一种用于防波堤护面块体安装的成像系统及其应用技术 |
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| 申请号 | CN201710625148.8 | 申请日 | 2017-07-27 | 公开(公告)号 | CN107419702A | 公开(公告)日 | 2017-12-01 |
| 申请人 | 中交四航局第三工程有限公司; | 发明人 | 吴云鹏; 杨建冲; 毕莉莉; 唐明刚; 陈新; 张芮; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种用于 防波堤 护面 块 体安装的成像系统及其应用技术，使用三维图像声呐进行 水 下持续扫描， 定位 单元获取定位坐标， 姿态 传感器 修正运动误差，经计算机进行物理模型解算生成包含坐标信息的三维图，指导护面块体安装施工。使用声呐实时成像技术进行防波堤水下护面块体的安装，可以省去频繁的定位和潜水员水下测量探摸，节约了大量的时间，减少了安全 风 险，自带的姿态修正确保了定位结果的准确，能有效减少风浪对施工的影响，实现块体准确摆放，互相钩连， 密度 和朝向可控，提高块体安装 质量 ，保证防波堤抗浪能 力 ，整个安装过程中吊机操作手可以从计算机得知关于护面块体的完整信息，信息不对称和误解，极大的保障了施工 精度 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于防波堤护面块体安装的成像系统，其特征在于，包括：三维图像声呐，姿态感应单元，定位单元，计算机及供电单元，所述三维图像声呐利用相控阵技术产生多条同时存在的波束，探测视野区域，得出包含探测区域内所有物体准确位置的实时三维地图，所述姿态感应单元包括综合单轴旋转器，姿态传感器和框架，所述综合单轴旋转器用于调整和感应所述三维图像声呐的角度，所述姿态传感器用于向所述计算机提供所述框架的姿态信息和磁航向角，所述定位单元包括GPS基准站，卫星天线及分体式GNSS接收器，所述GPS基准站用于向流动站发送自身收集的载波相位观测值及测站坐标信息作为位置修正信号，所述卫星天线用于接收全球导航卫星信号，所述分体式GNSS接收器接收全球导航卫星信号及所述GPS基准站发送的坐标修正信号，通过载波相位动态实时差分法解算出厘米级精度的定位坐标，为所述计算机提供所述框架的坐标数据，所述计算机接收并处理所述三维图像声呐、所述综合单轴旋转器、所述角度传感器、所述姿态传感器及所述分体式GNSS接收器所传输的数据，解算出探测区域各点的坐标并以三维地图的形式显示在所述计算机的屏幕上。 |
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| 说明书全文 | 一种用于防波堤护面块体安装的成像系统及其应用技术技术领域[0001] 本发明涉及防波堤理坡施工技术领域，特别是涉及一种用于防波堤护面块体安装的成像系统及其应用技术。 背景技术[0002] 加纳特码新集装箱码头工程，位于非洲现有最大的人造海港特马港的西侧。该工程防波堤全长3558米，为斜坡式抛石堤结构，最大水深16m。防波堤外侧坡面采用300kg-500kg垫层块石、2-5t护面块石和2m3护面块体的防护结构。护面块体安装坡面最大长度 21.8m，其中12.5m长的坡面位于0.00m的极端低水位以下。 [0003] 工程所用护面块体为ACCROPODEⅡ型护面块体，该型护面块体是国内常见的扭王字块的原型--ACCROPODEⅠ型护面块体的改进型。Ⅱ型块体整体造型紧凑，高度与长、宽度向近似相等，四腿呈X型，其上布有棱台状突起。其消能性、强健性和稳定性均优于Ⅰ型护面块体。同样的防波堤中，使用Ⅱ型护面块体总浇筑方量少于Ⅰ型块体，经济性更好。但该型块体对预制安装的要求也更为严格。 [0004] 根据规格书的要求，护面块体的安装应按照CLI公司提供的参考坐标点位进行。相邻的块体间应该互相钩连且朝向不能相同。根据CLI的研究，摆放合理、互相钩连的Ⅱ型护面块体抗浪性能是没有钩连时的五倍以上。特码港常年受长周期波影响，近岸波浪大，每年5-10月的雨季期间海况恶劣，为保证防波堤抗浪能力，安装需要严格遵循CLI的要求进行。 发明内容[0006] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种能有效减少风浪对施工的影响，实现块体准确摆放，互相钩连，密度和朝向可控，提高块体安装质量，保证防波堤抗浪能力的用于防波堤护面块体安装的成像系统及其应用技术。 [0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： [0008] 一种用于防波堤护面块体安装的成像系统，包括三维图像声呐，姿态感应单元，定位单元，计算机及供电单元，所述三维图像声呐利用相控阵技术产生多条同时存在的波束，探测视野区域，得出包含探测区域内所有物体准确位置的实时三维地图，所述姿态感应单元包括综合单轴旋转器，姿态传感器和框架，所述综合单轴旋转器用于调整和感应所述三维图像声呐的角度，所述姿态传感器用于向所述计算机提供所述框架的姿态信息和磁航向角，所述定位单元包括GPS基准站，卫星天线及分体式GNSS接收器，所述GPS基准站用于向流动站发送自身收集的载波相位观测值及测站坐标信息作为位置修正信号，所述卫星天线用于接收全球导航卫星信号，所述分体式GNSS接收器接收全球导航卫星信号及所述GPS基准站发送的坐标修正信号，通过载波相位动态实时差分法解算出厘米级精度的定位坐标，为所述计算机提供所述框架的坐标数据，所述计算机接收并处理所述三维图像声呐、所述综合单轴旋转器、所述角度传感器、所述姿态传感器及所述分体式GNSS接收器所传输的数据，解算出探测区域各点的坐标并以三维地图的形式显示在所述计算机的屏幕上。 [0011] 进一步，所述计算机内设有数字输入模块，施工监控系统，姿态控制模块及水下探测器，所述数字输入模块用于设置所述计算机和其它组件的通信接口和通信方式，所述施工监控系统用于显示所述三维图像声呐生成的实时三维地图，从图上可得出坡面任意一点的三维坐标，并耦合声呐图像和设计坡面，分析施工误差，所述姿态控制模块用于解算所述框架的姿态。 [0014] 进一步，所述综合单轴旋转器内设有角度传感器，用于感应所述三维图像声呐被所述综合单元旋转器带动旋转的角度。 [0015] 本发明的有益效果： [0016] (1)三维图像声呐扫描范围广，具备运动物体观测能力，可以显示转动中的护面块体等运动物体； [0017] (2)通过计算机生成三维地图，图上任何一点坐标均可测量，具有与设计耦合的功能，可同时显示设计坡面、目标点位及实际声呐影像； [0018] (3)本发明系统提供当前护面块体悬挂位置与设计摆放位置偏差值并用不同颜色给予安装过程的目标指示； [0019] (4)本发明系统所用的三维图像声呐穿透力强，可在浑浊的水中作业。姿态传感器提供姿态修正，根据本工程实测，在港外风浪较大的情况下，系统所呈现的图像是稳定的，不会因为框架等的剧烈晃动导致坐标等出现偏差。 [0020] (5)本发明系统可将安装过程的数据及图像保存在计算机中以便随时查看，同时具备记录护面块体实际安放位置、朝向及与周围块体结合情况的功能，施工的同时即可生成三维竣工图。 [0021] 本发明使用三维图像声呐进行水下持续扫描，定位单元获取定位坐标，姿态传感器修正运动误差，经计算机进行物理模型解算生成包含坐标信息的三维图，指导护面块体安装施工。使用声呐实时成像技术进行长周期波影响下的大型深水防波堤的水下护面块体安装，能有效减少风浪对施工的影响，实现块体准确摆放，互相钩连，密度和朝向可控，提高块体安装质量，保证防波堤抗浪能力。附图说明 [0022] 图1为本发明用于防波堤护面块体安装的成像系统的结构示意图； [0023] 图2为本发明用于防波堤护面块体安装的成像系统的原理框图； [0024] 图3为图1中框架的结构示意图； [0025] 图4为本发明成像系统应用于防波堤水下护面块体安装的施工流程图； [0026] 图中，1—三维图像声呐、2—综合单轴旋转器、3—姿态传感器、4—卫星天线、5—分体式GNSS接收器、6—计算机、7—发电机、8—转换电源、9—电缆、10—框架、11—挡板、12—立杆、13—吊环、14—配重箱。 具体实施方式[0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0028] 需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。 [0029] 如图1，本发明提供一种用于防波堤护面块体安装的成像系统(简称ECHOSCOPE系统)，利用可视化技术确保护面块体的水下安装质量。ECHOSCOPE系统主要包括三维图像声呐1，姿态感应单元，定位单元，计算机6及供电单元。 [0030] 三维图像声呐1是整个ECHOSCOPE系统的核心。本发明所用的三维图像声呐1利用相控阵技术产生16000条同时存在的波束，探测其前方50°×50°的视野区域。这种三维图像声呐1不需要额外的定位声呐辅助，就能独立得出包含探测区域内所有物体准确位置的实时三维地图，扫描范围广；其每秒可以扫描并生成12帧图像，可以实时展现物体的运动情况。 [0031] 如图1及图3，姿态感应单元包括综合单轴旋转器2，姿态传感器3和框架10，综合单轴旋转器2用于调整和感应三维图像声呐1的角度。综合单轴旋转器2将三维图像声呐1和框架10前端的挡板11相连，能够带动三维图像声呐1旋转，综合单轴旋转器2内置有角度传感器，能够感知三维图像声呐1旋转的角度。姿态传感器3用于测量并向计算机6提供框架10的姿态信息(横滚角和俯仰角)和磁航向角。框架10包括位于前端的挡板11，挡板11用于安装三维图像声呐1和综合单轴旋转器2，框架10的中部设有立杆12，立杆12上安装有卫星天线4，立杆12高度由最大工作水深决定，框架10的尾部设有吊环13和配重箱14，吊环13设有三个，用于起吊，配重箱14设有两个，用于平衡配重。系统安装后，需用全站仪测量框架上各组件的三维相对位置。 [0032] 如图1，定位单元包括GPS基准站，卫星天线4及分体式GNSS(全球导航卫星系统)接收器5。GPS基准站负责向流动站发送自身收集的载波相位观测值及测站坐标信息作为位置修正信号，辅助流动站定位。在本实施例中采用Trimble SPS855基准站，30km内RTK(使用载波相位动态实时差分法解算出厘米级精度的定位坐标)定位水平精度8mm+0.5ppm RMS，垂直精度15mm+0.5ppm RMS，足以满足本工程的要求。卫星天线4用于接收全球导航卫星信号，本实施例中采用F180卫星天线，由主、从两个天线组成，安装在立杆12的顶端，负责接收GNSS卫星信号。分体式GNSS接收器5集成了F180天线接口与Trimble TDL450特高频电台，接收全球导航卫星信号及GPS基准站发送的坐标修正信号，通过载波相位动态实时差分法(简称RTK)解算出厘米级精度的定位坐标，为计算机提供框架10的坐标数据。 [0033] 计算机6接收并处理三维图像声呐1、综合单轴旋转器2、角度传感器、姿态传感器3及分体式GNSS接收器5所传输的数据，解算出探测区域各点的坐标并以三维地图的形式显示在计算机6的屏幕上。 [0034] 计算机6内设有数字输入模块，施工监控系统，姿态控制模块及水下探测器，数字输入模块用于设置所述计算机6和其它组件的通信接口和通信方式，施工监控系统用于显示三维图像声呐1生成的实时三维地图，从图上可得出坡面任意一点的三维坐标，并耦合声呐图像和设计坡面，分析施工误差，姿态控制模块用于解算框架10的姿态。水下探测器和施工监控系统界面一样。为实现上述功能，计算机安装了Coda Octopus公司提供的对应上述各模块的专用软件。其中施工监控系统软件具备数据导入，保存和显示回放功能，能修改解算模型的参数，具有配套的加密狗。姿态控制模块解算时，在对应的专用软件中输入框架形式、各组件在框架上的安装方式、相对位置、坐标定位方式等参数，建立解算模型进行解算。 [0035] 供电单元包括一台独立的发电机7、多个转换电源8，以及连接于各部件的电缆9，负责为各部件提供电力。 [0036] 如图2，ECHOSCOPE系统工作时，三维图像声呐1进行水下持续扫描，探测视野区域，测量各点位置，定位单元获取定位坐标，并将坐标数据发送至计算机6，同时姿态感应单元感应三维图像声呐1的工作姿态信息，定位单元提供厘米级别精度定位坐标，并将工作姿态信息和坐标数据发送给计算机6，计算机6进行数据解算，生成并显示图像。供电单元为各部件提供电力。 [0037] 本发明用于防波堤护面块体安装的成像系统使用三维图像声呐1进行水下持续扫描，定位单元获取定位坐标，姿态感应单元修正运动误差，经计算机6进行物理模型解算生成包含坐标信息的三维图，指导护面块体安装施工。使用声呐实时成像技术进行长周期波影响下的大型深水防波堤的水下护面块体安装，能有效减少风浪对施工的影响，实现块体准确摆放，互相钩连，密度和朝向可控，提高块体安装质量，保证防波堤抗浪能力。 [0038] 如图4，下面介绍使用本发明的成像系统在防波堤水下护面块体安装中的具体应用。使用ECHOSCOPE系统进行护面块体安装可以在不需要潜水员及测量的情况下获得水下坡面、已经安装的块体图像及护面块体设计摆放位置的目标指示，在三维图指导下进行姿态调整，同时可以边施工边记录块体的安装情况，实现竣工图的实时绘制。其施工过程包括： [0039] 安装及测试系统：在ECHOSCOPE系统安装前需要根据厂家提供的参考图纸设计制作框架10。系统的安装需要准备高空作业车、全站仪等辅助设备，全站仪用于测量框架上各组件的三维相对位置，安装在厂家技术人员的指导下进行。安装完毕后，检查计算机6与各部分的通信情况，使用独立的GPS流动站复核系统的定位，然后测试其起吊平衡并做下水测试。需要注意的是，无论测试还是施工，F180天线和姿态传感器3都禁止没入水中。系统安装及测试完毕后，在ECHOSCOPE系统中导入CLI公司提供的护面块体施工布置图，同时，预制对应的护面块体，并运至施工现场。 [0040] 护面块体在ECHOSCOPE系统引导下定位下放：施工时，吊机吊起ECHOSCOPE系统及护面块体放入水中，系统将根据定位单元的定位数据和施工布置图在计算机屏幕左下角用平面图给出定位指示。指示使用紫色十字表示已经安装的护面块体，蓝色表示声呐扫描的坡面，可变色的十字表示当前的块体，绿色表示安装点位并用同心圆圈出当前需安装的点位。操作手根据系统指示操作吊机将护面块体向同心圆心移动，若当前块体的十字呈现红色，表示块体位置与设计点位偏差较大不建议下放；由红转黄，表示块体已经接近目标位置；由黄转绿表明当前块体位置与设计点位基本相符，建议下放。通过定位指示，吊机操作手找到需要下放块体的位置并让主钩向下运动，使块体靠近安装坡面。同时，系统也会显示三维的声呐成像图，护面块体安装过程模拟图及二维断面图以供吊机操作手参考。每次安装新的护面块体，都可以操作ECHOSCOPE系统指示新的安装点位。 [0041] 在ECHOSCOPE引导下调整护面块体姿态：护面块体的安放不仅要基本满足位置摆放要求，还需要满足互相钩连的需要。在块体到达设计点位，进行下放的过程中，计算机可以提供安放过程的实时三维显示。计算机对安放过程的三维显示方式有纯声呐图像显示，纯模拟图像显示和声呐及模拟图像耦合显示三种。纯声呐图像显示使用不同的颜色表示护面块体各脚及坡面距离声呐头的远近，从而形成三维的色块图像。在纯声呐图像中可以看到坡面块石的突起情况，较为真实。纯模拟图像显示使用块体的三维模型代替真实的块体图像，形成三维的仿真图像。在此模式下各个护面块体之间的联系更加直观明了。耦合显示模式是同时显示三维模型的外轮廓和声呐色块图像，兼具两者的优点，是一般常用的模式。 [0042] 吊机操作手选择自己习惯使用的模式，通过计算机6可以清楚地看到水下块体的姿态并根据需要进行调整，当块体调整至满意的朝向及角度时，将块体放置于坡面上并转动三维图像声呐1和系统框架10对周围情况进行确认。确定块体处于与其他块体的钩连状态且接触垫层坡面后，使用自动脱钩器松钩，块体安放完毕。 [0043] 每次吊装新块体下水时，吊机操作手在软件中点击New Block(新块体)选项卡并点击Movement Tracking(运动跟踪)选项开启跟踪模式，在该模式下系统将跟踪块体的安装过程。当前护面块体安装完毕后，吊机操作手点击Mark Laid(标记放置)选项，计算机会在块体安装位置生成一个模型作为标记。重复以上步骤就可以得到包含原始坡面坐标和各个块体安装位置信息的三维图，将该三维图导出后可直接作为三维竣工图使用。 [0044] 本发明用于防波堤护面块体安装的成像系统进行防波堤水下护面块体安装时，可以省去频繁的定位和潜水员水下测量探摸，节约了大量的时间，减少了安全风险。自带的姿态修正确保了定位结果的准确，在实际操作中几乎感觉不到水面风浪对水下定位造成的影响。整个安装过程中吊机操作手可以从计算机得知关于护面块体的完整信息，避免了第三者指挥可能导致的信息不对称和误解。系统全程使用多种图像作为指引，直观明了，能够在水下实现在水上一样的可视安装，极大的保障了施工精度，确保了护面块体位置准确，互相钩连，朝向可控。在实际施工中保证了其整体密度满足数量偏差小于5％的要求，达到了很好的安装效果。 [0045] 使用声呐实时三维成像技术进行长周期波作用下的大型深水防波堤的水下护面块体安装施工，可以有效的降低风浪等不利因素对施工造成的影响，实现块体的准确安放，互相钩连，保证了护面块体的防浪效果，保障了防波堤的施工质量。同时，这套系统应用于工程的时间较短，可借鉴的工程经验较少，本文对系统的介绍能为未来类似工程的施工提供宝贵的经验。 [0046] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。 |
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