滚筒铺排船作业的三维可视化控制方法与流程

本发明属于可视化控制，具体涉及一种滚筒铺排船作业的三维可视化控制方法。

背景技术：

1、在沿海、遮蔽海域及近海海域的护岸、防波堤等水利工程中，60m滚筒铺排船承担着混凝土连锁片与充灌砂袋软体排的铺设核心任务，其作业质量直接决定工程的防冲刷、防渗性能。然而，当前铺排作业面临三大核心技术缺陷，严重制约施工精度与效率：

2、（一）铺排过程监控盲区大

3、铺排作业需将宽59m、长300m的排体通过月池（62.4m×8.1m）下放至30m水深的海底，排体在水下受1.25-1.75m/s平均流速（对应表面流速1.425-2.0m/s）、1.5m有义波高等复杂海况影响，易发生卷边（单边偏移量可达0.8-1.2m）、中部凸起（最大凸起高度0.5-0.8m）等形变。现有监控仅依赖船底单点摄像头，无法呈现排体与海底、船体的空间位置关系，作业人员只能通过经验判断，导致铺排偏差率高达3%-5%，远超工程允许的1%误差标准。

4、（二）施工定位精度不足

5、铺排船采用6点锚泊定位系统，作业时需通过800kn定位绞车调整船位，确保铺排方向与设计轨迹偏差≤0.5m。但现有定位仅依赖dgps与北斗定位仪的船体坐标数据，未关联排体下放长度（最大300m）、滚筒转速（0-6m/min）等动态参数，当船体因风浪流作用产生±0.4°横倾（heel）时，易出现“船位精准但排体偏移”的问题，单次移船（300m）后铺排轨迹偏差可达1.2-1.5m。

6、（三）数据集成与可视化缺失

7、作业过程中产生的多源数据（如锚绳拉力790-1324kn、排体张力≤75kn/m、滚筒承载240t、翻板俯仰角度-34°至+3°）分散存储于不同设备控制系统，无统一集成平台。作业人员需同时监控绞车仪表盘、gps终端、压力传感器等多个界面，数据解读难度大，无法实时掌握铺排全貌，导致异常响应延迟≥30s，增加排体撕裂、锚系失效等风险。

技术实现思路

1、本发明针对60m滚筒铺排船作业痛点，构建多源数据实时采集-空间坐标动态建模-三维场景可视化呈现的技术体系，实现铺排全程监控、轨迹实时显示与施工精准定位。

2、本发明运用如下的技术方案。

3、一种滚筒铺排船作业的三维可视化控制方法，包括：

4、步骤1：执行对滚筒铺排船作业的多源数据采集；

5、步骤2：控制单元针对滚筒铺排船作业的多源数据进行三维空间建模；

6、步骤3：控制单元进行三维空间建模后，执行三维可视化呈现。

7、进一步的，在步骤1中，其采集的滚筒铺排船作业的多源数据包括：

8、船体定位数据，其包括滚筒铺排船的船体三维坐标（x,y,z）、滚筒铺排船横倾的倾角heel、滚筒铺排船纵倾的倾角trim，其中x,y与z分别表示船体三维坐标的横坐标、纵坐标与竖坐标；

9、排体状态数据，其包括滚筒铺排船的排体下放长度l、排体张力t、滚筒转速v、翻板俯仰角θ；

10、锚系与海况数据，其包括锚绳拉力f、有义波高、流速、风速；

11、设备运行数据，其包括滚筒铺排船的翻板油缸压力p、甲板吊位置（r,α）、挡管位移s，其中r为甲板吊的工作半径，α为甲板吊的回转角度。

12、进一步的，在步骤1中，船体三维坐标（x,y,z）由dgps+北斗双模定位仪采集并传输至控制单元，滚筒铺排船横倾的倾角heel与滚筒铺排船纵倾的倾角由trim姿态传感器采集并传输至控制单元；

13、滚筒铺排船的排体下放长度l、排体张力t、滚筒转速v与翻板俯仰角θ分别通过滚筒编码器、张力传感器、转速传感器与倾角传感器采集并传输至控制单元；

14、排体下放长度l、排体张力t、滚筒转速v与翻板俯仰角θ分别通过拉力传感器、波浪仪、流速仪与风速仪采集并传输至控制单元；

15、翻板油缸压力p、甲板吊位置（r,α）与挡管位移s分别通过液压压力传感器、吊机编码器与激光位移传感器采集并传输至控制单元。

16、进一步的，在步骤1中，dgps+北斗双模定位仪、trim姿态传感器、液压压力传感器、吊机编码器、激光位移传感器、滚筒编码器、张力传感器、转速传感器、倾角传感器、拉力传感器、波浪仪、流速仪与风速仪均与控制单元连接。

17、进一步的，步骤2具体包括：

18、步骤2-1：定义坐标系；

19、步骤2-2：执行排体空间位置计算；

20、步骤2-3：碰撞检测与偏差预警。

21、进一步的，步骤2-1具体包括：

22、定义全局坐标系：以滚筒铺排船作业的工程设计原点为（0,0,0），x轴平行于设计铺排方向，y轴垂直于铺排方向，z轴垂直于海平面；

23、定义船体局部坐标系：以滚筒铺排船的月池中心为原点，轴与滚筒铺排船的船体纵轴一致，轴与滚筒铺排船的船体横轴一致，轴（垂直于滚筒铺排船的主甲板）。

24、进一步的，步骤2-2具体包括：

25、排体从滚筒下放后，其任意点的全局坐标（x,y,z）通过以下公式计算，实现排体形态的动态建模：

26、排体长度方向坐标x：，式中：为船体局部坐标系原点在全局坐标系下的x坐标；l为排体下放长度；为翻板俯仰角；为滚筒铺排船的船体与设计铺排方向的夹角；

27、排体宽度方向坐标y：，式中：为船体局部坐标系原点在全局坐标系下的y坐标；w为排体宽度方向某点距离中心的距离；为排体宽度方向与全局y轴的夹角，排体深度方向坐标z：，式中：为滚筒铺排船作业的作业水深；为排体因水流抬升的高度。

28、进一步的，步骤2-3具体包括：

29、通过计算排体与海底、船体结构的最小距离，实现碰撞预警：

30、排体与海底的距离，当<0.5m时触发触底预警消息，是铺排作业区域内海底表面任意一点在全局坐标系中的垂直高度坐标；

31、排体与月池之间的距离，当中的最小值<1m时触发偏位预警消息，其边缘y坐标基于船体局部坐标系与全局坐标系的转换关系计算：；

32、铺排轨迹偏差，当>0.5m时触发轨迹修正指令，为预先设计的滚筒铺排船作业的排体长度方向坐标，为预先设计的滚筒铺排船作业的排体宽度方向坐标。

33、进一步的，步骤3具体包括：

34、基于unity3d引擎构建可视化界面，分为全局监控视图、局部细节视图与数据面板三个模块，为作业人员提供直观的图形化操作界面。

35、进一步的，在步骤3中，全局监控视图包括：

36、呈现范围：以船体为中心，半径500m的三维场景，包括船体、下放中的排体、海底地形、锚系系统；

37、关键标识：用不同颜色标注排体状态，用虚线显示设计铺排轨迹，实线显示实际轨迹；

38、部细节视图包括：

39、月池作业视图：放大显示滚筒、导梁、翻板的动态动作，包括翻板俯仰角度、滚筒转速、挡管位置；

40、水下排体视图：通过水下摄像头画面与三维模型叠加，显示排体与海底的贴合度；

41、数据面板：

42、实时参数区：以数字和趋势图形式显示核心参数，更新频率与采集频率一致；

43、预警提示区：采用声光与弹窗形式，按优先级显示预警信息，并提供初步处置建议。

44、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

45、（一）铺排精度显著提升

46、通过三维可视化与精准定位，铺排轨迹偏差从传统的1.2-1.5m降至≤0.5m，满足工程1%误差要求；排体卷边、凸起等缺陷发生率从25%降至5%以下，减少排体返工量，单项目施工效率提升30%。

47、（二）作业安全性大幅提高

48、多源数据实时集成与预警系统，使异常响应时间从30s缩短至≤10s，有效避免排体撕裂（张力超阈值预警）、锚系失效（拉力超1324kn预警）等风险；水下可视化功能减少潜水员探摸次数，降低作业安全隐患。

49、（三）操作便捷性与智能化升级

50、统一的三维可视化界面替代传统多设备监控，作业人员培训周期从1个月缩短至2周；数据自动存储与分析功能，可生成铺排质量报告（含轨迹偏差、张力变化曲线），为后续工程优化提供数据支撑，推动铺排作业从“经验驱动”向“数据驱动”转型。

51、（四）适应性强，可推广性高

52、本方案基于60m滚筒铺排船的参数（如铺排宽度59m、水深30m、锚系拉力800kn）设计，同时预留参数调整接口，可通过修改模型参数（如排体宽度、滚筒直径）适配其他规格铺排船（如40m、80m滚筒铺排船），推广应用前景广阔。