CN112000069A - 外海沉管浮运安装集成测控系统及其测控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种外海沉管浮运安装集成测控系统及其测控方法，属于沉管测控领域。该测控系统主要包括：沉管测控模块、坐标转换模块、显示平台和软硬件设备。其中，沉管测控模块包括出坞测控单元、浮运测控单元、系泊测控单元和安装测控单元。该测控系统是基于沉管隧道的施工工艺，研发与之对应的测控系统，能在不同的施工阶段切换至对应的测控单元，实现流程的无缝对接，为各个工艺提供准确定位和精度保障。本发明提供的测控系统及测控方法在沉管测控领域具有十分广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于沉管测控领域，尤其涉及一种外海沉管浮运安装集成测控系 统及其测控方法。
背景技术
国内外传统沉管安装水下定位测量方法主要包括绝对定位法和相对定位 法，其中绝对定位法包括全站仪法、GPS-RTK法，相对定位法包括声呐法和 机械拉线法。但是，随着科技进步、现代化进程的加快，大型沉管隧道安装 逐渐向外海、深水方向发展，以及施工工艺的逐步优化，对于沉管安装水下 定位的精度要求越来越高，而传统的沉管安装水下定位基本测量方法难以满 足上述要求。
因此，如何开发出一种更加贴合沉管施工工艺的、精度更高的沉管浮运 安装测控系统对本领域而言是十分重要的。
发明内容
本发明针对上述传统沉管安装水下定位测量方法的精度较低的技术问 题，提出一种更加贴合沉管施工工艺的、精度更高的外海沉管浮运安装集成 测控系统及其测控方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
外海沉管浮运安装集成测控系统，所述测控系统包括：
沉管测控模块，用于获取沉管在不同施工状态下的实时数据，所述实时 数据包括初步定位数据、沉管姿态数据以及海洋数据；
坐标转换模块，用于处理所述初步定位数据和沉管姿态数据，通过坐标 系转换，得到所述沉管实际坐标；
显示平台，用于实时显示所述沉管在不同施工状态下的沉管实际坐标、 沉管姿态数据以及海洋数据；
软硬件设备，包括沉管定位装置、通讯装置、倾斜传感器和海洋信息获 取单元；
其中，所述沉管测控模块包括出坞测控单元、浮运测控单元、系泊测控 单元和安装测控单元。
作为优选，所述测控系统还包括数据分析与输出模块、用户终端模块和 数据存储模块。
作为优选，所述测控系统还包括用于将所述沉管实际坐标与沉管预期坐 标比对，计算所述沉管偏离位置的沉管偏航分析模块。
作为优选，所述数据分析与输出模块包括设备数据监控单元、安全警示 单元、沉管航速与航向统计单元。
作为优选，所述用户终端模块为计算机终端。
作为优选，所述沉管定位装置为GPS定位装置和北斗接收机，所述倾斜 传感器为双轴倾斜传感器。
一种外海沉管浮运安装集成测控系统的测控方法，所述测控方法包括如 下步骤：
将定位装置安装在沉管测量塔和一体船上，将倾斜传感器安装在沉管上， 然后利用海洋信息获取单元采集国家海洋预报中心海洋数据；
现场测量并接收所述定位装置测定的初步定位数据、倾斜传感器测定的 沉管姿态数据以及海洋信息获取单元采集的海洋数据；
将所述初步定位数据和沉管姿态数据，通过坐标系转换处理，得到多个 施工状态下的沉管实际坐标。
作为优选，所述测控方法还包括沉管偏航分析步骤，具体为：通过将所 述沉管实际坐标与沉管预期坐标比对，计算所述沉管偏离位置。
作为优选，所述坐标系转换处理具体包括如下步骤：
利用所述定位装置测得定位天线特征点在卫星轨道坐标系下的坐标，即 所述初步定位数据；
将所述卫星轨道坐标系转换至施工坐标系，得到定位天线特征点在施工 坐标系下的坐标；
将所述定位天线特征点在施工坐标系下的坐标与沉管姿态数据结合后， 经由管节坐标系，将其传递至沉管特征点，得到沉管特征点的实际施工坐标， 即为沉管实际坐标。
作为优选，所述定位装置包括GPS定位装置和北斗接收机，所述多个施 工状态包括：沉管出坞、沉管浮运、沉管系泊和沉管安装。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明提供了一种外海沉管浮运安装集成测控系统及其测控方法，该测 控系统根据沉管隧道的施工工艺，研发与之对应的测控系统。其中，该集成 的测控系统主要包括：出坞测控模块、浮运测控模块、系泊测控模块及安装 测控模块于一体，在不同的施工阶段设置与之对应的测控模块，实现流程的 无缝衔接，为各个工艺提供定位和精度保障。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的外海沉管浮运安装集成测控系统的界面示 意图；
图2为本发明实施例所提供的测控系统定位设备布置图；
图3为本发明实施例所提供的船管端面特征点分布示意图；
图4为本发明实施例所提供的测控系统运行状态示意图。
具体实施方式
下面将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做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。
本发明实施例提供了一种外海沉管浮运安装集成测控系统，所述测控系 统包括：
沉管测控模块，用于获取沉管在不同施工状态下的实时数据，所述实时 数据包括初步定位数据、沉管姿态数据以及海洋数据；
坐标转换模块，用于处理所述初步定位数据和沉管姿态数据，通过坐标 系转换，得到所述沉管实际坐标；
显示平台，用于实时显示所述沉管在不同施工状态下的沉管实际坐标、 沉管姿态数据以及海洋数据；
软硬件设备，包括沉管定位装置、通讯装置、倾斜传感器和海洋信息获 取单元；
其中，所述沉管测控模块包括出坞测控单元、浮运测控单元、系泊测控 单元和安装测控单元。
在上述集成测控系统是基于沉管隧道的施工工艺，研发与之对应的测控 系统，上述沉管测控模块包括出坞测控单元、浮运测控单元、系泊测控单元 和安装测控单元，上述4个测控单元相当于整个集成测控体系的子系统，能 在不同的施工阶段切换至对应的测控单元，实现流程的无缝对接，为各个工 艺提供准确定位和精度保障。此外，还需要从数据与网络、工作模式、软件 架构与风格、系统视图等方面对上述测控系统进行详细说明，具体内容如下：
(1)数据与网络：在上述测控系统中，GPS定位装置和北斗接收机用于 测定沉管的定位数据，双轴倾斜传感器用于测定沉管姿态数据，洋信息获取 单元用于从国家海洋预报中心采集海洋数据。在这些数据中，参与计算的数 据有：沉管初步定位数据和沉管姿态数据，不参与计算的数据有海洋信数据 (如测风与测流数据等)。所有的数据均有时间戳和里程戳，可以记录为档 案文件数据，可用于回放及事后分析，测控系统的通讯通过有线和无线两种 方式。
(2)工作模式：该测控系统的工作模式主要分为三种：监视模式、主控 模式和回放模式。其中，监视模式主要适用于指挥和施工人员，在显示平台 上最大化显示沉管浮运时的管节位置、速度、方向、运行轨迹，显示沉管安 装时的管节位置、姿态、船管相对位置关系及管节绝对位置偏差等信息；主 控模式主要是系统管理人员使用，除具备“监视模式”全部功能外，还可完 整监视系统中各类数据、设备状态，并可根据具体状况设置和控制相应设备 选用优先级，并能显示当前系统健康状态和各类预警信息，可控制监视模式 的显示内容；回放模式用于对实际施工中记录的数据的仿真回放，根据数据 的时间戳和里程戳选择数据时段，回放模式的界面为与主控模式或监视模式 相同，并可以在回放中重新选择设备的优先级。
(3)软件架构与风格：该测控系统采用CS架构，即服务器(Server)+客 户端(Client)的模式，采用网络数据库保存数据库文件，数据库可存储在网络 内任意指定的PC机上，或专门设置的独立运行的PC机上。客户端用户共享 数据库，客户端通过IP地址连接，数据中心数据库上分享数据。为减少数据 中心运行速度压力，测控系统中不同模式下运行的软件对数据库的提取内容 有所区别。
数据存入数据库时均带有时间戳和里程戳，各类设备数据和由主控模式 运行的软件发出的操控指令的存档数据也存储在数据库中，可更好地保证在 回放过程中真实还原施工过程的实际状况。
(4)系统视图：测控系统中的视图均有二维和三维方式。二维视图作为 施工指挥的主要参考依据，具有丰富的信息，对沉管位置、方向、姿态、运 动轨迹等信息的精确性要求也较高。受到三维视觉上的影响，沉管位置、方 向、姿态、运动等信息不能从三维视图中进行精确判断，因此，三维视图仅 作为施工指挥的辅助参考。
在一优选实施例中，所述测控系统还包括数据分析与输出模块、用户终 端模块和数据存储模块。
在一优选实施例中，所述测控系统还包括用于将所述沉管实际坐标与沉 管预期坐标比对，计算所述沉管偏离位置的沉管偏航分析模块。
在一优选实施例中，所述数据分析与输出模块包括设备数据监控单元、 安全警示单元、沉管航速与航向统计单元。
在一优选实施例中，所述用户终端模块为计算机终端。
在一优选实施例中，所述沉管定位装置为GPS定位装置和北斗接收机， 所述倾斜传感器为双轴倾斜传感器。
本发明又提供了一种外海沉管浮运安装集成测控系统的测控方法，所述 测控方法包括如下步骤：
将定位装置安装在沉管测量塔和一体船上，将倾斜传感器安装在沉管上， 然后利用海洋信息获取单元采集国家海洋预报中心海洋数据；
现场测量并接收所述定位装置测定的初步定位数据、倾斜传感器测定的 沉管姿态数据以及海洋信息获取单元采集的海洋数据；
将所述初步定位数据和沉管姿态数据，通过坐标系转换处理，得到多个 施工状态下的沉管实际坐标。
在一优选实施例中，所述测控方法还包括沉管偏航分析步骤，具体为： 通过将所述沉管实际坐标与沉管预期坐标比对，计算所述沉管偏离位置。
在一优选实施例中，所述坐标系转换处理具体包括如下步骤：
利用所述定位装置测得定位天线特征点在卫星轨道坐标系下的坐标，即 所述初步定位数据；
将所述卫星轨道坐标系转换至施工坐标系，得到定位天线特征点在施工 坐标系下的坐标；
将所述定位天线特征点在施工坐标系下的坐标与沉管姿态数据结合后， 经由管节坐标系，将其传递至沉管特征点，得到沉管特征点的实际施工坐标， 即为沉管实际坐标。
在上述优选实施例中，坐标系转换处理包括了卫星轨道坐标系与施工坐 标系之间的转换，和管节坐标系与施工坐标系之间的转换。其中，卫星轨道 坐标系与施工坐标系统之间采是空间直角坐标系之间的转换，转换方法一般 采用布尔沙模型，即假设两个坐标系之间的旋转角是微小角，转换参数有7 个，也称七参数转换。转换常数在施工控制网建立时已经测定。
管节坐标系与施工坐标系之间的转换平面坐标系统四参数转换加高程， 由于沉管处于运动状态，因此管节坐标系与施工坐标系之间的转换关系需要 实时测定。采用实时计算的转换参数，将沉管特征点转换到施工坐标系，实 现沉管的定位计算。
在一优选实施例中，所述定位装置包括GPS定位装置和北斗接收机，所 述多个施工状态包括：沉管出坞、沉管浮运、沉管系泊和沉管安装。
为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的外海沉管浮运安装集成测 控系统及其测控方法，下面将结合具体实施例进行描述。
实施例1——外海沉管浮运安装集成测控系统的测控方法
外海沉管浮运安装集成测控系统的测控方法，具体步骤如下：
(1)将GPS定位装置和北斗接收机安装在沉管测量塔和一体船上，将 双轴倾斜传感器安装在沉管上，然后利用海洋信息获取单元采集国家海洋预 报中心海洋数据；
(2)现场测量并接收GPS定位装置和北斗接收机测定的初步定位数据、 倾斜传感器测定的沉管姿态数据以及海洋信息获取单元采集的海洋数据；
(3)将初步定位数据和沉管姿态数据，通过坐标系转换处理，得到沉管 出坞、沉管浮运、沉管系泊和沉管安装状态下的沉管实际坐标，其中，坐标 转换处理具体包括：
利用所述定位装置测得定位天线特征点在卫星轨道坐标系下的坐标，即 所述初步定位数据；
将所述卫星轨道坐标系转换至施工坐标系，得到定位天线特征点在施工 坐标系下的坐标；
将所述定位天线特征点在施工坐标系下的坐标与沉管姿态数据结合后， 经由管节坐标系，将其传递至管节坐标系，得到沉管特征点的实际施工坐标， 即为沉管实际坐标。
实施例2——利用外海沉管浮运安装集成测控系统进行精度测试
(1)安装定位设备：
在沉管管节顶面测量塔位置，首尾各安装2台GPS定位装置，安装3台 双轴倾斜传感器，上述设备数据接入测控系统，作为测控系统的定位设备， 设备布置图详见图2；
(2)选取特征点：
在船管的E1钢壳端面选取10对特征点，S代表首端(定义GINA端为 首端)，W代表尾端(定义非GINA端为尾端)。端面特征点点位分布示意 图详见图3；
(3)利用测量塔上的定位设备和全站仪测量沉管坐标：
将上述参数录入测控系统后，开启系统，比对系统中显示测量塔特征点 坐标与全站仪实测坐标差值(以全站仪的测量结果来验证本发明提供的测量 系统的测量精度)，比对结果见表1；
表1系统测量塔定位设备与全站仪实测坐标差值
从上表数据可知：与全站仪法相比，利用本发明提供的测控系统测量塔 数据质量可靠，可用于数据解算。
(4)在测控系统中输入设备安装参数和坐标转换参数。并运行系统，实 时接收各设备数据，计算沉管8个角点和比对点的坐标，系统比对见图4；
(5)使用测控系统实时解算沉管管节顶面4个角特征点，并记录30min 数据，与全站仪测量深中坐标成果比对，比对差值结果见表2；
表2系统测量塔定位设备与全站仪实测坐标差值
从上表数据可知：与全站仪法相比，利用本发明提供的测控系统测量塔 数据质量可靠，可用于数据解算。
对比例1——RTK-GPS法
当管节离岸较远时，测量距离较远，全站仪无法瞄准测量目标，测量精 度急速下降，为解决这个问题，采用测量距离远、精度高的GPS代替全站仪 进行管节沉放实时定位测量，从而产生了RTK-GPS法。RTK-GPS测量方法具 有作业效率高、数据定位、无误差积累，以及受气候、能见度、光学通视等 的限制条件小等优点，其应用前景广阔，韩国釜山隧道的近岸段管节定位测 量就采用了该种方法。
对比例2——声呐法
·测量原理：
全站仪法和RTK-GPS法定位测量技术均通过坐标转换实现，为间接测量 技术。在深水环境下为了减小测量塔变形对定位测量的影响，需要一种直接 测量水下管节特征点坐标的定位测量方法，声呐法应运而生。声呐就是利用 水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最 广泛、最重要的一种装置。
·测量方法：
声呐法是一种相对定位测量方法，其测量的是待沉管节与已沉管节的相 对位置，测量精度受已沉管节的位置精度影响。由于声波换能器分别安装在 已沉管节尾部和待沉管节首部，超声波法只能精确测量管节对接端的位置， 管尾的三维坐标根据对接端测量结果由数学换算求得，但是当管节长度较大 时，换算具有较大的误差，因此该方法不能对长大管节的尾部进行定位。
对比例3——机械拉线法
·测量原理：
由于海水声速与水温、静水压力以及海水盐度等的影响，精确测定海水 声速难度较大，从而直接影响了声呐法定位测量的结果。为了精确测定管节 之间的距离，采用距离传感器代替声纳换能器，用机械法直接测量测点之间 的距离，从而形成了机械法定位测量技术。
·测量方法：
机械法定位测量系统由距离传感器、感应板、拉线单元及各种配件组成。 管节沉放前，待沉管节对接而安装1个拉线单元和4个距离传感器，在待沉 管节对接而安装拉环和距离感应板。管节沉放初期，根据拉线单元测量管节 之间的相对斜距和方位角的三角函数关系，计算待沉管节与已沉管节之间的 相对位置关系。
上述对比例1-3所涉及的现有测控系统存在不同的缺陷，具体内容如下 表(表3)：
表3现有(对比例1-3)测控系统基本情况汇总
所示随着施工技术的进步，沉管隧道逐渐向大规模、外海、深水方向发 展，如对比例1-3所示的单一的测控模式很难满足施工要求。因此，通过研究 各种方法的优缺点和适用条件，将各种基础的定位测量方法进行组合和集成， 形成综合性定位测量系统，为每一项施工测控定位。
本次发明是针对沉管浮运安装研发了一套全工艺流程的测控系统，为了 更好配合沉管浮运安装施工，按照施工工艺细化了各种测控模式，系统集成 了施工工艺中多个子系统：进、出坞测控模式，浮运返航测控模式、系泊测 控模式及安装测控模式，能够更好的服务于施工。由此可见，本发明提供的 测控系统及测控方法在沉管隧道测控领域具有十分广阔的应用前景。
Claims (10)
1.外海沉管浮运安装集成测控系统，其特征在于，所述测控系统包括：
沉管测控模块，用于获取沉管在不同施工状态下的实时数据，所述实时数据包括初步定位数据、沉管姿态数据以及海洋数据；
坐标转换模块，用于处理所述初步定位数据和沉管姿态数据，通过坐标系转换，得到所述沉管实际坐标；
显示平台，用于实时显示所述沉管在不同施工状态下的沉管实际坐标、沉管姿态数据以及海洋数据；
软硬件设备，包括沉管定位装置、通讯装置、倾斜传感器和海洋信息获取单元；
其中，所述沉管测控模块包括出坞测控单元、浮运测控单元、系泊测控单元和安装测控单元。
2.根据权利要求1所述的测控系统，其特征在于，所述测控系统还包括数据分析与输出模块、用户终端模块和数据存储模块。
3.根据权利要求1所述的测控系统，其特征在于，所述测控系统还包括用于将所述沉管实际坐标与沉管预期坐标比对，计算所述沉管偏离位置的沉管偏航分析模块。
4.根据权利要求2所述的测控系统，其特征在于，所述数据分析与输出模块包括设备数据监控单元、安全警示单元、沉管航速与航向统计单元。
5.根据权利要求2所述的测控系统，其特征在于，所述用户终端模块为计算机终端。
6.根据权利要求1所述的测控系统，其特征在于，所述沉管定位装置为GPS定位装置和北斗接收机，所述倾斜传感器为双轴倾斜传感器。
7.一种如权利要求1-6中任意一项所述测控系统的测控方法，其特征在于，所述测控方法包括如下步骤：
将定位装置安装在沉管测量塔和一体船上，将倾斜传感器安装在沉管上，然后利用海洋信息获取单元采集国家海洋预报中心海洋数据；
现场测量并接收所述定位装置测定的初步定位数据、倾斜传感器测定的沉管姿态数据以及海洋信息获取单元采集的海洋数据；
将所述初步定位数据和沉管姿态数据，通过坐标系转换处理，得到多个施工状态下的沉管实际坐标。
8.根据权利要求7所述的测控方法，其特征在于，所述测控方法还包括沉管偏航分析步骤，具体为：通过将所述沉管实际坐标与沉管预期坐标比对，计算所述沉管偏离位置。
9.根据权利要求7所述的测控方法，其特征在于，所述坐标系转换处理具体包括如下步骤：
利用所述定位装置测得定位天线特征点在卫星轨道坐标系下的坐标，即所述初步定位数据；
将所述卫星轨道坐标系转换至施工坐标系，得到定位天线特征点在施工坐标系下的坐标；
将所述定位天线特征点在施工坐标系下的坐标与沉管姿态数据结合后，经由管节坐标系，将其传递至沉管特征点，得到沉管特征点的实际施工坐标，即为沉管实际坐标。
10.根据权利要求7所述的测控方法，其特征在于，所述定位装置包括GPS定位装置和北斗接收机，所述多个施工状态包括：沉管出坞、沉管浮运、沉管系泊和沉管安装。
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