CN107419698A - 一种用于深水防波堤的可视化坡度控制系统及其应用技术 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于深水防波堤的可视化坡度控制系统及其应用技术，使用安装在理坡机械挖掘机上的固态角度传感器、航向传感器和GPS卫星接收器及机载电台收集数据，通过控制器解算机械物理模型准确定位，并结合预设参数，在控制器的屏幕上实时形成机械模型与设计坡面相对位置的三维模拟图像，操作手对比规范要求对坡面选择削平或填充处理，实现水下坡面的准确成型。本发明有效的解决大型深水斜坡式抛石防波堤水下理坡抛理距离远、水下可视条件差、精度要求高、风浪影响大等问题，保障工程施工的技术和质量满足要求，同时实时成像可以有效指导操作手进行一次性准确操作，大幅的提高工作效率。

Description

一种用于深水防波堤的可视化坡度控制系统及其应用技术

技术领域

本发明涉及防波堤理坡施工技术领域，特别是涉及一种用于深水防波堤的可视化坡度控制系统及其应用技术。

背景技术

在防波堤理坡施工中，水下部分的施工历来是质量控制的难点。该部分施工在人的肉眼观察范围之外，不确定因素较多。传统的水坨/测杆水深测量、单波束声纳水深测量虽然可以为该部分的质量控制提供参考，但测量的精度容易受风浪及水流影响，且这些方法只能在施工前后进行，不能提供实时的图像及测量数据作为指导。在施工精度要求高的情况下使用这些传统方法进行控制，不仅占用时间长，且质量效果也不理想。

加纳特码新集装箱码头工程，位于非洲最大的人造海港加纳特马港西侧。该工程防波堤全长3558米，为斜坡式抛石堤结构，最大水深16m，设计高水位+1.50m，设计低水位+0.20m。防波堤采用1-1000kg块石作为堤心，内侧坡面依次为300-500kg垫层块石及2-5t护面块石；外侧斜坡面依次为300kg-500kg垫层块石、2-5t护面块石和2m³护面块体。防波堤堤心高度+2.5m(900m-3858m里程)，外侧垫层坡顶+4.50m，坡底-7.60m，坡面大部分都位于水面以下，最大理坡长度21.8m，最大理坡深度11.5m，水下理坡深度约8m。

该工程所用护面块体为ACCROPODE II型护面块体，该型护面块体对防波堤理坡精度要求很高，根据技术规格书要求，2m³护面块体下的垫层石理坡整体误差小于18cm，局部误差小于31cm，坡角线偏差小于31cm。对质量的严格要求给该部分施工带来了巨大的挑战。

同时，在水下采用了垫层石和压脚棱体构成V字形的坡面设计，该设计能够为坡面块体提供充分支撑，初始安装定位方便，块体安装效果更好，由于免去了护坦上的两层块体，也更经济。但这样的V字形设计加大了水下施工的难度，使用传统的控制方法难以实现。此外，特码港常年受长周期波影响，近岸波浪大，加上每年5-10月的雨季期间海况恶劣，传统的测量控制技术难以实现要求的水下施工精度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种有效的解决大型深水斜坡式抛石防波堤水下理坡抛理距离远、水下可视条件差、精度要求高、风浪影响大等问题，保障工程施工的技术和质量满足要求，同时实时成像可以有效指导操作手进行一次性准确操作，大幅的提高工作效率、节约测量时间的用于深水防波堤的可视化坡度控制系统及其应用技术。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于深水防波堤的可视化坡度控制系统，包括GPS基准站，固态角度传感器，航向传感器，GPS卫星接收器，机载电台，通信网关，带屏幕的控制器，所述GPS基准站用于向流动站发送自身收集的载波相位观测值及测站坐标信息作为位置修正信号，所述固态角度传感器安装于挖掘机上，用于感知所述挖掘机摇杆、斗杆、动臂及机身的转动角度，所述航向传感器用于感知所述挖掘机机臂相对坐标系的航向角，所述GPS卫星接收器用于接收全球导航卫星系统的卫星信号，所述机载电台与所述GPS基准站通信，用于接收来自所述GPS基准站的位置修正信号，所述通信网关用于负责所述固态角度传感器、所述航向传感器、所述GPS卫星接收器、所述机载电台及所述控制器之间的通信，所述控制器根据预设参数和从所述固态角度传感器、所述航向传感器、所述GPS卫星接收器及所述机载电台获取的数据，解算出所述挖掘机斗齿的三维坐标以及所述挖掘机斗齿当前位置距离设计坡面的偏差值，并在所述屏幕上形成施工的三维模拟图象。

进一步，所述固态角度传感器设有四个，分别安装于所述挖掘机机身、所述挖掘机机臂的摇杆中部、斗杆及动臂根部。

进一步，所述固态角度传感器被可密封的不锈钢盒密封，所述不锈钢盒与所述挖掘机的液压泵相连。

进一步，所述航向传感器设有两个，分别安装在所述挖掘机机尾的左右两侧。

进一步，根据GPS卫星接收器接收的全球导航卫星系统的卫星信号和所述机载电台接收的来自所述GPS基准站的位置修正信号，使用载波相位动态实时差分法解算出厘米级精度的定位坐标。

进一步，所述固态角度传感器、所述航向传感器、所述GPS卫星接收器、所述机载电台、所述通信网关及所述控制器均安装在所述挖掘机上，采用所述挖掘机自身的电力系统供电。

进一步，所述控制器的预设参数包括所述挖掘机型号、预先输入的设计坡面三维图的各参数。

本发明的有益效果：

(1)使用安装在挖掘机上的固态角度传感器和航向传感器持续收集数据，并根据GPS卫星接收器接收的卫星信号数据及机载电台获取的来自GPS基准站的位置修正信号数据，通过控制器解算出挖掘机斗齿的三维坐标以及挖掘机斗齿当前位置距离设计坡面的偏差值，并在控制器的屏幕上实时成像，并附带参数指导，实现水下理坡的可视化，通过挖掘机斗齿接触坡面时的显示，可以了解实际坡面与设计的偏差情况；

(2)可以对挖掘机的工作状态及挖掘机斗齿的坐标进行实时检测，能实时指导操作手对坡面选择削平或填充处理，实现水下坡面的准确成型，保障工程施工的技术和质量满足要求，同时实时成像可以有效指导操作手进行一次性准确操作，大幅的提高工作效率；

(3)挖掘机理坡工程中需要经常撞击坡面块石，挖掘机机臂受到的冲击力很大，本发明采用的固态角度传感器在强大的冲力和振动下依然能保持灵敏准确，且配套的不锈钢盒增强了传感器的耐用性；

(4)本发明的施工不需要放置坡度架和水下测量等环节，避免了一些不安全因素。采用固态角度传感器、GPS卫星接收器及GPS基准站，使用载波相位动态实时差分法，能够将斗齿坐标误差控制在厘米级，确保结果准确可靠；

(5)控制器记录并显示施工过的区域图像，使用不同颜色表示实际坡面与设计的不同偏差值，使用软件可以将实际坡面数据导出作为理坡验收和竣工图绘制的依据。

本发明有效的解决了大型深水斜坡式抛石防波堤水下理坡抛理距离远、水下可视条件差、精度要求高、风浪影响大等问题，不但为解决水下部分理坡施工的精度问题提供了新的思路，提高了挖掘机施工效率，且使传统方法难以实现的设计施工成为可能。

附图说明

图1为本发明用于深水防波堤的可视化坡度控制系统的结构示意图；

图2为本发明用于深水防波堤的可视化坡度控制系统的原理框图；

图3为本发明用于深水防波堤的可视化坡度控制系统应用于大型深水防波堤理坡施工的工艺流程图；

图4为图3中V字形区域理坡时840m防波堤断面图；

图中，1—第一固态角度传感器、2—第二固态角度传感器、3—第三固态角度传感器、4—第四固态角度传感器、5—航向传感器、6—GPS卫星接收器、7—机载电台、8—通信网关、9—电池、10—控制器、11—电缆、12—挖掘机、13—斗齿、14—摇杆、15—斗杆、16—动臂、17—机身。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

如图1，本发明提供一种用于深水防波堤的可视化坡度控制系统(简称Trimble系统)，应用于大型深水防波堤理坡施工中。系统包括GPS基准站，固态角度传感器1、2、3、4，航向传感器5，GPS卫星接收器6，机载电台7，通信网关8，带屏幕的控制器10。除GPS基准站单独架设外，固态角度传感器1、2、3、4、航向传感器5、GPS卫星接收器6、机载电台7、通信网关8及控制器10均安装在挖掘机12上，采用挖掘机12自身的电力系统供电，不需要外接发电机，在本实施例中，挖掘机采用可充电的电池9供电。

GPS基准站用于向流动站发送自身收集的载波相位观测值及测站坐标信息作为位置修正信号，辅助流动站定位。在本实施例中采用Trimble SPS855基站，30km内RTK(使用载波相位动态实时差分法解算出厘米级精度的定位坐标)定位水平精度8mm+0.5ppm RMS，垂直精度15mm+0.5ppm RMS，足以满足本工程的要求。

固态角度传感器1、2、3、4安装于挖掘机上，用于感知所述挖掘机12摇杆14、斗杆15、动臂16及机身17的转动角度。在本实施例中，固态角度传感器1、2、3、4设有四个，其中第一、第二、第三固态角度传感器1、2、3型号均为AS450，第一固态角度传感器1安装在挖掘机12机臂的摇杆14中部，用于感应摇杆14的旋转角度，第二固态角度传感器2安装在挖掘机12的斗杆15上，用于感应斗杆15的旋转角度，第三固态角度传感器3安装在挖掘机12的动臂16根部，用于感应动臂16的旋转角度。第四固态角度传感器4型号为AS460，安装于挖掘机12的机身17上，用于感应机身17的旋转角度。

为避免海水浸泡损坏传感器，使用固定在挖掘机12机臂上的可密闭的不锈钢盒提供保护，不锈钢盒可与挖掘机12的液压泵相连，通过液压保证水密性。挖掘机12理坡工程中需要经常撞击坡面块石，挖掘机12机臂受到的冲击力很大，本发明采用的固态角度传感器1、2、3、4在强大的冲力和振动下依然能保持灵敏准确，且配套的不锈钢盒增强了传感器的耐用性。

航向传感器5用于感知所述挖掘机12机臂相对坐标系的航向角，在本实施例中，航向传感器5设有两个，分别安装在挖掘机12机尾的左右两侧。

GPS卫星接收器6安装在航向传感器5的顶部，用于接收全球导航卫星系统(简称GNSS)的卫星信号。

机载电台7与GPS基准站通信，用于接收来自GPS基准站的位置修正信号。在本实施例中，机载电台7采用SNRX20特高频(UHF)机载电台。Trimble系统根据GPS卫星接收器6接收的GNSS信号及机载电台7接收的来自GPS基准站的位置修正信号，使用载波相位动态实时差分法(简称RTK)解算出厘米级精度的定位坐标。

通信网关8负责固态角度传感器1、2、3、4、航向传感器5、GPS卫星接收器6、机载电台7及控制器10之间的通信，在本实施例中采用SNM940通信网关。

控制器10根据预设参数和从固态角度传感器1、2、3、4、航向传感器5、GPS卫星接收器6及机载电台7获取的数据，解算出所述挖掘机斗齿13的三维坐标以及所述挖掘机斗齿13当前位置距离设计坡面的偏差值等信息，并在屏幕上形成施工的三维模拟图象，附带参数指导，实现水下理坡的可视化，通过挖掘机斗齿13接触坡面时的显示，可以了解实际坡面与设计的偏差情况。控制器10的预设参数包括挖掘机12的型号、预先输入的设计坡面三维图的各参数等。

如图2，Trimble系统工作时，第一、第二、第三、第四固态角度传感器1、2、3、4和航向传感器5感应挖掘机12工作姿态信息，同时GPS卫星接收器6及机载电台7提供厘米级别精度定位坐标信息，将上述两种信息的信号传输给通信网关8和电缆11，信号进行中转，并在各部件之间通信，最后将信号传输给控制器10，控制器10解算处理上述数据，生成并显示三位模拟图像。同时，挖掘机12的电池9和电缆11用于为上述各部件供电。

本发明系统的实时成像，可以对挖掘机12的工作状态及挖掘机斗齿13的坐标进行实时检测，能实时指导操作手对坡面选择削平或填充处理，实现水下坡面的准确成型，保障工程施工的技术和质量满足要求，同时实时成像可以有效指导操作手进行一次性准确操作，大幅的提高工作效率。有效的解决了大型深水斜坡式抛石防波堤水下理坡抛理距离远、水下可视条件差、精度要求高、风浪影响大等问题，不但为解决水下部分理坡施工的精度问题提供了新的思路，且使传统方法难以实现的设计施工成为可能。

如图3，下面介绍使用本发明用于深水防波堤的可视化坡度控制系统在工程中的具体应用，其施工过程包括：

安装及系统测试：Trimble系统安装前需要协调好焊机和高空作业车等辅助设备，安装在Trimble厂家技术人员的指导下进行。安装完毕后，通电检查各组件工作情况，选择挖掘机类型，输入挖掘机12机斗及斗齿13尺寸，使用GPS复核斗齿13坐标，最后在施工坡面测试系统是否运作正常。同时，准备各种石料并报验。

堤心石理坡：理坡前在控制器10中导入设计坡面的三维图，三维图可以由Civil3D或类似软件生成。操作手根据控制器10屏幕显示的设计坡面和斗齿位置，从下到上使用挖掘机12机斗对堤心坡面进行多填少补的修理，直至斗齿13在实际坡面上时，控制器10中显示的斗齿13位置与设计坡面偏差在要求范围内。理坡时要注意对坡角线的检查，确保斗齿13在坡角线外的肩台上不会遇到突出的块石。理坡过程中可以使用控制器切换显示整个坡面的平面图，在已经理过的坡面会有不同的颜色区域标识：红色区域表示实际坡面未开挖到位且超出误差范围；蓝色区域表示实际坡面开挖过度且超出误差范围；淡红色和淡蓝色表示坡面偏差在误差范围内；绿色表示与设计坡面吻合。颜色对应的误差范围和CUT(削平)/FILL(填充)提示会在界面旁显示。理好的坡面各点应与设计点误差在规范要求范围内且互有正负，过于光滑的堤心石坡面不利于上下两层石料间的结合。每一层理坡施工完毕后，需通过验收方可进行下一层施工。

垫层石理坡：300-500kg垫层石需要在已经理好的堤心石坡面上安放成坡。使用挖掘机12机斗挑选合适大小及形状的垫层石，在系统的指引下找到坡脚，从下到上开始安放。在向上安放的过程中，可以通过在控制器10中查看平面及断面图了解大体已经安放的范围，在此指引下通过挖掘机12机斗触碰坡面时的读数可以确认有垫层区域和无垫层区域的分界，将铲斗置于边界上方堤心石坡面上，缓慢展平铲斗，将机斗中石料放置在边界上，可以实现垫层石的准确安放。使用铲斗确认石料安放稳固且满足误差要求，垫层石安放好后需用挖掘机拍实。垫层石理好一个区域后，用挖掘机斗齿刮过该区域作为检查，确保没有空洞存在。

2-5t护面块石V字形区域理坡：V字形区域的形成是本工程防波堤施工最大的难点之一。如前所述，其在设计上具有使用和经济上的优势，顺利实现V字形的成坡，将为未来的防波堤设计提供良好的范例。目前施工的防波堤段为800-1000m里程，如图4所示，是840m防波堤断面图，为形成V字形，当前的施工采用CAT 390F L挖掘机，臂长26m，机械性能适用于当前的里程。

在GCS900系统的指引下用挖掘机机斗探查V字形区域的坡脚线，确认其中是否有孤立块石，若有，在系统指引下取出。然后探查垫层石和压脚棱体在V字形区域的坡面，获得大体的情况。由于垫层石已经理过坡，一般情况下都能与设计基本吻合，挖掘机需要理出的是2-5t棱体的坡面。在进行棱体吊抛时，已经在V字形区域留有余量，坡面一般为需要安放填充的状态。使用挖掘机机斗拍实现有坡面，清除偶有突出的块石。

根据坡面探查的情况及平面、断面图的指示挑选合适大小的棱体石，在系统的指引下放置于棱体坡面上，由下向上成坡。由于挖掘机性能的限制，安放的棱体石宜在级配范围内挑选偏小的使用，以免下放后难以调整，遇到较大的缺口，宜使用多块石料进行填充。安放完毕后拍实，以使其与坡面贴合。施工完成一段后，使用平面图查看施工情况，并用挖掘机机斗扫过坡面做检查。最后安装护面块体。

本发明相对于现有技术，具有以下优势：

(1)传统的防波堤理坡工艺需在水上架设坡度架，水下部分由机手根据经验理出，对机手要求高，理坡精度低。在本工程初期，防波堤理坡使用传统工艺进行，理出的水上坡面能基本满足护面块体安装需要，但水下存在坡度过缓，坡脚线不清晰，护坦上存在孤立块石甚至形成矮坎等情况，超过了整体偏差18cm，局部偏差31cm的要求。

使用物理模拟成像的坡度控制系统后，挖掘机操作手在理坡过程中对坡面偏差有直观的认识，实现了精度可控。

(2)工程初期使用传统测量方法进行控制。由于港外风浪大，单波束声呐水深测量基本无法进行，只能采用挖掘机吊测杆的方式进行坡面检测控制。尽管测杆顶端装有GPS移动站，底端有充足配重，实际测量过程中还是存在测杆歪斜，测点位置难以控制且速度较慢(一个测点耗时一至两分钟)，测点密度低，无法正确反映整个坡面的问题。即使测量中发现了问题，理坡返工时也难以和挖掘机操作手描述需要返工的区域。

使用物理模拟成像的坡度控制系统后，施工过程中就能对坡面进行测量并将结果以图表方式反应在控制器屏幕上，极大节约了测量时间和成本。

(3)由于精度和效率的限制，传统方法实现V字形坡面的时间和成本投入难以接受。

使用物理模拟成像的坡度控制系统能让挖掘机操作手了解水下坡面的形成情况，明确块石的摆放位置，让难以实现的V字形坡面等得以顺利实现。

在大型深水斜坡式抛石防波堤施工中，本发明物理模拟成像的坡面控制系统可以解决水下部分理坡施工经常遇到的水下坡面及机械作业状况难以探明的问题，提高施工的准确性及效率，保证防波堤工程的施工质量，使得常规方法难以实现的水下坡面形式变得经济可行，具有一定的工程意义和经济效益。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种用于深水防波堤的可视化坡度控制系统，其特征在于，包括：GPS基准站，固态角度传感器，航向传感器，GPS卫星接收器，机载电台，通信网关，带屏幕的控制器，所述GPS基准站用于向流动站发送自身收集的载波相位观测值及测站坐标信息作为位置修正信号，所述固态角度传感器安装于挖掘机上，用于感知所述挖掘机摇杆、斗杆、动臂及机身的转动角度，所述航向传感器用于感知所述挖掘机机臂相对坐标系的航向角，所述GPS卫星接收器用于接收全球导航卫星系统的卫星信号，所述机载电台与所述GPS基准站通信，用于接收来自所述GPS基准站的位置修正信号，所述通信网关用于负责所述固态角度传感器、所述航向传感器、所述GPS卫星接收器、所述机载电台及所述控制器之间的通信，所述控制器根据预设参数和从所述固态角度传感器、所述航向传感器、所述GPS卫星接收器及所述机载电台获取的数据，解算出所述挖掘机斗齿的三维坐标以及所述挖掘机斗齿当前位置距离设计坡面的偏差值，并在所述屏幕上形成施工的三维模拟图象。

2.根据权利要求1所述的用于深水防波堤的可视化坡度控制系统,其特征在于：所述固态角度传感器设有四个，分别安装于所述挖掘机机身、所述挖掘机机臂的摇杆中部、斗杆及动臂根部。

3.根据权利要求1所述的用于深水防波堤的可视化坡度控制系统,其特征在于：所述固态角度传感器被可密封的不锈钢盒密封，所述不锈钢盒与所述挖掘机的液压泵相连。

4.根据权利要求1所述的用于深水防波堤的可视化坡度控制系统,其特征在于：所述航向传感器设有两个，分别安装在所述挖掘机机尾的左右两侧。

5.根据权利要求1所述的用于深水防波堤的可视化坡度控制系统,其特征在于：根据GPS卫星接收器接收的全球导航卫星系统的卫星信号和所述机载电台接收的来自所述GPS基准站的位置修正信号，使用载波相位动态实时差分法解算出厘米级精度的定位坐标。

6.根据权利要求1所述的用于深水防波堤的可视化坡度控制系统,其特征在于：所述固态角度传感器、所述航向传感器、所述GPS卫星接收器、所述机载电台、所述通信网关及所述控制器均安装在所述挖掘机上，采用所述挖掘机自身的电力系统供电。

7.根据权利要求1所述的用于深水防波堤的可视化坡度控制系统,其特征在于：所述控制器的预设参数包括所述挖掘机型号、预先输入的设计坡面三维图的各参数。