深中通道管节寄放区整平施工辅助决策系统研究

雷鹏

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.天津水运工程勘察设计院，天津 300456；3.天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津 300456）

0 引言

深中通道项目沉管段具有超宽、变宽、深埋、回於量大、挖砂坑区域地层稳定性差五大技术难点，是目前为止世界上技术难度最大的建设工程之一[1]。深中通道沉管隧道东段管节在预制完成后，需要浮运至指定位置坐底寄放，管节寄放区基础处理是关键施工环节[2-3]。此前在附近区域采用类似工艺的港珠澳大桥沉管隧道项目中，基床整平采用的“津平一号”是国内首创、港珠澳大桥岛隧工程独有的平台式抛石整平船。该整平船插桩就位在设计位置后，其主体部分位于水面以上，控制水下整平高程的抛石管与RTKGPS设备刚性连接，较易获取用于指导水下整平施工的高精度高程数据，具有高程数据获取直接的优点，可以实现水深10耀50 m范围内碎石铺设整平，在工程中取得了良好的应用效果[4-5]，但相应的装备结构复杂，成本较高。

深中通道沉管隧道东段管节寄放区整平施工采用完全水下作业模式的水下整平机，该作业模式具有建造成本低、作业效率高等优势，但由于没有刚性出水结构，无法直接使用RTKGPS高程，高程精度控制更加困难[6-7]。以压力传感器为核心的柔性高程传递技术，能够基于分别安装在验潮站水下控制点和整平机的压力传感器实时水压力差，将水下控制点高程远程传递至整平机上的压力传感器。但该方法涉及的传感器数量多，数据融合复杂，且整平施工现场对数据实时展示和整平数据管理都有较高要求，为此研发了深中通道管节寄放区整平施工辅助决策系统（以下简称辅助决策系统）。文章介绍了整平施工测控技术方案，剖析了辅助决策系统架构和主要功能模块，并给出了在深中通道管节寄放区整平施工中的实际应用案例。

1 测控技术方案

深中通道管节寄放区整平施工测控系统主要包括：平面定位、整平机水下高程监测和辅助决策系统3部分。

1）平面定位

平面定位系统用于获取整平机在水下的平面位置及姿态，以引导整平机至设计位置精确就位，并监测其在铺石过程中的水平位置偏移，以保证整平机始终位于设计整平范围内。为了适应整平机的完全水下作业模式，整平机水下实时平面坐标通过安装在整平机上的4个水下声学定位信标获取。

2）整平机水下高程监测

水下监测系统包括安装在整平机上的4个压力传感器，以及安装在移动料斗上的测深仪和声速计。压力传感器是系统实现柔性高程传递的核心（图1），测深仪则用于在料斗移动过程中监测整平后的基槽高程，实现整平质量检测。上述各设备的输出数据均通过网络实时传输至整平作业指挥室中的整平施工辅助决策系统软件，进行集中处理分析[8]。

图1 基于压力传感器的柔性高程传递方法Fig.1 Flexible elevation transference method based on pressure sensor

3）辅助决策系统

辅助决策系统在常规海洋工程施工导航定位功能基础上，进一步针对实时水下高程数据这一核心，融合压力传感器、水下声学定位信标、倾斜仪和测深仪等设备数据，按照数据解析、数据融合、数据管理的处理流程，以二维平面电子地图、三维虚拟场景、动态数据曲线等多种手段将整平施工关键参数直观地呈现给现场指挥和操作人员。

2 辅助决策系统研发

辅助决策系统采用C#面向对象开发语言，系统中所涉及的船舶、整平机及各个设备等多个要素具有典型的面向对象特征，系统应用面向对象思想设计整个系统的内部结构，抽象得到具有不同属性和行为的“类”，使系统的内部结构更加清晰合理[9]。同时通过广泛应用设计模式，系统具有更强的代码可读性，更加清晰的设计思路，以及更强的可扩展性，方便未来伴随需求的增加扩充功能[10]。系统用户界面基于微软新一代图形系统WPF技术开发实现，WPF运行在.NET Framework 3.0及以上版本下，为用户界面、2D/3D图形、文档和媒体提供了统一的描述和操作方法[11]。系统在开发过程中，充分运用了WPF技术中的数据绑定、属性依赖等技术特征，有效提升了用户体验。

辅助决策系统按照功能可以划分为常规导航定位、整平参数设计与就位、整平施工监测和整平数据组织管理4个模块，各个模块之间的交互关系如图2所示。

图2 辅助决策系统模块结构图Fig.2 Module structure diagram of the decision support system

2.1 常规导航定位部分

整平施工作业区域按照精确设计的整平幅进行逐幅精细化整平施工，整平施工船及整平机的实时精确位置是指导现场施工的重要信息，常规导航定位是系统针对这一需求的基础功能模块，用于引导现场指挥人员将整平机放置在设计位置以及整平过程中整平施工船、整平机等目标的平面位置监控。

系统基于WPF技术中的图形绘制接口，通过WPF技术的动画、依赖属性等最新特性，从底层实现了轻量级电子地图引擎，支持多种地理信息交换格式数据的读写，通过工作区-地图集-图层等概念对空间数据进行分层管理，在空间索引的支持下实现空间数据集的高效率、高质量渲染，以及地理信息应用中常规的地图漫游、空间查询、属性查询等功能，实现了生动高效的图形展示和方便快捷的地图操作[12-13]。系统内置AutoCAD的DXF数据、GeoTIFF栅格影像等常用文件格式的支持，方便用户在整平施工过程中及时将整平设计位置、高程异常点、三维地形晕渲影像等不同类型的数据集成进来，为整个系统的实现提供空间数据展现基础。

为了实现整平现场整平施工船和整平机的实时精确定位，需要在各个目标上安装GNSS、姿态传感器、水下声学定位信标等多种设备，以实时获得目标的精确位置、姿态等信息。系统的硬件设备管理模块实时接入硬件设备，根据接入设备的不同类型，按照其指定的数据格式从原始数据中解析出绝对地理坐标、相对坐标、姿态角度等信息，并融合计算出用于整平机位置监测的各项指标。

2.2 整平参数设计与就位

整平参数设计需要结合整平幅位置坐标、艏向、倾斜角度、尺寸、整平垄数量等信息综合考虑。系统采用AutoCAD中DXF文件的形式，借助AutoCAD强大的图文编辑功能适应灵活多变的设计参数需求。同时在电子地图的支持下，以鼠标点选等友好的人机交互方式实现可视化整平设计。设计参数保存在自定义的.GSDesign文件中供后续调用。

整平机就位时，需要将整平机精确导引至设计文件中的设计位置，在满足系统的水平定位精度要求后，缓慢坐底，开始整平作业。在粗略就位阶段，系统结合整平机实时位置和设计位置的坐标差值及各个锚缆拉力值，通过控制整平施工船上的绞锚机实时调整各个锚点的缆绳长度，逐步将整平机稳定绞移至设计位置。就位过程中，系统将整平机四角距离设计位置的偏移分解至“右舷-艏向”船体坐标系，并以指向箭头的形式绘制在电子地图中整平机对应位置，方便现场指挥人员判断整平机当前位置与设计位置的关系。

在精细就位阶段，整平施工船锚定在设计位置后，整平机开始下沉坐底。由于海底地形复杂，为了防止坐底过程中整平机横梁与地形发生直接磕碰，系统在预先导入的多波束测深系统扫测数据支持下，绘制整平机4个剖面的剖面线，直观地反映出液压桩腿、整平机横梁与地形的相互关系（见图3）。

图3 精细就位阶段整平机各个剖面的就位剖面窗口Fig.3 Positioning window of leveling machine's profiles during its fine positioning

2.3 整平作业监测

整平作业监测是系统的核心，辅助决策系统融合水下声学定位信标、倾斜仪、测深仪和压力传感器等设备数据，获取整平机的位置姿态、特别是高程等关键整平施工辅助决策信息，并以用户易于理解的形式实时提供给现场施工人员。

整平机上的料斗口同时具备刮刀的功能，决定最终整平高程，其位置及高程是整平施工现场的关注重点。整平作业监测中的数据融合功能根据现场各个设备的输出内容、校准参数及其安装位置进行多个步骤的融合计算，实现“整平施工船-整平机-料斗口”的三维坐标传递。系统中水下声学定位信标和压力传感器容易受到水深、海况、水密度等外部因素影响[14]，其工作状态往往不够稳定，为了在宝贵的整平施工窗口期提供不间断整平监测数据，系统中提供了整平机定位要素（平面位置、高程及3个坐标轴的旋转角度）的多个数据来源进行冗余设备备份。

整平作业监测模块主窗口包括整平高程栅格图、剖面图和曲线图3个部分，能够从多个角度展现监测过程中整平机的位置姿态，以及料斗口高程和设计高程的相对关系。

1）整平高程栅格图：辅助决策系统将整平区域抽象为整平栅格图，根据料斗在整平区域内的当前相对位置将料斗映射至栅格图坐标系中，并按照预设的颜色表，将当前料斗口高程与设计高程的差值填充栅格图中对应的区域（图4）。伴随整平过程中料斗口逐垄行进，栅格图中也逐垄填充颜色，从而直观地反映出实际整平高程和设计高程的差值（即该幅整平施工质量）。同时在栅格图中按照各个液压桩腿的分布在对应位置显示各个液压桩腿的伸长量、需要调整的距离等关键信息，使整平过程中用户感兴趣的各项参数在整平栅格图中得到集中展示。

图4 整平作业监测主界面Fig.4 Main window for leveling operation monitoring

2）剖面图：剖面图中的主体是从4个角度观察得到的整平机剖面，根据对应方向的整平机倾斜角度，在剖面视图中旋转，展示对应观察角度整平机的姿态信息。同时，在剖面附属的2个液压桩腿的对应位置显示液压桩腿伸长量、需要调整的距离等关键信息，从而为现场操作人员提供更加易于理解的操作提示。

3）曲线图：曲线图的横轴表示当前整平垄上各点到整平垄起始端的距离，纵轴表示高程。在曲线图中绘制了设计高程曲线，及根据高程精度限差绘制的指示曲线。在整平过程中，系统根据料斗口高程实时更新料斗口高程动态曲线，从而反映出其与设计高程的相互关系及整平质量。

2.4 整平数据管理

整平数据包含了最终的整平高程等施工关键信息，对于质量管理、分析都具有重要价值，需要进行有机组织管理以进一步深入利用。文件系统相比较于常用的关系数据库具有操作方便的优点，更适合当前类型的工程需要，整平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。

整平监测数据文件自动以“当前整平幅名称+日期时间”的形式进行命名，后缀名为.GSSurvey，包含文件头和文件体两部分。文件头记录了工程坐标系参数、文件存储路径、记录开始时间、设备名称及偏移、工程项目备注信息等元数据；文件体则按照“整平幅-整平垄-采样点”的结构，每一个整平垄对应一行数据，在数据行中顺序存储该垄各个采样点的监测高程，实现对整平结果的质量检查、超限点个数等关键数据统计等工作。针对传感器原始数据，辅助决策系统则按照“传感器编号-时间戳-原始数据”的方式制定组织和存储策略，设计了后缀为.GSRaw的二进制文件格式，按照时间戳信息记录各个设备的坐标、压力、高度等原始数据，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整平施工过程，实现整平作业实时监测数据的有效管理和充分利用。

系统中的整平数据按整平幅组织，在整平数据管理窗口中，当前项目的整平数据集中在左侧列表框中。选中某整平幅的监测数据后，系统会自动调取详细整平监测数据并在右侧显示栅格影像及曲线图。栅格影像用于表达整平区域的条带状连续整平高程信息[15]，辅助决策系统根据各个整平幅监测数据生成GeoTIFF栅格影像，将整平施工时的平面位置记录在对应的.tfw文件中，用颜色表示整平实测高程和设计高程的差值，并显示在电子地图的背景底图中，实现基于地理信息技术的整平监测数据平面位置、整平高程质量的关联集中显示，直观的图形化展示整平施工质量。

3 辅助决策系统应用

2020年7月和11月，辅助决策系统分别在深中通道E32、E31管节寄放区整平作业中得到应用。在整平前，使用辅助决策系统中的整平参数设计模块准备整平区域内各幅整平设计文件；测量人员使用全站仪获取各个设备的精确安装和校准参数，辅助决策系统在此基础上，融合计算出整平机位置、水下料斗口实时高程等关键参数，指导现场操作人员完成寄放区基础整平工作；整平施工结束后，辅助决策系统汇总各幅的整平质量，统计各整平幅中偏离设计高程的采样点三维坐标，为后续施工环节提供参考。期间先后完成110余幅整平作业，辅助决策系统各个模块的功能性、可靠性得到全面检验。

4 结语

1）辅助决策系统满足了深中通道管节寄放区水下整平施工过程中的位置数据，特别是高精度高程数据监测需求，已在深中通道寄放区整平中发挥重要作用。文章剖析了其系统架构和主要功能模块，并介绍了适应完全水下整平作业模式的柔性高程传递技术。

2）应用结果表明，辅助决策系统使用的数据融合计算方法高效正确，剖面、栅格、曲线、文本相结合的丰富数据展现方式能够充分展示实时监测高程和设计高程的相对关系，数据组织管理科学合理，适应当前精细化施工发展趋势，满足整平施工应用需求。

3）后续可以和水下液压控制系统结合，实现辅助决策系统和工业控制系统的联动，进一步提高水下整平施工现场的自动化水平。