雷 鵬,王方正,張彥昌
(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,天津 300456;2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,天津 300456;3.天津市水運(yùn)工程測(cè)繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300456)
深中通道項(xiàng)目沉管段具有超寬、變寬、深埋、回於量大、挖砂坑區(qū)域地層穩(wěn)定性差等五大技術(shù)難點(diǎn),是世界技術(shù)難度最大的建設(shè)工程之一[1]。其最大管節(jié)長(zhǎng)度可達(dá)165 m,寬度可達(dá)60 m,重約7萬(wàn)t,且管節(jié)自身不具有動(dòng)力,在浮運(yùn)安裝過(guò)程中操控性較差,在珠江口復(fù)雜水流的作用下易出現(xiàn)失控乃至擱淺等事故,因此需要多艘工作拖輪嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案相互協(xié)同作業(yè)以實(shí)現(xiàn)管節(jié)的安全浮運(yùn)[2-3]。劉兆權(quán)等[4]開(kāi)發(fā)了港珠澳大橋島隧工程浮運(yùn)操作指揮系統(tǒng),該系統(tǒng)使用RTKGPS進(jìn)行管節(jié)定位定向,沒(méi)有集成管節(jié)三維姿態(tài)數(shù)據(jù)及全站儀定位數(shù)據(jù)以提高定位精度和系統(tǒng)可靠性;系統(tǒng)的展示形式較單一,僅通過(guò)二維平面電子海圖展示現(xiàn)場(chǎng)施工態(tài)勢(shì)。需要針對(duì)深中通道管節(jié)浮運(yùn)測(cè)控技術(shù)方案開(kāi)展進(jìn)一步研究,滿足管節(jié)浮運(yùn)過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)指揮需求。
深中通道管節(jié)浮運(yùn)指揮系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱指揮系統(tǒng))集成GNSS、地理信息等技術(shù),在管節(jié)、工作拖輪上安裝的GNSS、姿態(tài)傳感器、壓力傳感器等定位設(shè)備的基礎(chǔ)上,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)管節(jié)定位設(shè)備的組織管理和數(shù)據(jù)融合計(jì)算,得到管節(jié)關(guān)鍵特征點(diǎn)實(shí)時(shí)三維坐標(biāo),實(shí)時(shí)計(jì)算管節(jié)上關(guān)鍵特征點(diǎn)的距離、角度、速度等決策參數(shù),并發(fā)揮地理信息可視化技術(shù)特點(diǎn),以二維平面、三維立體多個(gè)角度展示沉管隧道現(xiàn)場(chǎng)施工態(tài)勢(shì),為管節(jié)施工、工作拖輪的指揮調(diào)度提供信息化的輔助決策手段,取得了良好的應(yīng)用效果。指揮系統(tǒng)采用Visual Studio 2017集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)中所涉及的管節(jié)、工作拖輪及各個(gè)設(shè)備等要素具有典型的面向?qū)ο筇卣?,系統(tǒng)應(yīng)用面向?qū)ο笏枷朐O(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),抽象得到具有不同屬性和行為的“類”,使系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加清晰合理。同時(shí)通過(guò)在指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用設(shè)計(jì)模式,使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的代碼可讀性,更加清晰的設(shè)計(jì)思路,同時(shí)也具備更強(qiáng)的可擴(kuò)展性,方便未來(lái)伴隨需求的增加擴(kuò)充功能[5-6]。
系統(tǒng)用戶界面基于WPF技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn),WPF是微軟新一代圖形系統(tǒng),運(yùn)行在.NET Framework 3.0及以上版本下,為用戶界面、2D/3D圖形、文檔和媒體提供了統(tǒng)一的描述和操作方法。系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中充分運(yùn)用了WPF技術(shù)中的數(shù)據(jù)綁定、屬性依賴等諸多先進(jìn)可靠的技術(shù)特征,有效提升了用戶體驗(yàn)。
系統(tǒng)在邏輯上劃分為硬件設(shè)備管理、數(shù)據(jù)融合計(jì)算、二維電子地圖平面顯示、三維場(chǎng)景顯示等模塊,各模塊之間的交互關(guān)系見(jiàn)圖1。
圖1 指揮系統(tǒng)中各模塊關(guān)系圖
為實(shí)現(xiàn)管節(jié)精確定位,系統(tǒng)需要接入GNSS、姿態(tài)傳感器、全站儀、壓力傳感器等眾多定位設(shè)備數(shù)據(jù)。
其中,GNSS是用于管節(jié)定位的核心設(shè)備,在深中通道CORS系統(tǒng)支持下,其平面定位精度優(yōu)于1 cm,通過(guò)安裝于管節(jié)艏艉的兩個(gè)RTKGPS,結(jié)合各自精確標(biāo)定的安裝坐標(biāo),可以計(jì)算出管節(jié)的實(shí)時(shí)精確艏向;姿態(tài)傳感器通過(guò)和管節(jié)剛性安裝,能夠?qū)崟r(shí)獲取管節(jié)三維姿態(tài),系統(tǒng)使用的Octans是唯一通過(guò)IMO認(rèn)證的測(cè)量級(jí)陀螺羅經(jīng)運(yùn)動(dòng)傳感器,其航向精度可達(dá)±0.2°,縱傾和橫傾精度可達(dá)±0.01°;全站儀獨(dú)立于GNSS通過(guò)光學(xué)手段獲取管節(jié)上棱鏡的三維坐標(biāo),其測(cè)量精度尤其是高程精度一般優(yōu)于GNSS,在通過(guò)無(wú)線電實(shí)時(shí)傳輸至指揮系統(tǒng)后,可以與GNSS互相實(shí)時(shí)校核;壓力傳感器則獨(dú)立于姿態(tài)傳感器,通過(guò)水壓力差值計(jì)算管節(jié)姿態(tài)以作為姿態(tài)傳感器設(shè)備的補(bǔ)充[7]。
以上各個(gè)設(shè)備的連接方式、連接參數(shù)、數(shù)據(jù)格式、校準(zhǔn)參數(shù)等均不相同,設(shè)備管理模塊將各個(gè)設(shè)備抽象成虛擬的設(shè)備類,各個(gè)設(shè)備對(duì)象具有相應(yīng)的屬性特征,并通過(guò)ORM(Object Relational Mapping,對(duì)象關(guān)系映射)映射的方式將各個(gè)對(duì)象保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中,實(shí)現(xiàn)設(shè)備配置信息的存取。設(shè)備管理模塊還負(fù)責(zé)根據(jù)設(shè)備的不同類型[8],按照其指定的數(shù)據(jù)格式從原始數(shù)據(jù)中解析得到坐標(biāo)、衛(wèi)星數(shù)、姿態(tài)角度等信息,供后續(xù)數(shù)據(jù)融合計(jì)算模塊根據(jù)管節(jié)定位設(shè)備組合進(jìn)一步分析計(jì)算。
沉管管節(jié)的角點(diǎn)、艏艉底部中心點(diǎn)等關(guān)鍵特征點(diǎn)在系統(tǒng)中以管節(jié)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)提供,而管節(jié)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)則以施工坐標(biāo)提供,為了計(jì)算特征點(diǎn)距離設(shè)計(jì)位置的平面距離、高程差值等關(guān)鍵參數(shù),則需要通過(guò)數(shù)據(jù)融合計(jì)算模塊按照坐標(biāo)系層次結(jié)構(gòu)分級(jí)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵特征點(diǎn)由管節(jié)局部坐標(biāo)系至世界地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。
在三維空間中,坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式如下
(1)
式中:Rε(x)、Rε(y)、Rε(z)分別是坐標(biāo)系繞X軸、Y軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)矩陣,而X′、Y′、Z′則是兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的空間位移[9-10]。數(shù)據(jù)融合模塊根據(jù)各個(gè)設(shè)備解析得到的空間坐標(biāo)、姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù),結(jié)合設(shè)備的安裝位置和改正參數(shù),計(jì)算對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)變換矩陣(圖2)。
圖2 數(shù)據(jù)融合模塊中層次結(jié)構(gòu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系
在層次結(jié)構(gòu)支持下,獲取任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系,只需將其父節(jié)點(diǎn)至根節(jié)點(diǎn)之間的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換關(guān)系逐層累計(jì),即可獲取該節(jié)點(diǎn)在WGS84坐標(biāo)系下的世界坐標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用證明,通過(guò)層次狀結(jié)構(gòu),能夠有效表達(dá)真實(shí)世界的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,方便沉管在世界坐標(biāo)系和管節(jié)局部坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)“GNSS-管節(jié)-特征點(diǎn)”的坐標(biāo)傳遞。由于系統(tǒng)中層次關(guān)系較多,計(jì)算的特征點(diǎn)也較多,所以數(shù)據(jù)融合計(jì)算模塊的計(jì)算量大。為了提高計(jì)算效率,系統(tǒng)在后臺(tái)線程中完成數(shù)據(jù)融合計(jì)算后再同步至用戶界面,從而減少交互操作遲滯感,改善用戶體驗(yàn)。
顯示模塊負(fù)責(zé)以圖形化的形式將核心計(jì)算模塊的計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)在用戶界面上。平面電子地圖是系統(tǒng)的核心,現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)景,管節(jié)設(shè)計(jì)位置、沉管隧道中心線、周邊水深地形等施工相關(guān)要素,以及作業(yè)船舶、管節(jié)等各個(gè)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的實(shí)時(shí)狀況均在電子地圖中進(jìn)行渲染呈現(xiàn)。系統(tǒng)基于WPF技術(shù)中的圖形繪接口,從底層實(shí)現(xiàn)了輕量級(jí)電子地圖組件,支持DXF(AutoDesk)、Shp(ArcGIS)等格式數(shù)據(jù)文件的讀寫,并通過(guò)工作區(qū)-地圖集-圖層概念對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)層次結(jié)構(gòu)管理,在空間索引的支持下實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)集的高效率、高質(zhì)量渲染,以及地理信息應(yīng)用中常規(guī)的地圖漫游、空間查詢、屬性查詢等功能[10],為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)支撐。在沉管隧道管節(jié)施工過(guò)程中,現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員會(huì)根據(jù)需要臨時(shí)將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、指示導(dǎo)引數(shù)據(jù)等加載至底圖中,供施工指揮人員參考,由于數(shù)據(jù)文件來(lái)源不一,內(nèi)部坐標(biāo)系各不相同,為此電子地圖組件增加了即時(shí)(on-the-fly)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式,方便了施工現(xiàn)場(chǎng)操作。
系統(tǒng)進(jìn)一步利用三維可視化技術(shù),將沉管隧道施工過(guò)程中所涉及的管節(jié)、工作拖輪等動(dòng)態(tài)目標(biāo)以及海底地形等靜態(tài)目標(biāo)實(shí)時(shí)顯示在三維場(chǎng)景中,直觀展現(xiàn)各個(gè)目標(biāo)之間的相對(duì)關(guān)系,解決沉管隧道施工過(guò)程中無(wú)法直接觀察水下目標(biāo)的問(wèn)題,真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)作業(yè)態(tài)勢(shì),為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)指揮人員提供輔助決策信息。作業(yè)前需要準(zhǔn)備好系統(tǒng)中各個(gè)要素的三維模型,其中管節(jié)、工作拖輪的三維模型通過(guò)第三方建模軟件建立標(biāo)準(zhǔn)的三維模型文件。三維地形模型則使用地形模型構(gòu)建工具在建立不規(guī)則三角網(wǎng)后自動(dòng)生成。沉管隧道施工過(guò)程中,系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)融合模塊的計(jì)算結(jié)果,應(yīng)用各個(gè)目標(biāo)的仿射變換矩陣自動(dòng)實(shí)時(shí)更新三維場(chǎng)景中各個(gè)要素,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景展示(圖3)。
圖3 管節(jié)浮運(yùn)典型三維場(chǎng)景
深中通道項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模大、社會(huì)影響大,相應(yīng)其管節(jié)浮運(yùn)及沉放對(duì)接的精度要求更高,為了保證定位精度及系統(tǒng)可靠性,系統(tǒng)中用于提供管節(jié)定位要素的設(shè)備數(shù)據(jù)源存在適當(dāng)冗余(表1)。在施工過(guò)程中,由于附件大型結(jié)構(gòu)物遮擋、電離層異常及近岸無(wú)線電干擾等因素,各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)質(zhì)量均可能受到不同程度的影響[11]。系統(tǒng)研發(fā)了能夠?qū)崟r(shí)分析數(shù)據(jù)源質(zhì)量參數(shù)的管節(jié)定位質(zhì)量評(píng)估技術(shù),實(shí)現(xiàn)定位設(shè)備組合自適應(yīng)調(diào)整。
表1 管節(jié)浮運(yùn)過(guò)程中定位數(shù)據(jù)源
(1)建立不同種類設(shè)備的歸一化精度評(píng)估指標(biāo),通過(guò)基線距離、位移速度、角速度、水壓力等多個(gè)指標(biāo)監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)量精度、更新頻率等工作狀況。將各個(gè)設(shè)備輸出的坐標(biāo)、角度、距離、速度、加速度等具有不同的量綱和數(shù)量級(jí)的物理量,轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的空間位移,用于后續(xù)進(jìn)一步定位設(shè)備組合精度評(píng)估。
(2)預(yù)先設(shè)立多個(gè)為管節(jié)定位提供完整定位要素(平面位置、高程、艏向、縱傾、橫傾)的定位設(shè)備組合方案,系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),在異步后臺(tái)線程中按照1Hz的頻率根據(jù)當(dāng)前工作環(huán)境狀況實(shí)時(shí)更新各個(gè)設(shè)備的歸一化精度指標(biāo),并進(jìn)一步計(jì)算各個(gè)預(yù)設(shè)定位設(shè)備組合方案的綜合精度并分析比對(duì),如果當(dāng)前組合綜合定位精度低于最優(yōu)組合,則在后臺(tái)自動(dòng)切換至最優(yōu)設(shè)備組合,從而使系統(tǒng)能夠自適應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境變化,始終處于最佳工作狀態(tài),為沉管隧道施工提供連續(xù)無(wú)縫的高精度定位服務(wù),避免定位精度降低帶來(lái)的潛在施工安全風(fēng)險(xiǎn)。
管節(jié)在浮運(yùn)及對(duì)接過(guò)程中,需要多艘工作拖輪的協(xié)同拖帶作業(yè)。為了實(shí)現(xiàn)管節(jié)和拖輪的實(shí)時(shí)指揮調(diào)度,管節(jié)及各艘拖輪都安裝了多套定位設(shè)備,導(dǎo)致系統(tǒng)中測(cè)量設(shè)備多、更新頻率快和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求高。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效處理,系統(tǒng)利用施工現(xiàn)場(chǎng)施工指揮室、各艘拖輪等各個(gè)節(jié)點(diǎn)天然的空間分布特性,首先在各個(gè)節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)針對(duì)高頻并發(fā)定位設(shè)備數(shù)據(jù),充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)計(jì)算能力,通過(guò)適應(yīng)多核處理器的數(shù)據(jù)調(diào)度算法,將數(shù)據(jù)路由至多個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)處理模塊,在完成解算后再同步至數(shù)據(jù)融合模塊。
系統(tǒng)在工業(yè)無(wú)線網(wǎng)橋和定制客戶端軟件的軟硬件支持下,通過(guò)系統(tǒng)中自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和消息信道,實(shí)現(xiàn)了多船船際定位數(shù)據(jù)共享和指揮命令協(xié)同,并結(jié)合電子地圖實(shí)時(shí)可視化指揮調(diào)度工作拖輪?;凇氨镜?遠(yuǎn)程”端口映射,借助4G/5G通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)信息融合,在廣域網(wǎng)中分發(fā)廣播沉管管節(jié)定位數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量,遠(yuǎn)程多處實(shí)時(shí)監(jiān)控”,保障施工安全(圖4)。
圖4 基于船際網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作業(yè)及可視化工作拖輪指揮調(diào)度
BIM技術(shù)目前已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可,能有效解決復(fù)雜工程的大數(shù)據(jù)創(chuàng)建、管理和共享應(yīng)用等問(wèn)題,通過(guò)將BIM引入到沉管隧道的浮運(yùn)和對(duì)接工作中,發(fā)揮BIM設(shè)計(jì)模型細(xì)節(jié)豐富和三維激光掃描儀數(shù)據(jù)幾何信息精確的優(yōu)勢(shì)[12-13],為系統(tǒng)提供高精度三維模型。三維激光掃描技術(shù)采用激光測(cè)距方式,通過(guò)測(cè)量管節(jié)表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)值、反射率及紋理信息等,借助于激光點(diǎn)云算法,快速獲得管節(jié)的三維模型及其線、面、體等各種數(shù)據(jù),具有方便快捷、精度高、范圍廣等特點(diǎn),同時(shí)能夠提升施工效率和施工質(zhì)量,便于項(xiàng)目施工管理。沉管管節(jié)高精度幾何參數(shù)直接影響最終對(duì)接精度,系統(tǒng)利用三維激光掃描,結(jié)合BIM設(shè)計(jì)資料在點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接后完成了由實(shí)體預(yù)制管節(jié)到離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,再通過(guò)點(diǎn)云抽稀、特征點(diǎn)提取和拓?fù)潢P(guān)系建立,實(shí)現(xiàn)了可以最終用于指揮系統(tǒng)中沉管隧道施工場(chǎng)景三維可視化的抽象三維模型。該方法減少了重復(fù)建模的工作量,避免了由此帶來(lái)的數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了干塢內(nèi)靜態(tài)管節(jié)的預(yù)制完工驗(yàn)收測(cè)量與管節(jié)對(duì)接定位的一體化作業(yè)(圖5)。
5-a 離散點(diǎn)云數(shù)據(jù) 5-b 抽象三維模型
2020年7月和11月,系統(tǒng)分別在深中通道E32和E31管節(jié)出塢浮運(yùn)中得到成功應(yīng)用,系統(tǒng)融合現(xiàn)場(chǎng)用于管節(jié)定位的GNSS、慣導(dǎo)等多種數(shù)據(jù),在管節(jié)出塢、浮運(yùn)及坐底就位等各個(gè)階段提供了不間斷的高精度定位數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)計(jì)算管節(jié)上外圍輪廓角點(diǎn)、前后底邊中心點(diǎn)等關(guān)鍵特征點(diǎn)到干塢邊線、計(jì)劃中心線的距離,移動(dòng)速度、沉放速度等多種決策參數(shù),并通過(guò)電子地圖和三維場(chǎng)景從多個(gè)角度以可視化形式展示施工現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),支撐了項(xiàng)目順利開(kāi)展,成為現(xiàn)場(chǎng)施工的指揮決策中心,取得了良好應(yīng)用效果,伴隨深中通道項(xiàng)目的持續(xù)推進(jìn),后續(xù)還將繼續(xù)擴(kuò)大系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)模(圖6)。
圖6 基于WPF的電子地圖引擎呈現(xiàn)的實(shí)時(shí)管節(jié)浮運(yùn)施工場(chǎng)景
本文針對(duì)深中通道管節(jié)浮運(yùn)中的高精度位置需求,以GNSS定位為核心,結(jié)合地理信息技術(shù),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)管節(jié)定位設(shè)備的組織管理和數(shù)據(jù)融合計(jì)算,得到管節(jié)關(guān)鍵特征點(diǎn)實(shí)時(shí)三維坐標(biāo),并進(jìn)一步通過(guò)實(shí)時(shí)精度評(píng)估、網(wǎng)絡(luò)化分布式實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)處理方法、BIM模型和三維激光掃描數(shù)據(jù)聯(lián)合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜施工環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間不間斷高精度位置信息服務(wù)、可視化的工作拖輪指揮調(diào)度及管節(jié)高精度精細(xì)三維模型獲取,解決了沉管隧道施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知,促進(jìn)了深中通道沉管隧道段的精細(xì)化、科學(xué)化施工,拓寬了測(cè)繪地理信息技術(shù)在國(guó)家重大工程建設(shè)中的應(yīng)用范圍。后續(xù)可以通過(guò)集成壓力、拉力等更多類型的傳感器,引入VR等更先進(jìn)的技術(shù)手段,進(jìn)一步豐富完善系統(tǒng)功能。