基于物聯(lián)網(wǎng)的泥沙淤積監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

陳娟

摘 要：文章主要介紹了我國(guó)內(nèi)河航道及水庫(kù)的淤積現(xiàn)狀，針對(duì)大部分航道存在的淤積嚴(yán)重、監(jiān)測(cè)難度大等問(wèn)題，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的泥沙淤積監(jiān)測(cè)技術(shù)。重點(diǎn)介紹國(guó)內(nèi)外泥沙淤積監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究背景、現(xiàn)狀、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本原理、系統(tǒng)組成及對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的改進(jìn)和優(yōu)化，闡述此方案的發(fā)展前景。

關(guān)鍵字：泥沙淤積；監(jiān)測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)人機(jī)

1 概述

隨著近幾年來(lái)人類(lèi)影響的廣泛加深，對(duì)內(nèi)河航道及水庫(kù)的監(jiān)測(cè)和治理變得十分復(fù)雜。長(zhǎng)江流域水土流失日益加重，已高達(dá)流域面積的31%，宜昌段多年平均輸沙量5.3億t，平均含沙量1.2 kg/m3。雖含沙量不大，但輸移過(guò)程極易淤積，泥沙淤積導(dǎo)致河道堵塞，洪水宣泄不暢，河湖調(diào)蓄能力降低，水位抬高。這些現(xiàn)象在我國(guó)其他內(nèi)河航道及水庫(kù)中都普遍存在，嚴(yán)重影響了工農(nóng)業(yè)發(fā)展和生活水平的提高。

為了做到及時(shí)合理地整治，在不影響航道船舶正常通航和作業(yè)的條件下，及時(shí)發(fā)現(xiàn)泥沙淤積的問(wèn)題，減少治理航道所需人力物力財(cái)力，創(chuàng)造更好的通航條件。必須總結(jié)一套符合我國(guó)實(shí)際的泥沙淤積實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)。具備適宜的航道水深是船舶安全航行和提高航道效益的基本條件，實(shí)時(shí)了解水深數(shù)據(jù)是掌握泥沙淤積規(guī)律的重要手段。我國(guó)目前最常用的是船載聲納測(cè)深法，即利用船載聲納設(shè)施與GPS技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)。這樣將使航道的正常經(jīng)營(yíng)受到影響，也不適用于淤積變動(dòng)快的港口航道，受水面環(huán)境影響和限制較大。此外，靠超聲波測(cè)深儀和測(cè)量船來(lái)實(shí)現(xiàn)航道水深測(cè)量，往往航道水深數(shù)據(jù)剛被發(fā)布， 航道水深又產(chǎn)生了變化，監(jiān)測(cè)的時(shí)效性得不到保障。國(guó)際上現(xiàn)有LADS（機(jī)載激光測(cè)深），SHOALS系列（掃描水文運(yùn)行機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量）等幾種LIDAR測(cè)深系統(tǒng)。考慮到設(shè)備價(jià)格高，需要高技術(shù)人員操作等因素，不適合推廣使用。

在當(dāng)今信息化時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高度發(fā)展，使自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化控制成為可能。物聯(lián)網(wǎng)在國(guó)際上又稱(chēng)傳感網(wǎng)，是基于互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的，一種以互聯(lián)網(wǎng)為主體聯(lián)結(jié)多種傳感設(shè)施形成的大型應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)能夠通過(guò)“物物交換”“人機(jī)交互”兩種交互模式完成人、物、機(jī)三者之間的通信，經(jīng)由傳感器技術(shù)和辨認(rèn)技術(shù)等，使實(shí)時(shí)監(jiān)控和完全自動(dòng)化成為可能。近年國(guó)內(nèi)外開(kāi)始有人研究利用測(cè)深儀和AIS設(shè)備構(gòu)建航道水深實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)處理生成電子海圖，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)了解航道的水深信息，但這種方法依然存在操作管理麻煩，會(huì)受一定環(huán)境因素制約等缺陷。

2 創(chuàng)新特色概述

無(wú)人機(jī)可以定點(diǎn)起降，快速而又便利，可在人為預(yù)先定出飛行航線后自主航行并進(jìn)行拍攝，能精準(zhǔn)地控制航線，且航行安穩(wěn)，可控性、安全性能好。目前我國(guó)監(jiān)測(cè)大都采用無(wú)人船，需要反復(fù)多次地航行測(cè)量，不僅會(huì)降低航道運(yùn)行效率，且像濕地、灘涂等區(qū)域時(shí)而露出水面，時(shí)而淹沒(méi)于水下，有人船和無(wú)人船也無(wú)法到達(dá)。這種情況下，無(wú)人機(jī)小巧、機(jī)動(dòng)、靈活、便利，安全穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)就大大顯現(xiàn)了出來(lái)。根據(jù)測(cè)水深的需求，在無(wú)人機(jī)底部安裝面積較大的浮板，增加接觸面積以減小壓強(qiáng)，無(wú)人機(jī)可以垂直起飛，快捷地抵達(dá)相應(yīng)區(qū)域。此外，無(wú)人機(jī)與GPRS數(shù)據(jù)、GPS定位儀、采集通訊模塊及VB計(jì)算機(jī)測(cè)控軟件等的結(jié)合，將實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快速又低風(fēng)險(xiǎn)的航道泥沙淤積監(jiān)測(cè)。無(wú)人機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相結(jié)合，能在各種水上環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水深變化，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將水深變化轉(zhuǎn)換成函數(shù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)繪出水底地形圖，了解泥沙淤積準(zhǔn)確情況，這適應(yīng)了港口建設(shè)和保證航道安全的迫切需要。

（1）在無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)方面：現(xiàn)有無(wú)人機(jī)基本機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加超聲波傳感器、GPS和GPRS系統(tǒng)，并在無(wú)人機(jī)底部加上兩塊面積比較大的浮板。

（2）在無(wú)人機(jī)功能方面：把握無(wú)人機(jī)俯仰、滾轉(zhuǎn)姿勢(shì)的控制與穩(wěn)定、高度控制與穩(wěn)定、速度把握與穩(wěn)定、側(cè)向偏離控制以及俯沖、降落控制等性能，更好地使無(wú)人機(jī)發(fā)揮作用。

（3）在超聲波測(cè)深方面：超聲波測(cè)深的工作原理，可用于編程中自動(dòng)解算數(shù)據(jù)。在水下，聲波能較好地傳播信號(hào)。按照水深儀的原理，超聲波換能器能向水下發(fā)射超聲波，并同時(shí)進(jìn)行計(jì)時(shí)，超聲波在水中傳播時(shí)碰到水底就立刻返回來(lái)，收到反射波的換能器立即終止計(jì)時(shí)。超聲波在水中傳播，其速度約為1 500 m/s，由計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離（s），即：s=1 500×t/2。在編程中，利用公式由計(jì)算機(jī)自動(dòng)解算水深數(shù)據(jù)。

（4）消除水面風(fēng)力、波浪對(duì)水深數(shù)據(jù)的影響：通常情況下，在水深測(cè)量的工作過(guò)程中有諸多不利的影響因素。其中波浪的影響最大，波浪對(duì)水深測(cè)量的影響與測(cè)線方向以及無(wú)人機(jī)的大小和抗風(fēng)能力有關(guān)，波浪影響了無(wú)人機(jī)的平衡性，所以在風(fēng)浪中，換能器也會(huì)有上下、左右以及前后的起伏和擺動(dòng)，即使在相同地點(diǎn)，波谷和波峰的數(shù)據(jù)差異也特別大。此時(shí)測(cè)深儀里面所記錄的模擬信號(hào)會(huì)產(chǎn)生明顯的鋸齒狀，如果這種誤差不加以處理，水深地形圖上會(huì)出現(xiàn)忽高忽低的情形。無(wú)人機(jī)在同一地點(diǎn)不同時(shí)間測(cè)得的高程是不同的，換言之，測(cè)得的高程是有關(guān)時(shí)間t的一元函數(shù)，因此無(wú)人機(jī)在測(cè)定高程時(shí)需要在水面上停留一段時(shí)間測(cè)得多組數(shù)據(jù)，消除水面風(fēng)力和波浪影響得到粗略曲線后，記開(kāi)始測(cè)量的時(shí)刻為0，在測(cè)量總時(shí)間0到T內(nèi)求平均值，因此需要計(jì)算高程在這段時(shí)間的積分再除以T得到平均值，對(duì)于積分的求法我們采用復(fù)合柯特斯公式進(jìn)行計(jì)算，在0到T內(nèi)每隔T/2k秒測(cè)量一次（0與T時(shí)刻各測(cè)一次），處理之后一共測(cè)得2k+1個(gè)時(shí)間點(diǎn)的高程值，并將其依次記為如下形式的關(guān)于變量t的函數(shù)，

將其從0到T平均分為2（k-2）個(gè)子區(qū)間，則每個(gè)子區(qū)間也被四等分，利用柯特斯復(fù)合求積公式可以近似算出此函數(shù)在區(qū)間0到T上的積分為。

那么在該區(qū)間的平均值即為。

這樣，通過(guò)測(cè)2～3個(gè)數(shù)據(jù)，用科斯特復(fù)合求積公式可以精確表示這個(gè)區(qū)間精確的水深數(shù)據(jù)，在某一水面區(qū)域多次測(cè)量和處理后就可以根據(jù)這些點(diǎn)得到一個(gè)水深變化曲線。

（5）在VB測(cè)控軟件的開(kāi)發(fā)方面：采用VB編程語(yǔ)言解決實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)水深數(shù)據(jù)影響因素的處理及數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的訪問(wèn)問(wèn)題。

（6）通過(guò)3次樣條插值函數(shù)得到精準(zhǔn)水深變化曲線：通過(guò)學(xué)習(xí)計(jì)算方法，我們了解到可以通過(guò)3次樣條插值函數(shù)的方法求一系列中間點(diǎn)的函數(shù)值。令

這樣即可根據(jù)各區(qū)間的函數(shù)求中間點(diǎn)的函數(shù)值，可以不用測(cè)太多的點(diǎn)也能繪制較精確的水深變化曲線。我們將會(huì)把這些計(jì)算方法通過(guò)編程變成VB的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算，精準(zhǔn)高效。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本原理

接收換能器和發(fā)射換能器以同等的高度和俯角分別安裝在航道兩側(cè)的開(kāi)口處，主波束指向航道底部中心。為精確測(cè)定航道的水深H，只需測(cè)出換能器到海面的水深δ和被監(jiān)測(cè)點(diǎn)航道水深H1，根據(jù)公式：H=H1+δ，即可得到航道的即時(shí)水深，由射線聲學(xué)及三角函數(shù)關(guān)系，發(fā)射換能器生成的超聲波經(jīng)海底反射出的所有聲傳播路徑中，入射到航道底部中心位置聲線的聲程最短，它是最先到達(dá)接收換能器的。所以被監(jiān)測(cè)點(diǎn)水深值就可以計(jì)算出來(lái)，而后通過(guò)GPS技術(shù)與水聲信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，能夠測(cè)得海底反射波傳輸時(shí)間t，算出發(fā)射點(diǎn)水底的距離，直接用傳感器測(cè)得換能器到海面的水深，并用柯特斯復(fù)合求積公式的計(jì)算方法來(lái)消除浪的影響。用3次樣條插值函數(shù)的方法進(jìn)一步提高δ的測(cè)量精度，得到精準(zhǔn)曲線，從而對(duì)實(shí)測(cè)水深參數(shù)進(jìn)行修正。

4 無(wú)人機(jī)平臺(tái)的改進(jìn)和優(yōu)化

將碳纖維復(fù)合材料和玻璃鋼用于無(wú)人機(jī)，重量輕且強(qiáng)度大，無(wú)人機(jī)尾部安裝的動(dòng)力裝置采用性能穩(wěn)定的推力螺旋槳和航空發(fā)動(dòng)機(jī)，無(wú)人機(jī)底部裝上較大的浮板以增大接觸面積，減小壓強(qiáng)，這樣可以更好地停留在水面或?yàn)┩坑俚厣稀?/p>

5 結(jié)語(yǔ)

目前隨著無(wú)人機(jī)制造業(yè)的飛速發(fā)展，無(wú)人機(jī)的運(yùn)用變得非常普及，在城市交通監(jiān)管，道路和公共場(chǎng)合泊車(chē)治理，無(wú)人機(jī)測(cè)繪、航拍等方面應(yīng)用廣泛，無(wú)人機(jī)能高效地監(jiān)控大片區(qū)域，而且受地形情況約束小、能耗小、小巧靈活、操作簡(jiǎn)單，易于普及。將無(wú)人機(jī)搭載其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于泥沙淤積監(jiān)測(cè)，是代替以往船測(cè)的最可行方法。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將互聯(lián)網(wǎng)與多種傳感器結(jié)合，數(shù)據(jù)采集和傳輸范圍廣，及時(shí)準(zhǔn)確，信息便于記錄與儲(chǔ)存，是信息化時(shí)代泥沙淤積監(jiān)測(cè)的必然趨勢(shì)。兩者的結(jié)合推動(dòng)了泥沙淤積監(jiān)測(cè)技術(shù)向自動(dòng)化、高效化和經(jīng)濟(jì)化發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李國(guó)英，我國(guó)主要江河泥沙淤積情況及治理措施[J].水利水電技術(shù)，1997（4）：2-6.

[2]吳建華，李紅祥，文元橋.航道水深實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)方法[J].航海工程，2009（3）：153-156.

[3]楊建.雙基地聲吶的港口航道水深實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].中國(guó)水運(yùn)，2014（6）：48-49.

[4]黃建元.計(jì)算方法[M].南京：河海大學(xué)出版社，2004.