沉管隧道基床拋石整平船自動(dòng)移船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

華曉濤，李濤，王金緒

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能建造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司，北京 100120）

整平船在拋石施工時(shí)需要對(duì)船舶緩慢移動(dòng)進(jìn)行定位，目前整平船的移動(dòng)方法一般是由4 個(gè)人分別控制安裝在整平船四個(gè)角上的電動(dòng)絞車來(lái)收放攬繩，船移動(dòng)的位置由4 個(gè)人通過(guò)對(duì)講機(jī)人工協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)船的定位[1-3]。但人工操作頻繁容易疲勞、工作效率低，而且由于人為操作的局限性，控制精度不高[4]。因此，需要開(kāi)發(fā)一套整平船自動(dòng)移船系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船的自動(dòng)化移位。

1 工程簡(jiǎn)介

襄陽(yáng)市東西軸線道路工程魚(yú)梁洲段項(xiàng)目是聯(lián)系樊城老區(qū)與東津新城的城市主通道，隧道全長(zhǎng)5 400 m，采用沉管方案兩次下穿漢江，水深15耀26 m，沉管段總長(zhǎng)1 011 m，屬內(nèi)河沉管隧道。其中，漢江西汊布置4 節(jié)管節(jié)，合計(jì)351 m；東汊布置6 節(jié)管節(jié)，合計(jì)660 m[5-6]。為避免沉管基礎(chǔ)局部高點(diǎn)，確保其底板受力均勻，底板與地基之間設(shè)高精度整平的基礎(chǔ)墊層作為基床，故需整平精度較高的專用船舶進(jìn)行施工[7]。中交二航局自主研發(fā)的高精度浮式基床拋石整平船，船長(zhǎng)55 m，寬15.3 m。船體甲板上配備4 臺(tái)10T 液壓絞車，2臺(tái)GPS，拋石整平裝備以及整平行走軌道，如圖1 所示。

圖1 整平船甲板設(shè)備分布圖Fig.1 Distribution of deck equipment of leveling ship

整平船每施工完一壟碎石后，需要通過(guò)操作整平船上的4 臺(tái)液壓絞車使船橫向移動(dòng)2 m，移動(dòng)后使縱向保持不變，由于施工時(shí)基床碎石壟較多，因此船舶需頻繁移位，傳統(tǒng)人工操作效率低、精度差，一般的人工控制移船精度平均在依15 cm，移船時(shí)間平均約20 min，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。因此，本文提供了一種自動(dòng)移船控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)需達(dá)到的施工要求為：移動(dòng)精度為依15 cm，操作時(shí)間小于10 min。

2 自動(dòng)移船控制系統(tǒng)的組成及功能

2.1 自動(dòng)移船控制系統(tǒng)的組成

2.1.1 控制系統(tǒng)硬件組成

基床拋石整平船自動(dòng)移船控制系統(tǒng)是一套基于GPS 定位的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)組成。

1）測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)包括4 個(gè)編碼器、4 個(gè)軸銷傳感器和2 個(gè)GPS。在拋石整平船4 臺(tái)液壓絞車上分別安裝1 個(gè)編碼器和軸銷傳感器，在船艏和船艉分別安裝1 個(gè)GPS。編碼器用于檢測(cè)液壓絞車?yán)|繩收放的速度，編碼器供電電壓24 V，最大測(cè)量轉(zhuǎn)速5 000 r/min，輸出類型為NPN；軸銷傳感器用于檢測(cè)液壓絞車?yán)|繩的拉力，軸銷傳感器供電電壓5耀12 V，額定載荷10 t，輸出信號(hào)為4耀20 mA，測(cè)量精度0.5%。GPS 用于檢測(cè)船舶的位置數(shù)據(jù)，型號(hào)為T(mén)rimble R9s。

2）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括1 臺(tái)計(jì)算機(jī)、下層控制器和上層控制器。計(jì)算機(jī)用于人機(jī)交互，方便操作者控制自動(dòng)移船系統(tǒng)；下層控制器用于接收編碼器和軸銷傳感器采集的液壓絞車數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給上層控制器，同時(shí)下層控制器還可以接收上層控制器發(fā)送的絞車運(yùn)動(dòng)指令，直接控制液壓絞車運(yùn)動(dòng)；上層控制器用于接收GPS 數(shù)據(jù)、下層控制器發(fā)送的絞車運(yùn)動(dòng)速度和纜繩拉力數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)發(fā)送的絞車控制指令，同時(shí)還可以向下層控制器發(fā)送絞車運(yùn)動(dòng)控制指令。計(jì)算機(jī)采用PPC-190C工業(yè)平板電腦；下層控制器為西門(mén)子S7-200；上層控制器為西門(mén)子S7-1200。

3）執(zhí)行系統(tǒng)

執(zhí)行系統(tǒng)包括4 臺(tái)液壓絞車，液壓絞車的規(guī)格為：卷筒負(fù)載100 kN、繩索直徑準(zhǔn)32 mm、最大繩長(zhǎng)400 m。4 臺(tái)液壓絞車位于拋石整平船上，纜繩出口分別位于整平船的四個(gè)角上。

2.1.2 控制系統(tǒng)通訊方式

系統(tǒng)的通訊方式主要包括兩部分：下層控制器與上層控制器的通訊、上層控制器與計(jì)算機(jī)的通訊（圖2）。下層控制器與上層控制器采用串口RS485 通訊；上層控制器與計(jì)算機(jī)采用以太網(wǎng)通訊。首先下層控制器采集各個(gè)液壓絞車的運(yùn)行參數(shù)，并將運(yùn)行參數(shù)傳送給上層控制器；接著上層控制器根據(jù)計(jì)算機(jī)預(yù)先設(shè)定的控制參數(shù)以及GPS所采集的船舶位置信息，由上層控制器運(yùn)用相應(yīng)的控制算法，將各個(gè)絞車?yán)|繩的縮放指令以及縮放速度傳送給下層控制器；最后下層控制器控制各個(gè)液壓絞車運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)船舶的自動(dòng)化移位。在移船過(guò)程中，上層控制器與計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)通訊，將液壓絞車的運(yùn)行參數(shù)傳送給計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示。

圖2 控制系統(tǒng)通訊Fig.2 The communication of control system

2.2 自動(dòng)移船控制系統(tǒng)主要功能

基床拋石整平船自動(dòng)移船控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)化移船，系統(tǒng)采用分步階段性控制策略，具有施工工藝參數(shù)設(shè)置、施工坐標(biāo)文件導(dǎo)入、施工參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，船位動(dòng)態(tài)化顯示等功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)與控制。系統(tǒng)主要功能如下：

1）施工工藝參數(shù)設(shè)置功能

該系統(tǒng)采用分步階段性控制策略，將整個(gè)移船過(guò)程分為粗定位、中間定位和精定位，因此絞車控制過(guò)程也相應(yīng)分為粗控制、中間控制和細(xì)控制。系統(tǒng)可以在定位計(jì)算機(jī)操作軟件的控制參數(shù)頁(yè)面修改控制參數(shù)，以使船舶在移位時(shí)的平穩(wěn)性和精度達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

2）施工坐標(biāo)文件導(dǎo)入功能

在移船之前，可以將所有船位坐標(biāo)以dat 文件格式保存在系統(tǒng)操作文件夾下，自動(dòng)移船時(shí)系統(tǒng)可以直接導(dǎo)入讀取船位坐標(biāo)的dat 文件，此功能省去將所有船位坐標(biāo)逐個(gè)輸入的繁瑣。

3）施工參數(shù)實(shí)時(shí)顯示功能系統(tǒng)可以根據(jù)4 臺(tái)液壓絞車上安裝的編碼器和軸銷傳感器，實(shí)時(shí)顯示絞車實(shí)際移動(dòng)速度，絞車實(shí)際控制距離，絞車實(shí)際拉力，絞車控制速度，絞車收放纜狀態(tài)。

4）船位動(dòng)態(tài)化顯示功能

導(dǎo)入施工區(qū)域的工程地圖和原始測(cè)深文件，并結(jié)合GPS 船位測(cè)量系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)人機(jī)界面可顯示船舶的輪廓和船舶在施工區(qū)域的位置。

5）一鍵自動(dòng)移船功能

自動(dòng)移船功能通過(guò)PLC 控制器和定位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)船舶需要移位時(shí)，通過(guò)點(diǎn)擊移船鍵將整平船以一鍵移船的方式移動(dòng)到指定的位置，在移船過(guò)程中不斷修正船艏向以保持艏向。當(dāng)船舶到達(dá)指定施工位置，并已經(jīng)完成定位時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)將發(fā)出船舶位置鎖定指令到絞車液壓控制系統(tǒng)。

3 自動(dòng)移船控制原理及方法

3.1 基本方案

本拋石基床整平船要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移船功能，需由控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)根據(jù)當(dāng)前位置坐標(biāo)信息及目標(biāo)位置坐標(biāo)信息，輸出絞車動(dòng)作信號(hào)，實(shí)現(xiàn)4 臺(tái)絞車的收放纜動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)船舶沿給定軌跡移船，從而實(shí)現(xiàn)駁船的自動(dòng)移船功能，整個(gè)系統(tǒng)為一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)[8]。自動(dòng)移船控制系統(tǒng)流程圖如圖3 所示。

圖3 自動(dòng)移船控制系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of automatic ship shifting control system

3.2 移船控制策略及糾偏方法

該項(xiàng)目工程要求基床拋石整平船每次沿船體橫向移動(dòng)2 m（即沿沉管縱向）。設(shè)船體當(dāng)前位置為L(zhǎng)p，需要移動(dòng)到的目標(biāo)位置為L(zhǎng)o，船體每次需要平移的距離為駐d，控制誤差為滓，其控制的最終目標(biāo)為：

3.2.1 移船控制策略

為實(shí)現(xiàn)船體的移船定位，控制系統(tǒng)在控制策略上采用分步階段控制方法，將整個(gè)移船過(guò)程分為粗定位、中間定位和精定位。如圖4 所示，設(shè)出繩點(diǎn)F1 處開(kāi)始制動(dòng)前的坐標(biāo)為（XF1，YF1），與其對(duì)應(yīng)的錨點(diǎn)坐標(biāo)為（XB，YB），制動(dòng)后的坐標(biāo)為（X憶F1，Y憶F1）；出繩點(diǎn)F2 處的制動(dòng)前的坐標(biāo)為（XF2，YF2），錨點(diǎn)的坐標(biāo)為（XA，YA），制動(dòng)后的坐標(biāo)為（X憶F2，Y憶F2）；出繩點(diǎn)F3 處的制動(dòng)前的坐標(biāo)為（XF3，YF3），錨點(diǎn)的坐標(biāo)為（XD，YD），制動(dòng)后的坐標(biāo)為（X憶F3，Y憶F3）；出繩點(diǎn)F4 處的制動(dòng)前的坐標(biāo)為（XF4，YF4），錨點(diǎn)的坐標(biāo)為（XC，YC），制動(dòng)后的坐標(biāo)為（X憶F4，Y憶F4）。那么移動(dòng)需要控制的繩纜長(zhǎng)度分別為：

圖4 纜繩錨固示意圖Fig.4 Schematic diagram of cable anchorage

船體上F1、F2、F3 和F4 的坐標(biāo)可由船上安裝GPS1、GPS2 的測(cè)量坐標(biāo)和各GPS 與出繩點(diǎn)的相對(duì)安裝距離間接得到。粗定位時(shí)的控制繩長(zhǎng)為大于1 m，當(dāng)粗定位時(shí)采用1.5 m/min 的高速控制絞車轉(zhuǎn)動(dòng)；精定位時(shí)的控制繩長(zhǎng)為小于0.4 m，當(dāng)精定位時(shí)采用0.5 m/min 的低速控制絞車轉(zhuǎn)動(dòng)；中間定位的控制繩長(zhǎng)為0.4耀1 m，中間定位時(shí)采用絞車轉(zhuǎn)速為高速和低速的平均值。

3.2.2 移船糾偏方法

基床拋石整平船在移船定位時(shí)，船位偏差分3 種情況：船體橫向偏差、船體縱向偏差和船體角度偏差。3 種情況或單獨(dú)出現(xiàn)，或3 種情況組合出現(xiàn)，即便出現(xiàn)組合偏差，也可分解成3 種情況并采取相應(yīng)的措施。

1）船體橫向偏差

橫向位置未達(dá)到目標(biāo)位置，此時(shí)同步控制4臺(tái)錨機(jī)， F1、F3 收纜，F(xiàn)2、F4 放纜。

2）船體縱向偏差

縱向位置未達(dá)到目標(biāo)位置，此時(shí)同步控制4臺(tái)錨機(jī)， F3、F4 收纜，F(xiàn)1、F2 放纜。

3）船體角度偏差

出現(xiàn)第3 種偏差情況，同時(shí)啟動(dòng)F1、F2、F3和F4 錨機(jī)，F(xiàn)2、F3 收纜，F(xiàn)1、F4 放纜。

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)[8-9]。

4 移船實(shí)施工藝

本系統(tǒng)采用液壓絞車錨泊，通過(guò)自動(dòng)移船控制實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)化移船功能，控制系統(tǒng)移船實(shí)施工藝如下：

1）在施工區(qū)域打入錨樁，測(cè)量各錨點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)。

2）以文件形式向控制系統(tǒng)中輸入要移動(dòng)的所有目標(biāo)坐標(biāo)。將所有船舶要移動(dòng)的坐標(biāo)以dat 文本文件格式保存在該控制系統(tǒng)的根目錄下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取，并在主界面上顯示。

3） 將上述錨樁點(diǎn)坐標(biāo)輸入控制系統(tǒng)，并下錨。在控制系統(tǒng)主界面上，通過(guò)插入錨樁功能將所有錨樁點(diǎn)位坐標(biāo)輸入，并通過(guò)下錨功能確定當(dāng)前使用的錨樁。

4）選擇要移動(dòng)的船位。在控制系統(tǒng)主界面的目標(biāo)船位的下拉菜單中選擇目標(biāo)位選擇，目標(biāo)船位被選擇后目標(biāo)船位會(huì)以顏色填充。

5）按下控制激活，船位移動(dòng)。在目標(biāo)船位的下拉菜單中選擇控制激活，則船舶會(huì)按照本控制系統(tǒng)的控制策略和方法自動(dòng)移動(dòng)。

6）當(dāng)移到目標(biāo)位置后，船停下。

7）重復(fù)3）耀5）選擇下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)位進(jìn)行移船。

5 測(cè)試結(jié)果

在襄陽(yáng)市東西軸線道路工程魚(yú)梁洲段隧道項(xiàng)目的東汊水域進(jìn)行該控制系統(tǒng)的實(shí)船測(cè)試，選擇現(xiàn)場(chǎng)D26、D27 和D28 三個(gè)船位測(cè)試，共進(jìn)行10次移船，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 移船測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of the ship shifting

從表1 實(shí)船測(cè)試的結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

1）船體GPS1 和GPS2 的偏差都在15 cm 內(nèi)，表明該自動(dòng)移船控制系統(tǒng)的絕對(duì)移船精度在15 cm 內(nèi)。而該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的平均移船精度為9.3 cm，比傳統(tǒng)的人工移船精度15 cm 提高了約38%。

2）該自動(dòng)移船控制系統(tǒng)的絕對(duì)移船時(shí)間都在155 s 內(nèi)，而平均移船時(shí)間為143 s，比傳統(tǒng)的時(shí)間（1 200 s）節(jié)省了約88%。

3）從移船精度和移船時(shí)間上，該自動(dòng)移船控制系統(tǒng)都體現(xiàn)出比傳統(tǒng)施工方法的優(yōu)越性。系統(tǒng)滿足了移船設(shè)計(jì)要求，大大提高了移船精度和移船效率。

6 結(jié)語(yǔ)

本文創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了一種沉管隧道基床拋石整平船自動(dòng)移船控制系統(tǒng)，通過(guò)船舶自動(dòng)移船控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)船體智能追蹤目標(biāo)位置的自動(dòng)化快速移船，顯著降低了施工人員的數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了施工效率。因此采用液壓絞車的自動(dòng)移船控制系統(tǒng)完全具備可行性和可靠性，將有力的支撐依托項(xiàng)目，并推動(dòng)沉管隧道基床整平施工的發(fā)展。