一种海上作业平台智能定位系统和实施方法与流程

1.本发明涉及桥梁工程技术领域，特别涉及一种海上作业平台智能定位系统和实施方法。


背景技术：

2.跨海大桥主墩基础往往需要在海中进行施工，由于所处自然环境复杂，导致施工难度大，尤其是面临施工主塔墩位处水下地形起伏较大、无覆盖层、流急浪高、且基础水深达到60m的施工场景，国内目前还未有类似桥梁基础施工经验，施工风险较高。
3.针对上述复杂的自然环境条件，较佳的施工方案是借助海上作业平台进行桥梁施工，具体的，海上作业平台在工厂整体加工拼装，浮运至主塔墩位处抛锚定位，然后在海上作业平台上进行主墩基础施工。
4.然而，海上作业平台在海中实施作业，受高低潮、风浪、洋流等的影响，海上作业平台的位置和姿态测量困难，需要反复校核，施工过程中受洋流、高低潮等的影响，平台位置和姿态会发生改变。需要反复调整缆绳张拉力使海上作业平台达到合理状态。若采用采用传统的全站仪、水准仪等测量工具测量海上作业平台位置和姿态，工作繁琐，操作困难。
5.由于用于调整海上作业平台姿态的单个缆绳求解问题属于非线性问题，而缆绳力彼此之间相互影响，平台定位为多个非线性问题的耦合，求解复杂；并且受高低潮、风浪、洋流等的影响，缆绳和平台受力表现出一定的不规律性，特别是风浪、洋流无法准确测量，求解边界条件复杂化导致理论求解与实际偏差会较大。这导致并不能根据计算结果一次性调节到理想的目标姿态，平台定位需要多次对缆绳调节。传统调节方法采用全站仪、水准仪等测量工具工作效率低下，并且不给能出准确的调节方法，往往根据平台位置，对缆绳进行经验性调整，缆绳存在多调，少调的普遍情况。
6.为了提高施工速度，降低施工难度和施工成本，迫切需要针对海上作业平台研发相应的定位系统和调整方法，以实现海上作业平台的自动监测和自动调节功能，从而对海上作业平台进行快速定位。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中存在的问题，本技术实施例提供一种海上作业平台智能定位系统和实施方法，能够根据海上作业平台的实时姿态和目标姿态的偏差，通过多次调整缆绳长度实现对海上作业平台的快速姿态调整和快速定位，提高桥梁施工效率。
8.一种海上作业平台智能定位系统，海上作业平台的多个预设位置分别设有转揽点，所述系统包括：
9.姿态检测模块，其设置于海上作业平台，用于采集海上作业平台的实时姿态信息；
10.多个锚碇，其分别设置于海上作业平台外围的预设位置，转缆点与锚碇一一对应；
11.收揽系统，其包括多个设置于转缆点的收揽装置、以及多个连接在转缆点和锚碇之间的缆绳，收揽装置用于根据调节指令调整缆绳长度；
12.控制模块，其用于多次采集所述实时姿态信息，并处理得到每个转缆点与相应锚碇的实时距离lli，还用于根据目标姿态信息，处理得到每个转缆点与相应锚碇的目标距离llsi；所述控制模块还用于根据目标距离llsi和实时距离lli的差值的绝对值多次生成所述调节指令，并多次向所述收揽系统发出该调节指令，以使每个缆绳的长度均收敛于设计目标值，直至所有缆绳的长度均达到目标值。
13.优选的，所述实时姿态信息包括实时水平位置信息、实时水平扭转信息和实时竖向倾角信息。
14.优选的，所述姿态检测模块包括：
15.多个gps，其用于采集并输出所述实时水平位置信息；
16.多个倾角传感器，其用于采集并输出所述实时竖向倾角信息；
17.多个数据传输装置，其分别连接所述倾角传感器，用于接收并输出所述实时竖向倾角信息；
18.供电装置，其用于对系统中除自身外的其他所有装置供电。
19.优选的，所述海上作业平台智能定位系统还包括：
20.多个抛锚艇，其用于在所述多个转缆点和所述多个锚碇之间安装所述缆绳。
21.优选的，所述控制模块还用于结合所述实时姿态信息和每个转缆点在海上作业平台的设置位置，处理得到每个转缆点的实时坐标；
22.所述控制模块还用于根据gps采集数据换算得到所述实时水平扭转信息；
23.所述控制模块还用于结合所述目标姿态信息和每个转缆点在海上作业平台的设置位置，处理得到每个转缆点的目标坐标。
24.优选的，所述实时距离lli采用下述公式计算得到：
[0025][0026]
其中，
[0027]
lli表示实时距离；
[0028]
mi表示第i个转缆点的桥位坐标系中的实时x坐标；
[0029]
ni表示第i个转缆点的桥位坐标系中的实时y坐标；
[0030]
pi表示第i个转缆点的桥位坐标系中的实时z坐标；
[0031]ai
表示第i个转缆点对应的第i个锚碇的x坐标；
[0032]bi
表示第i个转缆点对应的第i个锚碇的y坐标；
[0033]ci
表示第i个转缆点对应的第i个锚碇的z坐标。
[0034]
优选的，所述目标距离llsi采用下述公式计算得到：
[0035][0036]
其中，
[0037]
llsi表示目标距离；
[0038]
msi表示第i个转缆点在桥位坐标系中的x设计坐标；
[0039]
nsi表示第i个转缆点在桥位坐标中的y设计坐标；
[0040]
psi表示第i个转缆点在桥位坐标中的z设计坐标。
[0041]
优选的，所述控制模块在判断经过多次长度调节后，目标距离llsi和实时距离lli的差值的绝对值小于允许误差后，判断每个缆绳的长度均达到目标值。
[0042]
一种海上作业平台智能定位实施方法，基于所述的海上作业平台智能定位系统，所述方法包括：
[0043]
在海上作业平台的预设位置设置多个转缆点，在海上作业平台外围的预设位置设置多个锚碇，转缆点与锚碇一一对应；
[0044]
在多个转缆点和多个锚碇之间设置收揽系统；
[0045]
多次采集所述实时姿态信息，并处理得到每个转缆点与相应锚碇的实时距离lli；
[0046]
根据目标姿态信息，处理得到每个转缆点与相应锚碇的目标距离llsi；
[0047]
根据目标距离llsi和实时距离lli的差值的绝对值多次生成所述调节指令，以所述目标距离llsi与实时距离lli的差值的绝对值作为缆绳调节量，以多次调节所述每个缆绳的长度，以使每个缆绳的长度逐步收敛于设计目标值，直至所有缆绳的长度均达到目标值。
[0048]
优选的，所述判断每个缆绳的长度是否均达到目标值的具体步骤如下：
[0049]
判断经过多次长度调节后，目标距离llsi和实时距离lli的差值的绝对值是否小于允许误差，并在判断结果为是时，判定每个缆绳的长度均达到目标值。
[0050]
本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
[0051]
通过gps、倾角仪等智能传感器采集信息，并通过控制模块计算，可以实现平台姿态和位置的快速测量，解决了原有传统测量方法采用水准仪、全站仪测量效率慢，工作繁琐，海上操作困难的问题，提高桥梁测量施工效率。
[0052]
利用姿态检测模块实时检测海上作业平台的姿态，根据海上作业平台的实时姿态和目标姿态的偏差，将缆绳长度的非线性收揽问题按照空间中的直线距离的收敛问题进行求解，实现在复杂多变的海洋作用力下，完成对海上作业平台的自动监测和自动调节。
[0053]
与传统根据经验对缆绳长度进行调整相比，本实施方法将目标距离llsi和实时距离lli的差值的绝对值作为每次缆绳调整量，每次调节量均小于上一次调节量，可实现平台位置姿态和缆绳长度逐渐收敛于设计目标，避免了调节过程中的超调、误调等问题，实现施工过程的安全可控。
附图说明
[0054]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对发明内容描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0055]
图1是本发明实施例中海上作业平台智能定位系统的功能模块示意图。
[0056]
图2是本发明实施例中海上作业平台智能定位系统的应用示意图。
[0057]
图3是本发明实施例中海上作业平台智能定位实施方法的流程示意图。
具体实施方式
[0058]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，附图所描述的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做出创造性劳动的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。
[0059]
基于现有技术中存在的问题，本发明提出一种海上作业平台智能定位系统，如图1和图2所示，包括多个分别设置于海上作业平台6的预设位置的转缆点2和多个分别设置于海上作业平台6外围的预设位置的锚碇4，转缆点2与锚碇4一一对应。还包括姿态检测模块1、收揽系统3、以及控制模块5，控制模块5连接姿态检测模块1和收揽系统3，收揽系统3包括多个设置于转缆点2的收揽装置、以及多个连接在转缆点2和锚碇4之间的缆绳，收揽装置用于根据调节指令调整缆绳长度。
[0060]
控制模块5用于多次采集上述实时姿态信息，并处理得到每个转缆点2与相应锚碇4的实时距离lli，根据目标姿态信息，处理得到每个转缆点2与相应锚碇4的目标距离llsi，根据目标距离llsi和实时距离lli的差值的绝对值多次生成上述调节指令，并多次向上述收揽系统3发出该调节指令，直至每个缆绳的长度均达到目标值。当海上作业平台6的实时姿态和目标姿态的偏差收敛到施工允许误差范围说明每个缆绳的长度均达到目标值。
[0061]
在本实施例中，利用姿态检测模块1实时检测海上作业平台6的姿态，根据海上作业平台6的实时姿态和目标姿态的偏差，计算缆绳调整量和上述偏差是否已收敛到施工允许误差范围，然后根据结果调整缆绳长度，每次调整后均再次采集海上作业平台6的实时姿态信息，直至上述偏差已收敛到施工允许误差范围，从而完成对海上作业平台6的自动监测和自动调节，在海上作业平台6存在不稳定性、以及缆绳存在非线性状态的前提下，实现对海上作业平台6的姿态调整定位。
[0062]
通过控制模块5计算和控制海上作业平台6的姿态调整定位，提高桥梁施工效率。
[0063]
在较佳的实施例中，上述实时姿态信息包括实时位置信息和实时倾角信息。上述目标姿态信息包括目标位置信息和目标倾角信息。
[0064]
上述姿态检测模块1包括用于采集并输出上述实时位置信息的多个gps、用于采集并输出上述实时倾角信息的多个倾角传感器、用于接收并输出上述实时倾角信息的数据传输装置、以及用于对系统中除自身外的其他所有装置供电的供电装置。
[0065]
在本实施例中，在海上作业平台6上通过安装gps和倾角传感器精准定位导向平台到达目标姿态，仪器设备主要是用于实时获取定位过程中平台倾斜姿态及位置信息数据。数据传输装置可采用无线终端设备。供电装置可为倾角传感器和数据传输装置等提供电力。
[0066]
在较佳的实施例中，上述海上作业平台智能定位系统还包括用于在上述多个转缆点2和上述多个锚碇4之间安装上述缆绳的多个抛锚艇。
[0067]
在本实施例中，海上作业平台6浮运到位后，利用抛锚艇进行平台侧与锚碇4处的缆绳连接，缆绳连接后可启动收揽装置中的牵引千斤顶对各缆绳进行牵引收缆。
[0068]
在较佳的实施例中，上述控制模块5还用于结合上述实时姿态信息和每个转缆点2在海上作业平台6的设置位置，处理得到每个转缆点2的实时坐标。
[0069]
上述控制模块5还用于结合上述目标姿态信息和每个转缆点2在海上作业平台6的设置位置，处理得到每个转缆点2的目标坐标。
[0070]
上述实时距离lli采用下述公式计算得到：
[0071][0072]
其中，lli表示转揽点到锚碇直线连接的实时距离。mi表示第i个转缆点2的桥位坐
标中的实时x坐标。ni表示第i个转缆点2的桥位坐标中的实时y坐标。pi表示第i个转缆点2的桥位坐标中的实时z坐标。ai表示第i个转缆点2对应的第i个锚碇的x坐标。bi表示第i个转缆点2对应的第i个锚碇的y坐标。ci表示第i个转缆点2对应的第i个锚碇的z设计坐标。
[0073]
上述目标距离llsi采用下述公式计算得到：
[0074][0075]
其中，llsi表示转揽点到锚碇直线连接的目标距离。msi表示第i个转缆点2在桥位坐标中的x设计坐标。nsi表示第i个转缆点2在桥位坐标中的y设计坐标。psi表示第i个转缆点2在桥位坐标中的z设计坐标。进一步的，上述控制模块5在判断经过多次长度调节后，目标距离llsi和实时距离lli的差值的绝对值小于允许误差后，判断每个缆绳的长度均达到目标值。
[0076]
在本实施例中，桥位坐标系取桥梁纵桥向为x轴，横桥向为y轴，竖向为z轴，海上作业平台6施工的设计中心点为坐标原点。
[0077]
记海上作业平台6中线点为o(a0，b0，c0)，s1(a1，b1，c1)、s2(a2，b2，c2)、
…
、s
12
(a
12
，b
12
，c
12
)，si(ai，bi，ci)为12个锚碇4在桥位坐标系下的坐标值。对应的缆绳长度为l1、l2、
…
、l
12
。对应的12个转揽点实时坐标为z1(m1，n1，p1)、z2(m2，n2，p2)、
…
、z
12
(m
12
，n
12
，p
12
)、12个转揽点目标坐标为z1(ms1,ns1,ps1)、z1(ms2,ns2,ps2)、
…
、z1(ms
12
,ns
12
,ps
12
)。
[0078]
对应的一对转揽点到锚碇4的直线距离记为ll1、ll2、
…
、ll
12
，由于函数lli＝f(li)仅存在唯一解，且为单调递增函数。
[0079]
对于设计要求下的满足平台定位的特定缆绳长度l1、l2、
…
、l
12
的解向量l＝(l1、l2、
…
、l
12
)，仅存在唯一的解向量ll＝(ll1、ll2、
…
、ll
12
)。因此理论上，ll1、ll2、
…
、ll
12
等于设计值时，作业平台的位置和姿态便唯一地为设计计算值。即可以将缆绳长度的非线性收揽问题按照空间中的直线距离非线性收敛进行求解。
[0080]
因此根据转揽点坐标、锚碇4坐标可以计算转揽点到锚碇4的直线距离。每个转揽点到锚碇4直线连接的设计距离为：点到锚碇4直线连接的设计距离为：每个转揽点到锚碇4直线连接的实际距离为：
[0081]
将|lls
i-lli|作为每次千斤顶缆绳调节量。
[0082]
由于即经过足够多次数调节后，平台位置和姿态将收敛于设计位置。实际中，小于一定的容许误差即可满足施工要求即缆绳调整n0次即可满足施工容许误差δi。
[0083]
本发明还提供一种海上作业平台智能定位实施方法，如图3所示，包括：
[0084]
步骤s1、在海上作业平台6的预设位置设置多个转缆点2，在海上作业平台6外围的预设位置设置多个锚碇4，转缆点2与锚碇4一一对应；
[0085]
步骤s2、在多个转缆点2和多个锚碇4之间设置收揽系统3；
[0086]
步骤s3、多次采集上述实时姿态信息，并处理得到每个转缆点2与相应锚碇4的实时距离lli；
[0087]
步骤s4、根据目标姿态信息，处理得到每个转缆点2与相应锚碇4的目标距离llsi；
[0088]
步骤s5、根据目标距离llsi和实时距离lli的差值的绝对值多次生成上述调节指令，以多次调节上述每个缆绳的长度，直至每个缆绳的长度均达到目标值。
[0089]
在本实施例中。海上作业平台6一个调平过程为根据gps和倾角仪计算平台位置和姿态，计算每个转揽点到锚碇4的实时距离lli。计算每次千斤顶缆绳调节量|lls
i-lli|，判断每次千斤顶缆绳调节量是否小于施工容许误差，当小于施工容许误差认为工作平台满足设计要求，当大于等于施工容许误差时通过收揽系统3调整缆绳长度。重复上述步骤直到计算的12根缆绳调节量均小于施工容许误差。
[0090]
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种海上作业平台智能定位系统，其特征在于，海上作业平台的多个预设位置分别设有转揽点，所述系统包括：姿态检测模块，其设置于海上作业平台，用于采集海上作业平台的实时姿态信息；多个锚碇，其分别设置于海上作业平台外围的预设位置，转缆点与锚碇一一对应；收揽系统，其包括多个设置于转缆点的收揽装置、以及多个连接在转缆点和锚碇之间的缆绳，收揽装置用于根据调节指令调整缆绳长度；控制模块，其用于多次采集所述实时姿态信息，并处理得到每个转缆点与相应锚碇的实时距离ll
i
，还用于根据目标姿态信息，处理得到每个转缆点与相应锚碇的目标距离lls
i
；所述控制模块还用于根据目标距离lls
i
和实时距离ll
i
的差值的绝对值多次生成所述调节指令，并多次向所述收揽系统发出该调节指令，以使每个缆绳的长度均收敛于设计目标值，直至所有缆绳的长度均达到目标值。2.如权利要求1所述的海上作业平台智能定位系统，其特征在于，所述实时姿态信息包括实时水平位置信息、实时水平扭转信息和实时竖向倾角信息。3.如权利要求2所述的海上作业平台智能定位系统，其特征在于，所述姿态检测模块包括：多个gps，其用于采集并输出所述实时水平位置信息；多个倾角传感器，其用于采集并输出所述实时竖向倾角信息；多个数据传输装置，其分别连接所述倾角传感器，用于接收并输出所述实时竖向倾角信息；供电装置，其用于对系统中除自身外的其他所有装置供电。4.如权利要求1所述的海上作业平台智能定位系统，其特征在于，所述海上作业平台智能定位系统还包括：多个抛锚艇，其用于在所述多个转缆点和所述多个锚碇之间安装所述缆绳。5.如权利要求3所述的海上作业平台智能定位系统，其特征在于，所述控制模块还用于结合所述实时姿态信息和每个转缆点在海上作业平台的设置位置，处理得到每个转缆点的实时坐标；所述控制模块还用于根据gps采集数据换算得到所述实时水平扭转信息；所述控制模块还用于结合所述目标姿态信息和每个转缆点在海上作业平台的设置位置，处理得到每个转缆点的目标坐标。6.如权利要求5所述的海上作业平台智能定位系统，其特征在于，所述实时距离ll
i
采用下述公式计算得到：其中，ll
i
表示实时距离；m
i
表示第i个转缆点的桥位坐标系中的实时x坐标；n
i
表示第i个转缆点的桥位坐标系中的实时y坐标；p
i
表示第i个转缆点的桥位坐标系中的实时z坐标；a
i
表示第i个转缆点对应的第i个锚碇的x坐标；
b
i
表示第i个转缆点对应的第i个锚碇的y坐标；c
i
表示第i个转缆点对应的第i个锚碇的z坐标。7.如权利要求6所述的海上作业平台智能定位系统，其特征在于，所述目标距离lls
i
采用下述公式计算得到：其中，lls
i
表示目标距离；ms
i
表示第i个转缆点在桥位坐标系中的x设计坐标；ns
i
表示第i个转缆点在桥位坐标中的y设计坐标；ps
i
表示第i个转缆点在桥位坐标中的z设计坐标。8.如权利要求1所述的海上作业平台智能定位系统，其特征在于，所述控制模块在判断经过多次长度调节后，目标距离lls
i
和实时距离ll
i
的差值的绝对值小于允许误差后，判断每个缆绳的长度均达到目标值。9.一种海上作业平台智能定位实施方法，其特征在于，基于权利要求1-8中任一项所述的海上作业平台智能定位系统，所述方法包括：在海上作业平台的预设位置设置多个转缆点，在海上作业平台外围的预设位置设置多个锚碇，转缆点与锚碇一一对应；在多个转缆点和多个锚碇之间设置收揽系统；多次采集所述实时姿态信息，并处理得到每个转缆点与相应锚碇的实时距离ll
i
；根据目标姿态信息，处理得到每个转缆点与相应锚碇的目标距离lls
i
；根据目标距离lls
i
和实时距离ll
i
的差值的绝对值多次生成所述调节指令，以所述目标距离lls
i
与实时距离ll
i
的差值的绝对值作为缆绳调节量，以多次调节所述每个缆绳的长度，以使每个缆绳的长度逐步收敛于设计目标值，直至所有缆绳的长度均达到目标值。10.如权利要求9所述的海上作业平台智能定位实施方法，其特征在于，所述判断每个缆绳的长度是否均达到目标值的具体步骤如下：判断经过多次长度调节后，目标距离lls
i
和实时距离ll
i
的差值的绝对值是否小于允许误差，并在判断结果为是时，判定每个缆绳的长度均达到目标值。

技术总结
本发明涉及一种海上作业平台智能定位系统和实施方法，涉及桥梁工程技术领域，包括在海上作业平台的预设位置设置多个转缆点，在海上作业平台外围的预设位置设置多个锚碇。在多个转缆点和多个锚碇之间设置收揽系统。通过GPS和倾角仪采集数据，通过控制模块计算所述实时姿态信息，将缆绳长度的非线性收揽问题按照直线距离的非线性收敛问题进行求解，多次调节所述每个缆绳的长度使平台位置逐渐收敛于设计目标位置。本申请能够实现对复杂多变的海洋环境作用力下作业平台的快速定位和姿态调整，避免调节过程中的超调、误调等问题，施工过程安全可控，提高桥梁施工效率。提高桥梁施工效率。提高桥梁施工效率。


技术研发人员：徐有良 唐勇 李永旗 吴巨峰 王波 王东辉 钟继卫 张来健 朱建阳
受保护的技术使用者：中铁大桥局集团有限公司
技术研发日：2023.01.10
技术公布日：2023/6/12