冯海暴，吴一鸣，曾凡军，周良玉，冯甲鑫

（1.中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071；2.中国交通建设股份有限公司，北京 100088；3.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；）

深水抛填船实时测控验收系统设计与应用

冯海暴1,3，吴一鸣2，曾凡军1，周良玉1，冯甲鑫1

（1.中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071；2.中国交通建设股份有限公司，北京 100088；3.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；）

航道整治工程中，施工抛填块石施工时，船舶对水下抛石的厚度和平面位置确定具有一定的难度，设计深水抛填船测控系统实现块石抛填的厚度和位置实时显示，并介绍了本系统的设计原理、系统设计和操作工艺，经测试证明，该技术具有先进性，自动化程度高，对工况适应性强，可达到高效作业，解决了抛填施工的技术难题，可为类似工程借鉴应用。

深水抛填船；自动测控系统；实时显示

1 工程概况

长江南京以下12.5 m深水航道二期工程，起于南通天生港与一期工程上端点顺接，上端止于南京新生圩港区的上游边界，并与上游航道顺接，河段全长227 km。自下而上整治福姜沙、口岸直、和畅洲、仪征4个重点碍航水道。和畅洲水道整治工程位于江苏镇江与扬州之间的镇扬水道，施工区域距离上游南京市约95 km。

工程施工现场由于抛填和畅洲水道整治工程内容包括新建2道长度分别为1 817 m和1 919 m的潜堤及其接岸工程，完成和畅洲水道共10.771 km的护岸专项工程。工程平面布置见图1。

工程内容包含抛石约 181万 m³，软体排铺设157万m²，砂肋软体排33万m²，以及冲灌砂被、堤心砂袋抛填等。工程施工中需要配置的船舶也非常多，在江中施工船舶之间互相靠泊，对船舶的撞击力也需要结合实际情况进行计算分析，采取相应的措施消除影响。

图1 工程平面布置

1.1 深水抛填船概况

深水抛填船是专为长江南京以下 12.5 m深水航道二期工程设计的专用抛填块石的船舶，该船由母船和抛石结构组成，主船一侧安装抛石结构，一次移船驻位可实现延船纵轴方向移动20 m，竖向可升降高度为30 m。为了防止抛石施工时，石料受水流影响使得石料落底位置偏离过大，抛石施工作业采用一个深入水下的石料溜槽，石料从上部料斗导入，通过溜槽将石料引导下落到槽口溜槽安装在台车上，可以沿船玄方向前后直线移动，根据施工区域的水底高程可上下调节溜槽口高度。平面布置示意见图2。

图2 深水抛填船平面布置示意

1.2 实时测控验收技术

通过声呐测控系统对水下抛石厚度高程和平面位置进行发射声波，待声波接触抛填块石后会自动反射到接收器，测控系统通过发射和回收的时间自动计算出抛填块石的高程，然后通过溜槽上部的GPS1测出水下发射仪器的绝对位置，将竖向绝对高程、平面绝对位置传递至电脑进行处理记录，实时动态显示记录抛填船的的工作状态。

2 测控系统设计

“抛石船测控系统”设计了冗余设备，以获得更好的定位精度和可靠性。实际使用时，可根据需要接入设备，选择不同工作模式。完整的可接入设备及安装方式见图3。

图3 测控系统工作原理

系统由定位由GPS1、GPS2、GPS3组成，水下抛石的高程和厚度由水下测量仪器测控，船体的姿态测控由倾斜仪控制，通过系统中安装的 RTK GPS、水下测量仪器等传感器，实现对水下抛石施工的石料抛填点的实时精确三维定位与实时检测。GPS1安装于抛填结构溜槽上部，GPS2和GPS3安装于母船上，母船定位通过GPS2和GPS3实现；GPS1通过溜槽换算出换能器的高程和位置；倾斜仪控制母船的姿态从而实现控制溜槽在水下的姿态控制换算修正；水下测量仪器负责测出水下抛石的相对厚度，再通过上述仪器转换换算出抛石的绝对厚度和平面位置，通过数据采集与处理、图文显示等功能与方式，精确测定石料抛填点实时位置，从而实现抛填船测控系统的设计和目的，指导施工作业。

2.1 水下测量仪器选型

测控系统的水下测控设备主要针对测深仪和高度计[1～3]进行了比选，对比统计见表1。

表1 测控系统的水下测控设备比选

通过比选，数字单频测深仪水深工作范围仅为10 m，该项目最大工作水深约为50 m，而高度计从精度上更加精确，易于维护，采用了高强度铝合金外壳防水一体化设计，LCD数码/键盘设置参数/操作简便，水底自动跟踪门技术，可适用于50 m以上的工作水深，故选取高度计作为本系统设计的水下测控设备。

2.2 定位系统

在船舶艏端对称设置2台GPS接收机，溜槽上部设置1台GPS，将数据线通过无线发射模块传送至总控制室，根据 GPS平面坐标读数以及位置关系，计算出船舶及水下抛填块石的平面位置绝对坐标，系统误差可实现5 mm～1 ppm。

2.3 抛填竖向测控系统

定位系统包括3台RTK GPS工作模式和2台RTK GPS工作模式[6]。

1）3台RTK GPS工作模式

当系统中接入3台正常工作的RTK GPS时，可选择3台RTK GPS工作模式。此时，GPS1、GPS2用于船位确定，GPS3用于溜槽位置和槽口高度（高度计高度）的确定。此工作模式的定位及测高原理较为简单。

2）2台RTK GPS工作模式

当系统中GPS1和GPS2有1台未接入或工作不正常，GPS3工作正常时，可选择2台RTK GPS工作模式。假设GPS1工作正常，此时采用GPS1和GPS3进行船位确定，GPS3仍用于溜槽位置和槽口高度（高度计高度）的确定。

此工作模式由于GPS3处于移动状态，为了正确进行船位确定，需要在设备标定时测定行车轨道在船体坐标系中的方向，建立轨道的平面方程，通过GPS1、GPS3的距离实时解算GPS3的船体坐标，以建立船体坐标系与施工坐标系的实时坐标转换关系。

当溜槽固定在一定高程位置上时，通过GPS换算出下部高度计的端部高度，换算示意见图4。

图4 高程换算示意

水面高程为0位高程，GPS测出读数为H读，GPS与水面线之间的距离为H1，高度计距离水面线距离为H2，高度计的读数为H3，设基床面的实时高程显示为H4，则基床面高程H4=H读-H1-H2-H3，即为基床抛石面的高程。

3 系统功能

系统设计能够接入上述全部设备数据进行工作，结合工程的施工情况，主要具备如下功能和数据的记录工作。

3.1 显示关键数据的功能

系统要实现显示甲板高程、船舶工作区设计位置和实际位置、导向板的平面位置、下放深度、导向板底高程、检测点高程、检测结果、平面偏差、高程偏差。

同时能够实时检测记录抛填区高程、控制导向板的移动速度和移动长度、已抛石部分和未抛石部分用不同颜色区分开、可以实现有线和无线数据同时接入，能够通过局域网实时发布数据，做到多用户同时共享数据；各种观测量本身在系统转换时确保采用严密的计算过程，以保证在数据转换时精度不受损失，通过合理设置设备安装方式，确保导向板的平面和高程精度均能满足抛石需要。

3.2 坐标转换及图形处理

能够实现坐标转换功能，将 GPS测得的WGS-84坐标转换成工程坐标系中的坐标；能够导入Auto CAD格式的背景图等；可以输入实时气象预报数据；能够导入Office Excel格式的相关数据，根据施工需要生成Office Word格式和Office Excel格式施工记录表；实时、同步采集各仪器设备数据，计算出导向板底部的三维坐标，实现抛石和验收的同步测量。

实现二维和三视图三维动态显示，实时用图形的形式直观的显示，并且可以多角度切换，给技术人员提供直观的参考；系统可实现实时抓图、自动记录显示文件并以图文形式储存。

4 系统操作要点

4.1 抛填船就位

抛填船通过锚泊系统实现初步定位，然后开启GPS精确就位系统，通过缆系调整起抛填船精确就位，实现平面位置偏差不大于5cm。

4.2 运料船靠泊

运料船采用平板驳，靠泊船舶航行速度不得大于0.3 m/s，且靠泊船舶的吨位不大于3 000 t级，靠泊后通过定位缆系绑定连接。

4.3 溜槽就位

启动系统提升或下降溜槽系统至一定的高度后，开启测控系统测量进行扫测水下原基床面的高程，进行一次记录。

4.4 抛填作业

首先设定设计抛填高程后，通过送料系统向溜槽内送料，并开启测控系统实时检测抛填块石厚度的变化情况，达到设计抛填高程后，停止送料作业，此时测控系统自动记录抛填块石的高程，并开启溜槽横向移动卷扬机，拉动系统延船舶纵向移动，移动至设计行程后，通过锚系绞缆移船至下一船位。

4.5 扫测验收

待整个船尾抛填完成后，提升抛填溜槽距离抛填面一定高度，开启扫测验收系统，进行抛填基床面的验收比对作业，并行成验收数据，完成该船位的块石抛填、验收作业。

在整个过程中，GPS实时显示基床面抛填块石的高程并记录[7]，该系统不受潮位的影响，并可以通过倾斜仪数据，在系统软件中实时修正抛填块石的厚度和高程，实现自动化作业。

5 结 论

该系统在深水抛填船中得到应用，并在后海基地进行了系统测试，通过分析研究证明该系统是先进的，在我国水运工程航道整治工程中，对大流速、深水恶劣工况的适应性更强，系统的应用得出块石抛填高度偏差不超过1cm±0.1 %所测深度[4]，平面位置抛填偏差不大于10cm，该系统具有深度大、精度高、工效高、自动化等显著，并有效的提高有效作业时间，可为类似工程测控系统的设计及使用借鉴应用。

[1]刘亚龙.HY-2雷达高度计海面高度定标技术研究[D].中国海洋大学,2014.

[2]李国庆.单波束测深仪设计与实现[D].哈尔滨工程大学,2009.

[3]牛刚.基于嵌入式的回声测深仪系统设计[D].南京理工大学,2009.

[4]胡昌顺.单波束测深仪系统仿真设计[D].哈尔滨工程大学,2012.

[5]程剑刚.网络RTK技术联合数字测深仪在湖泊库容测量中的应用[D].中国地质大学（北京）,2014.

[6]孙建东.回声测深仪数字系统设计[D].南京理工大学,2007.

[7]吕继书,万仕平,李玮.GPS结合测深仪水下地形测量原理与应用[J].天然气与石油,2010,02:50-51.

Design and Application of Real-time Measuring and Control System Used by Deepwater Riprap Vessels

Feng Haibao1,3,Wu Yiming2,Zeng Fanjun1,Zhou Liangyu1,Feng Jiaxin1
(1.No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao Shandong 266071,China; 2.China Communications Construction Co.,Ltd.,Beijing 100088,China; 3.Engineering Institute,Ocean University of China,Qingdao Shandong 266100,China)

During the construction of riprap in waterway regulating projects,it is difficult for a vessel to determine the thickness and plane position of underwater riprap.The monitoring and control system of deepwater riprap vessel displays the thickness and position of riprap in real time.Its design principle,systematic design and operation technology are introduced in detail.The technique is proved to be advanced,highly automatic and adaptable to various operating conditions.The above system supports efficient operation and solves the technical trouble of riprap construction,which will provide a reference for similar projects.

deepwater riprap vessels; automatic measuring and control system; real-time display

U617.6

：A

：1004-9592（2016）06-0044-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160611

2015-09-08

冯海暴（1980-），男，高级工程师，主要从事港口、航道等工程施工及研究工作。