林永洲 董小文

摘 要：水下工程的開展離不開水下測量技術(shù)，而現(xiàn)代測量定位技術(shù)能夠提升水下資源測量精確度。目前，隨著經(jīng)濟技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代測量定位技術(shù)已經(jīng)逐漸運用于海洋資源等水下工程項目中。由此本文分析了現(xiàn)代測量定位技術(shù)運用現(xiàn)狀，并對其中的GPS測量定位技術(shù)進行了較為詳細的分析，對現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了探討。

關(guān)鍵詞：水下工程；現(xiàn)代測量定位技術(shù)；現(xiàn)代測量

中圖分類號：P229 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）03-0121-03

The Application of Modern Surveying and Positioning Technology

in Underwater Engineering

LIN Yongzhou，DONG Xiaowen

（CCCC Third Harbor Engineering Co.，Ltd.，Xiamen Branch，Xiamen 361006，China）

Abstract：Underwater engineering can't develop without underwater measurement technology. Modern measurement and positioning technology can improve the accuracy of underwater resource measurement. At present，with the continuous development of economy and technology，modern measurement and positioning technology has gradually been applied to underwater projects such as marine resources. This article analyzes the current status of the modern measurement and positioning technology，and analyzes the GPS measurement and positioning technology in detail，and discusses the development trend of modern measurement technology.

Keywords：underwater engineering；modern surveying and positioning technology；modern measurement

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟與科學技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代測量定位技術(shù)在水利、電力和交通等諸多領(lǐng)域中，獲得了廣泛的推廣，如：GPS測量定位技術(shù)等。本文以國投湄洲灣第二發(fā)電廠2×1000MW機組取、排水管道水下工程為例，對GPS測量定位技術(shù)進行了分析。

1 現(xiàn)有水下現(xiàn)代測量定位技術(shù)應用現(xiàn)狀

1.1 超聲波設備

在水下工程中，尤其是深水領(lǐng)域中，借助超聲波設備，能夠提升測量結(jié)果的精準度，實現(xiàn)對水中定點的有效測量。在實際應用過程中，將GPS與超音波設備安裝好后，借助三艘作業(yè)船，利用相應的接收器來測出船體與物體間的距離。為了實現(xiàn)定點測量，可在此基礎(chǔ)上調(diào)整好作業(yè)船的位置。但在實際的運用過程中，超聲波設備因需借助作業(yè)船進行測量，因此容易受船體搖晃等因素的影響，導致測量精準度不是很高，需要借助GPS技術(shù)來彌補這一缺陷，以使測量定位的精準度得到提高。

1.2 NASNet聲學系統(tǒng)與GPS測量技術(shù)

實際上，為了取代空中衛(wèi)星，NASNet聲學系統(tǒng)在水下搭建相應的基準站，是GPS方向的調(diào)轉(zhuǎn)。其原理與GPS相同，都是以聲波代替無線電波，主要借助聲波進行定位。在水下工程中，傳統(tǒng)方式是采用無線電波進行定位，在傳輸過程中，難以避免會受到影響與限制。而為了實現(xiàn)對信號的有效接受，采用聲波技術(shù)是最好的選擇。但是，在實際運用過程中，該技術(shù)需要采用多套堵路聲學定位系統(tǒng)，才能彌補該技術(shù)的缺陷，實現(xiàn)其準確定位功能。并且該技術(shù)的系統(tǒng)間協(xié)調(diào)配合難度較大，成本投入也過大。另外，GPS定位可分為位置、偽距以及相位差三類。GPS測量技術(shù)借助基準站來實現(xiàn)該整數(shù)的發(fā)送，為了確保實現(xiàn)精準測量定位結(jié)果，相應用戶站接收信息后會改正測量結(jié)果。在此過程中，定位的精準程度會受相應整數(shù)內(nèi)容的影響。目前，在工程測繪勘察領(lǐng)域中，GPS測量技術(shù)被廣泛運用，并且在水下工程中借助該技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對控制點的測量與定位。但是對于用戶端來說，卻無法將信息傳輸?shù)街锌叵到y(tǒng)中，僅能滿足系統(tǒng)信息發(fā)送之需，難以實現(xiàn)交互操作功能。

1.3 北斗導航系統(tǒng)與全站儀

在當前軍事、航空以及民用領(lǐng)域中，北斗導航系統(tǒng)應用十分廣泛，是衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的一種。而在水下工程的測量定位上，相信在將來也會運用到該系統(tǒng)。目前，全站儀在水下工程測量中已被廣泛運用。在水下工程測量定位中，為了實現(xiàn)準確測量與定位，全站儀技術(shù)需借助數(shù)據(jù)線測量范圍點對點間的三維坐標體系，借助其測量的工程范圍標尺的搭建。在實際運用過程中，為了避免外界干擾因素的影響，全站儀可借助電子測速儀，以提升測量的精準度。為了實現(xiàn)相應測量結(jié)果的計算，需要配合使用計算機。該技術(shù)的優(yōu)勢在于其自動化程度高，具有較高的精準度。但一般情況下，該技術(shù)只適用于淺水區(qū)域，當水位過深時，無法有效發(fā)揮作用，相應的棱鏡無法伸出水面，并且測量范圍在一公里以內(nèi)，容易受到天氣的影響，需要搭建固定測量站。

2 水下工程中使用GPS測量定位技術(shù)的案例分析

本工程項目中的沉管為國投湄洲灣第二發(fā)電廠2×1000MW機組取排水管道，工程廠址位于福建省莆田市忠門半島的西部，地處湄洲灣北岸經(jīng)濟開發(fā)區(qū)東埔鎮(zhèn)塔林村。

2.1 沉管安裝工藝流程

沉管裝船、出運采用半潛駁。每次半潛駁裝1節(jié)沉管，沉管上駁后由拖輪拖帶至下潛坑下潛；半潛駁到達下潛坑就位，起重船與半潛駁成一字型布置；半潛駁注水下潛，當沉管下沉到其頂板的下表面高于浮箱頂面約0.3m時，用工作艇將浮箱逐個推入沉管內(nèi)。半潛駁繼續(xù)下潛，當沉管頂板上表面潛入水下1m時，起重船起吊沉管退出半潛駁，并保持沉管完全沒水狀態(tài)，隨后半潛駁排水上浮，并移出航道位置，起重船拋錨收纜移船至安裝位置拋錨就位。半潛駁由拖輪拖帶回預制場碼頭，進行下節(jié)箱涵上駁、運輸，重復循環(huán)進行；起重船就位后開始安裝，沉管安裝采用GPS測量定位（RTK設備平面位置精度可控制在1cm以內(nèi)，高程精度可控制在2cm以內(nèi)，可滿足施工精度要求），在測量人員的指引下和潛水員水下指導下，起重船將沉管安裝到位，完成初步對接。潛水員安裝拉合裝置，啟動拉合千斤頂，將沉管拉合，將止水帶壓縮，直到對接縫寬度符合設計要求為止。最后進行沉管基礎(chǔ)灌砂施工，灌砂施工完成后，解除吊索，浮箱注水拉出，安裝完成。

2.2 沉管定位控制點

根據(jù)上述沉管的特點和安裝工藝，可以把沉管整體等效于一個普通長方體，在安裝過程中只要定位沉管上/下表面的4個角點，并控制好各個角點和設計位置的偏差，即可順利安裝。其中AB為前端。

2.3 系統(tǒng)設備與安裝

為確定沉管位置，需要在沉管上安裝以下各種位置與姿態(tài)傳感器：

（1）2臺RTK GPS?？紤]到系統(tǒng)標定，需另外配備3臺RTK GPS作為流動站。

（2）2臺雙軸傾斜傳感器。考慮到沉管在制作過程中表面的平整度不高，故在沉管頭尾各安裝1臺傾斜傳感器，也方便互相檢校。

（3）串口通訊設備。8口串口服務器。

（4）無線微功率數(shù)傳電臺+電源組?？紤]到施工現(xiàn)場鋪設電纜不方便，所以使用電臺進行無線數(shù)據(jù)發(fā)送。另外，考慮測量塔上供電不方便，設備的供電均采用獨立電池組供電（12V，20A，可連續(xù)供電3天）。

（5）PC電腦1臺。

各設備的安裝位置需要根據(jù)每根沉管的實際情況選擇恰當位置安裝。

兩端的GPS和傾斜儀設備均接入到電臺+電源組，進行設備供電（12V）以及數(shù)據(jù)發(fā)送。監(jiān)控電腦端接入通訊模塊的串口服務器，串口服務器的每個端口連接電臺接收數(shù)據(jù)。此處需要特別注意設備的接入順序，即對應串口服務器接入的電臺編號，以便在軟件中設置每臺設備相應的通訊參數(shù)。

2.4 沉管3維定位方法

沉管坐標示意圖如圖1所示。

建立沉管坐標系圓心：以CD邊的中心點為圓心；X軸：以CD和AB的中心軸線為X軸；Y軸：沿著DC方向垂直于X軸建立Y軸；Z軸：以C點高程面為參考面。

系統(tǒng)標定：本系統(tǒng)是通過建立GPS和沉管各角點的相對關(guān)系模型來計算沉管各角點坐標的，所以必須嚴格標定他們的相對位置。

同時考慮到傾斜傳感器安裝時存在誤差，所以也需要通過標定的參數(shù)計算一個沉管當前姿態(tài)的實際傾斜狀況，并結(jié)合傾斜傳感器的當前讀數(shù)計算一個初始改正值。

【預制廠】需要獲取的數(shù)據(jù)有：沉管四角ABCD的坐標和高程、GPS3、4、5的坐標和高程。（需在沉管四角適當位置預埋測量桿，測量桿頂有GPS固定頭?？紤]到需要精確檢驗，所以四角需要各安裝1根測量桿。）

（1）近似量測各個參數(shù)，作為標定前的參考數(shù)據(jù)（可用設計值）。

（2）在預制廠使用全站儀量測每節(jié)沉管的精確尺寸和四角坐標，GPS3、4、5的坐標和高程。（4測量桿頂部坐標和高程）。

（3）在合適的位置安裝好各個儀器，并建立通訊，開啟軟件接收數(shù)據(jù)。

（4）通過4角點坐標計算沉管當前傾斜姿態(tài)，結(jié)合傾斜傳感器的讀數(shù)計算初始改正值。

半潛駁需要獲取的數(shù)據(jù)有：2測量塔上GPS的安裝位置坐標和高程。

（5）安裝好各個儀器，并建立通訊，開啟“系統(tǒng)反標定軟件”接收數(shù)據(jù)。

（6）在GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的情況下，軟件接收數(shù)據(jù)至少20分鐘以上。

（7）反標定軟件計算出測量塔上GPS精確的安裝坐標和高程。

在安裝定位軟件中重新設置這些參數(shù)，并使用全站儀、背包檢核最后結(jié)果是否達到設計的精度要求。

監(jiān)控軟件具備的基本功能包括：

（1）實時定位沉管。通過輸入GPS和沉管特征點的相對坐標，建立數(shù)學計算模型，從而實時接收GPS數(shù)據(jù)，以實時定位沉管。

（2）設計位置導入。導入沉管安裝的設計位置和基床面的標高數(shù)據(jù)（CSV格式）。沉管的設計位置需要根據(jù)前一個安裝的實際位置來確定。

（3）偏差計算。實時計算沉管實際位置和設計位置的偏差。包括沿著和垂直施工軸線2個方向上的距離偏差，標高（或者沉放深度）的偏差，以及軸線方向角度的偏差。

（4）以上內(nèi)容的圖形化顯示。以不同顏色標記已安裝沉管和在安裝沉管，并設置相關(guān)施工區(qū)域背景圖（支持DWG文件格式）。

（5）顯示設備狀態(tài)信息。包括GPS和傾斜儀的信息等。

另外我們根據(jù)已有工程項目經(jīng)驗還開發(fā)了部分補充的功能模塊，可根據(jù)需要添加：

（1）輸出報表功能。安裝數(shù)據(jù)存檔并形成數(shù)據(jù)檔案，根據(jù)用戶提供的報表模板，生成報表。

（2）工程回放功能。記錄安裝過程數(shù)據(jù)，可在安裝完成后回放施工過程。

GPS測量定位技術(shù)是一種新型測量定位手段，無需聯(lián)測或同步觀測即可進行，操作簡單、精確度優(yōu)良、設備布設方便，極大地降低了作業(yè)人員工作強度，提升了工程項目的施工質(zhì)量。

3 水下工程中現(xiàn)代測量定位技術(shù)發(fā)展趨勢展望

在水下工程中，為了提升測量定位的精準度，避免干擾因素帶來的影響，需要借助現(xiàn)代化技術(shù)手段來不斷縮短測量所需時間。因此，為了提高水下測量計算的速度，就應該借助相應專業(yè)軟件的開發(fā)與運用，在降低測量定位時間的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)精準定位，有效控制影響因素。因此，在實際開發(fā)這一軟件的過程中，要滿足簡單方便操作秩序，結(jié)合水下工程的實際特點并配置輕量級的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。同時，在工程測量中，目前GPS測量技術(shù)下的RTK技術(shù)借助載波纖維動態(tài)實施差分技術(shù)，在提高測量效率、降低測量工作壓力的同時，為提高測量的精準度奠定了基礎(chǔ)，實現(xiàn)了對水下測量定位干擾因素的有效規(guī)避和控制。另外，在水下工程發(fā)展中，需要注重相應人才的引進與培訓，充分利用現(xiàn)代化測量定位技術(shù)，并借助專業(yè)人才的力量實現(xiàn)不斷創(chuàng)新和進步。

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作者簡介：林永洲（1989.03-），男，漢族，福建龍巖人，本科，助理工程師。研究方向：工程測量；董小文（1989.09-），男，漢族，福建龍巖人，助理工程師。研究方向：工程測量。