挖掘機(jī)智能引導(dǎo)系統(tǒng)在深水防波堤施工中的應(yīng)用

宋建東，邵 帥

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東廣州 510230)

1 項目概況

尼日利亞某深水港項目位于尼日利亞拉各斯自貿(mào)區(qū)，是西非最新的在建現(xiàn)代化集裝箱樞紐港，也是“一帶一路”的標(biāo)志性項目。建設(shè)內(nèi)容包括2個專業(yè)集裝箱泊位和1個拖輪泊位，碼頭設(shè)計水深-16.5 m，進(jìn)港航道長9 km，防波堤和護(hù)岸總長約2.7 km。

本項目防波堤結(jié)構(gòu)為拋石斜坡堤，最大水深約11 m，護(hù)面塊體距離坡頂最遠(yuǎn)距離約20 m，超過一半斷面位于水下，典型設(shè)計斷面如圖1所示。防波堤對碼頭和疏浚施工都有著關(guān)鍵性的作用，對整個項目工期控制和質(zhì)量控制也意義重大。防波堤護(hù)面結(jié)構(gòu)采用了新型專利護(hù)面混凝土塊體Xbloc[1]，包括2 m3、3 m3和5 m3三種規(guī)格，總計約2.7萬塊。墊層塊石按照里程分為D50=650 kg和D50=2 t兩種規(guī)格。

圖1 防波堤典型斷面示意(海測)

2 墊層理坡的質(zhì)量要求

塊體專利商荷蘭DMC公司對Xbloc安裝及墊層理坡的施工質(zhì)量提出了很高的要求[2-3]。首層（最下層）塊體為同姿態(tài)規(guī)則安放，上部插入式安放。墊層最小厚度：

式中：

Dn50為墊層塊石中值粒徑；

Hs為設(shè)計有效波高；

ht為護(hù)底以上高程；

h為護(hù)底水深；

Nod為塊體相關(guān)系數(shù)，一般取0.5；為混凝土相對密度。

根據(jù)高程不同，墊層坡面的驗收要求（設(shè)計斷面與實際斷面的高程偏差）如表1。

表1 墊層理坡偏差要求（驗收標(biāo)準(zhǔn)）

防波堤理坡施工一直是港口工程的一個重點(diǎn)和難點(diǎn)[4-5]。傳統(tǒng)的理坡位挖掘機(jī)借助全站儀或者RTK進(jìn)行粗略理坡。這樣的方式受能見度等環(huán)境因素影響大，遠(yuǎn)端作業(yè)還存在一定危險性，精度不可控因素較多，人力和儀器成本較高。尤其對于水下盲區(qū)，完全依靠機(jī)手的經(jīng)驗和手感，質(zhì)量存在著相當(dāng)大的不確定性。

本項目地處大西洋開場海域，受到長周期波的顯著影響，首次應(yīng)用的Xbloc塊體的高精度安裝標(biāo)注，對內(nèi)側(cè)墊層塊石，以至于堤心石的理坡質(zhì)量都提出了很高的要求，如何保障理坡質(zhì)量，成了整個防波堤施工質(zhì)量的關(guān)鍵。

項目團(tuán)隊為解決該技術(shù)疑難，保證施工質(zhì)量，引入最新北斗挖機(jī)智能引導(dǎo)系統(tǒng)，以此為依托，以應(yīng)用為中心，通過研究消化智能理坡系統(tǒng)的工作原理和具體的實現(xiàn)方式、誤差來源及精度控制方式，分析進(jìn)一步提高精度的可能性。在實踐中調(diào)整配置，優(yōu)化系統(tǒng)安裝方式和位置，尋求精度和經(jīng)濟(jì)型的合理組合，為后續(xù)的大規(guī)模應(yīng)用指引方向。

3 智能引導(dǎo)系統(tǒng)的組成和基本原理

3.1 系統(tǒng)組成

總的引導(dǎo)系統(tǒng)由定位系統(tǒng)基準(zhǔn)站、定位信號接收機(jī)、傳感器、控制面板和挖掘機(jī)組成。具體到挖掘機(jī)上，由安裝在機(jī)身、大臂、小臂和鏟斗等多個位置的傾角傳感器、GNSS天線（及差分天線）和可視化終端組成。其中傾角傳感器精度為0.05°（單軸）和0.1°（雙軸），雙接口IP67防護(hù)等級，適合港口工程使用。高精度全頻段GNSS測量型天線支持北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)[6]，兼容L-Band，滿足高精高動態(tài)的實時測量要求。可視化終端搭載Android系統(tǒng)，集終端信息顯示、數(shù)據(jù)通信樞紐功能于一體，提供工作指引的直觀與靈活性。強(qiáng)固型防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、豐富的擴(kuò)展接口，適于各種惡劣場地環(huán)境下的工程設(shè)備使用。

圖2 智能引導(dǎo)系統(tǒng)組成

3.2 基本原理

使用其他定位技術(shù)的類似引導(dǎo)系統(tǒng)在海外項目已有應(yīng)用[7]，但此次采用北斗挖掘機(jī)智能引導(dǎo)系統(tǒng)，是綜合了微電子技術(shù)、無線通訊技術(shù)、GNSS厘米級高精度定位等于一體的系統(tǒng)集成解決方案[8]。系統(tǒng)依靠機(jī)尾兩側(cè)的GNSS天線和差分天線，通過和基站的通信獲取挖掘機(jī)的實時三維位置，結(jié)合讀取安裝在挖掘機(jī)關(guān)鍵作業(yè)位置上的各種角度傳感器數(shù)值及主要樞軸尺寸，計算出鏟斗斗齒實時、精確的三維位置信息，系統(tǒng)通過比較三維設(shè)計基準(zhǔn)模型與當(dāng)前鏟斗所處位置，以模擬圖形、數(shù)值等多種方式，指示鏟斗與目標(biāo)工作面的相對位置，顯示在在駕駛室的平板終端，引導(dǎo)操作手精確施工。水下整坡由原始的多次成型提高到一次成型。

在計算鏟斗坐標(biāo)和高程時，會涉及到世界坐標(biāo)系（WGS84）與設(shè)備自定義坐標(biāo)系的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。其中自定義坐標(biāo)系是以車體與動臂的鉸接中心為原點(diǎn)，動臂軸心和斗桿鉸接軸心的連線為X軸，垂向為Y軸，然后由機(jī)臂和鏟斗的尺寸和傾斜角度計算鏟斗坐標(biāo)和高程。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 安調(diào)要點(diǎn)

安裝單軸傾角傳感器時，需先標(biāo)定各個傳感器安裝的平行線，單軸傾角傳感器的安裝位置如圖3，平行安裝在AB、LD、CE三條線投影在機(jī)臂的平行線上。

圖3 傳感器安放位置

挖掘機(jī)模型建立，由定位、定向天線獲取的GPS位置信息，通過測量完挖掘機(jī)機(jī)身的各個點(diǎn)位參數(shù)后，就能通過幾何關(guān)系進(jìn)行挖掘機(jī)模型的建模，而挖掘機(jī)機(jī)身的參數(shù)測量分為兩個部分，即：RTK點(diǎn)位采集及機(jī)身點(diǎn)位距離測量。

連接基站后，RTK共采集7個點(diǎn)坐標(biāo)（定向天線坐標(biāo)2個、大臂支點(diǎn)左右側(cè)坐標(biāo)各1個、鏟斗三側(cè)坐標(biāo)3個），來計算得到挖掘機(jī)機(jī)身模型的旋轉(zhuǎn)參數(shù)，以此可計算得出鏟斗中間點(diǎn)位的精準(zhǔn)坐標(biāo)。

已知傾角傳感器的角度，想要將機(jī)身定位點(diǎn)的高精度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為最后的鏟斗坐標(biāo)，就需要進(jìn)行機(jī)身各個支點(diǎn)之間距離的測量工作。

4.2 理坡施工過程

實際施工過程首先進(jìn)行設(shè)計模型的輸入，通過已知的CAD施工圖紙及PC端數(shù)據(jù)設(shè)計軟件，將所有施工數(shù)據(jù)進(jìn)行處理成道路設(shè)計文件，并導(dǎo)入平板進(jìn)行施工的引導(dǎo)。

理坡施工，按照先水下，后水上的順序，著重控制首層塊體區(qū)域的理坡質(zhì)量。實際采用CAT345和CAT374，最長大臂約26 m。在岸上理坡時，長臂挖掘機(jī)履帶與岸坡平行，便于向前推進(jìn)式作業(yè)。

圖4 實際操作界面

圖5 水下長臂理坡施工現(xiàn)場

圖6 水面以上理坡施工現(xiàn)場

4.3 結(jié)果曲面

當(dāng)挖機(jī)施工完成后，機(jī)手操作挖機(jī)在不同的邊坡橫截面進(jìn)行檢測記錄，系統(tǒng)自動記錄顫抖軌跡，當(dāng)完成找平后，系統(tǒng)將合成不同邊坡橫截面的實際輪廓數(shù)據(jù)，可直接與設(shè)計斷面進(jìn)行對比，如圖7所示。

圖7 設(shè)計斷面與實際理坡斷面

5 施工效果

5.1 理坡質(zhì)量

在智能引導(dǎo)系統(tǒng)的幫助下，終端實時顯示三維設(shè)計模型，操作手可以實時參考鏟斗姿態(tài)，直觀的了解挖掘狀態(tài)信息，快速施工，無需測量放樣，避免施工返工，極大地降低了對于機(jī)手操作水平的強(qiáng)烈依賴，對于疫情期間造成的人員短缺局面也起到了顯著的緩解作用。在視力不及的水下盲區(qū)，鏟斗也能精確完成坡度、高程控制。圖8的實際施工誤差結(jié)果與表1的誤差要求對比顯示可以看出，該系統(tǒng)對于理坡施工質(zhì)量控制有了質(zhì)的提高。

圖8 智能引導(dǎo)系統(tǒng)理坡施工實際誤差分布

5.2 理坡工效

智能化系統(tǒng)使水下整坡由原始的多次成型提高到一次成型。理論上作業(yè)條件允許下可以24小時全天候施工，和傳統(tǒng)方法相比，根據(jù)2020年10月13日復(fù)工至2020年12月31日的統(tǒng)計，和前期傳統(tǒng)理坡施工相比，每臺班理坡面積提高約20 %～30 %，三次驗收全部合格。如果考慮精度控制，以驗收合格作為有效工效的衡量標(biāo)準(zhǔn)，實際理坡工效提高可達(dá)50 %。

對于其他修坡精度要求很高的項目，還可能存在潛水員水下鋪設(shè)導(dǎo)軌進(jìn)行理坡的情況，此工藝煩瑣其要求較高，需要機(jī)械設(shè)備配合，還需要測量人員控制導(dǎo)軌高程。受到浮力、海浪等的較大影響，潛水人員在水下理坡行動不便，當(dāng)位于深水區(qū)時，受水壓力的影響潛水人員作業(yè)時間不能太長，影響工程進(jìn)度。與此相比，挖機(jī)理坡系統(tǒng)只需要1名操作手，投入大大降低，此種工況下應(yīng)用智能理坡系統(tǒng)的工效優(yōu)勢就更加明顯。

5.3 安全及經(jīng)濟(jì)效益

有效減少測量人員和輔助施工人員數(shù)量，傳統(tǒng)理坡需要測量人員和輔助施工人員，精度要求嚴(yán)格的水下理坡甚至潛水員使用輔助導(dǎo)軌完成。使用智能化引導(dǎo)系統(tǒng)，顯著減少了施工人員和特種作業(yè)，有效降低了勞動強(qiáng)度和安全風(fēng)險，從而也減少了人員和設(shè)備臺班支出，提高經(jīng)濟(jì)效益。

5.4 信息化管理

挖掘機(jī)實時作業(yè)狀況及信息通過無線網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)實時回傳，方便現(xiàn)場管理。施工結(jié)束后系統(tǒng)自動生成報表，改變了傳統(tǒng)驗收方式的不變且提高了驗收效率。另外，經(jīng)過一定的二次開發(fā)，施工數(shù)據(jù)可為BIM平臺、第三方平臺提供多方位數(shù)據(jù)支持。

6 結(jié)語

北斗挖掘機(jī)智能引導(dǎo)系統(tǒng)采用GNSS高精度坐標(biāo)實時定位，改變和擴(kuò)展了傳統(tǒng)挖機(jī)的使用方式，使挖掘機(jī)不僅是挖掘的工具，也是放樣、測量的標(biāo)尺。本文介紹了該系統(tǒng)的基本原理，安裝調(diào)試和施工要點(diǎn)，通過施工效果的檢驗以及和傳統(tǒng)施工方式的對比，展現(xiàn)了在尼日利亞萊基港項目深水外海防波堤理坡施工中的成功應(yīng)用，顯著提高了理坡質(zhì)量和工效，為后續(xù)的塊體安裝打下了堅實的基礎(chǔ)。后續(xù)可進(jìn)一步開展智能理坡系統(tǒng)的出圖模式、精度標(biāo)準(zhǔn)及進(jìn)一步提高，直接進(jìn)行最終驗收等問題的探討。總體而言，全新的施工方式使得施工更容易、更高效。集中體現(xiàn)了高科技智能化設(shè)備在克服傳統(tǒng)港航施工難點(diǎn)中的巨大作用，為國內(nèi)類似工程提供了應(yīng)用參考。