基于拋石駁船的自動定位控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

丁志兵 , 陳 鵬

(1.鎮(zhèn)江市億華系統(tǒng)集成有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212000;2.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

湖北襄陽過江隧道建設工程是襄陽市城市交通建設的重要環(huán)節(jié)，該工程對施工精度的要求較高。在沉管施工過程中，利用拋石駁船進行移動施工，但拋石駁船在水體移動時不可避免地會產(chǎn)生位移誤差，從而對拋石施工帶來一定的影響。為了能夠提高拋石駁船的位移精度，項目組采用水下拋錨的移船方式，在施工周邊打水下樁(受力控制在110 kN)，錨纜系在樁位上，從而能確保錨點的準確性以及纜繩上的張力。同時，為了控制精度以及船舶的位移平穩(wěn)性,項目組引入實時定位動態(tài)技術 (Real-time kinematic，RTK)衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并通過安裝架設基站的RTK GPS實時解算和定位駁船的地理坐標，從而進一步提升了船舶的精度。

本文在分析四定位絞車自動定位控制移船原理的基礎上，重點研究移船控制精度及平緩性。

1 項目施工背景概述

本項目來自湖北襄陽過江隧道工程，其中沉管隧道的碎石墊層需承受來自隧道本身、回填、管頂保護層以及回淤載荷，并將該載荷傳遞至海床基礎。碎石墊層設置V形槽，縱斷面鋸齒形，平面S 型鋪設。碎石壟溝截面見圖1。

圖1 碎石壟溝截面圖

碎石墊層頂橫向寬度35.2 m(結構寬31.2 m+結構外緣線兩側各預留2 m)，單壟頂縱向寬度1.2 m，V 型槽頂縱向寬度0.6 m，管節(jié)間大槽頂寬2.6 m。碎石壟邊坡坡率暫按1∶1.5設計，實際按自然休止角成形。基礎碎石壟溝結構見圖2。

圖2 基礎碎石壟溝結構圖

項目所用拋石駁船配備4臺100 kN定位絞車，采用三速電機驅動。船體甲板兩側分別布置2臺絞車。對這4臺三速錨絞車增加施工控制系統(tǒng)，使其滿足自動移船功能。

2 系統(tǒng)設計

拋石駁船定位控制系統(tǒng)是一套基于RTK衛(wèi)星定位的計算機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由船舶定位控制計算機、RTK基站、GPS衛(wèi)星接收機、可編程控制器(PLC)絞車控制器、設備傳感器等模塊組成。

RTK基站采用iRTK5高精度的1+2模式(陸地架設1個基站，船舶安裝2臺移動站)。根據(jù)實測，定位精度達到5 cm以內(nèi)。RTK基站建在河岸邊固定位置處，基站將接收到的移動駁船GPS位置信號通過無線通信網(wǎng)實時發(fā)給定位控制計算機；控制計算機將移動駁船GPS位置信號和基站信號實時聯(lián)合解算，從而求得基站和移動駁船間坐標增量。

設備傳感器主要包括絞車鋼絲繩拉力傳感器、絞車編碼器。拉力傳感器安裝在鋼絲繩導向輪軸處，用于實時監(jiān)測鋼絲繩受力數(shù)據(jù)并通過無線方式發(fā)送至控制計算機，控制計算機通過分析計算后發(fā)出指令控制PLC。絞車編碼器安裝于絞車軸側端，用于檢測絞車盤線纜收放速度以及線纜收放長度。

系統(tǒng)主要工作流程見圖3。控制計算機首先下發(fā)船舶移位激活指令給PLC絞車控制器，自動移船定位激活后，PLC絞車控制器接受RTK、拉力傳感器等信號，實時控制4個絞車上的拉力保持平衡，并根據(jù)當前船舶位置、4個樁錨位點計算出絞車的收放繩長，判斷出當前控制范圍：粗控制、精控制，計算出絞車的收放狀態(tài)以及收放速度，并根據(jù)絞車編碼器反饋的絞車速度建立PID控制模型。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

3 移船位移控制原理

絞車通過計算機控制信號來實時收放絞車纜索達到控制駁船有序移動的過程，每次需要將船從P1移至P2位置。移船初始位置見圖4。

移船的過程如下：

首先松開F2、S2處纜索，接著收緊F1和S1處纜索。若船位發(fā)生右偏，則松開F2纜索，收緊F1纜索；若船位發(fā)生左偏，則松開F1纜索，收緊F2纜索。待船舶基本穩(wěn)定，重復上述過程進行修正，比對船舶位置，直至符合要求，控制角度在0.2°以內(nèi)。船舶移動示意見圖5。

P1—當前船舶位置；P2—目標船舶位置；F1、F2—船首2個

圖5 船舶移動示意圖

絞車速度控制如下：

首先判斷當前船舶GPS的位置，若偏差較大(>2 m)，則收放絞車的速度為V1，持續(xù)判定船舶位置；若偏差在1～2 m間，則收放絞車的控制速度為V2；若偏差在1 m以內(nèi)，則收放絞車的控制速度為V3。其中：V1>V2>V3。

每次船舶橫向移動2 m，移動后縱向保持不變，在拋石作業(yè)過程中實現(xiàn)自動移船功能。具體技術要求如下：定位精度5～10 cm，預緊力50 kN，每次移動距離2 m，每次移動時間15 min。

為了實現(xiàn)絞車自動移船功能，4臺絞車采用交叉布錨方案，錨固定在錨樁上，定位絞車控制系統(tǒng)接收船上提供的GPS信號，根據(jù)船舶當前位置坐標及目標位置坐標，控制系統(tǒng)輸出絞車收放動作信號，從而實現(xiàn)駁船的自動移船功能，驅動船舶沿給定軌跡移船，整個系統(tǒng)為一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。自動移船系統(tǒng)框圖見圖6。

圖6 自動移船系統(tǒng)控制框圖

4 粗定位與精定位的實現(xiàn)

整個絞車駁船自動定位控制分為粗定位和精定位兩個步驟。

粗定位過程如下：

同時啟動駁船上的4臺定位絞車，F(xiàn)1、S1收纜，F(xiàn)2、S2放纜；每臺定位絞車控制收纜或放纜V1值，從而到達要求的粗定位位置。V1值為1.5～2.0 m/min。粗定位實施示意見圖7。

G1—船首GPS；G2—船尾GPS。

精定位步驟對于拋石駁船的位移有較高的要求，所以是本項目的設計重點。第一步和粗定位操作相同，仍然是啟動4臺定位絞車，F(xiàn)1、S1處收纜，F(xiàn)2、S2處放纜。每臺定位絞車控制收纜或放纜V2值并等待幾秒，系統(tǒng)通過GPS判斷船位偏差情況。V2設定為接近0.3 m/min的某個數(shù)值。通過實測偏差數(shù)值對船位置進行分析，主要分為3種情況。

第一種偏差情況：橫向位置未達到既定目標位置，無需糾偏，繼續(xù)精定位操作即可。偏差一實施示意見圖8。

圖8 偏差一實施示意圖

第二種偏差情況：船體在縱向上出現(xiàn)偏移，此時啟動糾偏措施。對于這種情況，需同時啟動4臺定位絞車，F(xiàn)1、F2處收纜，S1、S2處放纜，定位絞車動作速度為V3(V3<0.2 m/min)。偏差二實施示意見圖9。

第三種偏差情況：船體在橫軸方向與縱軸方向均產(chǎn)生偏差位移。對于此種情況需同時啟動4臺定位絞車，F(xiàn)1收纜、F2放纜，S1收纜、S2放纜，定位絞車動作速度為V4(V4<0.1 m/min)。

每次進行一次精定位操作或者一次糾偏操作后，等待數(shù)秒，由系統(tǒng)來判斷船舶的位置，并決定下一次操作是精定位還是糾偏操作，直到系統(tǒng)判斷船位的定位誤差在精度許可范圍內(nèi)(比如：橫向偏差0.1 m，扭轉偏差0.1°)。偏差三實施示意見圖10。

圖9 偏差二實施示意圖

5 結語

本文介紹了一種拋石駁船在水下工程施工中的位置定位自動控制系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和工作原理，通過引入GPS定位系統(tǒng)和RTK基站輔助實現(xiàn)駁船的位移精度控制，控制計算機在本系統(tǒng)中起到位置信息數(shù)據(jù)的比較和分析作用，并且能夠給絞車盤下達指令，從而實現(xiàn)拖曳船體的作業(yè)過程。在實際工程應用中，測得拋石駁船位移施工的平均誤差小于20 cm。