基于北斗衛(wèi)星的全自動(dòng)橋梁轉(zhuǎn)體系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

高樹(shù)能，欒興元

（中國(guó)中鐵八局集團(tuán)昆明鐵路建設(shè)有限公司，云南 昆明 650200）

對(duì)于橋梁工程而言，轉(zhuǎn)體施工技術(shù)拓展了建橋的范圍，而且創(chuàng)新了建橋的思路，對(duì)于橋梁工程的發(fā)展具有重要意義。橋梁工程的轉(zhuǎn)體施工是一種無(wú)支架的施工方式，施工過(guò)程中，將橋梁從跨中分成兩個(gè)半跨，半跨施工完成后再通過(guò)旋轉(zhuǎn)在跨中合攏，從而完成橋梁建設(shè)，橋梁轉(zhuǎn)體工藝對(duì)于橫跨大江大河、運(yùn)營(yíng)交通線等的橋梁建設(shè)具有重要意義。當(dāng)前，橋梁轉(zhuǎn)體主要采用水平轉(zhuǎn)體和豎直轉(zhuǎn)體法，并逐漸形成了相應(yīng)的橋梁工程體系，在平原地區(qū)、山區(qū)、公路、鐵路等工程中具有廣泛的應(yīng)用。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng)）是中國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。

隨著北斗系統(tǒng)建設(shè)和服務(wù)能力的發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、測(cè)繪地理信息、森林防火、通信系統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救等領(lǐng)域，逐步滲透到人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面，為全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展注入新的活力。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是全球性公共資源，多系統(tǒng)兼容與互操作已成為發(fā)展趨勢(shì)。中國(guó)始終秉持和踐行 中國(guó)的北斗，世界的北斗 的發(fā)展理念，服務(wù) 一帶一路 建設(shè)發(fā)展，積極推進(jìn)北斗系統(tǒng)國(guó)際合作。與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)攜手，與各個(gè)國(guó)家、地區(qū)和國(guó)際組織一起，共同推動(dòng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)發(fā)展，讓北斗系統(tǒng)更好地服務(wù)全球、造福人類(lèi)。

本文擬將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)引入橋梁轉(zhuǎn)體過(guò)程中，為提高精度在地面建立固定站，在轉(zhuǎn)體橋梁上建立移動(dòng)站，通過(guò)北斗衛(wèi)星和地面站構(gòu)建天地一體的轉(zhuǎn)體角度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁轉(zhuǎn)體角度的實(shí)時(shí)反饋，開(kāi)發(fā)橋梁轉(zhuǎn)體的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，與北斗衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁的全自動(dòng)轉(zhuǎn)體。

在高架鐵路、大型橋梁等建設(shè)過(guò)程中，為盡量減小施工對(duì)其他經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響，如高速公路、鐵路運(yùn)輸?shù)?，承建方多采用在鐵路和公路旁邊平行施工，在澆塊段施工完畢后，通過(guò)墩頂預(yù)埋的轉(zhuǎn)體裝置完成墩頂轉(zhuǎn)體，將橋梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)到原來(lái)設(shè)計(jì)的橋位上。

橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的運(yùn)用在橋梁建設(shè)中有很多優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，減少了建設(shè)成本。橋梁轉(zhuǎn)體是利用橋梁本身的結(jié)構(gòu)來(lái)做支撐，可以避免在河道上建設(shè)管架，降低鋼管等材料的投入成本。其次，有利于確保施工安全。橋梁轉(zhuǎn)體施工主要是采取岸邊陸地作業(yè)的方式，避免了水上作業(yè)，改善了施工環(huán)境，有利于施工的安全。再者，將橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)應(yīng)用好，能更好地把控好橋梁的質(zhì)量。而轉(zhuǎn)體施工技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)，能縮短實(shí)際施工周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備施工進(jìn)行的主要要素之一，轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)主要有牽引系統(tǒng)、防過(guò)轉(zhuǎn)及微調(diào)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等組成。為了實(shí)現(xiàn)大動(dòng)力、穩(wěn)定性高的目標(biāo)，轉(zhuǎn)動(dòng)牽引系統(tǒng)通常應(yīng)該用全液壓、自動(dòng)和連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)，在牽引所安裝固定后，應(yīng)該注意防潮、防濕，以保證使用期間的安全。微系統(tǒng)能讓轉(zhuǎn)體在一定范圍通過(guò)修改相應(yīng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)微調(diào)。測(cè)量系統(tǒng)主要是提供轉(zhuǎn)體數(shù)據(jù)，提高結(jié)構(gòu)安裝的精確度。

在橋梁轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中，最關(guān)鍵的是將可移動(dòng)部分與固定部分精確對(duì)準(zhǔn)。本文的重點(diǎn)即是解決高精度對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中的高精度定位問(wèn)題。

1 主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及系統(tǒng)組成

本文運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)主要有多頻多星座聯(lián)合高精度定位、觀測(cè)量篩選與剔除技術(shù)。能夠很好地適應(yīng)野外環(huán)境：北斗系統(tǒng)適應(yīng)野外施工條件，北斗覆蓋區(qū)域均可使用；系統(tǒng)設(shè)備擴(kuò)展性好：北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集可以擴(kuò)展應(yīng)用提升時(shí)空精準(zhǔn)度；系統(tǒng)設(shè)備能夠重復(fù)利用：設(shè)備安裝便捷，可重復(fù)使用；系統(tǒng)定位精度高：達(dá)到厘米級(jí)，能夠滿足橋梁、建筑物精確移動(dòng)和高精度對(duì)準(zhǔn)需求；系統(tǒng)設(shè)備實(shí)時(shí)性好：可以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)給出定位結(jié)果，無(wú)須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，滿足快速施工需求。

圖1為橋梁轉(zhuǎn)體系統(tǒng)組成和工作原理圖，其包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)體橋梁的方位角信息給控制系統(tǒng)保證了轉(zhuǎn)體橋梁的精準(zhǔn)定位。

圖1 系統(tǒng)組成基本工作原理

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 轉(zhuǎn)體檢測(cè)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成和工作流程如圖2、圖3所示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由固定站、移動(dòng)站、中心主機(jī)、通信設(shè)備組成。固定站安裝在待轉(zhuǎn)體的橋梁附近的地面上，移動(dòng)站安裝在待轉(zhuǎn)體的橋梁上，通過(guò)高精度的北斗定位解算可以精確確定橋梁的方位角，即橋梁轉(zhuǎn)體的角度。

具體工作過(guò)程為：固定站和移動(dòng)站分別接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，獲取各自的原始偽距、載波相位觀測(cè)量，并通過(guò)無(wú)線通信設(shè)備向主機(jī)發(fā)送，在主機(jī)上運(yùn)行高精度相對(duì)定位解算軟件，完成對(duì)固定站、移動(dòng)站觀測(cè)量的處理，得到移動(dòng)站和固定站間高精度相對(duì)位置信息。在圖形界面上顯示該位置信息用于人員對(duì)施工狀態(tài)的監(jiān)視，也可以將高精度相對(duì)位置信息引入橋梁轉(zhuǎn)體液壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制環(huán)路，使其完成橋梁的全自動(dòng)精確轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 高精度北斗定位對(duì)準(zhǔn)校準(zhǔn)系統(tǒng)概念圖

2.2 轉(zhuǎn)體檢測(cè)系統(tǒng)組成定位流程

基于北斗的高精度橋梁轉(zhuǎn)體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、固定站數(shù)據(jù)處理模塊、移動(dòng)站數(shù)據(jù)處理模塊、相對(duì)位置輸出、顯示模塊和數(shù)據(jù)鏈路組成，系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。固定站與移動(dòng)站的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)浇y(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。收到的數(shù)據(jù)首先會(huì)存在一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等待處理。當(dāng)收到當(dāng)前歷元的3個(gè)固定站的觀測(cè)量數(shù)據(jù)后，會(huì)對(duì)固定站數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度解算，并根據(jù)所解得的基線向量結(jié)果來(lái)確定當(dāng)前歷元固定站在空間中的姿態(tài)和位置信息。在收到3個(gè)移動(dòng)站的觀測(cè)量數(shù)據(jù)后，可以獲得當(dāng)前歷元移動(dòng)站在空間中的姿態(tài)和位置信息，同時(shí)，獲得移動(dòng)站相對(duì)固定站的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)信息，然后，輸出及顯示移動(dòng)站和固定站的相對(duì)位置和姿態(tài)。

圖3 高精度對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)組成

圖4 整體定位系統(tǒng)流程圖

2.3 高精度相對(duì)定位算法

為確定橋梁固定端和移動(dòng)端的相對(duì)位置關(guān)系，需要對(duì)二者的相對(duì)位置和姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，為此測(cè)量系統(tǒng)需要解算出3個(gè)固定站和3個(gè)移動(dòng)站之間的基線向量。將該過(guò)程抽象成對(duì)多個(gè)基線的動(dòng)基準(zhǔn)RTK解算過(guò)程，其算法流程如圖5所示。

2.4 相對(duì)位姿確定

利用高精度相對(duì)定位算法可以確定固定端三臺(tái)固定站間的三條基線矢量，由于兩條相交直線可以確定一個(gè)直角坐標(biāo)系，因此，利用三臺(tái)固定站可以定義一個(gè)固定端本地坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系下獲得固定端和移動(dòng)端的相對(duì)位置，即可用于高精度對(duì)準(zhǔn)控制。

利用高精度相對(duì)定位算法可以得到三臺(tái)移動(dòng)站與所有固定站間在固定端本地坐標(biāo)系內(nèi)的基線矢量，從而最終得到二者的相對(duì)位置和姿態(tài)。

3 全自動(dòng)橋梁轉(zhuǎn)體監(jiān)控系統(tǒng)

全自動(dòng)橋梁轉(zhuǎn)體監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)體橋設(shè)備的系統(tǒng)操作，涵蓋了北斗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、千斤頂狀態(tài)的反饋、參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行模式選擇（自動(dòng)模式或手動(dòng)模式），如圖6所示為全自動(dòng)橋梁轉(zhuǎn)體監(jiān)控系統(tǒng)圖。全自動(dòng)橋梁轉(zhuǎn)體監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)執(zhí)行整體運(yùn)作的系統(tǒng)。

圖5 RTK算法流程圖

圖6 全自動(dòng)橋梁轉(zhuǎn)體監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 北斗實(shí)時(shí)檢測(cè)

北斗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)部分是利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)橋梁轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)角度的一個(gè)實(shí)時(shí)反饋。圖7描述了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理圖，首先，我們可以預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)體角度為目標(biāo)角度，如90度，云端服務(wù)器通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接收轉(zhuǎn)體橋的測(cè)量角度，通過(guò)云端服務(wù)器計(jì)算轉(zhuǎn)過(guò)角度和剩余角度，將上述角度通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給顯示終端，進(jìn)行顯示，很好地進(jìn)行了人機(jī)交互，如圖8所示。為保證施工安全，還設(shè)計(jì)了兩轉(zhuǎn)體橋防碰撞預(yù)警系統(tǒng)。橋梁轉(zhuǎn)體前左右轉(zhuǎn)體橋上的定向接收機(jī)測(cè)量二者夾角作為基準(zhǔn)角度，并預(yù)設(shè)兩橋的夾角門(mén)限。轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，軟件同時(shí)接收左轉(zhuǎn)體橋和右轉(zhuǎn)體橋定向測(cè)量角度，同時(shí)，計(jì)算和監(jiān)測(cè)兩橋梁之間的夾角，并與預(yù)設(shè)夾角門(mén)限比對(duì)，當(dāng)兩橋梁夾角大于門(mén)限時(shí)給出告警信息，從而能夠很好地預(yù)防兩轉(zhuǎn)體速度不一致導(dǎo)致的嚴(yán)重后果。

3.2 控制部分模塊

對(duì)于橋梁轉(zhuǎn)體千斤頂?shù)目刂剖侵刂兄?，也是本次工程中的第二大技術(shù)難點(diǎn)?？刂撇坑袃煞N控制模式，手動(dòng)模式和自動(dòng)模式如圖9所示。在自動(dòng)模式中可以提前設(shè)定預(yù)緊力，根據(jù)橋梁轉(zhuǎn)體所需力的要求設(shè)定預(yù)緊力。在試轉(zhuǎn)過(guò)程中，速度設(shè)為4km/h，試轉(zhuǎn)角度可任意設(shè)定，一般設(shè)定5度左右。試轉(zhuǎn)過(guò)后進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)體，一般設(shè)定剩余角度為3度左右，這所有的過(guò)程都可以是自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，不再人為地點(diǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)體。

圖7 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件示意圖

圖8 監(jiān)控系統(tǒng)—北斗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)部分

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)—控制部分

4 橋梁轉(zhuǎn)體中的自動(dòng)化

在以往的橋梁轉(zhuǎn)體中，都是人工是用對(duì)講機(jī)交流，進(jìn)行橋梁轉(zhuǎn)體工作。本節(jié)將從橋梁轉(zhuǎn)體工作中對(duì)比分析自動(dòng)化橋梁轉(zhuǎn)體的優(yōu)點(diǎn)。如圖10所示為進(jìn)行橋梁轉(zhuǎn)體操作的實(shí)際過(guò)程：

圖10 橋梁轉(zhuǎn)體實(shí)際操作流程圖

第一天工程進(jìn)行預(yù)緊，最主要的目的是確定鋼纜達(dá)到的預(yù)緊力是否能帶動(dòng)橋墩底座轉(zhuǎn)動(dòng)。這種預(yù)緊力是可以計(jì)算出來(lái)的，所以這一操作過(guò)程是可以先設(shè)定預(yù)緊力，如圖11所示，可以在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中設(shè)定預(yù)緊力的大小，一般設(shè)定為13500N。計(jì)算出鋼纜拉緊過(guò)程最平緩的拉緊方式進(jìn)行預(yù)緊。通過(guò)北斗實(shí)時(shí)檢測(cè)窗口觀察所轉(zhuǎn)角度，確定預(yù)緊力達(dá)到要求，保證在接下來(lái)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，設(shè)定的預(yù)緊力能夠持續(xù)施力在鋼纜上。

圖11 自動(dòng)模式下預(yù)緊力的設(shè)定

對(duì)于第二天的轉(zhuǎn)體工作是試轉(zhuǎn)，試轉(zhuǎn)的目的是為了排除在正式轉(zhuǎn)體過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。試轉(zhuǎn)過(guò)程是人工通過(guò)對(duì)講機(jī)交流進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)操作，可能會(huì)出現(xiàn)信息延誤，溝通不及時(shí)，操作工人會(huì)出現(xiàn)在不經(jīng)商量的情況下做出決定而造成操作嚴(yán)重失誤。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化試轉(zhuǎn)可以避免這些不必要的人為因素。自動(dòng)化過(guò)程中通過(guò)北斗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所反饋過(guò)來(lái)的角度可以準(zhǔn)確地判斷出各自橋梁所轉(zhuǎn)的角度，通過(guò)對(duì)自己預(yù)設(shè)所轉(zhuǎn)的角度與北斗檢測(cè)所轉(zhuǎn)角度對(duì)比，可以很好地控制所轉(zhuǎn)角度的準(zhǔn)確性。在試轉(zhuǎn)的過(guò)程中一定要慢，這樣才能在橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中更好更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障，從而排除故障。

圖12 自動(dòng)模式下試轉(zhuǎn)角度的設(shè)定

圖13 自動(dòng)模式下剩余角度的設(shè)定

第三天的正式轉(zhuǎn)體橋梁才是橋梁轉(zhuǎn)體中最重要的部分?；谇澳曜龊玫臏?zhǔn)備工作開(kāi)始進(jìn)入正式工程。在一般人工橋梁轉(zhuǎn)體過(guò)程中，都是通過(guò)好幾個(gè)人上下通力合作，有人負(fù)責(zé)橋墩的刻度標(biāo)尺觀測(cè)，有人負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)體點(diǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，還要時(shí)刻注意兩座橋梁不要產(chǎn)生碰撞，或者是兩座橋梁的中心線產(chǎn)生的角度是否變小。這些工作都需要人工去判斷和處理，難免會(huì)產(chǎn)生一些人為誤差因素。使用全自動(dòng)化的操作方式通過(guò)參數(shù)的設(shè)定可以避免這些問(wèn)題。同步誤差的設(shè)定可以避免兩條鋼纜位移不一致的問(wèn)題；轉(zhuǎn)體角度的監(jiān)測(cè)可以時(shí)刻監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)體角度的變化值，碰撞預(yù)警角度的設(shè)定能夠避免轉(zhuǎn)體橋發(fā)生碰撞，起到雙層保護(hù)的作用。在 后到設(shè)定剩余角度之前這段角度鋼纜的速度都是可控的，都可以保持高速的勻速行駛，在即將快到達(dá)設(shè)定剩余角度時(shí)，還可以逐步降低速度，已達(dá)到避免橋梁慣性所到了的超出轉(zhuǎn)體過(guò)程的后果，如圖12和圖13所示，可以在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中設(shè)置試轉(zhuǎn)角度和剩余角度。在千斤頂微調(diào)姿態(tài)時(shí)，還可以切換到手動(dòng)模式進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)微調(diào)，在之前的自動(dòng)化方式運(yùn)行中，大大地降低了出現(xiàn)事故的概率，并且還提高了作業(yè)效率。

在精確安裝和已知旋轉(zhuǎn)角度條件下，從預(yù)警到剩余1°范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精確監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于北斗衛(wèi)星的全自動(dòng)橋梁轉(zhuǎn)體系統(tǒng)。通過(guò)北斗衛(wèi)星和地面站構(gòu)建天地一體的轉(zhuǎn)體角度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁轉(zhuǎn)體角度的實(shí)時(shí)反饋，設(shè)計(jì)了橋梁轉(zhuǎn)體驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，與北斗衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁的高精度全自動(dòng)轉(zhuǎn)體。本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的基于北斗衛(wèi)星的全自動(dòng)橋梁轉(zhuǎn)體系統(tǒng)在行業(yè)是首次采用，達(dá)到了降低安全風(fēng)險(xiǎn)、提高對(duì)接精度，提高效率的目的，得到了業(yè)主的好評(píng)，具有一定的推廣價(jià)值。