CN115110477B - 一种防波堤槽型方块水下安装可视化系统及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防波堤槽型方块水下安装可视化系统及操作方法，系统安装在施工作业船上，包括用于确定施工作业船的位置的第一RTK定位模块，用于确定吊机顶部位置的第二RTK定位模块，用于确定钢缆入水点位置的第三RTK定位模块，用于确定施工作业船姿态的倾角传感器，用于确定方块吊具位移倾向的惯性测量单元，确定方块吊具水深的水深仪和确定钢缆放缆长度的编码器。本发明通过RTK模块完成施工作业船与吊机各部件的定位；通过各种传感器采集并计算出方块的实际安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态，可节省频繁的水下定位和潜水员水下测量工作，提高方块安装效率，降低安全风险，同时保证定位精度符合预先的规划要求。

Description

一种防波堤槽型方块水下安装可视化系统及操作方法

技术领域

本发明涉及水下工程技术领域，尤其是一种防波堤槽型方块水下安装可视化系统及操作方法。

背景技术

防波堤主要由多层预制混凝土方块垒砌筑成，现有技术中通常通过施工作业船装载方块至防波堤安装位置，通过船上的吊机完成方块的安装。由于防波堤方块对安装位置的精度要求很高，因此在安装防波堤方块时，通常需要派遣潜水员在水下完成定位和测量工作，产生了额外的人力成本；且潜水员在安装过程中容易被方块磕碰受伤，存在一定的安全风险。另一方面，施工作业船的吊装效果也会受风浪、暗涌等水面情况影响，进一步加大了方块的安装难度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种防波堤槽型方块水下安装可视化系统及操作方法。

本发明的第一方面提供了一种防波堤槽型方块水下安装可视化系统，包括：

第一RTK定位模块，所述第一RTK定位模块安装于施工作业船上，用于确定施工作业船的位置；

第二RTK定位模块，所述第二RTK定位模块安装于吊机顶部，用于确定吊机顶部的位置；

第三RTK定位模块，所述第三RTK定位模块安装于吊梁工装中心位置，用于确定钢缆入水点的位置；

倾角传感器，所述倾角传感器安装于施工作业船上，用于确定施工作业船的姿态；

惯性测量单元，所述惯性测量单元安装于方块吊具上，用于确定方块吊具的位移倾向；

水深仪，所述水深仪安装于方块吊具上，用于确定方块吊具的水深；

编码器，所述编码器安装于吊机顶部，用于确定钢缆放缆长度。

进一步地，还包括信号采集箱，所述信号采集箱与第一RTK定位模块、第二RTK定位模块、第三RTK定位模块、倾角传感器、惯性测量单元、水深仪和编码器建立通信连接；所述第一RTK定位模块、第二RTK定位模块和第三RTK定位模块与GNSS系统建立通信连接。

进一步地，还包括上位机，所述上位机与信号采集箱建立通信连接，用于通过信号采集箱获取施工作业船的位置、施工作业船的姿态、吊机顶部的位置、钢缆入水点的位置、方块吊具的位移倾向、方块吊具的水深和钢缆放缆长度，计算方块的安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态。

进一步地，所述计算方块的安装位置，具体包括以下步骤：

建立右手系空间直角坐标系，将吊机顶部坐标确定为A(x1,y1,z1)，吊梁工装中心坐标确定为B(x2,y2,z2)，方块吊具坐标确定为C(x3,y3,z3)；

方块的安装位置通过方块吊具坐标C(x3,y3,z3)表示，通过第二RTK定位模块和吊机参数确定吊机顶部坐标A(x1,y1,z1)，通过第三RTK定位模块确定吊梁工装中心坐标B(x2,y2,z2)；

通过下述公式确定钢缆AB在x方向与z轴的夹角α和钢缆AB在y方向与z轴的夹角α'：

sinα＝(x2-x1)/L_AB

sinα'＝(y2-y1)/L_AB

其中，L_AB为钢缆放缆长度；

通过α和α'确定方块吊具坐标C(x3,y3,z3)：

x3＝L_BC*sinα+x2

y3＝L_BC*sinα'+y2

z3通过方块吊具的水深确定，L_BC为吊梁工装至方块吊具的钢缆长度，通过吊机参数确定；

通过施工作业船的位置和姿态对(x3,y3,z3)进行修正，得到方块的安装位置。

进一步地，所述计算方块的安装深度、安装方向和安装姿态，具体包括以下步骤：

根据方块吊具的水深确定方块的安装深度；

根据方块吊具的位移倾向确定方块的安装方向和安装姿态；

通过施工作业船的位置和姿态对方块的安装深度、安装方向和安装姿态进行修正。

进一步地，所述上位机还用于将方块的安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态与预设安装信息进行对比，显示与预设安装信息的偏差值。

进一步地，所述显示与预设安装信息的偏差值，具体通过建立三维立体图像方式显示；在所述三维立体图像上模拟方块的安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态。

进一步地，所述上位机安装于吊机操作室。

进一步地，还包括标识模块和称重传感器；所述标识模块用于对方块进行编号，所述称重传感器用于确定方块是否着地。

本发明的第二方面提供了一种操作方法，用于操作一种防波堤槽型方块水下安装可视化系统，包括以下步骤：

选择目标方块，得到目标方块的预设安装信息；

获取方块的实时安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态，与预设安装信息进行比较；

调整吊机的旋转、变幅和主卷的收放，使方块实时安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态与预设安装信息的差值小于预设偏差值；

完成方块的安装，对方块的安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态进行记录。

基于上述技术方案，本发明实施例至少具有以下有益效果：本发明通过RTK模块完成施工作业船与吊机各部件的定位；通过各种传感器采集并计算出方块的实际安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态，可节省频繁的水下定位和潜水员水下测量工作，提高方块安装效率，降低安全风险，同时保证定位精度符合预先的规划要求。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的安装位置示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

常规的防波堤方块水下安装过程通过浮吊进行，采用夹钳式专用吊具，吊具上方设置一条吊梁工装，通过吊机将方块夹至预设安装位置后，放开夹具完成安装。

参考图1，本实施例介绍了一种防波堤槽型方块水下安装可视化系统，采用GNSSRTK、倾角传感器、惯性测量单元、水深仪及其他传感器等设备及相应的软件组成，为方块安装施工提供精确定位、定姿。系统包括：

第一RTK定位模块，第一RTK定位模块安装于施工作业船上，在图1中的标记为RTK1，用于确定施工作业船的位置。

第二RTK定位模块，第二RTK定位模块安装于吊机顶部，在图1中的标记为RTK2，用于确定吊机顶部的位置；

第三RTK定位模块，第三RTK定位模块安装于吊梁工装中心位置，在图1中的标记为RTK3，用于确定钢缆入水点的位置；

倾角传感器，倾角传感器安装于施工作业船上，用于确定施工作业船的姿态；

惯性测量单元，惯性测量单元安装于方块吊具上，用于确定方块吊具的位移倾向；

水深仪，水深仪安装于方块吊具上，用于确定方块吊具的水深；

编码器，编码器安装于吊机顶部，用于确定钢缆放缆长度。

本实施例中第一RTK定位模块、第二RTK定位模块和第三RTK定位模块与GNSS系统(全球导航卫星系统)建立通信连接，通过GNSS的卫星定位确定各模块安装位置的经纬度。GNSS系统可以是美国的GPS系统，欧洲的伽利略系统，也可以是中国的北斗系统或者俄罗斯的格洛纳斯系统。

本实施例中系统还包括信号采集箱，信号采集箱与第一RTK定位模块、第二RTK定位模块、第三RTK定位模块、倾角传感器、惯性测量单元、水深仪和编码器建立通信连接。

本实施例中还包括上位机，上位机与信号采集箱建立通信连接，用于通过信号采集箱获取施工作业船的位置、施工作业船的姿态、吊机顶部的位置、钢缆入水点的位置、方块吊具的位移倾向、方块吊具的水深和钢缆放缆长度，计算方块的安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态。

在一部分实施例中，上位机可以安装于吊机操作室中，用于将方块的安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态与预设安装信息进行对比，显示与预设安装信息的偏差值。具体通过建立三维立体图像，在三维立体图像上模拟方块的安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态，向吊机操作人员提供可视化的安装效果。

本实施例中计算方块的安装位置，具体包括以下步骤：

建立右手系空间直角坐标系，将吊机顶部坐标确定为A(x1,y1,z1)，吊梁工装中心坐标确定为B(x2,y2,z2)，方块吊具坐标确定为C(x3,y3,z3)；

方块的安装位置通过方块吊具坐标C(x3,y3,z3)表示，通过第二RTK定位模块和吊机参数确定吊机顶部坐标A(x1,y1,z1)，通过第三RTK定位模块确定吊梁工装中心坐标B(x2,y2,z2)；

通过下述公式确定钢缆AB在x方向与z轴的夹角α和钢缆AB在y方向与z轴的夹角α'：

sinα＝(x2-x1)/L_AB

sinα'＝(y2-y1)/L_AB

其中，L_AB为钢缆放缆长度；

通过α和α'确定方块吊具坐标C(x3,y3,z3)：

x3＝L_BC*sinα+x2

y3＝L_BC*sinα'+y2

z3通过方块吊具的水深确定，L_BC为吊梁工装至方块吊具的钢缆长度，通过吊机参数确定；

通过施工作业船的位置和姿态对(x3,y3,z3)进行修正，得到方块的安装位置。

本实施例中计算方块的安装深度、安装方向和安装姿态，具体包括以下步骤：

根据方块吊具的水深确定方块的安装深度；

根据方块吊具的位移倾向确定方块的安装方向和安装姿态；

通过施工作业船的位置和姿态对方块的安装深度、安装方向和安装姿态进行修正。

本实施例中RTK模块的动态坐标误差在水平方向约为+/-0.02米，垂直方向约为+/-0.03米；水深计的误差为：0.25米。假设L_AB长度为60米，L_BC长度为35米，本实施例根据上述计算过程，可以求出X3、Y3的坐标最大误差值为0.04/60*35+0.02，即约为0.043米。

在一部分实施例中，系统还包括标识模块和称重传感器；标识模块用于对方块进行编号，称重传感器用于确定方块是否着地。本实施例中对方块进行编号主要是为了记录已完成/未完成安装方块的信息，避免出现漏安装、重复安装的问题。称重传感器主要用于确定在夹具松开时方块处于着地状态。在一部分实施例中，还可以通过标识模块将完成安装的方块与未安装的方块标记为不同的颜色，实现对安装流程的把控。

本实施例介绍了一种防波堤槽型方块水下安装可视化系统的操作方法，包括以下步骤：

S1.选择目标方块，得到目标方块的预设安装信息；在一部分实施例中，可以对全部方块进行编号标识，以便在系统中查找相应的方块。预设安装信息中记录了方块的安装规划，根据防波堤的设计图纸编写。

S2.获取方块的实时安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态，与预设安装信息进行比较；

S3.调整吊机的旋转、变幅和主卷的收放，使方块实时安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态与预设安装信息的差值小于预设偏差值；当方块构件达到定位坐标后，放松钢缆，根据称重传感器来判断方块是否着地，待惯性测量单元测定的姿态稳定后，再拉紧钢丝至某一固定重量值后，按下确认键，将方块的位置、水深、姿态数据记录并保存，再进行主动松钩将方块夹具松开，此时将记录的方块位置、水深、姿态数据发送至信号采集箱，在上位机上通过三维立体图像模拟显示方块的最终姿态及坐标，同时将安装规划中该编号方块的标识由红色转为绿色，达到安装过程可视化的目的。

完成方块的安装，对方块的安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态进行记录。记录的报表信息能导出打印。已完成安装的方块三维立体模型可直观显示在上位机图像上，达到实时模拟显示方块安装情况的可视化效果，在上位机上点击方块可实时调出该方块的位置、安装深度、姿态等信息，方便实时查阅。上位机可以对数据的正确性和可靠性进行必要的检核、100％的备份和事后回放。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种防波堤槽型方块水下安装可视化系统，其特征在于，包括：

第一RTK定位模块，所述第一RTK定位模块安装于施工作业船上，用于确定施工作业船的位置；

第二RTK定位模块，所述第二RTK定位模块安装于吊机顶部，用于确定吊机顶部的位置；

第三RTK定位模块，所述第三RTK定位模块安装于吊梁工装中心位置，用于确定钢缆入水点的位置；

倾角传感器，所述倾角传感器安装于施工作业船上，用于确定施工作业船的姿态；

惯性测量单元，所述惯性测量单元安装于方块吊具上，用于确定方块吊具的位移倾向；

水深仪，所述水深仪安装于方块吊具上，用于确定方块吊具的水深；

编码器，所述编码器安装于吊机顶部，用于确定钢缆放缆长度；

信号采集箱，所述信号采集箱与第一RTK定位模块、第二RTK定位模块、第三RTK定位模块、倾角传感器、惯性测量单元、水深仪和编码器建立通信连接；所述第一RTK定位模块、第二RTK定位模块和第三RTK定位模块与GNSS系统建立通信连接；

上位机，所述上位机与信号采集箱建立通信连接，用于通过信号采集箱获取施工作业船的位置、施工作业船的姿态、吊机顶部的位置、钢缆入水点的位置、方块吊具的位移倾向、方块吊具的水深和钢缆放缆长度，计算方块的安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态；通过三维立体图像模拟显示方块的最终姿态及坐标；

所述计算方块的安装位置，具体包括以下步骤：

建立右手系空间直角坐标系，将吊机顶部坐标确定为A(x1,y1,z1)，吊梁工装中心坐标确定为B(x2,y2,z2)，方块吊具坐标确定为C(x3,y3,z3)；

方块的安装位置通过方块吊具坐标C(x3,y3,z3)表示，通过第二RTK定位模块和吊机参数确定吊机顶部坐标A(x1,y1,z1)，通过第三RTK定位模块确定吊梁工装中心坐标B(x2,y2,z2)；

通过下述公式确定钢缆AB在x方向与z轴的夹角α和钢缆AB在y方向与z轴的夹角α'：

sinα＝(x2-x1)/L_AB

sinα'＝(y2-y1)/L_AB

其中，L_AB为钢缆放缆长度；

通过α和α'确定方块吊具坐标C(x3,y3,z3)：

x3＝L_BC*sinα+x2

y3＝L_BC*sinα'+y2

z3通过方块吊具的水深确定，L_BC为吊梁工装至方块吊具的钢缆长度，通过吊机参数确定；

通过施工作业船的位置和姿态对(x3,y3,z3)进行修正，得到方块的安装位置。

2.根据权利要求1所述的一种防波堤槽型方块水下安装可视化系统，其特征在于，所述计算方块的安装深度、安装方向和安装姿态，具体包括以下步骤：

根据方块吊具的水深确定方块的安装深度；

根据方块吊具的位移倾向确定方块的安装方向和安装姿态；

通过施工作业船的位置和姿态对方块的安装深度、安装方向和安装姿态进行修正。

3.根据权利要求1所述的一种防波堤槽型方块水下安装可视化系统，其特征在于，所述上位机还用于将方块的安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态与预设安装信息进行对比，显示与预设安装信息的偏差值。

4.根据权利要求3所述的一种防波堤槽型方块水下安装可视化系统，其特征在于，所述显示与预设安装信息的偏差值，具体通过建立三维立体图像方式显示；在所述三维立体图像上模拟方块的安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态。

5.根据权利要求1所述的一种防波堤槽型方块水下安装可视化系统，其特征在于，所述上位机安装于吊机操作室。

6.根据权利要求1所述的一种防波堤槽型方块水下安装可视化系统，其特征在于，还包括标识模块和称重传感器；所述标识模块用于对方块进行编号，所述称重传感器用于确定方块是否着地。

7.一种操作方法，用于操作权利要求1-6任一项所述的一种防波堤槽型方块水下安装可视化系统，其特征在于，包括以下步骤：

选择目标方块，得到目标方块的预设安装信息；

获取方块的实时安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态，与预设安装信息进行比较；

调整吊机的旋转、变幅和主卷的收放，使方块实时安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态与预设安装信息的差值小于预设偏差值；

完成方块的安装，对方块的安装位置、安装深度、安装方向和安装姿态进行记录。