡度為3∶4，塊體重量為17 t，塊體數(shù)量達(dá)24 500 件，防波堤典型斷面如圖2所示。

設(shè)計(jì)說明書中對(duì)于扭王字塊安裝的規(guī)范要求如下：①扭王字塊要定點(diǎn)隨機(jī)安放，塊體間需咬合良好，保證墊層塊石不從扭王字塊縫隙內(nèi)被淘刷出去；②底部第一排扭王字塊的安裝質(zhì)量需保證，安裝偏差要求不超過1∕12 倍的扭王字塊高度［3］；③相鄰扭王字塊間安裝后的姿態(tài)應(yīng)不一致；④扭王字塊需三點(diǎn)著地，不允許出現(xiàn)鼻部垂直斜坡面的安裝情況；⑤斜坡上扭王字塊安裝密度為95%～105%之間；頂部水平段扭王字塊安裝密度不小于100%；

采用聲吶可視化系統(tǒng)安裝扭王字塊的位置位于防波堤內(nèi)外側(cè)水下部位，其安裝水深范圍為-12～-1 m，安裝坡度為1∶1.33。施工作業(yè)所在地海域海況差，有效作業(yè)時(shí)間短，水下安裝深度大，堤頂通道寬度窄等不利因素給項(xiàng)目施工帶來挑戰(zhàn)。

圖2 防波堤標(biāo)準(zhǔn)斷面Fig.2 Standard Section of Breakwater

2 CODA聲吶可視化安裝系統(tǒng)原理

聲吶可視化安裝系統(tǒng)有以挖掘機(jī)和吊機(jī)為載具的2個(gè)版本，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，挖掘機(jī)版本優(yōu)點(diǎn)是定位精準(zhǔn)、同時(shí)可以搭載機(jī)械轉(zhuǎn)盤或者機(jī)械手，便于調(diào)整塊體的姿勢(shì)，但是吊距相對(duì)較近，大型塊體需要配備大型挖掘機(jī)；吊機(jī)版本主要優(yōu)勢(shì)是吊距較遠(yuǎn)，但定位精準(zhǔn)度相對(duì)較差以及塊體姿態(tài)調(diào)節(jié)相對(duì)較為困難（見圖3）。

圖3 吊機(jī)配備聲吶可視化系統(tǒng)示意圖Fig.3 Crane Equipped with Sonar Visualization System

挖掘機(jī)版本主要是通過給挖掘機(jī)配備Echoscope 3D 聲吶可視化安裝系統(tǒng)，在挖掘機(jī)臂的前段安裝剛性支架，支架上布設(shè)水下攝像頭和聲吶裝置，聲吶掃測數(shù)據(jù)后通過數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)傳輸至操作室的電腦實(shí)時(shí)顯示塊體水下圖像，指導(dǎo)操作手安裝扭王字塊；剛性挖掘機(jī)臂消除傳統(tǒng)吊機(jī)安裝扭王字塊因鋼絲繩在水流、波浪力情況下擺動(dòng)導(dǎo)致定位不精準(zhǔn)的問題，系統(tǒng)的定位精度在5cm 以內(nèi)；同時(shí)，配備的機(jī)械轉(zhuǎn)盤，可以水平360°調(diào)整塊體姿勢(shì)，達(dá)到塊體的理想勾連咬合效果（見圖4）。

圖4 挖掘機(jī)配備聲吶可視化系統(tǒng)示意圖Fig.4 Excavator Equipped with Sonar Visualization System

3 CODA聲吶可視化安裝系統(tǒng)組成

CODA聲吶可視化安裝系統(tǒng)包括Trimble-GNSS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、Coda Echoscope 3D圖像聲吶、施工監(jiān)測軟件、3D時(shí)間鎖定供電單元、水下智能開關(guān)等［4］（見圖5）。

圖5 可視化安裝系統(tǒng)構(gòu)成Fig.5 Visual Installation System Composition

3.1 Trimble-GNSS導(dǎo)航定位系統(tǒng)

Trimble-GNSS 導(dǎo)航定位系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星接收器接收的GNSS 信號(hào)和機(jī)載電臺(tái)接收的來自基準(zhǔn)站的位置差分信號(hào)，使用載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分法（RTK）解算出厘米級(jí)精度的定位坐標(biāo)。同時(shí)系統(tǒng)通過傳感器感知挖機(jī)機(jī)身、主臂、動(dòng)臂、斗桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，解算當(dāng)前挖掘機(jī)的挖斗或扭王塊吊裝點(diǎn)的位置信息［5］（見圖6）并輸出給CMS（Construction Monitoring System）施工監(jiān)測軟件，為扭王字塊安裝提供定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

3.2 CODA-Echoscope 3D圖像聲吶

圖6 導(dǎo)航定位系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic Diagram of the Navigation and Positioning System

Echoscope 圖像聲吶是1 臺(tái)有著多種領(lǐng)先專利技術(shù)的高分辨率實(shí)時(shí)三維聲吶（見圖7），通過聲學(xué)發(fā)射接收裝置產(chǎn)生超過16 000 個(gè)聲學(xué)信號(hào)（12次∕s的刷新頻率）實(shí)時(shí)顯示3D 圖像［6］。聲吶最大探測深度達(dá)120 m。當(dāng)探測水下成像時(shí)，即使目標(biāo)和Echoscope 圖像聲吶同時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，仍然可以產(chǎn)生清晰和精準(zhǔn)的3D 圖像，并呈現(xiàn)出實(shí)時(shí)三維水下環(huán)境［7，8］。Echoscope圖像聲吶還具有圖像拼接功能，能夠?qū)⒉煌瑫r(shí)間幀的圖像合并成完整的3D 圖像，利用更多幀合成3D 圖像，即使在混濁的海水環(huán)境下也能實(shí)時(shí)成像。

圖7 CODA圖像聲吶Fig.7 CODA Image Sonar

3.3 CMS施工監(jiān)測軟件

CMS 施工監(jiān)測軟件是可視化安裝系統(tǒng)的控制中樞，接入Trimble-GNSS定位數(shù)據(jù)可導(dǎo)航安裝扭王塊到達(dá)設(shè)計(jì)位置，利用軟件顯示、設(shè)置和控制聲吶圖像，并根據(jù)聲吶圖像監(jiān)控水下塊體的位置和姿態(tài)，利用軟件內(nèi)置安裝塊體模型匹配、追蹤聲吶圖像，通過模型模擬扭王字塊實(shí)際安裝位置和姿態(tài)，并顯示已安裝塊體的實(shí)際姿態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測扭王字塊的安裝過程［9］（見圖8）。

3.4 3D時(shí)間鎖定供電單元

時(shí)間鎖定供電源用作可視化安裝系統(tǒng)與外系統(tǒng)的時(shí)間同步，使Echoscope 聲吶精確的同步到一個(gè)外部時(shí)間源，并以1 ms的同步精度，實(shí)現(xiàn)聲吶圖像、定位信息及傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步，以滿足位置和圖像信息的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性。

3.5 3D智能開關(guān)

由于聲吶探頭運(yùn)行發(fā)熱，需要在水下環(huán)境運(yùn)行，長時(shí)間在空氣中工作會(huì)損壞聲吶設(shè)備，3D 智能開關(guān)可實(shí)現(xiàn)聲吶探頭在水中的自動(dòng)打開、出水自動(dòng)關(guān)閉的功能，保護(hù)聲吶探頭自動(dòng)開閉和安全運(yùn)行。

圖8 可視化安裝軟件界面Fig.8 Visual Installation Software Interface

4 CODA可視化安裝系統(tǒng)功能

4.1 安裝過程可視化

可視化及3D 成像功能是CODA 可視化安裝系統(tǒng)最主要功能之一，也是最核心功能。該系統(tǒng)通過圖像聲吶和Trimble-GNSS 導(dǎo)航定位（見圖9）獲取具有三維坐標(biāo)和可量測的實(shí)時(shí)聲吶圖像，不僅能顯示安裝塊體的位置和姿態(tài)，而且可以顯示相鄰已安裝塊體或待安裝坡面的3D 圖像，給操作人員提供一個(gè)可視的水下施工環(huán)境，便于控制安裝質(zhì)量［10］。

圖9 扭王字塊3D圖像Fig.9 Chinese-pod 3D Image

4.2 安裝塊體模型與聲吶圖像識(shí)別追蹤

圖10 安裝模型與圖像識(shí)別跟蹤Fig.10 Installation Model and Image Recognition and Tracking

將安裝扭王字塊模型導(dǎo)入施工監(jiān)測軟件，通過調(diào)入模型可實(shí)現(xiàn)模型與聲吶圖像識(shí)別匹配，并自動(dòng)追蹤聲吶圖像到安裝位置（見圖10），當(dāng)安裝塊體放置于設(shè)計(jì)位置并松脫后，塊體模型將保存在安裝系統(tǒng)中，利用模型來記錄顯示實(shí)際扭王字塊的安裝位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)安裝過程和安裝質(zhì)量效果可視化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)塊體安裝完成后沒有聲吶圖像時(shí)也能顯示塊體的真實(shí)安裝位置和姿態(tài)。

4.3 安裝過程記錄、回放功能

可視化安裝系統(tǒng)可以記錄安裝塊體的安裝全過程，并提供塊體安裝過程回放功能，能隨時(shí)檢查每一個(gè)已安裝扭王字塊的安放過程，便于塊體安裝后質(zhì)量檢查，利于保存影像資料并用于竣工資料驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)扭王字塊安裝和驗(yàn)收一體化。

5 聲吶可視化安裝系統(tǒng)應(yīng)用

⑴本項(xiàng)目17 t 扭王字塊安裝時(shí)距邊最遠(yuǎn)距離為17.9 m，距頂最深距離12.0 m，選用CAT 6020B（200 t級(jí)）挖掘機(jī)站在堤頂進(jìn)行水下塊體可視化安裝（見圖11），挖掘機(jī)履帶外邊寬僅5.5 m，較適合堤頂較窄的情況。

圖11 200t挖掘機(jī)安裝扭王塊Fig.11 Chinese-pod Installation by 200t Excavator

⑵扭王字塊安裝自下而上進(jìn)行，在開始安裝前，根據(jù)防波堤斷面及扭王字塊的尺寸完成安裝點(diǎn)位圖及坐標(biāo)的編制。扭王字塊安裝時(shí)，先在平面安裝成一個(gè)起始三角形后再按照菱形依次向前安裝。安裝時(shí)應(yīng)盡量向同一個(gè)方向安裝，無法避免相向安裝時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注對(duì)接處最后幾個(gè)扭王字塊的安裝，調(diào)整扭王字塊的間距至合適位置，避免出現(xiàn)過大的縫隙。

⑶扭王字塊安裝前先采用模型和陸上典型施工對(duì)操作手和潛水員進(jìn)行安裝法則的培訓(xùn)。

⑷扭王字塊可視化安裝方法操作要點(diǎn)：

①每次采用聲吶系統(tǒng)安裝扭王字塊前，測量人員需在陸上核對(duì)聲吶系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確無誤?，F(xiàn)場技術(shù)人員將待安裝區(qū)域扭王字塊的坐標(biāo)文件導(dǎo)入操作系統(tǒng)中。扭王字塊通過水上或陸上運(yùn)輸至安裝地點(diǎn)后，在起重工指揮下完成鋼絲繩的綁扣及起吊下水。操作手在扭王字塊下水后，再次核對(duì)聲吶設(shè)備、操作系統(tǒng)及安裝點(diǎn)位的準(zhǔn)確性，核實(shí)無誤后，根據(jù)系統(tǒng)指示緩慢移動(dòng)扭王字塊至指定安裝位置（見圖12）。

②操作手通過聲吶系統(tǒng)顯示的周邊已完成的扭王字塊的位置及姿態(tài)來確定待安裝扭王字塊的位置及姿態(tài)，過程中通過移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂（見圖13）來實(shí)現(xiàn)扭王字塊的移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)。最后，操作手通過聲吶系統(tǒng)各個(gè)角度的成像畫面確定扭王字塊安裝穩(wěn)定并與相鄰扭王字塊間相互勾連、姿態(tài)各異后，在系統(tǒng)中利用模型記錄和保存扭王字塊的安裝位置及姿態(tài)，以便隨時(shí)能檢查每一個(gè)已安裝扭王字塊的安放過程以及安裝后質(zhì)量檢查，并可用于竣工資料驗(yàn)收（見圖14）。

圖12 操作室畫面Fig.12 Operation Room Screen

圖13 機(jī)械旋轉(zhuǎn)臂Fig.13 Mechanical Rotating Arm

圖14 扭王字塊安裝效果圖Fig.14 Installation Effect Diagram of the Chinese-pod

根據(jù)本項(xiàng)目采用規(guī)范和技術(shù)規(guī)格書要求，扭王字塊安裝需同時(shí)滿足位置、方向、姿態(tài)、鉤連和密度等要求。如按照國內(nèi)傳統(tǒng)的極坐標(biāo)定位方法或者二維GPS 定位方法，需要潛水員輔助參與整個(gè)安裝過程，并提供水下拍照，每塊扭王字塊安裝后還需監(jiān)理潛水員下水檢查，并且夜間不能進(jìn)行塊體安裝施工，無法滿足工程質(zhì)量和進(jìn)度的要求。引進(jìn)目前世界上最先進(jìn)的聲吶可視化安裝系統(tǒng)應(yīng)用于本項(xiàng)目，同時(shí)為了對(duì)比可視化安裝系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，部分安裝區(qū)域采用常規(guī)潛水員配合吊機(jī)的方法安裝，經(jīng)對(duì)比可視化安裝工藝優(yōu)勢(shì)明顯，二者安裝工藝對(duì)比如表1所示。

表1 可視化安裝與潛水配合安裝對(duì)比Tab.1 Comparison between Visual Installation and Diving Installation

6 結(jié)論

CODA聲吶系統(tǒng)的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了扭王字塊水下安裝的可視化，大幅提高了塊體間初始勾連咬合程度，減少了工后返修的幾率，提高了防波堤的整體安全穩(wěn)定性；采用聲吶可視化安裝系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)24 h 不間斷作業(yè)，增加了工作時(shí)間，提高了安裝效率；同時(shí)全過程無須潛水員配合檢查，改善了作業(yè)環(huán)境，減少人工成本的同時(shí)降低了安全隱患。面對(duì)越來越多大型、重點(diǎn)水工項(xiàng)目的需求，可視化施工在質(zhì)量、安全、進(jìn)度等方面的應(yīng)用效益可觀、前景廣闊。希望通過對(duì)CODA 聲吶可視化安裝系統(tǒng)的介紹，為以后類似工程施工積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，對(duì)進(jìn)一步研究可視化、信息化、智能化施工提供解決問題的思路。