三维可视化安装系统POSIBLOC的技术分析与实际应用

◎ 梁福源 中交四航局第二工程有限公司

对于防波堤的施工往往都需要在防波堤的内外侧安放防护块体的工艺，目的就是为了起到保护堤身，防止堤身受海浪冲刷的影响造成堤身结构的破坏坍塌，使得堤身更加稳固地抵抗海浪所造成的影响。然而，就目前的安装施工工艺来说，往往都需要潜水员进行水下辅助安装，堤上也由两名工人拉绳来控制防护块体的姿态，不仅耗时费力，而且很受外界条件影响，不能夜间作业。往往由于海浪大或者作业人员沟通时间延迟问题出现防护块体安装位置不当而造成返工的现象。因此，使用新型的安装辅助系统POSIBLOC可以很好地解决此难题。不仅省去潜水员进行辅助安装的危险性，不受外界条件影响，还能实时显示三维定位防护块体的平面位置、姿态，增长有效作业时间，减少或者杜绝安装所造成的返工，起到关键性作用。

1.工程概况

本项目位于秘鲁中部的钱凯湾，距首都利马约78公里，该区域常年处于长周期波频发地段，根据提供的1979年至2009年的统计资料，项目现场海域波浪周期主要集中在10s至18s之间，出现频率高达94%（其中12s至16s出现的频率占73%）。另外，长周期波主要集中在常年4月至11月，浪高主要集中在1.0 m 至1.8m，出现频率达到69%。本文以项目所使用的10吨防护块体为例，对于本项目恶劣海况的应对措施所使用的一种新型防护块体安装系统技术为研究分析。

2.系统组成

该系统主要分为六大子系统组成：一是负责防护块体起吊安装时监测重量的负载传感器，二是起到防护块体定位定向RTK的模块组，三是监测防护块体安装姿态的姿态传感器BIB，四是固定在操作室内，提供系统实时各项数据的屏幕显示器，五是该系统的核心元件，也是该系统的心脏部位BACC主机，六是可以通过WIFI连接的外置笔记本控制电脑，能远程控制该系统的各项数据及查看相关信息。各子系统各自承担相关的作用，缺一项都无法进行整套系统的正常运行。所以，对于软硬件的维护保养也是相关的重要，务求使得整套系统都达到最佳的工作状态。图1为整套三维可视化安装系统的配件组成。

图1 系统的重要组成部分

2.1 定位定向系统模块

该系统模块主要由两个主次GMSS天线、差分信号接收天线、天线传输终端器、GNSS天线无线电调制解码器和12V锂电池组成[1]。

两个双天线组成定位定向RTK，不仅能起到防护块体定位的作用，还能起到定向的作用。由相距移动站20公里内建设RTK的基准站，可以通过基准站发送的载波差分信号由差分接收天线进行接收基站信号，让两个双天线的RTK同时接收该信号，实现定位及定向作用。再由电脑进行复杂的数据计算而得出当前防护块体的实时位置、高程及方向，实时呈现当前位置到操作控制室的电脑屏幕里，供作业人员进行防护块体安装定位。GNSS和无线电调制解码器主要作用是接收到GNSS天线传输的数据，通过调制电脑进行数据的差分计算，也涵盖了姿态传感器BIB所发送的模拟信号进行计算，通过一系列的运算最终输出正确的平面位置、高程及姿态数据发送给无线传输终端器。而无线传输终端器的作用无疑就是把GNSS和无线电调制解码器收发送的数据通过WIFI信号，从而传输到BACC外置主机中。而无线传输终端器不仅是数据发送作用，它还是供电模块，通过它把12V的电源输送给GNSS无线电调制解码器中。整体的模块组如图2所示。

图2 定位定向RTK结构模块组成

2.2 姿态传感器BIB

姿态传感器BIB的作用主要是通过3根塑料膨胀螺丝固定在防护块体中，实时监测防护块体的俯仰角度、滚动及纵横倾角度，可以灵敏地感应出防护块体起吊时360°的姿态。当防护块体安装到位及姿态正确时，吊钩缓慢往上提钩即可脱离防护块体，并且系统能自动识别该防护块体已经安装完成，自动保存该防护块体的安装信息。而且BIB姿态传感器能固定在防护块体鼻端的上下及两侧，为固定BIB传感器提供便捷性，当固定在上下端时，只需要在系统显示屏中选择上下选项，反之选择左右选项。图3为BIB姿态传感器安装位置图。

图3 姿态传感器BIB安装位置图

2.3 负载传感器

负载传感器顾名思义就是监测防护块体的重量。利用插销固定在起重吊机的末端吊绳处。以本项目防护块体重量10吨为例，当防护块体完全起吊不接触任何地面时，系统能实时监测并显示到屏幕重量为10吨，当进行安装接触到地面时未松吊钩时，能显示当前的防护块体重量，目的是提示操作人员护块体已经接触到地面，让操作人员进行判断安装。但负载传感器是需要校准才能进行使用，通过起吊后、起吊中及未起吊来检验负载传感器的精准度，在检验负载重量的过程中也要把防护块体的准确高程一并校准。

在校准防护块体中心高度的过程时，需要在地面上确定一个绝对高程值进行比对，再通过准确的起吊的中心高度来进行校准，这时确定准确的起吊高度主要监测负载传感器中所传输到的实际重量来校准。在校准过程中防护块体不能起吊过高离开地面，也不能起吊过低[2]。以10吨防护块体为例，在校准过程中需要起吊负载压力为4.5T时往往能达到最好的高程校准精度。图4为校准负载传感器及防护块体地面高流程图。

图4 校准负载传感器及防护块体地面高流程图

3.POSIBLOC三维可视化安装系统功能

系统主要的五大功能主要为三维可视化成像安装、引导辅助定位成像、安装密度计算、块体相似度计算以及生成安装后的作业报告。操作者只需要按照系统的操作流程步骤进行安装即可，操作简单并且高效，每一步骤都是以对话框的形式进行，入门较为简单。图5为系统安装操作流程图。

图5 系统安装操作流程图

3.1 三维可视化成像

该系统最大的优点就是能实时显示防护块体的三维成像功能，能实时显示当前防护块体的三维坐标偏差值、方向、及姿态信息，并且能随意放大及缩小局部安装界面，有效地引导操作工人进行准确地安装防护块体。依靠GPS及姿态传感器BIB每秒能传送200多个差分信号，使得系统不会出现卡顿延迟，还能无缝转换防护块体的每个视角，使得安装精度得到保障[3]。图6为主界面操作导航界面。

图6 主界面操作导航图

3.2 引导辅助定位成像

操作人员要根据系统的引导定位成像来进行防护块体的安装，该功能包含负载传感器当前的荷载值，主要引导操作人员识别块体在水下部分是否已经接触到岩石面层，以及识别当前防护块体的真实重量。目标位置引导界面，该功能主要引导防护块体的当前位置与实际安装位置的差值，利用该界面来引导操作人员准备将当前块体进行安装到准确的位置。显示当前安装的防护块体实际高程，可以检验防波堤的岩石面是否出现过高或者过低的断面线。如安装块体的位置、高程、方向无误后即可进行当前块体的三维成像保存。图7为引导辅助定位界面图。

图7 引导辅助定位界面图

3.3 安装密度及姿态相似度计算

在完成块体安装后，就要检验相关的质量要求，如安装密度及姿态相似度。根据CLI的技术规格书中明确规定安装密度要在95%到105%之间，而相邻两块防护块体姿态相似度不能相同，如超出标准则需要重新进行返工处理，所以这一步骤尤为重要。在系统检验的过程中需要把已经安装后的防护块体的安装信息导入到系统里面，通过系统的设计安装三维成像信息与实际三维成像信息作对比，即可高效准确地得出此两个指标是否出现超限。图8为安装密度计算及姿态相似度计算图。

图8 安装密度及姿态相似度计算图

3.4 生成安装作业报告

在以上一系列的操作步骤及结果都符合技术规格书要求后，即可生成安装报告。软件系统能直接一键生成安装报告，报告中包含该安装断面所有的防护块体的开始及结束安装时间、实际安装位置及高程信息、姿态方向信息、安装的密度信息以及安装的姿态相似度比较信息。利用该报告能直观查看每一块的防护块体是否都能达到相关的安装技术要求，规范并且高效准确地生成报告移交监理及业主审核。

4.实际应用

4.1 提高作业效率

该系统能24小时连续作业，能节省因为夜间潜水员无法下水而导致的夜间停止安装作业，不受外界条件约束影响，极大程度地提高作业时间。以往因海况恶劣而导致潜水人员无法下水辅助安装而耽误安装进度，从而影响作业时间，增加施工成本，给项目施工带来停滞作业等一系列麻烦。

4.2 提高安装精度及质量

系统显示的安装界面能直观准确地引导操作人员进行防护块体的实时三维信息化定位安装。能实时显示当前安装块体的三维坐标位置信息、姿态信息、方向以及当前起吊重量信息，保障安装精度都符合相关的技术要求。一键生成安装技术作业报告，省去人为复杂的计算过程及计算工作量，直接供监理业主审核。

以往采取的GPS定位法及极坐标法都存在定位精度不够或者定位方式繁琐而导致防护块体不能精准定位，而且这两种定位方式都不能检查出当前的防护块体实际安装高程、安装姿态等相关信息，完全是依赖潜水人员的判断进行定位安装。如遇到海况恶劣的环境，安装质量更为堪忧，导致因施工质量不符合相关要求而进行返工作业，增加安装作业难度和影响安装精度。

4.3 简化安装流程

该系统操作简单明了，全都为对话框操作，操作起来较为简单。而且为了让操作人员能更全面地了解防护块体的安装状态，不仅加入了能自由旋转切换的界面，而且还增加了位置引导的界面，使得安装变得有趣并且高效。取消以往潜水员水下辅助安装时由于相互对话引起的延迟时间差，极大地提高安装效率。

5.结语

POSIBLOC三维可视化安装系统是新型的防护块体安装系统，是具有多项优点而且能全天候不受外界条件影响。对于本项目恶劣的海况，极大地发挥作用，在不仅能达到技术规格书要求标准，还能保质保量地提前完成施工安装计划。取消潜水员下水辅助安装的危险性，极大地保证项目的安全施工。以本项目的使用经验为例，可为今后相关的防护块体安装工程提供可靠性的技术支持，得到充足的借鉴作用。