三維可視化安裝系統(tǒng)POSIBLOC的技術(shù)分析與實際應(yīng)用

◎ 梁福源 中交四航局第二工程有限公司

對于防波堤的施工往往都需要在防波堤的內(nèi)外側(cè)安放防護(hù)塊體的工藝，目的就是為了起到保護(hù)堤身，防止堤身受海浪沖刷的影響造成堤身結(jié)構(gòu)的破壞坍塌，使得堤身更加穩(wěn)固地抵抗海浪所造成的影響。然而，就目前的安裝施工工藝來說，往往都需要潛水員進(jìn)行水下輔助安裝，堤上也由兩名工人拉繩來控制防護(hù)塊體的姿態(tài)，不僅耗時費力，而且很受外界條件影響，不能夜間作業(yè)。往往由于海浪大或者作業(yè)人員溝通時間延遲問題出現(xiàn)防護(hù)塊體安裝位置不當(dāng)而造成返工的現(xiàn)象。因此，使用新型的安裝輔助系統(tǒng)POSIBLOC可以很好地解決此難題。不僅省去潛水員進(jìn)行輔助安裝的危險性，不受外界條件影響，還能實時顯示三維定位防護(hù)塊體的平面位置、姿態(tài)，增長有效作業(yè)時間，減少或者杜絕安裝所造成的返工，起到關(guān)鍵性作用。

1.工程概況

本項目位于秘魯中部的錢凱灣，距首都利馬約78公里，該區(qū)域常年處于長周期波頻發(fā)地段，根據(jù)提供的1979年至2009年的統(tǒng)計資料，項目現(xiàn)場海域波浪周期主要集中在10s至18s之間，出現(xiàn)頻率高達(dá)94%（其中12s至16s出現(xiàn)的頻率占73%）。另外，長周期波主要集中在常年4月至11月，浪高主要集中在1.0 m 至1.8m，出現(xiàn)頻率達(dá)到69%。本文以項目所使用的10噸防護(hù)塊體為例，對于本項目惡劣海況的應(yīng)對措施所使用的一種新型防護(hù)塊體安裝系統(tǒng)技術(shù)為研究分析。

2.系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要分為六大子系統(tǒng)組成：一是負(fù)責(zé)防護(hù)塊體起吊安裝時監(jiān)測重量的負(fù)載傳感器，二是起到防護(hù)塊體定位定向RTK的模塊組，三是監(jiān)測防護(hù)塊體安裝姿態(tài)的姿態(tài)傳感器BIB，四是固定在操作室內(nèi)，提供系統(tǒng)實時各項數(shù)據(jù)的屏幕顯示器，五是該系統(tǒng)的核心元件，也是該系統(tǒng)的心臟部位BACC主機，六是可以通過WIFI連接的外置筆記本控制電腦，能遠(yuǎn)程控制該系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)及查看相關(guān)信息。各子系統(tǒng)各自承擔(dān)相關(guān)的作用，缺一項都無法進(jìn)行整套系統(tǒng)的正常運行。所以，對于軟硬件的維護(hù)保養(yǎng)也是相關(guān)的重要，務(wù)求使得整套系統(tǒng)都達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。圖1為整套三維可視化安裝系統(tǒng)的配件組成。

圖1 系統(tǒng)的重要組成部分

2.1 定位定向系統(tǒng)模塊

該系統(tǒng)模塊主要由兩個主次GMSS天線、差分信號接收天線、天線傳輸終端器、GNSS天線無線電調(diào)制解碼器和12V鋰電池組成[1]。

兩個雙天線組成定位定向RTK，不僅能起到防護(hù)塊體定位的作用，還能起到定向的作用。由相距移動站20公里內(nèi)建設(shè)RTK的基準(zhǔn)站，可以通過基準(zhǔn)站發(fā)送的載波差分信號由差分接收天線進(jìn)行接收基站信號，讓兩個雙天線的RTK同時接收該信號，實現(xiàn)定位及定向作用。再由電腦進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)計算而得出當(dāng)前防護(hù)塊體的實時位置、高程及方向，實時呈現(xiàn)當(dāng)前位置到操作控制室的電腦屏幕里，供作業(yè)人員進(jìn)行防護(hù)塊體安裝定位。GNSS和無線電調(diào)制解碼器主要作用是接收到GNSS天線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過調(diào)制電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)的差分計算，也涵蓋了姿態(tài)傳感器BIB所發(fā)送的模擬信號進(jìn)行計算，通過一系列的運算最終輸出正確的平面位置、高程及姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給無線傳輸終端器。而無線傳輸終端器的作用無疑就是把GNSS和無線電調(diào)制解碼器收發(fā)送的數(shù)據(jù)通過WIFI信號，從而傳輸?shù)紹ACC外置主機中。而無線傳輸終端器不僅是數(shù)據(jù)發(fā)送作用，它還是供電模塊，通過它把12V的電源輸送給GNSS無線電調(diào)制解碼器中。整體的模塊組如圖2所示。

圖2 定位定向RTK結(jié)構(gòu)模塊組成

2.2 姿態(tài)傳感器BIB

姿態(tài)傳感器BIB的作用主要是通過3根塑料膨脹螺絲固定在防護(hù)塊體中，實時監(jiān)測防護(hù)塊體的俯仰角度、滾動及縱橫傾角度，可以靈敏地感應(yīng)出防護(hù)塊體起吊時360°的姿態(tài)。當(dāng)防護(hù)塊體安裝到位及姿態(tài)正確時，吊鉤緩慢往上提鉤即可脫離防護(hù)塊體，并且系統(tǒng)能自動識別該防護(hù)塊體已經(jīng)安裝完成，自動保存該防護(hù)塊體的安裝信息。而且BIB姿態(tài)傳感器能固定在防護(hù)塊體鼻端的上下及兩側(cè)，為固定BIB傳感器提供便捷性，當(dāng)固定在上下端時，只需要在系統(tǒng)顯示屏中選擇上下選項，反之選擇左右選項。圖3為BIB姿態(tài)傳感器安裝位置圖。

圖3 姿態(tài)傳感器BIB安裝位置圖

2.3 負(fù)載傳感器

負(fù)載傳感器顧名思義就是監(jiān)測防護(hù)塊體的重量。利用插銷固定在起重吊機的末端吊繩處。以本項目防護(hù)塊體重量10噸為例，當(dāng)防護(hù)塊體完全起吊不接觸任何地面時，系統(tǒng)能實時監(jiān)測并顯示到屏幕重量為10噸，當(dāng)進(jìn)行安裝接觸到地面時未松吊鉤時，能顯示當(dāng)前的防護(hù)塊體重量，目的是提示操作人員護(hù)塊體已經(jīng)接觸到地面，讓操作人員進(jìn)行判斷安裝。但負(fù)載傳感器是需要校準(zhǔn)才能進(jìn)行使用，通過起吊后、起吊中及未起吊來檢驗負(fù)載傳感器的精準(zhǔn)度，在檢驗負(fù)載重量的過程中也要把防護(hù)塊體的準(zhǔn)確高程一并校準(zhǔn)。

在校準(zhǔn)防護(hù)塊體中心高度的過程時，需要在地面上確定一個絕對高程值進(jìn)行比對，再通過準(zhǔn)確的起吊的中心高度來進(jìn)行校準(zhǔn)，這時確定準(zhǔn)確的起吊高度主要監(jiān)測負(fù)載傳感器中所傳輸?shù)降膶嶋H重量來校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)過程中防護(hù)塊體不能起吊過高離開地面，也不能起吊過低[2]。以10噸防護(hù)塊體為例，在校準(zhǔn)過程中需要起吊負(fù)載壓力為4.5T時往往能達(dá)到最好的高程校準(zhǔn)精度。圖4為校準(zhǔn)負(fù)載傳感器及防護(hù)塊體地面高流程圖。

圖4 校準(zhǔn)負(fù)載傳感器及防護(hù)塊體地面高流程圖

3.POSIBLOC三維可視化安裝系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要的五大功能主要為三維可視化成像安裝、引導(dǎo)輔助定位成像、安裝密度計算、塊體相似度計算以及生成安裝后的作業(yè)報告。操作者只需要按照系統(tǒng)的操作流程步驟進(jìn)行安裝即可，操作簡單并且高效，每一步驟都是以對話框的形式進(jìn)行，入門較為簡單。圖5為系統(tǒng)安裝操作流程圖。

圖5 系統(tǒng)安裝操作流程圖

3.1 三維可視化成像

該系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是能實時顯示防護(hù)塊體的三維成像功能，能實時顯示當(dāng)前防護(hù)塊體的三維坐標(biāo)偏差值、方向、及姿態(tài)信息，并且能隨意放大及縮小局部安裝界面，有效地引導(dǎo)操作工人進(jìn)行準(zhǔn)確地安裝防護(hù)塊體。依靠GPS及姿態(tài)傳感器BIB每秒能傳送200多個差分信號，使得系統(tǒng)不會出現(xiàn)卡頓延遲，還能無縫轉(zhuǎn)換防護(hù)塊體的每個視角，使得安裝精度得到保障[3]。圖6為主界面操作導(dǎo)航界面。

圖6 主界面操作導(dǎo)航圖

3.2 引導(dǎo)輔助定位成像

操作人員要根據(jù)系統(tǒng)的引導(dǎo)定位成像來進(jìn)行防護(hù)塊體的安裝，該功能包含負(fù)載傳感器當(dāng)前的荷載值，主要引導(dǎo)操作人員識別塊體在水下部分是否已經(jīng)接觸到巖石面層，以及識別當(dāng)前防護(hù)塊體的真實重量。目標(biāo)位置引導(dǎo)界面，該功能主要引導(dǎo)防護(hù)塊體的當(dāng)前位置與實際安裝位置的差值，利用該界面來引導(dǎo)操作人員準(zhǔn)備將當(dāng)前塊體進(jìn)行安裝到準(zhǔn)確的位置。顯示當(dāng)前安裝的防護(hù)塊體實際高程，可以檢驗防波堤的巖石面是否出現(xiàn)過高或者過低的斷面線。如安裝塊體的位置、高程、方向無誤后即可進(jìn)行當(dāng)前塊體的三維成像保存。圖7為引導(dǎo)輔助定位界面圖。

圖7 引導(dǎo)輔助定位界面圖

3.3 安裝密度及姿態(tài)相似度計算

在完成塊體安裝后，就要檢驗相關(guān)的質(zhì)量要求，如安裝密度及姿態(tài)相似度。根據(jù)CLI的技術(shù)規(guī)格書中明確規(guī)定安裝密度要在95%到105%之間，而相鄰兩塊防護(hù)塊體姿態(tài)相似度不能相同，如超出標(biāo)準(zhǔn)則需要重新進(jìn)行返工處理，所以這一步驟尤為重要。在系統(tǒng)檢驗的過程中需要把已經(jīng)安裝后的防護(hù)塊體的安裝信息導(dǎo)入到系統(tǒng)里面，通過系統(tǒng)的設(shè)計安裝三維成像信息與實際三維成像信息作對比，即可高效準(zhǔn)確地得出此兩個指標(biāo)是否出現(xiàn)超限。圖8為安裝密度計算及姿態(tài)相似度計算圖。

圖8 安裝密度及姿態(tài)相似度計算圖

3.4 生成安裝作業(yè)報告

在以上一系列的操作步驟及結(jié)果都符合技術(shù)規(guī)格書要求后，即可生成安裝報告。軟件系統(tǒng)能直接一鍵生成安裝報告，報告中包含該安裝斷面所有的防護(hù)塊體的開始及結(jié)束安裝時間、實際安裝位置及高程信息、姿態(tài)方向信息、安裝的密度信息以及安裝的姿態(tài)相似度比較信息。利用該報告能直觀查看每一塊的防護(hù)塊體是否都能達(dá)到相關(guān)的安裝技術(shù)要求，規(guī)范并且高效準(zhǔn)確地生成報告移交監(jiān)理及業(yè)主審核。

4.實際應(yīng)用

4.1 提高作業(yè)效率

該系統(tǒng)能24小時連續(xù)作業(yè)，能節(jié)省因為夜間潛水員無法下水而導(dǎo)致的夜間停止安裝作業(yè)，不受外界條件約束影響，極大程度地提高作業(yè)時間。以往因海況惡劣而導(dǎo)致潛水人員無法下水輔助安裝而耽誤安裝進(jìn)度，從而影響作業(yè)時間，增加施工成本，給項目施工帶來停滯作業(yè)等一系列麻煩。

4.2 提高安裝精度及質(zhì)量

系統(tǒng)顯示的安裝界面能直觀準(zhǔn)確地引導(dǎo)操作人員進(jìn)行防護(hù)塊體的實時三維信息化定位安裝。能實時顯示當(dāng)前安裝塊體的三維坐標(biāo)位置信息、姿態(tài)信息、方向以及當(dāng)前起吊重量信息，保障安裝精度都符合相關(guān)的技術(shù)要求。一鍵生成安裝技術(shù)作業(yè)報告，省去人為復(fù)雜的計算過程及計算工作量，直接供監(jiān)理業(yè)主審核。

以往采取的GPS定位法及極坐標(biāo)法都存在定位精度不夠或者定位方式繁瑣而導(dǎo)致防護(hù)塊體不能精準(zhǔn)定位，而且這兩種定位方式都不能檢查出當(dāng)前的防護(hù)塊體實際安裝高程、安裝姿態(tài)等相關(guān)信息，完全是依賴潛水人員的判斷進(jìn)行定位安裝。如遇到海況惡劣的環(huán)境，安裝質(zhì)量更為堪憂，導(dǎo)致因施工質(zhì)量不符合相關(guān)要求而進(jìn)行返工作業(yè)，增加安裝作業(yè)難度和影響安裝精度。

4.3 簡化安裝流程

該系統(tǒng)操作簡單明了，全都為對話框操作，操作起來較為簡單。而且為了讓操作人員能更全面地了解防護(hù)塊體的安裝狀態(tài)，不僅加入了能自由旋轉(zhuǎn)切換的界面，而且還增加了位置引導(dǎo)的界面，使得安裝變得有趣并且高效。取消以往潛水員水下輔助安裝時由于相互對話引起的延遲時間差，極大地提高安裝效率。

5.結(jié)語

POSIBLOC三維可視化安裝系統(tǒng)是新型的防護(hù)塊體安裝系統(tǒng)，是具有多項優(yōu)點而且能全天候不受外界條件影響。對于本項目惡劣的海況，極大地發(fā)揮作用，在不僅能達(dá)到技術(shù)規(guī)格書要求標(biāo)準(zhǔn)，還能保質(zhì)保量地提前完成施工安裝計劃。取消潛水員下水輔助安裝的危險性，極大地保證項目的安全施工。以本項目的使用經(jīng)驗為例，可為今后相關(guān)的防護(hù)塊體安裝工程提供可靠性的技術(shù)支持，得到充足的借鑒作用。