聚焦港珠澳——DASP系统助力祖国点亮深海巨龙

2018-12-17 14:06:46 阅读次数:585

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摘要:东方所DASP系统用精确可靠的测试技术为港珠澳大桥最令人瞩目的一环——沉管对接工程护航,助力港珠澳大桥主体工程圆满成功。

关键词:港珠澳大桥,沉管对接,DASP系统



项目简介

2017年7月7日,目前世界上最长的跨海大桥——港珠澳大桥主体贯通。2018年10月23日,港珠澳大桥开通仪式在广东珠海举行,国家主席习近平出席仪式并宣布大桥正式开通, “一桥拉动,珠三角西部棋子全盘皆活”。

在此世界瞩目的工程中,东方所DASP系统用精确可靠的测试技术为港珠澳大桥最令人瞩目的一环——沉管对接工程护航,助力港珠澳大桥主体工程圆满成功。

在电影《厉害了我的国》中,摄制组将东方所DASP软件港珠澳大桥沉管对接姿态监测系统以特写镜头的形式呈现在观众面前,港珠澳大桥总工程师依据DASP软件提供的数据,准确给出厘米级移动距离的施工指令,成功完成全部沉管的准确对接。

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一、项目背景

(1)港珠澳大桥

港珠澳大桥全长55公里,包括海中桥隧主体工程、三地连接线及口岸。其中港珠澳大桥岛隧工程海底隧道由33节沉管对接而成,含28节直线段沉管和5节曲线段沉管,全长5664米,是世界唯一的深埋沉管隧道和最大的沉管隧道,也是中国唯一的外海沉管隧道,是目前世界上综合难度最大的交通工程之一,被英国《卫报》誉为“新世界七大奇迹”的超级工程。(摘自中青网“港珠澳大桥沉管隧道最终接头进行吊装对接”)

港珠澳大桥.gif


(2)沉管对接的世界性难题

海底沉管隧道全长5664米,共33个管节,有19个管节安装水深超过40 ,标准管节长180米、宽40米,高11米,由钢筋混凝土筑成,重近80000吨,沉管对接作为工程合龙的最后一环,设计对接误差不能超过10厘米。

沉管对接工程非常复杂,最终管节入水后,在水流力、锚缆、沉放驳等因素的综合作用下,管节姿态实时变化,使得沉管对接精度难以控制,并且必须保证沉管对接一次成功。一旦对接误差过大,后果将非常严重,直接影响沉管的安全,引起桥梁基床破坏等。在建筑方全球范围内寻找实时对接监测方案的过程中,外方技术团队面对这一世界性难题曾开出了过亿欧元的价格。

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二、沉管对接实现方案

面对此难题,中国航空工业计量所与北京东方所联合研发了“沉管运动姿态监测系统”,系统选用北京东方所自主研制的INV3062W微震数据采集仪和自主研发的DASP数据分析处理软件,完美实现了沉管对接过程中管节的运动位移和旋转角度等姿态量的实时测量,成功解决了沉管无缝对接中对接精度监测这一世界性难题,保证了港珠澳大桥沉管隧道工程的完美收官。

该系统在沉管两端安装多个超低频加速度传感器、光纤陀螺仪,通过东方所自主研究的AVD(加速度/速度/位移)一入三出专利技术,将测量得到的实时加速度信号经过两次积分转换为精确的实时位移信号,再通过复杂的几何计算,实时输出水下沉管的位移及姿态,实现了对接过程的mm级监测。

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三、沉管对接测量关键技术

在沉管对接监测过程中,主要使用了以下关键技术。

1)精密数据采集技术

为保证沉管姿态实时数据的精确获取,采用东方所INV3062W32位微震数据采集仪,该采集仪使用4delta-SigmaADC模数转换器,具有130dB动态范围,保证了数据具有良好的信噪比与分辨率,为沉管的无缝对接一次成功打下了良好的数据基础;该数据采集仪同时具有良好的仪器零点漂移控制特性,解决了沉管过程中低频和超低频信号测量精度的问题。

2)沉管对接过程中低频信号的实时二次积分精度

最终管节入水后受洋流、浮力等多种因素的影响,其姿态会发生变化,且其运动呈低频特性,多个频率均低于1Hz。从安装便捷性的角度出发,系统选择使用加速度传感器进行数据测量,为获取其精确的运行位置,需将加速度信号转换为位移信号。因此,低频信号的实时二次积分精度成为本项目的关键点之一。

对于低频信号,传统的积分算法受信号基线和低频漂移的剧烈影响,导致积分后波形基线大幅波动,且传统的微积分技术只能对有限长的信号进行微积分,不能连续、实时进行;二次积分结果更是难以应用于现场。

本项目采用东方所提出的基于全程数据变换算法——全程微积分算法,克服了传统微积分技术存在的问题,可连续、实时的进行微积分转换,且二次积分结果达到与使用位移测试系统直接测量相同的精度水平。

3)海底分布式测量的时钟同步技术

系统需在沉管两端布置多种传感器,若使用长导线连接传感器可能会引起的信号干扰大、增加施工难度等问题,基于此采用分布式测量系统进行数据的测量。

分布式测量系统可极大减少传感器导线的使用长度,但需解决分布式仪器之间的时钟同步问题,在现场难以接收GPS/北斗信号的情况下,系统采用基于以太网的PTP1588精密时钟同步技术,同步精度不大于50ns,有效保证了沉管整体姿态的计算精度。


四、沉管无缝对接圆满成功

最终接头是港珠澳大桥沉管隧道贯通的控制性枢纽,也是全线合龙的最后一环,最终管节需双侧对接,其难度之大令世界瞩目。港珠澳大桥管理局总工办主任陈越更是用行百里路半九十来形容最终接头的重要性。

在东方所DASP系统的帮助下,对沉管对接过程中实现了最终管节姿态变化的实时监控,完美完成了最终管节的无缝对接,最终管节的安装误差一端为0.8mm,另一端为2.6mm,不仅远小于10cm的设计要求,更是在世界范围内达到了同类工程中的最高水平。最终接头的安装成功标志着港珠澳大桥主体工程全线的贯通。

作为国内振动噪声测试领域的领军者,北京东方所始终致力于高精度高可靠性测量的研究,在一项项重大工程的背后,东方所人利用自主研发技术攻克了一个又一个技术难题,为祖国的繁荣昌盛助力添彩。