CN104608876A - 一种数字化船坞的建造方法 - Google Patents

Abstract

一种数字化船坞的建造方法，建立数字化船坞，完美的将中心线、半宽线、肋位线等基准转换为三维数字空间，适用于所有分段的搭载定位；数字化船坞适用于任何船型，避免了传统方式作业中，由于船型不同而引起的重置船坞基准线等问题，在现行的串联式建造工法中，只需对数字化船坞进行基准控制数据的统一平移即可轻松实现定位搭载，且不会损失精度；提高了安全系数，缩短船坞周期，提高了生产效率。

Description

一种数字化船坞的建造方法

技术领域

本发明涉及测绘技术领域，尤其是一种数字化船坞的建造方法。

背景技术

船坞是用于修造船舶及海洋工程装备的水工建筑物。船舶及海洋工程装备在建造过程中，先以分段形式在车间等相关区域进行建造，经检测合格后吊运至船坞进行定位搭载。船坞作为瓶颈资源，其使用周期直接决定了船舶及海洋工程装备的生产周期。船舶搭载定位是造船过程中的重要阶段，提高搭载效率是每个船厂都在不断探索的问题。

目前国内大中型船厂都配备了以全站仪为代表的三维测量工具，将全站仪使用在船坞定位搭载中的传统做法需具备：船坞中心线或半宽基准线、肋位线和船坞高度基准线。测量中心线或者半宽线确定为X轴，Z轴默认垂直，定位时通过Y值来确认宽度方向，Z值确定高度方向。分段前后位置与高低位置需通过相应的肋位线的X值与高度基准线的Z值来确认。该搭载方式要求所有的基准线必须在可视范围内，否则需根据基准线重新划出可视的基准。二次划线时若存在误差，直接影响后续测量工作精度。以散货船单个分段船坞合拢为例，传统方式适合合拢的分段有：底部分段、底边舱分段、艏部分段底部区域、机舱分段底部区域等。不适合合拢的分段有：顶边舱分段、艏部除底部区域外分段、机舱除底部区域外的分段、艏部分段、横舱壁、甲板等。此外，传统做法需要人员大量接触分段作业，大大降低了现场安全系数，且得到的定位搭载数据为二维形式，难以形成对待建船舶及海洋工程装备的三维整体控制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种数字化船坞的建造方法，包括如下步骤：

(1)对点位布设位置和船坞利用周期进行现场踏勘，按照现场条件及造船进度对数字化船坞基准控制点进行设计和布设，沿船坞两侧每隔40～60米选择区域布设一对基准控制点；

(2)进行基准控制点稳定性监测；采用单站改正法进行水平位移监测，采用二等水准测量方法进行沉降观测，对稳定性差的基准控制点进行加固。

在A点架设高精度全站仪，选择外围稳定点P1、P2作为监测基准，每一期变形观测测得P1、P2、1、2、……n共n+2个方向角、天顶距、斜距，各期数据综合计算得到各点位移情况；各点位移量由(1)式计算所得：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔA}=\frac{S_{P1}\×S_{P2}}{S_{P1}+S_{P2}}\·\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_A}{\mathrm{\ρ}}\\ \mathrm{\Δ}1=S_1\·\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_1}{\mathrm{\ρ}}-(1-\frac{S_1}{S_{P1}})\·\mathrm{\ΔA}\\ \mathrm{\Δ}2=S_2\·\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_2}{\mathrm{\ρ}}1-(1-\frac{S_2}{S_{P1}})\·\mathrm{\ΔA}\\ ......\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中Δβ_i＝(末次观测方向值)-(前次观测方向值)，S_i＝各观测点到A点的距离；在船坞外选择稳定点作为沉降监测基准，对基准控制点的垂直沉降量h_i可采用二等水准测量规范进行监测。

(3)基准控制点观测及平差计算；数字化船坞控制网采用自由测站边角交会法施测，控制网观测从一端开始，端点测站在控制网测段外50m，观测两对基准点；此后每一测站增加两对基准点，直至最后一测站，最后两站观测基准点方向数和起始站相同。

基准控制网观测采用高精度全站仪，水平方向采用全圆方向观测法进行测量，盘左顺时针、盘右逆时针依次测量各方向。测站上限差为：方向观测法半测回归零差不大于6秒，一测回内2倍的照准误差即2C较差小于9秒，同一方向值两测回较差不大于6秒。距离和方向同测，半测回、测回间距离较差不大于2毫米。

结合测量数据列出方向误差方程式、边长误差方程式，通过最小范数求解基准点控制网坐标。

方向误差方程式的一般形式为：

v″_ki＝-ζ+a_kiδx_k+b_kiδy_k-a_kiδx_i-b_kiδy_k+l_ki     (2)式中：v″_ki——ki方向观测值改正数；ζ——定向角近似值改正数；δx_k、δy_k、δx_i、δy_i——k、i近似坐标改正数；a、b——方向系数；l_ki常数项。

边长误差方程式的一般形式为：

v_s＝c_kiδx_k+d_kiδy_k-c_kiδx_i-d_kiδy_k+l_s          (3)

式中：v_s——边长观测值改正数；c、d——边长系数；l_s——常数项。

当k为待定点，i为已知点，有δx_i＝δy_i＝0，则方向误差方程式和边长误差方程式可写成：

v″_ki＝-ζ+a_kiδx_k+b_kiδy_k+l_ki            (4)

v_s＝c_kiδx_k+d_kiδy_k+l_s                 (5)

则有误差方程

V＝Bt-l                   (6)

单位权中误差为： ${\mathrm{\σ}}_o=\±\sqrt{\frac{V^T\mathrm{PV}}{(N_r+N_s-N_X-N_J)}}$

式中：N_r——方向观测数；N_s——方向观测数；N_X——未知数个数；N_J——测站数。

计算每个待定点坐标的点位误差，构造误差椭圆。计算误差椭圆元素：椭圆长、短半轴的方位(E、F、)，公式如下：

式中： $K=\sqrt{{(Q_X-Q_Y)}^2+4Q_{\mathrm{XY}}}$

点位误差为：

${\mathrm{\σ}}_P=\sqrt{E^2+F^2}---\left(8\right)$

(4)基于数字化船坞的分段实时定位搭载方法；罗列误差方式V＝Bt-l，安装最小范数原理进行平差计算各基准控制点三维空间坐标数据，并对各点进行精度评定，得到统一的数字化船坞三维数据基准。

基于数字化船坞采用自由设站交会原理进行分段定位搭载，通过测量A、B两已知点，自动计算设站点P左边，建立测量基准；A、B为已知点，P为设站点。通过测量距离S1，S2，并测定夹角γ，列出误差方程式

V＝BX-L                 (9)

其表达形式为

$\begin{array}{ccc}B=\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\ρ}\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{PA}}^0}{S_{\mathrm{PA}}^0}& -\frac{\mathrm{\ρ}\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{PA}}^0}{S_{\mathrm{PA}}^0}\\ \frac{\mathrm{\ρ}\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{PB}}^0}{S_{\mathrm{PB}}^0}& -\frac{\mathrm{\ρ}\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{PB}}^0}{S_{\mathrm{PB}}^0}\\ -\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{PA}}^0& -\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{PA}}^0\\ -\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{PB}}^0& -\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{PB}}^0\end{array}\right]& X=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_x\\ {\mathrm{\δ}}_y\end{array}\right]& L=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_1^0\\ {\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_2^0\\ S_1-S_1^0\\ S_2-S_2^0\end{array}\right]\end{array}$

针对方向与距离两类测量值，定义方向观测值的中误差为m₀，定权为1，则边长观测值定权为

由目标函数V^TPV＝min列出法方程，解算得

X＝(B^TPB)^-1B^TPL              (10)

(5)采用自由设站原理进行数字化船坞内地分段定位搭载作业，所选两个基准控制点应尽量覆盖分段定位搭载区域，且交会角应控制在40°～150°之间，在自由设站完成后分段测量前，需对其它某一已知点位进行测量确认，以提高定位搭载的可靠性。

本发明的有益效果为：建立数字化船坞，完美的将中心线、半宽线、肋位线等基准转换为三维数字空间，适用于所有分段的搭载定位；数字化船坞适用于任何船型，避免了传统方式作业中，由于船型不同而引起的重置船坞基准线等问题，在现行的串联式建造工法中，只需对数字化船坞进行基准控制数据的统一平移即可轻松实现定位搭载，且不会损失精度；提高了安全系数，缩短船坞周期，提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明的数字化船坞建设流程图。

图2是本发明的基准控制点水平位移监测示意图。

图3是本发明的船坞基准观测示意图。

图4是本发明的自由设站交会示意图。

图5是本发明的数字化船坞定位搭载示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种数字化船坞的建造方法，包括如下步骤：

(1)对点位布设位置和船坞利用周期进行现场踏勘，按照现场条件及造船进度对数字化船坞基准控制点进行设计和布设，沿船坞两侧每隔40～60米选择区域布设一对基准控制点；

(2)如图2所示，进行基准控制点稳定性监测；在A点架设高精度全站仪，选择外围稳定点P1、P2作为监测基准，每一期变形观测测得P1、P2、1、2、……n共n+2个方向角、天顶距、斜距，各期数据综合计算得到各点位移情况；各点位移量由(1)式计算所得：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔA}=\frac{S_{P1}\×S_{P2}}{S_{P1}+S_{P2}}\·\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_A}{\mathrm{\ρ}}\\ \mathrm{\Δ}1=S_1\·\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_1}{\mathrm{\ρ}}-(1-\frac{S_1}{S_{P1}})\·\mathrm{\ΔA}\\ \mathrm{\Δ}2=S_2\·\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_2}{\mathrm{\ρ}}1-(1-\frac{S_2}{S_{P1}})\·\mathrm{\ΔA}\\ ......\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中Δβ_i＝(末次观测方向值)-(前次观测方向值)，S_i＝各观测点到A点的距离；在船坞外选择稳定点作为沉降监测基准，对基准控制点的垂直沉降量h_i可采用二等水准测量规范进行监测。

(3)如图3所示，基准控制点观测及平差计算；数字化船坞控制网采用自由测站边角交会法施测，控制网观测从一端开始，端点测站在控制网测段外50m，观测两对基准点；此后每一测站增加两对基准点，直至最后一测站，最后两站观测基准点方向数和起始站相同。

基准控制网观测采用高精度全站仪，水平方向采用全圆方向观测法进行测量，盘左顺时针、盘右逆时针依次测量各方向。测站上限差为：方向观测法半测回归零差不大于6秒，一测回内2倍的照准误差即2C较差小于9秒，同一方向值两测回较差不大于6秒。距离和方向同测，半测回、测回间距离较差不大于2毫米。

观测时应注意：基准点点位要正确，视线不要贴近分段，以减弱视线折光影响；基准点不能有任何遮挡，观测期间视场空气介质要均匀，测量点面与观测视线尽量保证垂直；在测量中应测定温度、气压，气温读数至1度，气压读数至1hPa，并输入全站仪进行测距气象改正。同一测站观测过程中应保持大气条件稳定，避免施工干扰，必要时应停止对测量有干扰的施工。

结合测量数据列出方向误差方程式、边长误差方程式，通过最小范数求解基准点控制网坐标。

方向误差方程式的一般形式为：

v″_ki＝-ζ+a_kiδx_k+b_kiδy_k-a_kiδx_i-b_kiδy_k+l_ki     (2)

式中：v″_ki——ki方向观测值改正数；ζ——定向角近似值改正数；δx_k、δy_k、δx_i、δy_i——k、i近似坐标改正数；a、b——方向系数；l_ki常数项。

边长误差方程式的一般形式为：

v_s＝c_kiδx_k+d_kiδy_k-c_kiδx_i-d_kiδy_k+l_s           (3)

式中：v_s——边长观测值改正数；c、d——边长系数；l_s——常数项。

当k为待定点，i为已知点，有δx_i＝δy_i＝0，则方向误差方程式和边长误差方程式可写成：

v″_ki＝-ζ+a_kiδx_k+b_kiδy_k+l_ki            (4)

v_s＝c_kiδx_k+d_kiδy_k+l_s               (5)

则有误差方程

V＝Bt-l                     (6)

单位权中误差为： ${\mathrm{\σ}}_o=\±\sqrt{\frac{V^T\mathrm{PV}}{(N_r+N_s-N_X-N_J)}}$

式中：N_r——方向观测数；N_s——方向观测数；N_X——未知数个数；N_J——测站数。

计算每个待定点坐标的点位误差，构造误差椭圆。计算误差椭圆元素：椭圆长、短半轴的方位(E、F、)，公式如下：

式中： $K=\sqrt{{(Q_X-Q_Y)}^2+4Q_{\mathrm{XY}}}$

点位误差为：

${\mathrm{\σ}}_P=\sqrt{E^2+F^2}---\left(8\right)$

(4)如图4所示，基于数字化船坞的分段实时定位搭载方法；基于数字化船坞采用自由设站交会原理进行分段定位搭载，通过测量A、B两已知点，自动计算设站点P左边，建立测量基准；A、B为已知点，P为设站点。通过测量距离S1，S2，并测定夹角γ，列出误差方程式

V＝BX-L                 (9)

其表达形式为

$\begin{array}{ccc}B=\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\ρ}\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{PA}}^0}{S_{\mathrm{PA}}^0}& -\frac{\mathrm{\ρ}\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{PA}}^0}{S_{\mathrm{PA}}^0}\\ \frac{\mathrm{\ρ}\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{PB}}^0}{S_{\mathrm{PB}}^0}& -\frac{\mathrm{\ρ}\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{PB}}^0}{S_{\mathrm{PB}}^0}\\ -\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{PA}}^0& -\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{PA}}^0\\ -\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{PB}}^0& -\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{PB}}^0\end{array}\right]& X=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_x\\ {\mathrm{\δ}}_y\end{array}\right]& L=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_1^0\\ {\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_2^0\\ S_1-S_1^0\\ S_2-S_2^0\end{array}\right]\end{array}$

针对方向与距离两类测量值，定义方向观测值的中误差为m₀，定权为1，则边长观测值定权为

由目标函数V^TPV＝min列出法方程，解算得

X＝(B^TPB)^-1B^TPL             (10)

(5)采用自由设站原理进行数字化船坞内地分段定位搭载作业，所选两个基准控制点应尽量覆盖分段定位搭载区域，且交会角应控制在40°～150°之间，在自由设站完成后分段测量前，需对其它某一已知点位进行测量确认，以提高定位搭载的可靠性。

如图5所示，为本发明的数字化船坞的定位搭载示意图。

本发明的有益效果有：

(1)传统作业中分段依靠船坞设置的中心线、半宽线、肋位线进行定位搭载，以散货船单个分段船坞合拢为例，适合合拢的分段有：底部分段、底边舱分段、艏部分段底部区域、机舱分段底部区域等。不适合合拢的分段有：顶边舱分段、艏部除底部区域外分段、机舱除底部区域外的分段、艉部分段、横舱壁、甲板等。建立数字化船坞，完美的将中心线、半宽线、肋位线等基准转换为三维数字空间，由于基准点设置在船坞周边，定位搭载时至少有两个基准点处于可视位置，适用于所有分段的搭载定位。

(2)传统船坞使用工程中，针对不同船型的定位搭载，需要不断变换参照中心线、半宽线、肋位线等基准，尤其在现行的串联式建造工法中这类工作更是繁琐，且变换精度低。数字化船坞适用于任何船型，避免了传统方式作业中，由于船型不同而引起的重置船坞基准线等问题。在现行的串联式建造工法中，只需对数字化船坞进行基准控制数据的统一平移即可轻松实现定位搭载，且精度不存在损失现象。

(3)基于数字化船坞的分段定位搭载作业，避免了传统参照中心线、半宽线、肋位线等基准进行分段定位搭载时存在的大量吊装分段下工作，大大提高了安全系数；此外，分段定位搭载数据及分段定位搭载成果均已三维空间坐标形式显示和保存，利用作业人员实时、直观的查看、判断、指挥吊机运行，从而大大缩短船坞周期，提高了生产效率。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (3)

1.一种数字化船坞的建造方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对点位布设位置和船坞利用周期进行现场踏勘，按照现场条件及造船进度对数字化船坞基准控制点进行设计和布设，沿船坞两侧每隔40～60米选择区域布设一对基准控制点；

(2)进行基准控制点稳定性监测；采用单站改正法进行水平位移监测，采用二等水准测量方法进行沉降观测，对稳定性差的基准控制点进行加固；

(3)基准控制点观测及平差计算；数字化船坞控制网采用自由测站边角交会法施测，控制网观测从一端开始，端点测站在控制网测段外50m，观测两对基准点；此后每一测站增加两对基准点，直至最后一测站，最后两站观测基准点方向数和起始站相同；结合测量数据列出方向误差方程式、边长误差方程式，通过最小范数求解基准点控制网坐标；方向误差方程式的一般形式为：

v″_ki＝-ζ+a_kiδx_k+b_kiδy_k-a_kiδx_i-b_kiδy_k+l_ki     (2) 

式中：v″_ki——ki方向观测值改正数；ζ——定向角近似值改正数；δx_k、δy_k、

δx_i、δy_i——k、i近似坐标改正数；a、b——方向系数；l_ki常数项；

边长误差方程式的一般形式为：

v_s＝c_kiδx_k+d_kiδy_k-c_kiδx_i-d_kiδy_k+l_s     (3)

式中：v_s——边长观测值改正数；c、d——边长系数；l_s——常数项；

(4)基于数字化船坞的分段实时定位搭载方法；罗列误差方式V＝Bt-l，安装最小范数原理进行平差计算各基准控制点三维空间坐标数据，并对各点进行精度评定，得到统一的数字化船坞三维数据基准；

(5)采用自由设站原理进行数字化船坞内的分段定位搭载作业，所选两个基准控制点应尽量覆盖分段定位搭载区域，且交会角控制在40°～150°之间，在自由设站完成后分段测量前，需对其它某一已知点位进行测量确认，以提高定位搭载的可靠性。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进行基准控制点稳定性监测的过程为，在A点架设高精度全站仪，选择外围稳定点P1、P2作为监测基准，每一期变形观测测得P1、P2、1、2、……n共n+2个方向角、天顶距、斜距， 各期数据综合计算得到各点位移情况；各点位移量由(1)式计算所得：

式中Δβ_i＝(末次观测方向值)-(前次观测方向值)，S_i＝各观测点到A点的距离。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于数字化船坞的分段实时定位搭载方法的过程为，基于数字化船坞采用自由设站交会原理进行分段定位搭载，通过测量A、B两已知点，自动计算设站点P左边，建立测量基准；A、B为已知点，P为设站点；通过测量距离S1，S2，并测定夹角γ，列出误差方程式

V＝BX-L     (9) 

其表达形式为

针对方向与距离两类测量值，定义方向观测值的中误差为m₀，定权为1，则边长观测值定权为

由目标函数V^TPV＝min列出法方程，解算得

X＝(B^TPB)^-1B^TPL     (10) 。