CN117073765B - 沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策系统及辅助决策方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策系统及辅助决策方法，辅助决策系统包括测量设备、设备管理模块、计算模块和显示模块。测量设备包括第一定位仪和倾斜仪。第一定位仪至少有两个，分别安装于沉井的顶部平台上相对的两端，且均位于沉井的横桥向中心线上。倾斜仪靠近沉井的顶部平台的中心位置安装。设备管理模块用于接收并解析测量设备的数据。计算模块用于对解析后的数据进行融合计算。显示模块用于以图形化的形式将融合计算的结果显示在用户界面。本说明书所提供的沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策系统及辅助决策方法，能避免沉井浮运过程中的搁浅、碰撞等潜在安全风险，解决沉井沉放过程中的精度要求高、安全风险大等难题。
Description
技术领域
本说明书涉及桥梁深水基础施工技术领域，尤其涉及一种沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策系统及辅助决策方法。
背景技术
随着科技的进步，世界上大跨度桥梁发展迅速，数量不断增多，跨度不断实现突破。沉井基础具有承载能力高、刚性大、稳定性好、抗震能力强、不需要维护防护和施工可靠的特点，可以下沉到深度较大的理想基层上或者直接坐落在基床上(设置基础)，获得所需要的承载力，因此越来越多地被应用到大跨度桥梁深水基础中。
沉井安装包括两个重要步骤——浮运和沉放。然而，沉井在浮运过程中会遇到搁浅、碰撞等潜在安全风险，沉井在下沉着床过程中又有精度要求高、安全风险大等难题。
而在现有技术中，即使能通过一些施工工具、施工步骤的改进来避免沉井浮运过程和沉放过程中的部分安全风险，但依然缺少智能控制、智能辅助等控制方法方面的改进，不能全面有效地避免上述沉井浮运过程和沉放过程中的安全风险。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本说明书的一个目的是提供一种沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策系统及辅助决策方法，能避免沉井浮运过程中的搁浅、碰撞等潜在安全风险，解决沉井沉放过程中的精度要求高、安全风险大等难题。
为达到上述目的，本说明书实施方式提供一种沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策系统，包括：
测量设备，包括第一定位仪和倾斜仪；所述第一定位仪至少有两个，分别安装于所述沉井的顶部平台上相对的两端，且均位于所述沉井的横桥向中心线上；所述第一定位仪用于获取沉井的位置信息；所述倾斜仪靠近所述沉井的顶部平台的中心位置安装；所述倾斜仪用于获取沉井的姿态信息；
与所述测量设备电连接的设备管理模块，用于接收并解析所述测量设备的数据，所述数据包括所述沉井的位置信息和姿态信息；
与所述设备管理模块电连接的计算模块，用于对所述解析后的数据进行融合计算；
与所述计算模块电连接的显示模块，用于以图形化的形式将所述融合计算的结果显示在用户界面。
作为一种优选的实施方式，所述第一定位仪包括GNSS接收机，用于接收多系统卫星信号；所述GNSS接收机在沉井浮运阶段提供米级定位精度，在沉井沉放阶段接收基站差分信号，提供厘米级定位精度。
作为一种优选的实施方式，所述测量设备还包括安装在拖轮上的第二定位仪，用于实时采集各拖轮的位置、船艏向及航向信息；所述沉井和拖轮上均安装有数据通讯设备，用于传输共享所述沉井和拖轮的位置、艏向、速度信息。
作为一种优选的实施方式，所述测量设备还包括摄像头，安装于所述沉井顶部平台上的指挥中心的顶部，用于监控所述沉井的顶部平台。
作为一种优选的实施方式，所述测量设备还包括水位计，安装于所述沉井的压载舱的底部，用于监测所述压载舱内水位的高度；所述水位计采用压力式水位计，在所述顶部平台通过配重绳索将所述水位计放置在所述压载舱的底部。
作为一种优选的实施方式，所述沉井上共安装三台所述第一定位仪、两台所述倾斜仪、四台摄像头，所述水位计的数量比所述压载舱的数量多一个；其中一台第一定位仪、一台倾斜仪和一个水位计均作为备用，所述备用的倾斜仪安装在指挥中心，所述备用的水位计安装在所述沉井的顶部平台的中心。
作为一种优选的实施方式，所述辅助决策系统还包括三维模型构建模块，包括用于结构物三维建模的三维建模软件、用于重点结构物BIM可视化的BIM建模软件、用于水下三维地形图构建的软件、以及用于水上场景快速搭建的软件；其中，用于水上场景快速搭建的软件使用倾斜摄影技术。
本申请实施方式还提供一种沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策方法，包括以下步骤：
安装测量设备；所述测量设备包括第一定位仪和倾斜仪；所述第一定位仪至少有两个，分别安装于所述沉井的顶部平台上相对的两端，且均位于所述沉井的横桥向中心线上；所述第一定位仪用于获取沉井的位置信息；所述倾斜仪靠近所述沉井的顶部平台的中心位置安装；所述倾斜仪用于获取沉井的姿态信息；
接收并解析所述测量设备的数据；
对所述解析后的数据进行融合计算；
以图形化的形式将所述融合计算的结果显示在用户界面。
作为一种优选的实施方式，在所述接收并解析所述测量设备的数据的步骤中，使用设备管理模块将各个所述测量设备抽象成虚拟的设备类，并通过ORM映射的方式将各个所述测量设备保存在数据库中，实现所述测量设备配置信息的存取；使用所述设备管理模块根据所述测量设备的不同类型，按照其指定的数据格式从原始数据中解析得到坐标、卫星数、姿态角度的信息，供后续计算模块分析计算。
作为一种优选的实施方式，在所述对所述解析后的数据进行融合计算的步骤中，通过计算模块按照坐标系层次结构分级实现关键特征点由沉井局部坐标系至世界地理坐标系的转换；在三维空间中，坐标系的转换公式如下：
其中，Rε(x)、Rε(y)、Rε(z)分别是坐标系绕X轴、Y轴、Z轴的旋转矩阵，X'、Y'、Z'分别是两个坐标系原点之间的空间位移。
有益效果：
本实施方式所提供的沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策系统，通过设置测量设备、设备管理模块、计算模块和显示模块，测量设备可以获取沉井的位置信息和姿态信息，设备管理模块可以接收并解析测量设备获得的数据，计算模块可以对解析后的数据进行融合计算，显示模块可以以图形化的形式将融合计算的结果显示在用户界面，从而在沉井浮运过程中，可以以二维平面、三维立体多个角度展示沉井浮运现场实时态势，图形化展示沉井、拖轮、设计航线的精确相对关系，确保编队严格按照设计方案完成各个步骤的规定动作，为工作拖轮指挥调度提供信息化辅助决策手段，以避免沉井浮运过程中的搁浅、碰撞等潜在安全风险；在沉井沉放过程中，可以实时获取沉井在水下的精确位置和姿态数据，并展示现场三维场景、计算关键技术指标，为现场指挥人员提供精准施工辅助决策参数，以解决沉井沉放过程中的精度要求高、安全风险大等难题。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施方式中所提供的一种沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策系统的结构示意简图；
图2为本实施方式中所提供的一种沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策方法的步骤流程图；
图3为沉井安装测量设备后的俯视平面示意图；
图4为沉井安装测量设备后的立面示意图；
图5为拖轮对沉井进行浮运时的模拟结构示意图；
图6为在沉井建立坐标系的示意图；
图7为在沉井顶面设置控制点的结构示意图；
图8为在拖轮建立坐标系的示意图；
图9为沉放过程锚缆的布置图；
图10为沉井基槽区域的水下地形可视化示意图。
附图标记说明：
1、沉井；11、横桥向中心线；12、纵桥向中心线；13、顶部平台；14、压载舱；15、指挥中心；16、控制点；17、主缆；18、边缆；19、重力锚；2、拖轮；3、测量设备；31、第一定位仪；32、倾斜仪；33、摄像头；34、水位计；35、第二定位仪；4、设备管理模块；41、空间标定技术；42、时间同步技术；5、计算模块；6、显示模块；7、三维模型构建模块；71、倾斜摄影技术；8、背景底图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1、图3至图10。本申请实施方式提供一种沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策系统，包括测量设备3、设备管理模块4、计算模块5和显示模块6。
其中，测量设备3包括第一定位仪31和倾斜仪32。第一定位仪31至少有两个，分别安装于沉井1的顶部平台13上相对的两端，且均位于沉井1的横桥向中心线11上。第一定位仪31用于获取沉井1的位置信息。倾斜仪32靠近沉井1的顶部平台13的中心位置安装。倾斜仪32用于获取沉井1的姿态信息。设备管理模块4与测量设备3电连接，用于接收并解析测量设备3的数据。该数据包括沉井1的位置信息和姿态信息。计算模块5与设备管理模块4电连接，用于对解析后的数据进行融合计算。显示模块6与计算模块5电连接，用于以图形化的形式将融合计算的结果显示在用户界面。
本实施方式所提供的沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策系统，通过设置测量设备3、设备管理模块4、计算模块5和显示模块6，测量设备3可以获取沉井1的位置信息和姿态信息，设备管理模块4可以接收并解析测量设备3获得的数据，计算模块5可以对解析后的数据进行融合计算，显示模块6可以以图形化的形式将融合计算的结果显示在用户界面，从而在沉井1浮运过程中，可以以二维平面、三维立体多个角度展示沉井1浮运现场实时态势，图形化展示沉井1、拖轮2、设计航线的精确相对关系，确保编队严格按照设计方案完成各个步骤的规定动作，为工作拖轮2指挥调度提供信息化辅助决策手段，以避免沉井1浮运过程中的搁浅、碰撞等潜在安全风险；在沉井1沉放过程中，可以实时获取沉井1在水下的精确位置和姿态数据，并展示现场三维场景、计算关键技术指标，为现场指挥人员提供精准施工辅助决策参数，以解决沉井1沉放过程中的精度要求高、安全风险大等难题。
在本实施方式中，第一定位仪31包括GNSS(Global Navigation SatelliteSystem，全球导航卫星系统)接收机，用于接收北斗、GPS、GLONASS等多系统卫星信号。GNSS接收机在沉井1浮运阶段提供米级定位精度，在沉井1沉放阶段接收基站差分信号，提供厘米级定位精度。
在CORS系统支持下，第一定位仪31的平面定位精度优于1cm，通过安装于沉井1艏艉的两个GNSS接收机，结合各自精确标定的安装坐标，可以计算出沉井1的实时精确艏向。
具体的，测量设备3还包括安装在拖轮2上的第二定位仪35，用于实时采集各拖轮2的位置、船艏向及航向信息，如图5所示。沉井1和拖轮2上均安装有数据通讯设备，建立施工局域网，用于传输共享沉井1和拖轮2的位置、艏向、速度等信息。其中，第二定位仪35可以是GNSS罗经。
沉井1浮运前，对沉井1和每条拖轮2上安装的测量设备3进行通电测试，确保数据和通讯正常，检查背景底图8、浮运计划线、安全边界线，软件参数是否准确无误，并需要多人复检和复查，完成浮运沉放前自查自检记录表后方可开展正式浮运施工作业。
如图3和图4所示，测量设备3还包括摄像头33，安装于沉井1顶部平台13上的指挥中心15的顶部，用于监控沉井1的顶部平台13。
具体的，测量设备3还包括水位计34，安装于沉井1的压载舱14的底部，用于监测压载舱14内水位的高度。优选地，水位计34采用压力式水位计34，在顶部平台13通过配重绳索将水位计34放置在压载舱14的底部。在一种具体的实施例中，从顶部平台13至压载舱14底部的垂直高度是37m。
优选地，沉井1上共安装三台第一定位仪31、两台倾斜仪32、四台摄像头33，水位计34的数量比压载舱14的数量多一个。其中一台第一定位仪31、一台倾斜仪32和一个水位计34均作为备用。如图3所示，备用的倾斜仪32安装在指挥中心15，备用的水位计34安装在沉井1的顶部平台13的中心。四台摄像头33可以全覆盖地监控整个沉井1平台。
在一种具体的实施例中，压载舱14的数量为16个，则水位计34的数量为17个。测量设备3还可以包括姿态传感器、全站仪等设备，为了实现沉井1的精确定位。姿态传感器通过和沉井1刚性安装，能够实时获取沉井1三维姿态。
在沉井1浮运过程中，沉井1采用第一定位仪31进行定位定向，采用倾斜仪32测量沉井1姿态；拖轮2采用第二定位仪35实时采集各拖轮2的位置、船艏向及航向信息；沉井1和拖轮2均安装数据通讯设备，实现数据共享；所有测量设备3均准备一定的备用件，确保硬件出问题可以及时更换。
为了实现坐标转换，需要建立沉井坐标系。沉井坐标系是建立在沉井1上的三维直角坐标系。以沉井1顶面中心点为原点O，以纵桥向中心线12方向为Y轴正方向，以垂直向上为Z轴正方向，建立右手坐标系，如图6所示。沉井坐标系建立后，沉井1上任何一点都可以通过测量获得其沉井坐标系中的三维坐标。
沉井1的控制点16位于沉井1的顶面，其目的是后期安装第一定位仪31及测量沉井1顶面中心与底面中心的偏差。根据沉井1的结构，在沉井1顶面均匀布设8个控制点16，如图7所示。
沉井1上所有需要测定的点都可以选择为特征点，包括沉井顶、底中点、8个控制点16等。在沉井1两侧的适当区域，设立第一测站和第二测站(图未示)，二者互相通视。第一测站设站后视第二测站进行定向，测量沉井1顶部8个控制点16和沉井1顶、底外壁，通过计算求取顶底中心点坐标；同理在第二测站设站，测量控制点16和顶底中心。将计算结果转换至沉井坐标系，作为沉井1浮运沉放基础数据。
在用于浮运的拖轮2上建立船舶坐标系，如图8所示。以船尾中心为原点，右舷方向为X轴，船头方向为Y轴。
沉井1监测数据及各拖轮2定位数据，统一发送至沉井1导航定位工作站，再进行集中广播，使每条拖轮2及各个指挥控制单元均可接收到其他作业船舶的位置、航向等信息。
浮运过程中，实时显示沉井1位置坐标、速度、艏向、航向、偏移设计航路距离等关键性数据。同时根据现场指挥要求，可显示各拖轮2拖缆长度以及拖轮2位置方位，为浮运过程中拖轮2指挥提供数据支持。在浮运过程中，软件系统同时集成流速流向数据，并在软件界面进行显示，同时将沉井1航向和水流流向实时图形化的显示，为指挥人员提供技术支持。
在沉井1沉放过程中，需满足沉井1倾斜度小于1/100；沉井1顶、底中心位置允许误差为25厘米；钢沉井1井壁壁板设计容许承受的最大水头差为14m，隔舱板设计容许承受的最大水头差为8m。沉井1的沉放测量定位以RTK(Real-time kinematic，实时差分定位)方式为主，全站仪作为辅助和关键步骤进行复核。
沉井1沉放采用GNSS RTK与全站仪结合的方式，测控系统软件采用沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策系统，负责完成沉井1定点沉放定位测量工作。其中以GNSS RTK作为沉放定位的主要定位方式，全站仪作为沉井1定位作业的备份，当RTK出现故障时，可以立即采用全站仪的作业方式指导沉井1沉放安装作业。
GNSS RTK与全站仪都能够提供沉井1顶部中心的三维坐标(X，Y，H)；沉井1的轴线方位(Heading)可由沉井1顶部任意两个GNSS或者棱镜数据计算提供；而沉井1的姿态主要是横倾(Roll)和纵倾(Pitch)由倾斜仪32提供。根据上述数据，按照测控中心提供的空间转换七参数，可以将沉井1各控制点16坐标(沉井坐标系下)实时转换成施工坐标。
首先，关于GNSS RTK方法，将GNSS RTK及水下姿态传感器采集的三维坐标及沉井1姿态数据，通过无线电数据链和串口通讯技术，实时传递给位于沉放指挥中心15的定位计算机。计算机通过该坐标及姿态数据将当前沉井1的实时状态在屏幕上以图形的形式展现出来，形象直观。进而结合场景中所绘制的已沉井1节、水下地形及周边地物，指导施工作业。
测量过程中，必须使用信号的固定解，当长时间不能获得固定解时，宜断开通信链路，再次进行初始化操作。作业过程中，如出现卫星信号失锁，也应重新初始化，并经重合点测量检测合格后，方能继续作业。
RTK和倾斜仪32等数据接入沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策系统，经过融合计算后实时显示沉井1的中心坐标、艏向、横倾、纵倾等数据，并直观显示距设计位置的平面和高程偏差。
其次，关于全站仪方法，进行沉放测量时，将全站仪安置在岸边的两个点上，两台仪器分别用通讯线缆连接到便携电脑和无线电数据链，将实时测量数据传送到指挥中心15。沉放跟踪时，全站仪瞄准由人工操作辅助+自动跟踪的原理，观测指令和数据发送由程序控制。
全站仪的观测信号，实时传送到位于沉放指挥中心15的计算机上，结合倾斜仪32数据可以得到当前时刻沉井1的位置坐标和姿态参数，如沉井1中心坐标、Heading、Pitch和Roll等，沉井1相对设计位置中心的横差、高差、纵差等。指挥人员则根据沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策系统提供的相关数据指挥沉井1沉放。
在本实施方式中，辅助决策系统还包括用于构建三维模型的三维模型构建模块7。三维模型构建模块7包括用于结构物三维建模的三维建模软件、用于重点结构物BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)可视化的BIM建模软件、用于水下三维地形图构建的软件、以及用于水上场景快速搭建的软件。在浮运沉放前，可以对沉井1场址周边区域进行无人机倾斜摄影，对海底进行多波束扫测，构建周边和海底地形的三维模型。
具体的，对于结构物三维建模，可以结合三维激光点云、高清照片、设计图纸等材料，使用3DMAX等三维建模软件构建沉井1、施工船三维模型，可实现局部区域场景的精细化表达，场景的精细程度、美观度、空间特征可以得到有效的控制和增强。
对于重点结构物BIM可视化，可以结合设计资料和施工现场测量数据，使用Bentley、Revit等BIM建模软件进行BIM建模，可实现局部建构筑物的精细化表达和全生命周期表达。模型精细、空间特征表达精准，美观度适度，专业技术要求高，生产效率低，适用于时间要求一般、各部件重点监控的重点建构筑物、复合场景的构建。
对于水下三维地形图构建，可以结合多波束扫测、侧扫声呐扫测等手段，使用CARIS、Hypack、CloudCompare等软件，实现局部区域海底地形的三维建模，如图10所示。通过细节增加、色彩拉伸等手段，局部细节增强，可兼顾美观度和细节层级；该手段专业技术要求高，生产效率适中，数据精度高，适用于航道航路、海底施工区域等重点海底区域、水下建构筑物的三维场景构建。
对于水上场景快速搭建，针对陆地表面、水上物体、建筑物等，使用倾斜摄影技术71快速、全面构建大范围的三维场景。倾斜摄影技术71能直观反映地物的外观、位置、高度等属性，可以有效提升模型的生产效率。
参阅图2，本发明一个实施例还提供一种沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策方法，需要说明的是，本实施方式的辅助决策方法可以采用上述辅助决策系统执行，相关内容的详细说明请参见上述辅助决策系统部分，在此不再赘叙。
在本实施方式中，该辅助决策方法实施方式与辅助决策系统实施方式相对应，其能够解决辅助决策系统实施方式所解决的技术问题，相应的达到辅助决策系统实施方式的技术效果，具体的本申请在此不再赘述。
具体的，该辅助决策方法包括以下步骤：
步骤S10：安装测量设备3；
步骤S20：接收并解析测量设备3的数据；
步骤S30：对解析后的数据进行融合计算；
步骤S40：以图形化的形式将融合计算的结果显示在用户界面。
对于步骤S10，沉井1在船坞进水起浮前，需要将浮运和沉放相关的测量设备3安装和调试完成。
具体的，安装测量设备3后，需要对测量设备3进行标定。
对于倾斜仪32的标定，倾斜仪32安装在沉井1顶部平稳的位置，必须与地面紧固且不受施工影响，数据通过电缆连接到数据通讯单元。为了使倾斜仪32能准确反映沉井1的状态，设定平行于沉井1艏向的方向(即纵桥向中心线12的延伸方向)为纵倾Pitch，垂直于艏向的方向(即横桥向中心线11的延伸方向)为横倾Roll。在倾斜仪32预埋件位置放样出平行于艏向方向的直线，使倾斜仪32的Pitch与Roll方向严格按艏向方向安装。
倾斜仪32安装后需对其进行初始化设置，初始值的采集是在沉井1下水前进行的。具体做法为：开启倾斜仪32，静置10分钟后，开始实时记录数据。
采用全站仪测量沉井1控制点16(控制点16的分布如图7所示)的高差，根据控制点16坐标，可以计算出控制点16之间的距离，再按照三角函数计算沉井1的实际姿态，实际姿态与倾斜仪32的差值即为倾斜仪32的改正值。
对于第一定位仪31的标定，采用全站仪在沉井1顶面自由设站的方法，对仪器进行大致整平对中，假定独立坐标系并联测出沉井1控制点16及第一定位仪31的天线和2个棱镜的坐标，根据已有的控制点16坐标，进行三维转换得出天线和棱镜的沉井坐标系的坐标。如此方法在沉井1上架设三个不同的位置求得第一定位仪31天线和棱镜在沉井坐标系下的三次坐标取平均值，并转换为沉井1安装后的设计坐标指导沉井1的沉放安装测量。需要注意的是，测量过程应关闭全站仪的倾斜补偿。
对于水位计34初始气压标定，水位计34入水前，需要采集初始大气压。水位计34静置10分钟，开始记录数据，记录时长10分钟，求取平均值作为每个水位计34的初始气压值。
在沉井1沉放过程中，需要对压舱水进行监测。压载舱14设计如图3所示，共计16个隔舱，每个隔仓布设1台在线式水位计34，沉井1中间布设1台在线式水位计34，共计17台。为了准确反映每个压载舱14的进水量，需要将水位计34放置到压载舱14底部，根据隔舱截面积和水位情况就可以计算得到进水量情况。测量数据通过电缆或者4G-DTU模块上传至服务器，统一接入施工辅助决策系统。
如图9所示，沉井1下沉安装过程中，有12条锚缆进行系泊控制。锚缆包括8条主缆17和4条边缆18，均连接1000t重力锚19。沉放过程需要对锚缆拉力进行监测。锚缆力由定制拉力计直接测量得出，测量数据通过电缆或4G-DTU模块上传至服务器，12个锚缆拉力数据统一接入施工辅助决策系统。
由于各个测量设备3的连接方式、连接参数、数据格式、校准参数等均不相同，在接收并解析测量设备3的数据的步骤(即步骤S20)中，使用设备管理模块4将各个测量设备3抽象成虚拟的设备类，各个测量设备3具有相应的属性特征，并通过ORM(Object RelationalMapping，对象关系映射)映射的方式将各个测量设备3保存在数据库中，实现测量设备3配置信息的存取。设备管理模块4还负责根据测量设备3的不同类型，按照其指定的数据格式从原始数据中解析得到坐标、卫星数、姿态角度的信息，供后续计算模块5根据沉井1测量设备3组合进一步分析计算。
在本实施方式中，沉井1的角点、艏艉底部中心点等关键特征点在系统中以沉井坐标系中的坐标提供，而沉井1设计数据则以施工坐标提供，为了计算特征点距离设计位置的平面距离、高程差值等关键参数，则需要在对解析后的数据进行融合计算的步骤(即步骤S30)中，通过计算模块5按照坐标系层次结构分级实现关键特征点由沉井1局部坐标系至世界地理坐标系的转换。
在三维空间中，坐标系的转换公式如下：
上式中，Rε(x)、Rε(y)、Rε(z)分别是坐标系绕X轴、Y轴、Z轴的旋转矩阵，X'、Y'、Z'分别是两个坐标系原点之间的空间位移。X0、Y0、Z0分别是沉井1局部坐标系中的坐标，X、Y、Z分别是世界地理坐标系中的坐标。计算模块5根据各个测量设备3解析得到的空间坐标、姿态旋转角度等数据，结合测量设备3的安装位置和改正参数，计算对应的坐标变换矩阵。
在层次结构支持下，获取任意一个节点的坐标转换关系，只需将其父节点至根节点之间的各个节点的转换关系逐层累计，即可获取该节点在WGS84坐标系下的世界坐标。实际应用证明，通过层次状结构，能够有效表达真实世界的坐标转换，方便沉井1在世界坐标系和沉井1局部坐标系之间的转换，实现“GNSS-沉井1-特征点”的坐标传递。
由于系统中层次关系较多，计算的特征点也较多，所以计算模块5的计算量大，为了提高计算效率，系统在后台线程中完成数据融合计算后再同步至用户界面，从而减少交互操作迟滞感，改善用户体验。
在步骤S40中，显示模块6负责以图形化的形式将计算模块5的计算结果呈现在用户界面上。系统将沉井1浮运及沉放施工过程中所涉及的沉井1、工作拖轮2等动态目标以及海底地形等静态目标实时显示在三维场景中，直观展现各个目标之间的相对关系，解决施工过程中无法直接观察水下目标的问题，真实反映现场实时作业态势，为现场作业指挥人员提供辅助决策信息。作业前需要准备好系统中各个要素的三维模型，其中沉井1、工作拖轮2的三维模型通过第三方建模软件建立标准的三维模型文件。三维地形模型则使用地形模型构建工具在建立不规则三角网后自动生成。施工过程中，系统根据计算模块5的计算结果，应用各个目标的仿射变换矩阵自动实时更新三维场景中各个要素，实现动态场景展示。
在步骤S40之后，还可以包括数据记录与管理。施工过程中的位置等相关数据对于质量管理、分析研究都具有重要价值，需要进行有机组织管理以进一步深入利用。施工中的监测成果以及各个传感器的原始数据都以数据文件的形式被完整保存。其中监测数据文件后缀名为“.Raw”，包含文件头和文件体两部分。文件头中记录了工程坐标系参数、文件存储路径、记录开始时间、工程项目备注信息等元数据；而文件体则按照“时间-坐标-姿态”的结构，每一个有效信息对应一行数据，完整记录各个目标的全过程位置及姿态等监测数据，辅助完成对施工成果的质量检查等工作，并可通过系统提供的数据回放功能在现场作业结束后回放施工过程，实现施工监测数据的有效管理和充分利用。
在步骤S40之后，还可以包括对缆绳拉力、结构应力、压载水进行数据集成。压载水水位高度和缆绳拉力是沉放安装施工过程的重要参数，系统集成监测压载水位高度和缆绳拉力的传感器，并以曲线图的形式图形化显示。辅助决策系统还能够接入用于应力应变监测的光纤光栅传感器，并以图形化形式实时展示沉井1各个部位形变。
辅助决策系统通过用户界面显示的二维界面，包括沉井1实时位置及姿态数据、拖轮2实时位置及姿态数据、沉井1和拖轮2精确几何形状、测量设备3精确标定数据、施工区域背景底图8、规划浮运航线等。
辅助决策系统通过用户界面显示的三维界面，包括位置姿态、海洋环境、缆绳拉力、压载水位等。
本申请实施方式提供的沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策系统及辅助决策方法，针对沉井1浮运过程中的搁浅、碰撞等潜在安全风险，通过网络化施工定位模式，以二维平面、三维立体多个角度展示沉井1浮运现场实时态势，图形化展示沉井1、拖轮2、设计航线的精确相对关系，确保编队严格按照设计方案完成各个步骤的规定动作，为工作拖轮2指挥调度提供信息化辅助决策手段。
针对沉井1下沉着床过程的精度要求高、安全风险大等难题，基于水上水下相结合方法，利用RTKGPS、全站仪、姿态传感器等设备，通过测量设备3时间同步技术42、空间标定技术41等技术，以及三维可视化综合辅助决策系统，实时获取沉井1在水下的精确位置和姿态数据，并展示现场三维场景、计算关键技术指标，为现场指挥人员提供精准施工辅助决策参数。
面向沉井1浮运及沉放施工过程中的实时高精度位置信息需求，集成定位、姿态、拉力、应力、压载水及远程通讯设备，融合水文实测数据，研发沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策系统及辅助决策方法，通过现场沉井1各个测量设备3的组织管理和数据融合计算，得到沉井1关键特征点实时三维坐标，实时计算沉井1上关键特征点的距离、角度等决策参数，图形化展示沉井1、拖轮2、设计航线的精确相对关系，确保沉井1及编队严格按照设计方案完成各个步骤的规定动作，并发挥地理信息可视化技术优势，以三维立体形式实时展示现场施工态势，为沉井1的浮运和沉放安装施工提供信息化的辅助决策手段。
需要说明的是，本申请中沉井1的结构可以采用公开号为CN116220086A、发明名称为“水气组合式控制下沉的大型钢沉井及其下沉施工方法”中所公开的钢沉井的结构，本申请对此不再赘述。其中，压载舱14对应CN116220086A中的第一井筒。
需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本说明书的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本文引用的任何数值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
Claims (4)
1.一种沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策系统，其特征在于，包括：
测量设备，包括第一定位仪和倾斜仪；所述第一定位仪至少有两个，分别安装于所述沉井的顶部平台上相对的两端，且均位于所述沉井的横桥向中心线上；所述第一定位仪用于获取沉井的位置信息；所述倾斜仪靠近所述沉井的顶部平台的中心位置安装；所述倾斜仪用于获取沉井的姿态信息；
与所述测量设备电连接的设备管理模块，用于接收并解析所述测量设备的数据，所述数据包括所述沉井的位置信息和姿态信息；
与所述设备管理模块电连接的计算模块，用于对解析后的数据进行融合计算；
与所述计算模块电连接的显示模块，用于以图形化的形式将所述融合计算的结果显示在用户界面；
所述第一定位仪包括GNSS接收机，用于接收多系统卫星信号；所述GNSS接收机在沉井浮运阶段提供米级定位精度，在沉井沉放阶段接收基站差分信号，提供厘米级定位精度；
所述测量设备还包括安装在拖轮上的第二定位仪，用于实时采集各拖轮的位置、船艏向及航向信息；所述沉井和拖轮上均安装有数据通讯设备，用于传输共享所述沉井和拖轮的位置、艏向、速度信息；
所述测量设备还包括摄像头，安装于所述沉井顶部平台上的指挥中心的顶部，用于监控所述沉井的顶部平台；
所述测量设备还包括水位计，安装于所述沉井的压载舱的底部，用于监测所述压载舱内水位的高度；所述水位计采用压力式水位计，在所述顶部平台通过配重绳索将所述水位计放置在所述压载舱的底部；
所述沉井上共安装三台所述第一定位仪、两台所述倾斜仪、四台摄像头，所述水位计的数量比所述压载舱的数量多一个；其中一台第一定位仪、一台倾斜仪和一个水位计均作为备用，所述备用的倾斜仪安装在指挥中心，所述备用的水位计安装在所述沉井的顶部平台的中心；
所述辅助决策系统还包括三维模型构建模块，包括用于结构物三维建模的三维建模软件、用于重点结构物BIM可视化的BIM建模软件、用于水下三维地形图构建的软件、以及用于水上场景快速搭建的软件；其中，用于水上场景快速搭建的软件使用倾斜摄影技术；
从所述顶部平台至所述压载舱底部的垂直高度是37m；所述压载舱的数量为16个，所述水位计的数量为17个；在所述沉井的沉放过程中，所述沉井的倾斜度小于1/100；沉井顶、底中心位置允许误差为25厘米；沉井井壁壁板容许承受的最大水头差为14m，隔舱板容许承受的最大水头差为8m；所述沉井下沉安装过程中，有12条锚缆进行系泊控制；所述锚缆包括8条主缆和4条边缆，均连接1000t重力锚；沉放过程对锚缆拉力进行监测，12个锚缆拉力数据统一接入所述施工辅助决策系统；
所述辅助决策系统通过所述用户界面显示的二维界面，包括沉井实时位置及姿态数据、拖轮实时位置及姿态数据、沉井和拖轮精确几何形状、测量设备精确标定数据、施工区域背景底图、规划浮运航线；所述辅助决策系统通过所述用户界面显示的三维界面，包括位置姿态、海洋环境、缆绳拉力、压载水位。
2.一种沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策方法，其特征在于，包括以下步骤：
安装测量设备；所述测量设备包括第一定位仪和倾斜仪；所述第一定位仪至少有两个，分别安装于所述沉井的顶部平台上相对的两端，且均位于所述沉井的横桥向中心线上；所述第一定位仪用于获取沉井的位置信息；所述倾斜仪靠近所述沉井的顶部平台的中心位置安装；所述倾斜仪用于获取沉井的姿态信息；所述第一定位仪包括GNSS接收机，用于接收多系统卫星信号；所述GNSS接收机在沉井浮运阶段提供米级定位精度，在沉井沉放阶段接收基站差分信号，提供厘米级定位精度；所述测量设备还包括安装在拖轮上的第二定位仪，用于实时采集各拖轮的位置、船艏向及航向信息；所述沉井和拖轮上均安装有数据通讯设备，用于传输共享所述沉井和拖轮的位置、艏向、速度信息；所述测量设备还包括摄像头，安装于所述沉井顶部平台上的指挥中心的顶部，用于监控所述沉井的顶部平台；所述测量设备还包括水位计，安装于所述沉井的压载舱的底部，用于监测所述压载舱内水位的高度；所述水位计采用压力式水位计，在所述顶部平台通过配重绳索将所述水位计放置在所述压载舱的底部；所述沉井上共安装三台所述第一定位仪、两台所述倾斜仪、四台摄像头，所述水位计的数量比所述压载舱的数量多一个；其中一台第一定位仪、一台倾斜仪和一个水位计均作为备用，所述备用的倾斜仪安装在指挥中心，所述备用的水位计安装在所述沉井的顶部平台的中心；辅助决策系统还包括三维模型构建模块，包括用于结构物三维建模的三维建模软件、用于重点结构物BIM可视化的BIM建模软件、用于水下三维地形图构建的软件、以及用于水上场景快速搭建的软件；其中，用于水上场景快速搭建的软件使用倾斜摄影技术；从所述顶部平台至所述压载舱底部的垂直高度是37m；所述压载舱的数量为16个，所述水位计的数量为17个；在所述沉井的沉放过程中，所述沉井的倾斜度小于1/100；沉井顶、底中心位置允许误差为25厘米；沉井井壁壁板容许承受的最大水头差为14m，隔舱板容许承受的最大水头差为8m；所述沉井下沉安装过程中，有12条锚缆进行系泊控制；所述锚缆包括8条主缆和4条边缆，均连接1000t重力锚；沉放过程对锚缆拉力进行监测，12个锚缆拉力数据统一接入施工辅助决策系统；
接收并解析所述测量设备的数据；
对解析后的数据进行融合计算；
以图形化的形式将所述融合计算的结果显示在用户界面；所述辅助决策系统通过所述用户界面显示的二维界面，包括沉井实时位置及姿态数据、拖轮实时位置及姿态数据、沉井和拖轮精确几何形状、测量设备精确标定数据、施工区域背景底图、规划浮运航线；所述辅助决策系统通过所述用户界面显示的三维界面，包括位置姿态、海洋环境、缆绳拉力、压载水位。
3.根据权利要求2所述的沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策方法，其特征在于，在所述接收并解析所述测量设备的数据的步骤中，使用设备管理模块将各个所述测量设备抽象成虚拟的设备类，并通过ORM映射的方式将各个所述测量设备保存在数据库中，实现所述测量设备配置信息的存取；使用所述设备管理模块根据所述测量设备的不同类型，按照其指定的数据格式从原始数据中解析得到坐标、卫星数、姿态角度的信息，供后续计算模块分析计算。
4.根据权利要求2所述的沉井浮运沉放安装智慧施工辅助决策方法，其特征在于，在所述对解析后的数据进行融合计算的步骤中，通过计算模块按照坐标系层次结构分级实现关键特征点由沉井局部坐标系至世界地理坐标系的转换；在三维空间中，坐标系的转换公式如下：
其中，Rε(x)、Rε(y)、Rε(z)分别是坐标系绕X轴、Y轴、Z轴的旋转矩阵，X'、Y'、Z'分别是两个坐标系原点之间的空间位移；X0、Y0、Z0分别是沉井局部坐标系中的坐标，X、Y、Z分别是世界地理坐标系中的坐标。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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Country or region after: China Address after: 230000 No.96, Wangjiang East Road, Hefei City, Anhui Province Applicant after: CHINA TIESIJU CIVIL ENGINEERING Group Applicant after: THE SECOND CONSTRUCTION CO., LTD. OF CTCE Group Address before: 215000 No. 9, litanghe Road, Xiangcheng District, Suzhou City, Jiangsu Province Applicant before: THE SECOND CONSTRUCTION CO., LTD. OF CTCE Group Country or region before: China Applicant before: CHINA TIESIJU CIVIL ENGINEERING Group |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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