港珠澳大橋島隧工程浮運操作指揮系統開發

劉兆權，周相榮，王殿文，孫陽陽

0　引言

港洙澳大橋島隧工程沉管隧道穿越珠江口、廣州深圳西部港區出海主航道，沉管段長5 664 m，共有管節33個，是迄今世界上規模最大的海上沉管隧道工程。管節截面采用兩孔一管廊形式，標準管節長180 m，寬37.95 m，高11.4 m，單根重78 000 t，排水量8萬m3，是目前世界上最大的混凝土構件[1]。考慮到沉管浮運區域狹窄，為了保證沉管在浮運窗口要求時間內安全浮運，港珠澳大橋島隧項目部開發了沉管浮運導航操作指揮系統。

1　沉管浮運狀況

沉管浮運存在大量施工難點，主要施工難點如下：

1）施工區水域狹窄，浮運航道寬僅240 m，外側水域不滿足吃水要求。

2）過往船只多，浮運線路位于目前我國航運最繁忙的水域，日船舶交通量達4 000艘次。

3）管節尺寸大，是世界上最大的混凝土構件之一，標準沉管重達7.8萬t，排水量8萬m3。

4）氣象、海況復雜，流向與基槽垂直，水流力較大，浮運時最大迎流面積達2 100 m2，拖航阻力達到300 t，風險大。

5）浮運采用8～10艘拖輪（總馬力數超過22 050 kW（30 000 Hp）），一致性要求高，國內尚無這方面的施工經驗，協同作業難度大[2]。

根據作業窗口，管節高平潮出塢、編隊拖航或提前從深塢區移至塢口外臨時系泊區，拖輪在塢外臨時系泊區編隊帶纜，然后浮運至管節沉放位置。浮運航道總長約12 km，基槽內浮運最大距離約3 km，每節管節浮運有3次航道轉換[3]。

浮運航線有3條：

1）預制場航道→榕樹頭航道→出運航道一→第一轉向區→基槽→安裝位置（用于E1—E8、E10、E12—E14浮運）。

2）預制場航道→榕樹頭航道→出運航道二→伶仃西航道→第二轉向區→基槽→安裝位置（用于E9、E11、E15—E20浮運）。

3）預制場航道→榕樹頭航道→一次橫移區→出運航道三→第三轉向區→基槽→安裝位置（用于E21—E33浮運）。

為了克服拖航水流力，降低施工風險，首創了吊拖+傍拖的超大型沉管拖航方式，8～13艘作業的拖航方式對拖輪協作要求極高，拖輪協同作業難度大。管節拖帶方式見圖1。為保證管節浮運過程中管節、拖輪等的安全，在浮運過程中對管節位置、速度、姿態、方位、10艘拖輪和管節相對于設計航線的偏距等進行時時監測。

圖1　管節拖帶方式Fig.1　Pipe section towing mode

2　浮運操作指揮系統研究

2.1　浮運操作指揮系統要求

為了保證沉管浮運安全性，增加浮運指揮的系統性和高效性，需要沉管浮運導航系統滿足下列要求：

1）導航系統可視化，可以顯示沉管位置、航道位置和主要拖輪位置。

2）定位系統穩定性。

3）沉管運動趨勢、軌跡線。

4）航速、流速、流向顯示。

2.2　沉管浮運指揮系統界面滿足原則

管節拖航浮運桌面系統是管節拖航浮運的輔助工具，是決策科學化的依據，是管理可視化的手段，該界面系統的設計應滿足以下原則：

1）針對性

桌面系統針對管節拖航浮運的特殊性設計，反映管節在拖航浮運過程中的運動特性，同時滿足航道、轉向區、基槽區不同狀況下的拖輪配置需要，能夠靈活的進行拖輪控制。

2）直觀性

桌面系統不僅能夠直觀反映管節和拖輪運動軌跡，同時能夠反映拖輪的使用情況，包括拖輪的用車情況、拖帶角度和拖纜長度等詳細信息，動態呈現管節的運動和受力數據。

3）易操作

桌面系統針對島隧工程的實際應用開發，界面操作簡便，避免操作繁瑣和晦澀難懂，影響桌面系統的應用效果。

2.3　沉管浮運保障措施

2.3.1浮運氣象窗口

氣象作業窗口保障沉管浮運安裝期間波浪流作用力在拖輪配置范圍內，根據總體氣象窗口限制條件選擇浮運氣象窗口。氣象作業窗口一般在陰歷初七和二十三小潮汛期間。浮運作業窗口見表1。

表1　浮運作業窗口Table1　Floating operation window

2.3.2氣象預報與氣象水文分析

根據浮運作業要求，潮位、潮流采用高分辨率小區域數值模式，預報結果由國家海洋環境預報中心提前1—2月提供。主要預報數據有潮位預報、流速預報，其中流速預報為分區域預報，分為塢口A1、A2、 A3點、榕樹航道B點、出運航道一、二交界C點、轉向區D以及基槽預報。預報點位見圖2。該流速預報結果誤差在±20 cm/s以內，滿足浮運作業要求。

圖2　流速預報點位置示意圖Fig.2　Flow rateforecast point position diagram

根據已安沉管的預報數據與實測數據對比，針對下一個氣象作業窗口，通過潮位對比比選出與已安管節類似的氣象窗口，并將預報數據與選定日期的實測數據對比以修正國家海洋預報中心的預報結果。

為了提高預報精度，浮運作業前國家海洋預報中心提供12 h氣象預報，對原預報結果進行修正，該預報結果和現場氣象情況更為接近。

3　浮運導航系統

為保證沉管浮運安全和在規定的潮水時間內完成，港珠澳大橋島隧工程開發了浮運導航系統。經過4次浮運系泊演練和E1—E33沉管現場操作檢驗，浮運指揮系統可以滿足港珠澳大橋島隧工程沉管浮運要求，該系統穩定可靠，準確性高。

3.1　浮運導航軟件組成

浮運導航系統由導航系統功能區分安裝3套獨立的硬件系統，主要包括UPS、電腦、GPS、電臺、無線AP等設備[4]。

3.2　浮運導航軟件功能

1）位置解算

實時、同步采集GPS的坐標數據，計算各特征點（轉向點、調頭區、系泊區）與GPS之間的空間關系；顯示管節在航道、調頭區、基槽的地理位置。

2）實時導航顯示

實時顯示浮運沉管和10艘拖輪的位置及已安裝沉管的位置。

實時顯示國家海洋預報中心實測的流速、流向數據。

實時顯示測量船現場實測的海水密度。

實時顯示GPS模式的已完成路程、剩余路程和已用時間、預計完成時間及其它在拖航中有參考意義的數據。

3）數據導入導出

能夠導入電子海圖、Auto CAD格式的背景圖、設備形狀細節圖等，結合電子海圖或者背景圖實時顯示航道兩側的航標、礙航物等。

能夠導入Office Excel格式相關數據，能夠導出Office Excel格式或者自定義格式相關數據[5]。

4）邊界設置和安全預警

用戶可以設置使用不同顏色顯示不同的水深范圍及滿足浮運要求的水深范圍，設置不同顏色顯示沉管浮運航道的控制邊線、中心線。

設置沉管固定點距控制邊線的距離值，如小于設定值時或其他預設預警值時以聲響和屏幕圖文提示方式給予及時報警。

流速大于氣象窗口要求的流速值時給予報警。5）數據記錄和回放

所有數據實時記錄，數據可回放用于事后觀摩研究。

自動記錄相關數據為數據庫格式。

6）可靠性保證

系統能夠根據設備數據給出的設備健康狀況和設備冗余觀測數據判斷整個系統的定位精度和可靠性，并給出相應的警示。

7）中英文切換

軟件界面可顯示中文或英文兩種語言文字。

3.3　第一定位系統

此系統為首選定位系統，以信號穩定性為主，利用1臺雙天線信標機作為沉管定位設備，通過無線電臺傳輸9艘拖輪信標機觀測數據，主界面實時顯示沉管和拖輪信息，指揮室和參觀室通過有線傳輸視頻信號實現軟件顯示。第一定位系統設備配置見表2。

實時顯示沉管和拖輪位置信息：在管節首尾兩端系纜柱位置新增扇形刻度線，刻度線15°為一格；左上角顯示流速與管節軸線關系，并顯示與管節軸線夾角；軟件界面增加距離標線網格（100 m為一格）；增加沉管方向矢量線、增加纜繩長度及與軸向方向夾角；增加首尾航跡線顯示，顯示沉管運動趨勢，為指揮人員提供預判。導航系統顯示界面見圖3。

表2　第一定位系統設備配置Table 2　The first positioning system equipment configuration

圖3　導航系統顯示界面Fig.3　Navigation system display interface

3.4　第二定位系統

此系統為次選定位系統，以數據精確性為主，利用4臺RTK GPS接收機作為定位設備，其中2臺接入一臺電腦接收預制場參考站差分信號，另2臺接入另一臺電腦接收西島參考站差分信號。實時顯示沉管的位置信息，包括航速、航向、偏航等信息。

3.5　第三定位系統

此系統為備用定位系統，以數據穩定性為主，只接收雙天線信標機數據，實時顯示船舶信息，指揮室通過有線傳輸視頻信號實現軟件顯示。實時顯示沉管的位置信息，包括航速、航向、偏航等信息。

4　浮運導航軟件操作流程

沉管浮運導航測控軟件安裝在安裝船和拖輪上面。施工現場的工作程序如下：電子海圖輸入→GPS顯示管節位置→國家海洋預報中心測流→流速信息輸入軟件→指揮人員根據流速和管節位置調整拖輪位置→浮運視頻導出。操作流程圖見圖4。

5　工藝實施效果

導航系統融合導航定位、無線電等技術，以浮運現場管節作為指揮中心，通過可靠的數據傳輸、科學高效的數據處理分析，逼真形象的顯示了沉管浮運狀況[6]。導航系統包含拖輪位置顯示，沉管位置顯示，航道區域顯示及航道預警區顯示，現場流速、流向、航速顯示，航跡線及運動趨勢顯示，數據存儲等模塊，是管節浮運導航的指揮平臺，浮運指揮人員可以在操作室完成沉管浮運指揮。

圖4　操作流程圖Fig.4　Operational flow chart

1）拖輪沉管位置顯示

在拖輪及安裝船上安裝GPS天線實時觀測拖輪及沉管的位置，并將其顯示在浮運作業航路上。浮運指揮員可以清楚看到沉管和拖輪的位置，以及拖輪拖拽角度和纜繩長度。

2）浮運航道顯示

浮運航道在導航軟件的背景圖，可以清晰看到沉管目前處于航道的位置。另外，在轉向區、調頭區和系泊區設置特征點，實時顯示沉管到特征點的距離。在浮運航道的邊界內50 m標出邊界警戒區域，提醒浮運指揮員注意控制沉管姿態。

3）航速、流速顯示

現場國家海洋預報中心的4個現場測流浮漂每15 min發送1次流速流向信息，經過判斷處理的流速信息顯示在導航系統上；沉管浮運航速通過沉管位置差異計算出沉管瞬間流速；浮運指揮員可以通過流速和航速判斷沉管受力情況。

4）航跡線和運動趨勢顯示

導航系統實時記錄沉管的運動軌跡，并在沉管首端、尾端顯示沉管的運動軌跡點，很好地為指揮員提供沉管運動趨勢，指揮員可以及時調整拖輪受力，保證沉管姿態。

6　結語

經過E1—E33沉管現場浮運作業，浮運指揮人員通過浮運導航系統可以坐在指揮室里完成沉管浮運指揮，并清楚地了解室外的風浪流、沉管的運動情況，徹底改變舊的浮運指揮方式，極大地保證港珠澳大橋沉管浮運的安全。

港珠澳大橋島隧工程沉管浮運導航系統是國內首次應用在沉管浮運導航的操作系統，改變了傳統的浮運導航模式，提供了更為人性化、可視化和系統化的控制界面；現場流速流向的預報與實測數據提高了浮運作業的安全性。該系統為浮運作業提供安全保障，大大降低了人力、物力的投入，并為國內甚至世界上的沉管、沉箱浮運提供參考。

參考文獻：

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