海上風(fēng)電全自動(dòng)水下打樁技術(shù)研究

華電重工股份有限公司 羅玉濤 洪 澤

海上風(fēng)電的快速發(fā)展，海上風(fēng)場(chǎng)選址離岸距離也越來越遠(yuǎn)，水深越來越深，如青州三海上風(fēng)電項(xiàng)目水深在50m左右，離岸距離及水深的增加也增加了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)單樁的長度與重量，制造、運(yùn)輸、施工難度增加，如果縮短單樁長度打樁時(shí)就必須進(jìn)行全水下的施工，現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)將很難滿足施工精度需求，通過新型水下工程測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，可以減少海上風(fēng)電施工難度和成本，縮短項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間，提高整體效率和競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

針對(duì)現(xiàn)階段和未來海上風(fēng)電施工進(jìn)入深水區(qū)以往測(cè)量手段失效的情況，本試驗(yàn)研究了一種新型水下工程測(cè)量技術(shù)，開發(fā)水下施工作業(yè)測(cè)量整體解決方案，以保障水下施工精度要求，提高項(xiàng)目實(shí)施效率。利用水下機(jī)器人搭載高精度水下光纖姿態(tài)儀、3D聲納、攝像儀等設(shè)備實(shí)現(xiàn)全水下打樁控制測(cè)量，并和傳統(tǒng)測(cè)量手段進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析。正常情況下，水下打樁控制精度傾斜度控制達(dá)到0.2‰，高程控制可以達(dá)到0.5cm，由于水下機(jī)器人在水中受水流等自然海況的影響會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)，光纖姿態(tài)儀初始位置安裝校正精度低等情況將直接影響測(cè)量精度，本文著重對(duì)此進(jìn)行相關(guān)探究。

1 水下打樁測(cè)量原理及軟件實(shí)現(xiàn)

1.1 水下打樁測(cè)量原理

水下打樁是利用水下機(jī)器人搭載高精度光纖姿態(tài)儀、3D聲納、U-QPS超短基線，組成水下綜合測(cè)量系統(tǒng)，首先通過U-QPS超短基線實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的水下定位，再通過光纖姿態(tài)儀調(diào)整水下機(jī)器人的水中姿態(tài)使其穩(wěn)定并構(gòu)成獨(dú)立的三維坐標(biāo)系，對(duì)水下機(jī)器人的實(shí)時(shí)晃動(dòng)采集其X、Y、Z軸的角速度變量，3D聲納探測(cè)前方30m內(nèi)單樁樹立面并形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的圓筒型單樁半圓的點(diǎn)云數(shù)據(jù)取其直段的上下兩個(gè)最長距離的剖面數(shù)據(jù)歸算單樁的上下兩個(gè)剖面的圓心，再根據(jù)上下兩個(gè)圓心的偏差和上下距離計(jì)算單樁的傾斜度[2]。

通過3D聲吶探測(cè)單樁上的特征點(diǎn)高度數(shù)據(jù)控制打樁深度，最后在打樁結(jié)束，打樁錘離開樁頂后，駕駛水下機(jī)器人到達(dá)樁頂測(cè)量樁頂法蘭的水平度和高程。該水下綜合測(cè)量系統(tǒng)具有高精度、高效率的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)全水下打樁控制測(cè)量，并對(duì)單樁的傾斜度、高程控制、樁頂法蘭水平度和高程進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。這種水下打樁技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)在海上風(fēng)電施工中起到重要的作用，降低成本，提高工程施工效率[3]。

圖1 水下打樁系統(tǒng)的流程

采用具備全姿態(tài)360°運(yùn)動(dòng)維度的行業(yè)級(jí)ROV，可滿足海上打樁機(jī)復(fù)雜水域使用，具備3.5節(jié)抗流穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)特性，支持多組外置傳感器的負(fù)載能力，滿足同時(shí)搭配3D成像聲吶、高精度慣導(dǎo)單元以及U-QPS水下定位單元，并且在必要情況下搭載可作業(yè)的5軸/7軸機(jī)械手臂。X2及搭載設(shè)備示意如圖2所示。

圖2 X2及搭載設(shè)備示意圖

1.2 水下打樁測(cè)量的軟件實(shí)現(xiàn)

在水下打樁作業(yè)中，需要使用兩種軟件進(jìn)行輔助控制。一是光纖姿態(tài)儀控制軟件，其能夠?qū)崟r(shí)傳輸數(shù)據(jù)給水下機(jī)器人控制系統(tǒng)，并調(diào)整水下姿態(tài)使其保持穩(wěn)定的水中姿態(tài)。二是POSpac MMS，其是加拿大Applanix公司開發(fā)的控制及數(shù)據(jù)分發(fā)軟件，能夠?qū)OS MV型慣導(dǎo)單元的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給水下機(jī)器人控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)雙重姿態(tài)保持控制。

此外，水下機(jī)器人還搭載高精度水下3D聲納，能夠采集100m內(nèi)前方物體的水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)光纜實(shí)時(shí)傳輸?shù)郊装蹇刂茊卧?。通過美國RESON公司的PDS2000軟件進(jìn)行快速建模分析后，使用自制的打樁傾斜精度計(jì)算軟件對(duì)單樁的傾斜狀況進(jìn)行計(jì)算分析，并指導(dǎo)打樁施工。這些軟件的使用可以有效提高水下打樁作業(yè)的精確度和工作效率。

綜上，水下打樁中需要采用兩種軟件，一個(gè)是光纖姿態(tài)儀數(shù)據(jù)如何實(shí)時(shí)傳輸給水下機(jī)器人控制系統(tǒng)，并調(diào)整水下姿態(tài)使其保持穩(wěn)定的水中姿態(tài)；二是POSpac MMS是加拿大 Applanix公司研制的一套智能化的定位定姿數(shù)據(jù)處理軟件，是加拿大Applanix公司開發(fā)的POS MV型慣導(dǎo)單元（如圖3所示）的控制及數(shù)據(jù)分發(fā)軟件，可以以1～50HZ的數(shù)率把Roll（橫搖）、Pitch（縱搖）、Heading（航向）、Heave（垂蕩）等姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給水下機(jī)器人控制系統(tǒng)。

本試驗(yàn)采用鰭源科技的X2水下機(jī)器人通過本身的姿態(tài)控制系統(tǒng)，以及光纖姿態(tài)儀提供的姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)雙重姿態(tài)保持控制，使水下機(jī)器人能在水中保持較好的穩(wěn)定狀態(tài)。上面搭載的高精度水下3D聲納能夠采集100m內(nèi)前方物體的水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)光纜實(shí)時(shí)傳輸?shù)郊装蹇刂茊卧?，傳輸回來的圓柱形單樁的半圓形（單樁長度一般為鋼制金屬圓筒形，長度100m左右，直徑6～8m左右）點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用美國RESON公司的PDS2000軟件進(jìn)行快速建模分析，最后通過自制的打樁傾斜精度計(jì)算軟件計(jì)算分析單樁的傾斜狀況，并指導(dǎo)打樁施工。

2 水下打樁測(cè)量系統(tǒng)實(shí)例及精度分析

本文所使用的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來自中廣核甲子二海上風(fēng)電項(xiàng)目中的一根風(fēng)機(jī)單樁。該單樁在測(cè)量和驗(yàn)收過程中采用了傳統(tǒng)的施工手段，同時(shí)也運(yùn)用了全水下打樁控制測(cè)量系統(tǒng)對(duì)單樁進(jìn)行了同步測(cè)量，對(duì)單樁的傾斜度和高程進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。單樁的大概位置、形狀以及完工狀態(tài)均可從所提供的圖中得出。這些數(shù)據(jù)將有助于人們深入研究水下打樁技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

2.1 傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量手段測(cè)量結(jié)果

在本試驗(yàn)中采用了傳統(tǒng)的水面以上的光學(xué)測(cè)量控制作為主要的測(cè)量方法，并同步采用了全水下打樁測(cè)量控制系統(tǒng)。這種方法可以作為全水下打樁測(cè)量控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，用以檢測(cè)并確保水下測(cè)量的測(cè)量精度。目前，海上風(fēng)電工程的測(cè)量手段已經(jīng)有了相對(duì)完整的施工測(cè)量規(guī)范要求和儀器檢核標(biāo)準(zhǔn)，精度和可靠性符合規(guī)范要求和業(yè)主的認(rèn)可。通常情況下，海上風(fēng)電施工要求單樁打樁的傾斜度測(cè)量精度為傾斜度3‰，在施工過程中控制在1‰，高程為±5cm[4]。

本案例施工過程中采用了兩臺(tái)1″全站儀在抱樁架上成90°站位的方法，觀測(cè)樁壁垂直段來控制打樁過程的樁身傾斜度。最終，在使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行最終的傾斜度驗(yàn)收后，使用GPS RTK測(cè)量了樁頂高程。這些措施保證了單樁打樁的傾斜度測(cè)量精度和可靠性，同時(shí)也保障了施工效率和工作安全性。

盡管現(xiàn)階段全水下打樁測(cè)量控制系統(tǒng)還在初步應(yīng)用階段，但優(yōu)勢(shì)在于其能夠相對(duì)準(zhǔn)確地獲取動(dòng)態(tài)的水下測(cè)量數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)對(duì)于單樁打樁的測(cè)量和控制具有重要作用。因此，今后隨著技術(shù)的不斷革新和應(yīng)用，全水下打樁測(cè)量控制系統(tǒng)將會(huì)在海上風(fēng)電施工中扮演越來越重要的角色。

2.2 水下打樁測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果

利用水下機(jī)器人搭載各種設(shè)備組成的水下測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)打樁過程的樁身傾斜度和高程進(jìn)行了全程測(cè)量，在每個(gè)停錘調(diào)整間隙都進(jìn)行了測(cè)量取值，并以最終的停錘后的樁身測(cè)量值為最后測(cè)量值。

2.3 原始數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)

先對(duì)原始的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，所用軟件為pospac MMS軟件，是姿態(tài)儀數(shù)據(jù)后處理軟件，軟件功能強(qiáng)大且簡(jiǎn)單易用。該軟件有數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核等功能，根據(jù)數(shù)據(jù)QC質(zhì)量報(bào)告顯示數(shù)據(jù)只有87%能用，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。經(jīng)過對(duì)比分析查看時(shí)間軸，與打樁時(shí)間段相重疊，可以得出結(jié)論，在打樁過程當(dāng)中，振動(dòng)會(huì)對(duì)水下機(jī)器人在水中的姿態(tài)產(chǎn)生較大的晃動(dòng)，影響直接影響了觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

3 提高水下打樁測(cè)量系統(tǒng)精度的方法

為了提高本案例的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，精度根據(jù)以上分析，可以從以下幾個(gè)方面來進(jìn)行改正，以便提高觀測(cè)精度。

3.1 姿態(tài)儀安裝精度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

姿態(tài)儀的數(shù)據(jù)精度較高，但是本案例是以姿態(tài)儀的幾何中心作為獨(dú)立坐標(biāo)軸的中心來建立了一個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系中姿態(tài)儀與3D聲納不重疊，有一定的相對(duì)參考力臂關(guān)系，分別在x、y、z三個(gè)軸上存在力臂參考關(guān)系。該參考關(guān)系需要精準(zhǔn)量取，后采取在室內(nèi)采用強(qiáng)制對(duì)中的測(cè)量設(shè)備對(duì)相對(duì)關(guān)系精確量取并最終輸入到姿態(tài)儀中，輸入后觀測(cè)數(shù)據(jù)得到了較大的質(zhì)量提高。

3.2 姿態(tài)儀初始量的校正

姿態(tài)儀幾何中心與水下機(jī)器人的幾何中心，也存在著一定的參考關(guān)系。該參考關(guān)系并不參與觀測(cè)數(shù)據(jù)的解算，但直接影響機(jī)器人在水中的姿態(tài)穩(wěn)定?？梢岳米藨B(tài)儀后處理軟件中的calibration功能模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的量取，需要在水面上駕駛機(jī)器人，沿八字路線行駛20min后對(duì)所測(cè)量的定位和姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行calibration模塊的數(shù)據(jù)量取和計(jì)算，最終把數(shù)據(jù)輸入到姿態(tài)儀中。輸入后水下機(jī)器人的穩(wěn)定性也得到了的提高。

3.3 水下機(jī)器人在水中晃動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響及處理辦法

水下機(jī)器人作為整個(gè)測(cè)量平臺(tái)的綜合載體，受到水中的多種因素的影響，比如打樁過程中的振動(dòng)、海浪、海流等。這些影響會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人發(fā)生較大幅度的晃動(dòng)，從而直接影響數(shù)據(jù)的觀測(cè)質(zhì)量。為了應(yīng)對(duì)這一問題，可以采用機(jī)器人坐底的方式，直接避免了機(jī)器人晃動(dòng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。但需要注意的是，如果單樁長度過大，3D聲納的仰角就會(huì)相應(yīng)增大，從而也會(huì)影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。針對(duì)這一問題，可以采取觀測(cè)單裝的特征點(diǎn)的方法。一般來說，單樁都會(huì)具備一些明顯的特點(diǎn)，如吊耳、套籠、支腿等。因此，在單樁入水前，需要精準(zhǔn)地量取特征點(diǎn)和樁頂法蘭的相對(duì)關(guān)系。這些措施可以有效地提高數(shù)據(jù)的觀測(cè)質(zhì)量和穩(wěn)定性。

值得一提的是，水下機(jī)器人在海上風(fēng)電工程中具備許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，其可以在水下環(huán)境下自由運(yùn)動(dòng)和操作，能夠快速響應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)的變化和需求；同時(shí)，機(jī)器人還可以高精度、快速地完成測(cè)量和控制任務(wù)，可以較大程度地提高施工效率和工作安全性。由于水下機(jī)器人技術(shù)的不斷完善和應(yīng)用，其將為海上風(fēng)電工程的施工和維護(hù)提供更為可靠和高效的技術(shù)支持。

4 結(jié)語

在海上風(fēng)電的單樁施工過程中，可采用全水下的測(cè)量控制方法。本案例中，不僅采用了傳統(tǒng)的光學(xué)測(cè)量手段對(duì)單樁施工進(jìn)行了全程測(cè)量監(jiān)控，還利用了全水下的測(cè)量手段。通過對(duì)比這兩種方法得出的數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)其接近。在全水下的測(cè)量手段中，水下機(jī)器人受到多種因素的影響，如打樁過程中的震動(dòng)、海浪、海流等，這些因素會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人產(chǎn)生劇烈晃動(dòng)，從而對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生影響。但是，通過上文提到的多種方法，能夠有效地提高觀測(cè)質(zhì)量，甚至可以達(dá)到毫米級(jí)別的精度。

不僅如此，在海上風(fēng)電單樁施工中，全水下的測(cè)量手段還具有其他優(yōu)勢(shì)。如全水下的測(cè)量手段可以高精度、快速地完成測(cè)量和控制任務(wù)，能夠快速響應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)的變化和需求，從而提高施工效率和工作安全性?？傊捎萌碌臏y(cè)量控制方法是海上風(fēng)電單樁施工的有效手段之一，為人們提供了更為可靠和高效的技術(shù)支持。