智能3D引導(dǎo)系統(tǒng)在河道疏浚工程中的應(yīng)用

1、    智能3d引導(dǎo)系統(tǒng)在河道疏浚工程中的應(yīng)用    摘要：河道疏浚施工過程中因水下施工不可見，傳統(tǒng)的挖泥船疏浚，要在約定的工期內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度地拓寬和開挖，難以滿足高精度質(zhì)量要求，存在返工的巨大風(fēng)險(xiǎn)。通過應(yīng)用智能3d引導(dǎo)系統(tǒng)，為機(jī)械操作手實(shí)時(shí)反饋工作面的狀況，使得水下施工“可視化”，定位精確且易于操作人員控制與調(diào)整，成功保障了水下施工的工程質(zhì)量與進(jìn)度。abstract： due to invisible underwater construction during the course of river dredging， traditional dred

2、ger dredging must be widened and excavated with high accuracy within the agreed construction period. it is difficult to meet the high-precision quality requirements and there is a huge risk of rework. by applying the intelligent 3d guidance system， real-time feedback of the working surface condition

3、 for the robotic operator makes the underwater construction "visual"， accurate positioning and easy operator control and adjustment， which successfully guarantees the quality and progress of the underwater construction project.關(guān)鍵詞：智能3d引導(dǎo)系統(tǒng);可視化作業(yè);河道疏浚key words： intelligent 3d guidance syste

4、m;visual operation;river dredging：tv851                                       ：a                                  ：

5、1006-4311（2020）09-0252-031  應(yīng)用背景河道疏浚工程中，開挖、修坡與防護(hù)是工程中常見的施工項(xiàng)目。開挖、修坡的整平度要求高，施工工藝關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目的施工進(jìn)度與成本控制。施工過程中，因水下施工不可見，往往造成施工質(zhì)量和設(shè)計(jì)要求差別很大，傳統(tǒng)的挖泥船疏浚，要在約定的工期內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度地拓寬和開挖，難以滿足高精度質(zhì)量要求，存在返工的巨大風(fēng)險(xiǎn)。中國電建市政集團(tuán)有限公司實(shí)施的弗羅茨瓦夫防洪工程位于歐洲波蘭，項(xiàng)目包含5，6，7工區(qū)的施工任務(wù)，其中第6工區(qū)，為11.6公里奧得河主河道擴(kuò)浚，設(shè)計(jì)底寬105m，行洪能力為2043m3/s，控制洪峰流量3146m3/s，開挖量306萬

6、方，近40%的開挖量為堅(jiān)硬粘土開挖，開挖難度大，精度難以把握，且工期要求緊，環(huán)保要求高。為滿足河道通航要求、環(huán)保要求等條件，無法創(chuàng)造干地施工的作業(yè)條件，項(xiàng)目部面臨工期緊、任務(wù)重，水下開挖施工精度要求較高等難題。對(duì)此項(xiàng)目部進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，基于全球定位系統(tǒng)技術(shù)引進(jìn)了智能3d挖掘引導(dǎo)系統(tǒng)，形成智能引導(dǎo)水下開挖精度控制關(guān)鍵技術(shù)，取得了良好的實(shí)施效果。2  智能3d引導(dǎo)系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)及適用范圍利用智能3d挖掘引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行水下高精度開挖，開挖過程中通過gnss測(cè)量技術(shù)與機(jī)械控制系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了三維坐標(biāo)的精確定位。該技術(shù)操作簡單，以圖形、數(shù)值及l(fā)ed光靶等多種形式實(shí)時(shí)指示填挖量，操作手可以便捷

7、的完成開挖，使復(fù)雜的水下開挖流程“可視化”，提升了河道水下開挖工程施工的可靠性。操作手根據(jù)系統(tǒng)引導(dǎo)，即可輕松完成挖填作業(yè)，同時(shí)夜間作業(yè)不受影響。該技術(shù)適用于水下高精度開挖河道、航道等疏浚工程，同時(shí)還適用于高精度邊坡修整、溝槽開挖、復(fù)雜表面開挖等。3  工藝原理基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，獲取厘米級(jí)定位值，結(jié)合位于挖掘機(jī)車身的傳感器計(jì)算出挖掘機(jī)斗齒的三維坐標(biāo)，并根據(jù)車載控制器中的三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行引導(dǎo)挖掘。實(shí)現(xiàn)了車體實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與施工設(shè)備的無縫對(duì)接，讓水下工作變得“可視化”，使數(shù)字化貫穿于施工全過程，使現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)變的輕松、高效。4  工藝流程及操

8、作要點(diǎn)4.1 工藝操作流程施工準(zhǔn)備3d模型建立及導(dǎo)入應(yīng)用與測(cè)試躉船定位可視化開挖開挖料運(yùn)輸。4.2 操作要點(diǎn)4.2.1 施工準(zhǔn)備技術(shù)準(zhǔn)備工作。熟悉工程設(shè)計(jì)理念、圖紙、施工技術(shù)要求，組織開展圖紙會(huì)審。依據(jù)規(guī)范、設(shè)計(jì)文件、施工合同及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況編寫水下工程開挖及邊坡防護(hù)工程實(shí)施方案，并進(jìn)行評(píng)審與技術(shù)交底工作。獲取大地坐標(biāo)與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。通過靜態(tài)聯(lián)測(cè)，獲得當(dāng)?shù)匾阎呒?jí)控制點(diǎn)的pe-90坐標(biāo)（glonass使用的前蘇聯(lián)地心坐標(biāo)系統(tǒng)），同時(shí)輸入至少三個(gè)已知點(diǎn)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)和pe-90坐標(biāo)，就可以獲得控制點(diǎn)區(qū)域的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)（三個(gè)平移參數(shù)、三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和一個(gè)尺度參數(shù)），將此轉(zhuǎn)換參數(shù)保存并設(shè)置，系統(tǒng)就可

9、以自動(dòng)將測(cè)得的pe-90坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)。設(shè)備物資準(zhǔn)備工作。采購或者租賃帶有定位樁的躉船，排水量89t及以上，并完成河道試水。采購俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（glonass）接收設(shè)備，供應(yīng)商需提供全球定位系統(tǒng)接收機(jī)鑒定證書，完成接收機(jī)定位精度和性能的檢測(cè)工作。4.2.2 模型建立與導(dǎo)入將機(jī)載3d元件與挖掘機(jī)控制器進(jìn)行連接，主機(jī)放置于駕駛室座位后面，顯示器安裝于駕駛室右側(cè)中控區(qū)域，衛(wèi)星天線置于挖機(jī)尾端進(jìn)行信號(hào)接收，角度傳感器置于挖機(jī)的前臂轉(zhuǎn)動(dòng)處，詳見圖1機(jī)載設(shè)備的安裝示意圖。依據(jù)挖機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)，并結(jié)合三維坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換模型，將車體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為工程坐標(biāo)。實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)開挖速度、經(jīng)度、緯度、方向的準(zhǔn)確計(jì)

10、算和測(cè)量。在河道斷面數(shù)據(jù)采集中，將glonass接收機(jī)按照順序依次安裝完成后，架設(shè)在地面高級(jí)控制點(diǎn)上，并把電臺(tái)與天線上的數(shù)據(jù)線連接;設(shè)置基準(zhǔn)站，輸入天線高與點(diǎn)名，設(shè)置數(shù)據(jù)鏈，連接設(shè)備;要確保數(shù)據(jù)鏈和各項(xiàng)參數(shù)一致。通過挖掘機(jī)配置的衛(wèi)星天線和無線電數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)構(gòu)成的河道斷面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集河道斷面的三維坐標(biāo)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，建立3d開挖模型數(shù)據(jù)，按照機(jī)載glonass設(shè)備要求的格式導(dǎo)入機(jī)載面板計(jì)算機(jī)設(shè)備中。依據(jù)河道斷面采集的數(shù)據(jù)與提取的3d開挖模型數(shù)據(jù)，設(shè)備啟動(dòng)后，系統(tǒng)將在屏幕上顯示挖掘的深度、坡度等參數(shù)。由于glonass 系統(tǒng)的接入，還可以記錄挖掘位置的相關(guān)信息，通過系統(tǒng)的記

11、錄，在屏幕上以不同顏色來區(qū)別待開挖區(qū)域、已挖合格區(qū)域及超深區(qū)域，效避免漏挖、欠挖現(xiàn)象的出現(xiàn)。4.2.3 應(yīng)用與測(cè)試對(duì)配置完善的系統(tǒng)進(jìn)行水上實(shí)地測(cè)試，依據(jù)系統(tǒng)屏幕上顯示的可視化三維模型引導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。應(yīng)用前，對(duì)3d挖掘引導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及挖掘機(jī)運(yùn)行時(shí)間、機(jī)油壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、液壓油溫度等挖掘機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。在移到躉船上之前，在旱地上模擬挖坑，測(cè)試高程、位置、寬度等進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)過試挖測(cè)試，并用常規(guī)測(cè)量手段檢查開挖精度，滿足當(dāng)?shù)刭|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（pn-en 12063，±10cm）的要求后，再進(jìn)行水上開挖測(cè)試，水上真實(shí)場(chǎng)景測(cè)試滿足要求后，再大規(guī)模推廣應(yīng)用。4.2.4 躉船定位采用機(jī)載定位系統(tǒng)挖掘機(jī)

12、與躉船（排水量89t）的組合模式進(jìn)行水中作業(yè)定位，挖掘作業(yè)時(shí)，躉船利用自身配置的兩根定位樁進(jìn)行固定，為挖掘機(jī)提供水上施工作業(yè)平臺(tái)，躉船動(dòng)力系統(tǒng)采用bp-400拖輪提供水上行走動(dòng)力。4.2.5 可視化開挖機(jī)載glonass 挖掘機(jī)依據(jù)導(dǎo)入的斷面開挖模型，在顯示器中自動(dòng)形成可視化的三維開挖模型，操作手在顯示屏中開挖軌跡的引導(dǎo)下，通過調(diào)整挖掘機(jī)鏟斗的位置使其與開挖模型設(shè)計(jì)線保持一致，實(shí)現(xiàn)便捷的水下開挖作業(yè)，開挖的淤泥直接裝載到駁船中。4.2.6 開挖料運(yùn)輸每套挖掘系統(tǒng)配備一艘拖輪和2艘500t駁船進(jìn)行水上渣土外運(yùn)，到達(dá)指定的碼頭后，按渣土的污染程度分類堆放，進(jìn)行二次陸路運(yùn)輸與污泥無害化處理。5

13、60; 應(yīng)用實(shí)例中國電建市政建設(shè)集團(tuán)承建的波蘭弗羅茨瓦夫防洪項(xiàng)目第五工區(qū)任務(wù)段，3.6km城市運(yùn)河疏浚與改造。運(yùn)河河道設(shè)計(jì)底寬24m，分洪能力為150m3/s，控制洪峰流量為170m3/s，總開挖量約20萬m3;2015年07月至2015年11月，運(yùn)河疏浚與改造工程應(yīng)用了智能3d 挖掘引導(dǎo)系統(tǒng)，施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全均滿足要求，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。中國電建市政建設(shè)集團(tuán)承建的波蘭弗羅茨瓦夫防洪項(xiàng)目第六工區(qū)任務(wù)段，11.6km奧得河河道擴(kuò)浚，設(shè)計(jì)底寬105m，行洪能力為2043m3/s，控制洪峰流量3146m3/s，總開挖量306萬m3;2014年07月至2015年07月，該段河道水下開挖

14、及修坡工程應(yīng)用了智能3d 挖掘引導(dǎo)系統(tǒng)技術(shù)，施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全均滿足要求，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。6  效益分析6.1 經(jīng)濟(jì)效益通過引入智能3d 挖掘引導(dǎo)系統(tǒng)技術(shù)，將施工數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入，形成三維模型引導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)，避免了傳統(tǒng)施工方法中釋放浮標(biāo)、插竹竿、水尺等前期作業(yè)，減少了施工中的測(cè)量檢核任務(wù)，避免了前期作業(yè)帶來的施工誤差。從質(zhì)量檢測(cè)斷面效果來看，一次施工到位，精度得到保障。傳統(tǒng)作業(yè)方式，時(shí)間長，一次性成功率低，返工成本大。通過該項(xiàng)技術(shù)的引用，水下開挖與修坡作業(yè)機(jī)械效率提升約42%（傳統(tǒng)技術(shù)修坡效率單臺(tái)設(shè)備2830延米/臺(tái)班，引入智能3d引導(dǎo)技術(shù)后設(shè)備效率值提升到4043延

15、米/臺(tái)班），取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。6.2 技術(shù)效益通過智能3d挖掘引導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用，提供了一種水下開挖高精度控制工藝，精度提高到±10cm內(nèi)，達(dá)到了質(zhì)量要求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)疏浚施工標(biāo)準(zhǔn)（小于設(shè)計(jì)水深5%，小于30cm）確保了水下一次性施工質(zhì)量合格率，保證了項(xiàng)目的施工進(jìn)度。6.3 社會(huì)效益項(xiàng)目的順利實(shí)施，受到社會(huì)各界和新聞媒體的高度關(guān)注，人民日?qǐng)?bào)、鳳凰網(wǎng)、天津電視臺(tái)先后到項(xiàng)目實(shí)地采訪、報(bào)道，對(duì)項(xiàng)目的進(jìn)度控制、施工質(zhì)量及安全環(huán)保方面取得的成績給予了高度評(píng)價(jià)。特別是在項(xiàng)目完工后，2017年8月29日人民日?qǐng)?bào)駐波蘭記者對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行了題為“中企在這里筑起新防洪墻”的專題報(bào)道，該文章登錄在人民日?qǐng)?bào)、人民網(wǎng)的首頁位置，同時(shí)被國務(wù)院新聞辦公室轉(zhuǎn)載。7  應(yīng)用前景隨著人工等各項(xiàng)成本的不斷上漲，以及工程質(zhì)量和工期要求的不斷提高，可以預(yù)見，智能3d挖掘引導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用必將成為一種趨勢(shì)。通過該工藝在波蘭弗羅茨瓦夫防洪工程項(xiàng)目的應(yīng)用效果實(shí)例可以看出，挖掘引導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用能夠?qū)㈦[蔽工程透明施工，提高工程質(zhì)量，減少返工，避免重復(fù)施工;能夠全天候作業(yè)，無間斷施工，提高可作業(yè)時(shí)間，縮短工期;能夠減少輔助人員的進(jìn)場(chǎng)配合作業(yè)，降低配合的時(shí)間，提高人員的安全性，從而