港珠澳大橋島隧工程浮運操作指揮系統(tǒng)開發(fā)

劉兆權(quán)，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(qū)出海主航道，沉管段長5 664 m，共有管節(jié)33個，是迄今世界上規(guī)模最大的海上沉管隧道工程。管節(jié)截面采用兩孔一管廊形式，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)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(gòu)件[1]?？紤]到沉管浮運區(qū)域狹窄，為了保證沉管在浮運窗口要求時間內(nèi)安全浮運，港珠澳大橋島隧項目部開發(fā)了沉管浮運導(dǎo)航操作指揮系統(tǒng)。

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(qū)水域狹窄，浮運航道寬僅240 m，外側(cè)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(dá)4 000艘次。

3）管節(jié)尺寸大，是世界上最大的混凝土構(gòu)件之一，標(biāo)準(zhǔn)沉管重達(dá)7.8萬t，排水量8萬m3。

4）氣象、海況復(fù)雜，流向與基槽垂直，水流力較大，浮運時最大迎流面積達(dá)2 100 m2，拖航阻力達(dá)到300 t，風(fēng)險大。

5）浮運采用8～10艘拖輪（總馬力數(shù)超過22 050 kW（30 000 Hp）），一致性要求高，國內(nèi)尚無這方面的施工經(jīng)驗，協(xié)同作業(yè)難度大[2]。

根據(jù)作業(yè)窗口，管節(jié)高平潮出塢、編隊拖航或提前從深塢區(qū)移至塢口外臨時系泊區(qū)，拖輪在塢外臨時系泊區(qū)編隊帶纜，然后浮運至管節(jié)沉放位置。浮運航道總長約12 km，基槽內(nèi)浮運最大距離約3 km，每節(jié)管節(jié)浮運有3次航道轉(zhuǎn)換[3]。

浮運航線有3條：

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

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

3）預(yù)制場航道→榕樹頭航道→一次橫移區(qū)→出運航道三→第三轉(zhuǎn)向區(qū)→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(fēng)險，首創(chuàng)了吊拖+傍拖的超大型沉管拖航方式，8～13艘作業(yè)的拖航方式對拖輪協(xié)作要求極高，拖輪協(xié)同作業(yè)難度大。管節(jié)拖帶方式見圖1。為保證管節(jié)浮運過程中管節(jié)、拖輪等的安全，在浮運過程中對管節(jié)位置、速度、姿態(tài)、方位、10艘拖輪和管節(jié)相對于設(shè)計航線的偏距等進(jìn)行時時監(jiān)測。

圖1　管節(jié)拖帶方式Fig.1　Pipe section towing mode

2　浮運操作指揮系統(tǒng)研究

2.1　浮運操作指揮系統(tǒng)要求

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

1）導(dǎo)航系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)界面滿足原則

管節(jié)拖航浮運桌面系統(tǒng)是管節(jié)拖航浮運的輔助工具，是決策科學(xué)化的依據(jù)，是管理可視化的手段，該界面系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足以下原則：

1）針對性

桌面系統(tǒng)針對管節(jié)拖航浮運的特殊性設(shè)計，反映管節(jié)在拖航浮運過程中的運動特性，同時滿足航道、轉(zhuǎn)向區(qū)、基槽區(qū)不同狀況下的拖輪配置需要，能夠靈活的進(jìn)行拖輪控制。

2）直觀性

桌面系統(tǒng)不僅能夠直觀反映管節(jié)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(xì)信息，動態(tài)呈現(xiàn)管節(jié)的運動和受力數(shù)據(jù)。

3）易操作

桌面系統(tǒng)針對島隧工程的實際應(yīng)用開發(fā)，界面操作簡便，避免操作繁瑣和晦澀難懂，影響桌面系統(tǒng)的應(yīng)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(yè)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(nèi)，根據(jù)總體氣象窗口限制條件選擇浮運氣象窗口。氣象作業(yè)窗口一般在陰歷初七和二十三小潮汛期間。浮運作業(yè)窗口見表1。

表1　浮運作業(yè)窗口Table1　Floating operation window

2.3.2氣象預(yù)報與氣象水文分析

根據(jù)浮運作業(yè)要求，潮位、潮流采用高分辨率小區(qū)域數(shù)值模式，預(yù)報結(jié)果由國家海洋環(huán)境預(yù)報中心提前1—2月提供。主要預(yù)報數(shù)據(jù)有潮位預(yù)報、流速預(yù)報，其中流速預(yù)報為分區(qū)域預(yù)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(zhuǎn)向區(qū)D以及基槽預(yù)報。預(yù)報點位見圖2。該流速預(yù)報結(jié)果誤差在±20 cm/s以內(nèi)，滿足浮運作業(yè)要求。

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

根據(jù)已安沉管的預(yù)報數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比，針對下一個氣象作業(yè)窗口，通過潮位對比比選出與已安管節(jié)類似的氣象窗口，并將預(yù)報數(shù)據(jù)與選定日期的實測數(shù)據(jù)對比以修正國家海洋預(yù)報中心的預(yù)報結(jié)果。

為了提高預(yù)報精度，浮運作業(yè)前國家海洋預(yù)報中心提供12 h氣象預(yù)報，對原預(yù)報結(jié)果進(jìn)行修正，該預(yù)報結(jié)果和現(xiàn)場氣象情況更為接近。

3　浮運導(dǎo)航系統(tǒng)

為保證沉管浮運安全和在規(guī)定的潮水時間內(nèi)完成，港珠澳大橋島隧工程開發(fā)了浮運導(dǎo)航系統(tǒng)。經(jīng)過4次浮運系泊演練和E1—E33沉管現(xiàn)場操作檢驗，浮運指揮系統(tǒng)可以滿足港珠澳大橋島隧工程沉管浮運要求，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，準(zhǔn)確性高。

3.1　浮運導(dǎo)航軟件組成

浮運導(dǎo)航系統(tǒng)由導(dǎo)航系統(tǒng)功能區(qū)分安裝3套獨立的硬件系統(tǒng)，主要包括UPS、電腦、GPS、電臺、無線AP等設(shè)備[4]。

3.2　浮運導(dǎo)航軟件功能

1）位置解算

實時、同步采集GPS的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計算各特征點（轉(zhuǎn)向點、調(diào)頭區(qū)、系泊區(qū)）與GPS之間的空間關(guān)系；顯示管節(jié)在航道、調(diào)頭區(qū)、基槽的地理位置。

2）實時導(dǎo)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(yù)報中心實測的流速、流向數(shù)據(jù)。

實時顯示測量船現(xiàn)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(yù)計完成時間及其它在拖航中有參考意義的數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出

能夠?qū)腚娮雍D、Auto CAD格式的背景圖、設(shè)備形狀細(xì)節(jié)圖等，結(jié)合電子海圖或者背景圖實時顯示航道兩側(cè)的航標(biāo)、礙航物等。

能夠?qū)隣ffice Excel格式相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠?qū)С鯫ffice Excel格式或者自定義格式相關(guān)數(shù)據(jù)[5]。

4）邊界設(shè)置和安全預(yù)警

用戶可以設(shè)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(shè)置不同顏色顯示沉管浮運航道的控制邊線、中心線。

設(shè)置沉管固定點距控制邊線的距離值，如小于設(shè)定值時或其他預(yù)設(shè)預(yù)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(shù)據(jù)記錄和回放

所有數(shù)據(jù)實時記錄，數(shù)據(jù)可回放用于事后觀摩研究。

自動記錄相關(guān)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)庫格式。

6）可靠性保證

系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)給出的設(shè)備健康狀況和設(shè)備冗余觀測數(shù)據(jù)判斷整個系統(tǒng)的定位精度和可靠性，并給出相應(yīng)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(tǒng)

此系統(tǒng)為首選定位系統(tǒng)，以信號穩(wěn)定性為主，利用1臺雙天線信標(biāo)機作為沉管定位設(shè)備，通過無線電臺傳輸9艘拖輪信標(biāo)機觀測數(shù)據(jù)，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(xiàn)軟件顯示。第一定位系統(tǒng)設(shè)備配置見表2。

實時顯示沉管和拖輪位置信息：在管節(jié)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(jié)軸線關(guān)系，并顯示與管節(jié)軸線夾角；軟件界面增加距離標(biāo)線網(wǎng)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(yù)判。導(dǎo)航系統(tǒng)顯示界面見圖3。

表2　第一定位系統(tǒng)設(shè)備配置Table 2　The first positioning system equipment configuration

圖3　導(dǎo)航系統(tǒng)顯示界面Fig.3　Navigation system display interface

3.4　第二定位系統(tǒng)

此系統(tǒng)為次選定位系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)精確性為主，利用4臺RTK GPS接收機作為定位設(shè)備，其中2臺接入一臺電腦接收預(yù)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(tǒng)

此系統(tǒng)為備用定位系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)穩(wěn)定性為主，只接收雙天線信標(biāo)機數(shù)據(jù)，實時顯示船舶信息，指揮室通過有線傳輸視頻信號實現(xiàn)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(dǎo)航軟件操作流程

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

5　工藝實施效果

導(dǎo)航系統(tǒng)融合導(dǎo)航定位、無線電等技術(shù)，以浮運現(xiàn)場管節(jié)作為指揮中心，通過可靠的數(shù)據(jù)傳輸、科學(xué)高效的數(shù)據(jù)處理分析，逼真形象的顯示了沉管浮運狀況[6]。導(dǎo)航系統(tǒng)包含拖輪位置顯示，沉管位置顯示，航道區(qū)域顯示及航道預(yù)警區(qū)顯示，現(xiàn)場流速、流向、航速顯示，航跡線及運動趨勢顯示，數(shù)據(jù)存儲等模塊，是管節(jié)浮運導(dǎo)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(yè)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(dǎo)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(zhuǎn)向區(qū)、調(diào)頭區(qū)和系泊區(qū)設(shè)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(nèi)50 m標(biāo)出邊界警戒區(qū)域，提醒浮運指揮員注意控制沉管姿態(tài)。

3）航速、流速顯示

現(xiàn)場國家海洋預(yù)報中心的4個現(xiàn)場測流浮漂每15 min發(fā)送1次流速流向信息，經(jīng)過判斷處理的流速信息顯示在導(dǎo)航系統(tǒng)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(dǎo)航系統(tǒng)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(diào)整拖輪受力，保證沉管姿態(tài)。

6　結(jié)語

經(jīng)過E1—E33沉管現(xiàn)場浮運作業(yè)，浮運指揮人員通過浮運導(dǎo)航系統(tǒng)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(fēng)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(dǎo)航系統(tǒng)是國內(nèi)首次應(yīng)用在沉管浮運導(dǎo)航的操作系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)的浮運導(dǎo)航模式，提供了更為人性化、可視化和系統(tǒng)化的控制界面；現(xiàn)場流速流向的預(yù)報與實測數(shù)據(jù)提高了浮運作業(yè)的安全性。該系統(tǒng)為浮運作業(yè)提供安全保障，大大降低了人力、物力的投入，并為國內(nèi)甚至世界上的沉管、沉箱浮運提供參考。

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