聚焦港珠澳——DASP系統助力祖國點亮深海巨龍

2018-12-17 14:06:46 閱讀次數:1163

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摘要:東方所DASP系統用精确可靠的測試技術為港珠澳大橋最令人矚目的一環——沉管對接工程護航,助力港珠澳大橋主體工程圓滿成功。

關鍵詞:港珠澳大橋,沉管對接,DASP系統



項目簡介

2017年7月7日,目前世界上最長的跨海大橋——港珠澳大橋主體貫通。2018年10月23日,港珠澳大橋開通儀式在廣東珠海舉行,國家主席習近平出席儀式并宣布大橋正式開通, “一橋拉動,珠三角西部棋子全盤皆活”。

在此世界矚目的工程中,東方所DASP系統用精确可靠的測試技術為港珠澳大橋最令人矚目的一環——沉管對接工程護航,助力港珠澳大橋主體工程圓滿成功。

在電影《厲害了我的國》中,攝制組将東方所DASP軟件港珠澳大橋沉管對接姿态監測系統以特寫鏡頭的形式呈現在觀衆面前,港珠澳大橋總工程師依據DASP軟件提供的數據,準确給出厘米級移動距離的施工指令,成功完成全部沉管的準确對接。

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一、項目背景

(1)港珠澳大橋

港珠澳大橋全長55公裡,包括海中橋隧主體工程、三地連接線及口岸。其中港珠澳大橋島隧工程海底隧道由33節沉管對接而成,含28節直線段沉管和5節曲線段沉管,全長5664米,是世界唯一的深埋沉管隧道和最大的沉管隧道,也是中國唯一的外海沉管隧道,是目前世界上綜合難度最大的交通工程之一,被英國《衛報》譽為“新世界七大奇迹”的超級工程。(摘自中青網“港珠澳大橋沉管隧道最終接頭進行吊裝對接”)

港珠澳大橋.gif


(2)沉管對接的世界性難題

海底沉管隧道全長5664米,共33個管節,有19個管節安裝水深超過40 ,标準管節長180米、寬40米,高11米,由鋼筋混凝土築成,重近80000噸,沉管對接作為工程合龍的最後一環,設計對接誤差不能超過10厘米。

沉管對接工程非常複雜,最終管節入水後,在水流力、錨纜、沉放駁等因素的綜合作用下,管節姿态實時變化,使得沉管對接精度難以控制,并且必須保證沉管對接一次成功。一旦對接誤差過大,後果将非常嚴重,直接影響沉管的安全,引起橋梁基床破壞等。在建築方全球範圍内尋找實時對接監測方案的過程中,外方技術團隊面對這一世界性難題曾開出了過億歐元的價格。

海底隧道.gif

   

二、沉管對接實現方案

面對此難題,中國航空工業計量所與北京東方所聯合研發了“沉管運動姿态監測系統”,系統選用北京東方所自主研制的INV3062W微震數據采集儀和自主研發的DASP數據分析處理軟件,完美實現了沉管對接過程中管節的運動位移和旋轉角度等姿态量的實時測量,成功解決了沉管無縫對接中對接精度監測這一世界性難題,保證了港珠澳大橋沉管隧道工程的完美收官。

該系統在沉管兩端安裝多個超低頻加速度傳感器、光纖陀螺儀,通過東方所自主研究的AVD(加速度/速度/位移)一入三出專利技術,将測量得到的實時加速度信号經過兩次積分轉換為精确的實時位移信号,再通過複雜的幾何計算,實時輸出水下沉管的位移及姿态,實現了對接過程的mm級監測。

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三、沉管對接測量關鍵技術

在沉管對接監測過程中,主要使用了以下關鍵技術。

1)精密數據采集技術

為保證沉管姿态實時數據的精确獲取,采用東方所INV3062W32位微震數據采集儀,該采集儀使用4delta-SigmaADC模數轉換器,具有130dB動态範圍,保證了數據具有良好的信噪比與分辨率,為沉管的無縫對接一次成功打下了良好的數據基礎;該數據采集儀同時具有良好的儀器零點漂移控制特性,解決了沉管過程中低頻和超低頻信号測量精度的問題。

2)沉管對接過程中低頻信号的實時二次積分精度

最終管節入水後受洋流、浮力等多種因素的影響,其姿态會發生變化,且其運動呈低頻特性,多個頻率均低于1Hz。從安裝便捷性的角度出發,系統選擇使用加速度傳感器進行數據測量,為獲取其精确的運行位置,需将加速度信号轉換為位移信号。因此,低頻信号的實時二次積分精度成為本項目的關鍵點之一。

對于低頻信号,傳統的積分算法受信号基線和低頻漂移的劇烈影響,導緻積分後波形基線大幅波動,且傳統的微積分技術隻能對有限長的信号進行微積分,不能連續、實時進行;二次積分結果更是難以應用于現場。

本項目采用東方所提出的基于全程數據變換算法——全程微積分算法,克服了傳統微積分技術存在的問題,可連續、實時的進行微積分轉換,且二次積分結果達到與使用位移測試系統直接測量相同的精度水平。

3)海底分布式測量的時鐘同步技術

系統需在沉管兩端布置多種傳感器,若使用長導線連接傳感器可能會引起的信号幹擾大、增加施工難度等問題,基于此采用分布式測量系統進行數據的測量。

分布式測量系統可極大減少傳感器導線的使用長度,但需解決分布式儀器之間的時鐘同步問題,在現場難以接收GPS/北鬥信号的情況下,系統采用基于以太網的PTP1588精密時鐘同步技術,同步精度不大于50ns,有效保證了沉管整體姿态的計算精度。


四、沉管無縫對接圓滿成功

最終接頭是港珠澳大橋沉管隧道貫通的控制性樞紐,也是全線合龍的最後一環,最終管節需雙側對接,其難度之大令世界矚目。港珠澳大橋管理局總工辦主任陳越更是用行百裡路半九十來形容最終接頭的重要性。

在東方所DASP系統的幫助下,對沉管對接過程中實現了最終管節姿态變化的實時監控,完美完成了最終管節的無縫對接,最終管節的安裝誤差一端為0.8mm,另一端為2.6mm,不僅遠小于10cm的設計要求,更是在世界範圍内達到了同類工程中的最高水平。最終接頭的安裝成功标志着港珠澳大橋主體工程全線的貫通。

作為國内振動噪聲測試領域的領軍者,北京東方所始終緻力于高精度高可靠性測量的研究,在一項項重大工程的背後,東方所人利用自主研發技術攻克了一個又一個技術難題,為祖國的繁榮昌盛助力添彩。