實(shí)時(shí)聲吶檢測(cè)技術(shù)在水下軟體排鋪設(shè)質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

金劍

摘 要：為解決長(zhǎng)江下游感潮河段漲落潮水位變化大、水流動(dòng)力條件復(fù)雜、水下護(hù)底軟體排鋪設(shè)質(zhì)量檢測(cè)難的問題。在長(zhǎng)江南京以下12.5 m深水航道二期工程口岸直I標(biāo)段中，應(yīng)用并實(shí)施了實(shí)時(shí)聲吶檢測(cè)技術(shù)對(duì)水下護(hù)底軟體排檢測(cè)的方案，實(shí)施過程中控制了軟體排整體鋪設(shè)質(zhì)量，滿足了工程需要。

關(guān)鍵詞：護(hù)底軟體排；實(shí)時(shí)聲吶；檢測(cè)

中圖分類號(hào)：U665.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）1-0055-02

長(zhǎng)江南京以下12.5米深水航道二期工程位于長(zhǎng)江下游南通天生港區(qū)至南京新生圩港區(qū)河段，全長(zhǎng)約88km，由鰻魚沙河段和落成洲河段組成，本標(biāo)段整治區(qū)域?yàn)轹狋~沙河段，主要施工內(nèi)容包括：①護(hù)灘堤1道，長(zhǎng)度為10.4km；②護(hù)灘帶11條，總長(zhǎng)度為4.445km。本工程工期短，工程強(qiáng)度大，軟體排鋪設(shè)總工程量約246萬㎡。

1 護(hù)底軟體排技術(shù)方案的比選和研究?jī)?nèi)容

收集參考目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有水下檢測(cè)方法，結(jié)合本工程實(shí)際，分析傳統(tǒng)的浮標(biāo)倒垂法、潛水探摸法、旁掃聲吶法、實(shí)時(shí)聲吶法等4種護(hù)底軟體排檢測(cè)方案，比較分析了各種方法在護(hù)底軟體排檢測(cè)中操作方便性、經(jīng)濟(jì)合理性、精確程度等方面的優(yōu)劣程度，最終選定新型的檢測(cè)手段“實(shí)時(shí)聲吶”作為本工程的護(hù)底軟體排檢測(cè)方法。

2 實(shí)時(shí)聲吶的總體設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 總體設(shè)計(jì)

把沉排施工過程水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為水下檢測(cè)部分和水面工作站兩部分。二者實(shí)現(xiàn)雙向通訊。水下檢測(cè)部分主要裝置有：飛魚、側(cè)掃聲吶、回聲測(cè)深儀和電纜。

水面工作站主要裝置有：高精度RTK-GPS、相對(duì)位置傳感器和工作站。

2.1.2 水下檢測(cè)部分研制

（1）側(cè)掃聲吶。側(cè)掃聲吶是水下搜索、水下考察的重要有力工具，不會(huì)受水下能見度的影響，能迅速看清水底情況。側(cè)掃聲吶向水下發(fā)射信號(hào)，信號(hào)遇到物體反射回來形成影像。 系統(tǒng)采用美國(guó)雙頻側(cè)掃聲吶Klein3900。

（2）回聲測(cè)探儀及終端設(shè)計(jì)。水深遙測(cè)遙報(bào)終端由751w太陽能板、100Ah蓄電池、太陽能充電器、電源模塊、遙測(cè)遙報(bào)終端、水深測(cè)量終端、超聲波換能器等組成。

2.1.3 水面工作站研制

（1）高精度RTK-GPS定位系統(tǒng)。高精度的RTK-GPS定位技術(shù)就是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度。

（2）相對(duì)位置傳感器。在鋪排施工過程中，鋪排船的定位是根據(jù)船上兩臺(tái)RTK-GPS進(jìn)行定位定向的，進(jìn)行側(cè)掃控制時(shí)安裝GPS不是很方便。為此，我們根據(jù)側(cè)掃聲吶在鋪排船上的相對(duì)位置，然后根據(jù)船的定位信息，推算出側(cè)掃的實(shí)際坐標(biāo)，通過對(duì)高精度RTK-GPS與相對(duì)位置傳感器的數(shù)據(jù)融合，側(cè)掃聲吶就能夠?qū)崿F(xiàn)定位。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件需求分析

本系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸和解析水深、排邊坐標(biāo)、聲納成像等數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)進(jìn)行各種操作和處理，故本系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢。

2.2.2 軟件的功能和實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要功能包括排體實(shí)時(shí)檢測(cè)、數(shù)據(jù)仿真、數(shù)據(jù)檢測(cè)回放、排體圖像查看、排體邊界識(shí)別和系統(tǒng)管理。

該管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：①排體及其搭接的成像實(shí)時(shí)顯示，搭接寬度數(shù)字化顯示，排邊坐標(biāo)實(shí)時(shí)顯示。②正常鋪排成像控制。③搭接區(qū)域識(shí)別及數(shù)字化。④排體搭接小于最小搭接閾值和超過最大搭接閾值的報(bào)警提示。⑤鋪排船全球定位系統(tǒng)，側(cè)掃聲吶及搭接閾值的系統(tǒng)配置與修正。⑥排邊坐標(biāo)及側(cè)掃聲吶成像的存儲(chǔ)。⑦側(cè)掃聲吶歷史成像數(shù)據(jù)播放，單張排體排邊坐標(biāo)數(shù)據(jù)打印。

2.2.3 軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)收集過程中要收集軟體排鋪設(shè)時(shí)的實(shí)時(shí)水深、排邊坐標(biāo)和聲納數(shù)據(jù)，將收集的數(shù)據(jù)整合到同一軟件界面上，形成簡(jiǎn)單化的可視界面，便于現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)施工。

（2）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集完成后，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)文件以一定格式發(fā)送給發(fā)射模塊，當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)非常的成熟可靠，價(jià)格也不是很昂貴，傳輸相當(dāng)?shù)目旖荨?/p>

（3）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)處理是沉排施工過程中能否得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，系統(tǒng)將收集的數(shù)據(jù)處理后反饋形成可視化的水下沉排影像，從而及時(shí)指導(dǎo)鋪排施工。

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境在PC機(jī)上安裝Windows 7系統(tǒng)和ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)，需要使用Intel 酷睿i5 及以上類似CPU處理器，內(nèi)存2G以上，推薦使用獨(dú)立顯卡，要求500G以上的硬盤。

在Microsoft Visual C++ 6.0打開dsw工程文件，運(yùn)行進(jìn)入系統(tǒng)主界面。系統(tǒng)主界面的左邊是功能欄，功能欄分別由沉排檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)回放模塊、搭界分析模塊和系統(tǒng)管理模塊構(gòu)成。

3 實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)實(shí)施方案

3.1 沉排實(shí)時(shí)檢測(cè)工作流程圖

3.2 實(shí)施聲吶操作要點(diǎn)

（1）安裝聲吶前，收集鋪排船鋪排方向、施工水域流速、施工水域水深、施工水域水的流向等相關(guān)信息，以便確定聲吶的安裝位置和聲吶調(diào)節(jié)指標(biāo)。

（2）支架安裝完畢后，對(duì)支架必須進(jìn)行檢查，支架或線纜不得干擾探頭的掃描過程，對(duì)所有安裝環(huán)節(jié)檢查確認(rèn)無誤后，對(duì)聲吶進(jìn)行檢查調(diào)試，保證聲吶工作處于正常狀態(tài)。

（3）鋪排過程中密切關(guān)注聲吶設(shè)備掃測(cè)情況，為鋪排施工提供監(jiān)控信息。根據(jù)水下的實(shí)際情況，及時(shí)修改聲吶各項(xiàng)采集參數(shù)，確保采集到高質(zhì)量的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

3.3 技術(shù)成果處理

實(shí)時(shí)聲吶在檢測(cè)過程嚴(yán)格遵守相關(guān)技術(shù)規(guī)范，做到有據(jù)可依，如發(fā)現(xiàn)軟體排鋪設(shè)過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題，系統(tǒng)將報(bào)警信息反饋給施工技術(shù)人員，施工人員根據(jù)數(shù)據(jù)信息及時(shí)調(diào)整鋪排船的位置，通過收放錨纜來調(diào)整排體位置，避免后續(xù)更大的質(zhì)量問題。endprint

（1）資料記錄。掃描過程中應(yīng)通過調(diào)節(jié)增益、掃描速度、掃描角度、掃描半徑得到清晰的掃描圖像，同時(shí)對(duì)同一點(diǎn)根據(jù)需要增加聲吶掃測(cè)次數(shù)，以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。嚴(yán)密監(jiān)視記錄圖像和各項(xiàng)采集參數(shù)，發(fā)現(xiàn)水底障礙物或特殊物件異常情況時(shí)，要及時(shí)記錄，以備對(duì)異常圖像進(jìn)行解釋和準(zhǔn)確度評(píng)估使用。記錄的數(shù)據(jù)應(yīng)包括數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間、施工水域的流速、施工水域的水深、檢測(cè)排體編號(hào)、檢測(cè)排體長(zhǎng)寬、檢測(cè)排體所在里程號(hào)、檢測(cè)排體搭接寬度等信息，將這些信息分文件夾保存，為后期數(shù)據(jù)的篩選分析提供方便。

（2）軟體排鋪設(shè)情況判斷。應(yīng)先根據(jù)聲吶原圖數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，刪除數(shù)據(jù)假點(diǎn)后再進(jìn)行搭接寬度的量取。①相鄰兩排體脫開。在上下排體之間會(huì)出現(xiàn)明顯的一條陰影區(qū)域，量取陰影區(qū)域?qū)挾燃吹玫脚朋w脫開的寬度。②兩排體沒有脫開，排體有搭接，則可以通過兩種方式量取搭接寬度，分別為：直接法，確定上下排體的邊緣，直接量取兩排邊之間的距離，就是搭接寬度；間接法，確定上排體排邊，然后通過量取下排體較遠(yuǎn)的邊到上排體排邊的距離，再用排布的總寬度減去這個(gè)距離，得到的即為搭接寬度。

（3）施工指導(dǎo)。圖像聲吶實(shí)時(shí)檢測(cè)能夠在鋪排施工的同時(shí)，在工人綁系砼塊的間隙，對(duì)排體的搭接情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)量測(cè)某斷面處的搭接寬度，反映鋪排的質(zhì)量。每次使用圖像聲吶進(jìn)行掃描后，將排體的搭接情況進(jìn)行記錄的同時(shí)，將實(shí)際搭接寬度反饋給施工現(xiàn)場(chǎng)。當(dāng)搭接寬度合格時(shí)，可以繼續(xù)沿之前的軌跡向后鋪排。根據(jù)該通條前面幾次的檢測(cè)結(jié)果，和聲吶圖像顯示的下排體排邊的軌跡，也可以判斷該通條施工過程中整體搭接情況的變化趨勢(shì)，以推斷后續(xù)可能出現(xiàn)情況，早作準(zhǔn)備。

4 主要技術(shù)成果

實(shí)時(shí)聲吶檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了護(hù)底軟體排搭接寬度的快速檢測(cè)，縮短了護(hù)底軟體排的鋪設(shè)周期，提高了護(hù)底軟體排的搭接精度，補(bǔ)排率降低到1%，保證了工程質(zhì)量，提升了工程的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

依托長(zhǎng)江南京以下12.5 m深水航道二期工程口岸直水道I標(biāo)段，研究建立的實(shí)時(shí)聲吶檢測(cè)技術(shù)在工程中的成功應(yīng)用，有效滿足了工程質(zhì)量、進(jìn)度、安全等方面的要求，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有一定的推廣價(jià)值。

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