一体船沉管施工测控系统的设备选型及优化配置

一体船沉管施工测控系统的设备选型及优化配置

李阳

上海司南卫星导航技术股份有限公司

摘要：一体船沉管的管节体积十分庞大，浮运距离较长，需要消耗较长的时间，对于水下作业过程的精确度要求较高。测控系统周围航线的环境较为复杂，对于作业过程的精度及效率要求较高，需要正确、可靠的数据信息，为作业过程提供安全保障。因此，需要优化设备配置，科学选择设备型号。本文主要阐述了一体船沉管施工测控系统的设备选型及优化控制方案。

关键词：一体船沉管施工测控体系；设备选型；优化配置；

测控系统在系统运行的安全性及功能的完善性方面做出了较大的改变，提高了数据输出过程的多样化程度，将安装测控系统与浮运测控系统联系起来，使用共同的设备，保证了设备参数及数据库信息具有较强的一致性。同时，统一设计了两个子系统的界面风格，保证界面具有较强的一致性。

一、工程概况分析

深中通道位于珠江口核心位置处，距离虎门大桥的距离约为30km，距离港珠澳大桥的位置约为38km，与广深沿江高速机场互通，向西延长到中山马鞍岛位置处，与横门互通立交，工程长度约为24km。该工程的S09标段设置了22个管道节点，在二次安装之后完成桂山岛的沉管安装工作，通过自航式一体船运输隧道基槽，固定其存放位置，以便完成沉放安装任务。同时，该工程确定了沉管的浮运路线，分别为由桂山预制场运输到榕树头航道，再运输到伶仃航道，经过新建浮运航道，进入安装航道，最终放置在隧道基槽位置处。

深中通道的沉管隧道长度为5035km，包括32个管道，需要由S09标段完成浮运安装任务，确定最终隧道设计安装方案。该项目的标准段沉管长度为165m，宽度为45m，高度为10.6m，自身重量约为72000吨，断面结构形式特殊。

二、设备选型及优化配置过程

深中通道的管道体积较大，需要经过较长的浮运距离，耗费较长的时间，对于水下工作的精度要求较高，周边航段的工作环境较为复杂，运输时间具有局限性。为了确保沉管运输过程的安全性，顺利将其放置到沉放区域中，保证完成高精度作业任务，提高整个工作过程的效率与质量，需要正确记录一体船及沉管的位置信息，将其用于数据处理过程，提高系统工作效率。在设计系统时，需要综合考虑各种突发意外状况，使得系统维持正常的运行装填，选择合适的设备型号，使其具备一定的冗余度。

（一）GPS定位设备

GPS定位设备可以保证沉管浮运及安装过程的可靠性与安全性。一体船沉管施工系统中的设备运行数据可能存在着较大的冗余，可以使用手动处理的方式，自主记录设备数据信息，确保系统维持正常运行状态。同时，系统可以根据优先级判断自动选用条件，选择最佳设备组合。在手动工作模式下，自动选用设备的定位精度。手动工作模式下自动选用设备功能失效，系统会根据手动定位数据信息进行导航，将其显示在系统工作页面上，确定位置信息。

测控系统可选设备类型主要可以叙述如下。第一，DGPS信标，精度为米级，可以免费使用信标信号，全覆盖于施工区域，信号的安全级别较高。第二，GPS RTK自建参考站，精度为厘米级，需要自主架设基站，不用收取额外费用，覆盖电台10公里范围之内，在浮运开始阶段无需运输差分信号信息。第三，SZTD-CORS网络RTK，精度为厘米级，是由业主建立的，属于免费使用范围，但信号的覆盖范围有限，在进入到安装航道之后方可使用。第四，RTX星基RTK，精度为0.1米，高程为0.15米，需要开通按年付费的服务，可以覆盖在施工全区域内，信号安全级别较高，具有分米级别的定位精度。第五，MarineSTAR星基RTK，精度为0.1米，高程为0.15米，需要开通按年付费的服务。第六，PPP接收机，需要按天收费使用卫星数据信息，采用海上卫星数据信息，也可以使用公共网络。第七，单北斗接收站，具有厘米级精度，无需消耗额外费用，可以单独接收北斗定位信号信息。

上述设备均具有不同的特点，在不同工作条件下会展现出不同的性能，性能与工作特点方面也各有差异。星基差分仪器需要耗费较高的使用资金，在适用范围、精确程度及卫星数据来源等方面不具备得天独厚的优势，可以不予以考虑。自建参考站中的GPS RTK设备与业主的CORS网络不具备兼容性，无需选购其他设备即可。PPP接收机与单北斗接收机属于备用方案，使用性能较高，性价比较好，具有较高的可靠性。为了正确选择设备型号，需要结合设备使用经验，综合考虑信号强弱、覆盖范围、系统工作的独立性及费用等多个指标。经过优化过程之后的测控系统可以全部接入上述设备，保证设备运行的安全性及冗余度。

此外，需要在浮运航道及安装位置处测试优化选取的设备，重点检查信标DGPS、PPP、独立单北斗系统的全浮运航道，测试差分设备类型，确定不同航段的稳定性、可靠性及运输精度。

（二）双轴测倾仪器设备

该设备的指标主要包括精确度、对被测量物体姿态变化的敏感度及数据延迟性等。通常情况下，数据延迟小于0.1秒的传感器属于性能较好的传感器设备，数据延迟时间位于0.1-0.3秒之间的传感器属于中等性能传感器设备。

浮运及安装沉管的过程中需要使用姿态传感器，测定沉管的大致姿态，测量其首尾高度差，将精度控制在10cm范围之内，使得设备倾角大于0.03度。安装过程对于沉管姿态的要求较高，需要将首尾高度差控制在5cm范围内，使得设备倾角大于0.015度。

浮运沉管期间的管道位置及姿态变化幅度较大，对于精度要求较低，安装过程的要求恰好相反，但对于测定姿态精度要求较高。双轴倾斜传感器是姿态设备的主要传感器，具有较强的工作精度，可以满足其动态工作特性。要根据设备使用经验选择测控系统所需的姿态设备传感器数量，保证系统运行过程中具有较强的安全性与冗余程度。

（三）通讯及其他设备

串口通讯方式可以发送设备定位及姿态测量信息。经过串口服务器作用，各类信息可以被转化成为网络数据，在一体船及周围区域建立强大的局域网，将设备纳入数据搜集中心。一体船系统前后联通，可以建立有线局域网，方便设备之间进行数据通讯。同时，可以使用无线网桥作为无线通讯设备备份，将其连接起来，形成一体化的局域网体系。无线网桥具有较强的可移动性与数据传输能力，可以向GPS数据中心提供定位数据信息，在工位之间形成测控系统视线图。

为了能够实时验证GPS卫星定位系统的可靠性，需要在隧道施工现场和预制场建设RTK GPS接收机设备，将其传输到测控体系中，作为参考目标。同时，需要使用四台远距离无线电电台传输设备。浮运过程可能会受到岸边发来的检测数据。实际上，需要根据以往使用经验与前期测试状况确定数据通讯及其他设备型号选择结果。

（四）其他设备

     首先，测风流设备能够检测施工环境中的风速风向、水流流向、航道航向及基床高程变化等信息，将系统测量结果收纳到测控系统中，根据相关部门工作要求确定测风流设备的型号及数量。

    其次，施工过程中需要记录现场录音状况，对其进行归档处理，并回放相关数据信息。在音频报警设备中，需要设置耳机接口，根据部门使用需求确定设备工作状况及所需数量。

结束语：

综上所述，“测控系统”使用的设备种类与数量均较多，需要将设备搜集的数据上传到数据中心，并存放在数据库中，使得系统软件能够在数据中心获取相关信息，使用时间及里程标记数据信息，将其记录为档案文件数据，简化回放分析过程。可以优先使用有限网络数据信息，保留下无线网桥或有线网络数据信息。同时，测控系统需要总结以往的工作经验，为后续数据分析过程奠定基础，提高作业完成效率与质量。

参考文献：

[1]王明,赫亚锋,宁进进,管泽旭.海水密度对超长距离沉管浮运安全影响分析及应对措施[J].中国港湾建设,2021,41(05):5-10.

[2]伍雄庄,丛桢.一种大型隧道沉管运输安装工程船的推进电控系统[J].船舶工程,2020,42(S1):343-345+408.

[3]世界首制！“一航津安1”自航式沉管运输安装一体船交付[J].船舶标准化工程师,2019,52(05):8.