海上风电全自动水下打桩技术研究

华电重工股份有限公司 罗玉涛 洪 泽

海上风电的快速发展，海上风场选址离岸距离也越来越远，水深越来越深，如青州三海上风电项目水深在50m左右，离岸距离及水深的增加也增加了风机基础单桩的长度与重量，制造、运输、施工难度增加，如果缩短单桩长度打桩时就必须进行全水下的施工，现有的测量技术将很难满足施工精度需求，通过新型水下工程测量技术的应用，可以减少海上风电施工难度和成本，缩短项目实施时间，提高整体效率和竞争力[1]。

针对现阶段和未来海上风电施工进入深水区以往测量手段失效的情况，本试验研究了一种新型水下工程测量技术，开发水下施工作业测量整体解决方案，以保障水下施工精度要求，提高项目实施效率。利用水下机器人搭载高精度水下光纤姿态仪、3D声纳、摄像仪等设备实现全水下打桩控制测量，并和传统测量手段进行数据对比分析。正常情况下，水下打桩控制精度倾斜度控制达到0.2‰，高程控制可以达到0.5cm，由于水下机器人在水中受水流等自然海况的影响会产生晃动，光纤姿态仪初始位置安装校正精度低等情况将直接影响测量精度，本文着重对此进行相关探究。

1 水下打桩测量原理及软件实现

1.1 水下打桩测量原理

水下打桩是利用水下机器人搭载高精度光纤姿态仪、3D声纳、U-QPS超短基线，组成水下综合测量系统，首先通过U-QPS超短基线实现水下机器人的水下定位，再通过光纤姿态仪调整水下机器人的水中姿态使其稳定并构成独立的三维坐标系，对水下机器人的实时晃动采集其X、Y、Z轴的角速度变量，3D声纳探测前方30m内单桩树立面并形成点云数据，根据采集的圆筒型单桩半圆的点云数据取其直段的上下两个最长距离的剖面数据归算单桩的上下两个剖面的圆心，再根据上下两个圆心的偏差和上下距离计算单桩的倾斜度[2]。

通过3D声呐探测单桩上的特征点高度数据控制打桩深度，最后在打桩结束，打桩锤离开桩顶后，驾驶水下机器人到达桩顶测量桩顶法兰的水平度和高程。该水下综合测量系统具有高精度、高效率的特点，可实现全水下打桩控制测量，并对单桩的倾斜度、高程控制、桩顶法兰水平度和高程进行精准测量。这种水下打桩技术的应用将会在海上风电施工中起到重要的作用，降低成本，提高工程施工效率[3]。

图1 水下打桩系统的流程

采用具备全姿态360°运动维度的行业级ROV，可满足海上打桩机复杂水域使用，具备3.5节抗流稳定运动特性，支持多组外置传感器的负载能力，满足同时搭配3D成像声呐、高精度惯导单元以及U-QPS水下定位单元，并且在必要情况下搭载可作业的5轴/7轴机械手臂。X2及搭载设备示意如图2所示。

图2 X2及搭载设备示意图

1.2 水下打桩测量的软件实现

在水下打桩作业中，需要使用两种软件进行辅助控制。一是光纤姿态仪控制软件，其能够实时传输数据给水下机器人控制系统，并调整水下姿态使其保持稳定的水中姿态。二是POSpac MMS，其是加拿大Applanix公司开发的控制及数据分发软件，能够将POS MV型惯导单元的姿态数据传输给水下机器人控制系统，从而实现双重姿态保持控制。

此外，水下机器人还搭载高精度水下3D声纳，能够采集100m内前方物体的水下点云数据，并通过数据光缆实时传输到甲板控制单元。通过美国RESON公司的PDS2000软件进行快速建模分析后，使用自制的打桩倾斜精度计算软件对单桩的倾斜状况进行计算分析，并指导打桩施工。这些软件的使用可以有效提高水下打桩作业的精确度和工作效率。

综上，水下打桩中需要采用两种软件，一个是光纤姿态仪数据如何实时传输给水下机器人控制系统，并调整水下姿态使其保持稳定的水中姿态；二是POSpac MMS是加拿大 Applanix公司研制的一套智能化的定位定姿数据处理软件，是加拿大Applanix公司开发的POS MV型惯导单元（如图3所示）的控制及数据分发软件，可以以1～50HZ的数率把Roll（横摇）、Pitch（纵摇）、Heading（航向）、Heave（垂荡）等姿态数据传输给水下机器人控制系统。

本试验采用鳍源科技的X2水下机器人通过本身的姿态控制系统，以及光纤姿态仪提供的姿态数据实现双重姿态保持控制，使水下机器人能在水中保持较好的稳定状态。上面搭载的高精度水下3D声纳能够采集100m内前方物体的水下点云数据，并通过数据光缆实时传输到甲板控制单元，传输回来的圆柱形单桩的半圆形（单桩长度一般为钢制金属圆筒形，长度100m左右，直径6～8m左右）点云数据，采用美国RESON公司的PDS2000软件进行快速建模分析，最后通过自制的打桩倾斜精度计算软件计算分析单桩的倾斜状况，并指导打桩施工。

2 水下打桩测量系统实例及精度分析

本文所使用的实测数据来自中广核甲子二海上风电项目中的一根风机单桩。该单桩在测量和验收过程中采用了传统的施工手段，同时也运用了全水下打桩控制测量系统对单桩进行了同步测量，对单桩的倾斜度和高程进行了数据采集。单桩的大概位置、形状以及完工状态均可从所提供的图中得出。这些数据将有助于人们深入研究水下打桩技术的应用和发展。

2.1 传统光学测量手段测量结果

在本试验中采用了传统的水面以上的光学测量控制作为主要的测量方法，并同步采用了全水下打桩测量控制系统。这种方法可以作为全水下打桩测量控制系统的标准，用以检测并确保水下测量的测量精度。目前，海上风电工程的测量手段已经有了相对完整的施工测量规范要求和仪器检核标准，精度和可靠性符合规范要求和业主的认可。通常情况下，海上风电施工要求单桩打桩的倾斜度测量精度为倾斜度3‰，在施工过程中控制在1‰，高程为±5cm[4]。

本案例施工过程中采用了两台1″全站仪在抱桩架上成90°站位的方法，观测桩壁垂直段来控制打桩过程的桩身倾斜度。最终，在使用水准仪进行最终的倾斜度验收后，使用GPS RTK测量了桩顶高程。这些措施保证了单桩打桩的倾斜度测量精度和可靠性，同时也保障了施工效率和工作安全性。

尽管现阶段全水下打桩测量控制系统还在初步应用阶段，但优势在于其能够相对准确地获取动态的水下测量数据，而这些数据对于单桩打桩的测量和控制具有重要作用。因此，今后随着技术的不断革新和应用，全水下打桩测量控制系统将会在海上风电施工中扮演越来越重要的角色。

2.2 水下打桩测量系统测量结果

利用水下机器人搭载各种设备组成的水下测量系统，对打桩过程的桩身倾斜度和高程进行了全程测量，在每个停锤调整间隙都进行了测量取值，并以最终的停锤后的桩身测量值为最后测量值。

2.3 原始数据的检验

先对原始的观测数据进行质量检验，所用软件为pospac MMS软件，是姿态仪数据后处理软件，软件功能强大且简单易用。该软件有数据提取、数据质量检核等功能，根据数据QC质量报告显示数据只有87%能用，数据质量较差。经过对比分析查看时间轴，与打桩时间段相重叠，可以得出结论，在打桩过程当中，振动会对水下机器人在水中的姿态产生较大的晃动，影响直接影响了观测数据的质量。

3 提高水下打桩测量系统精度的方法

为了提高本案例的观测数据质量，精度根据以上分析，可以从以下几个方面来进行改正，以便提高观测精度。

3.1 姿态仪安装精度对测量结果的影响

姿态仪的数据精度较高，但是本案例是以姿态仪的几何中心作为独立坐标轴的中心来建立了一个独立的坐标系，该坐标系中姿态仪与3D声纳不重叠，有一定的相对参考力臂关系，分别在x、y、z三个轴上存在力臂参考关系。该参考关系需要精准量取，后采取在室内采用强制对中的测量设备对相对关系精确量取并最终输入到姿态仪中，输入后观测数据得到了较大的质量提高。

3.2 姿态仪初始量的校正

姿态仪几何中心与水下机器人的几何中心，也存在着一定的参考关系。该参考关系并不参与观测数据的解算，但直接影响机器人在水中的姿态稳定。可以利用姿态仪后处理软件中的calibration功能模块对数据进行精准的量取，需要在水面上驾驶机器人，沿八字路线行驶20min后对所测量的定位和姿态数据进行calibration模块的数据量取和计算，最终把数据输入到姿态仪中。输入后水下机器人的稳定性也得到了的提高。

3.3 水下机器人在水中晃动对测量精度的影响及处理办法

水下机器人作为整个测量平台的综合载体，受到水中的多种因素的影响，比如打桩过程中的振动、海浪、海流等。这些影响会导致机器人发生较大幅度的晃动，从而直接影响数据的观测质量。为了应对这一问题，可以采用机器人坐底的方式，直接避免了机器人晃动对观测数据的影响。但需要注意的是，如果单桩长度过大，3D声纳的仰角就会相应增大，从而也会影响观测数据的质量。针对这一问题，可以采取观测单装的特征点的方法。一般来说，单桩都会具备一些明显的特点，如吊耳、套笼、支腿等。因此，在单桩入水前，需要精准地量取特征点和桩顶法兰的相对关系。这些措施可以有效地提高数据的观测质量和稳定性。

值得一提的是，水下机器人在海上风电工程中具备许多独特的优势。例如，其可以在水下环境下自由运动和操作，能够快速响应施工现场的变化和需求；同时，机器人还可以高精度、快速地完成测量和控制任务，可以较大程度地提高施工效率和工作安全性。由于水下机器人技术的不断完善和应用，其将为海上风电工程的施工和维护提供更为可靠和高效的技术支持。

4 结语

在海上风电的单桩施工过程中，可采用全水下的测量控制方法。本案例中，不仅采用了传统的光学测量手段对单桩施工进行了全程测量监控，还利用了全水下的测量手段。通过对比这两种方法得出的数据，可发现其接近。在全水下的测量手段中，水下机器人受到多种因素的影响，如打桩过程中的震动、海浪、海流等，这些因素会导致机器人产生剧烈晃动，从而对观测数据质量产生影响。但是，通过上文提到的多种方法，能够有效地提高观测质量，甚至可以达到毫米级别的精度。

不仅如此，在海上风电单桩施工中，全水下的测量手段还具有其他优势。如全水下的测量手段可以高精度、快速地完成测量和控制任务，能够快速响应施工现场的变化和需求，从而提高施工效率和工作安全性。总之，采用全水下的测量控制方法是海上风电单桩施工的有效手段之一，为人们提供了更为可靠和高效的技术支持。