智能化iBoat BS2無人船在現(xiàn)代水利工程觀測中的應(yīng)用與拓展

余歆睿，李志峰

（蘇州市水利工程管理處，江蘇 蘇州 215000）

1 概述

水下測量分為海洋測量和內(nèi)陸水域測量[1]，水下測量存在著比陸地測量更大的難度，主要體現(xiàn)在以下方面：①較淺區(qū)域過去往往采用人工涉水的方法，該方法風(fēng)險較大，可能會造成人身意外傷害；②被測對象的不可見性，人眼無法識別，需要用特殊設(shè)備來探測；③水面的波動性，人在船只上進行水下的測量，較深區(qū)域水面的波動會對測量產(chǎn)生誤差。總而言之，在安全和精度方面，人工并不具有優(yōu)勢，所以智能化無人測量船在水下測量方面展現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢。無人船體積小、重量輕，適應(yīng)河流、湖泊、水庫等多種水域作業(yè)，可搭載多種測繪、水文儀器及傳感器，并可自主導(dǎo)航或通過手動操作完成測量任務(wù)。無人船的應(yīng)用在現(xiàn)代水利斷面測量中具有優(yōu)勢和高效性[2]。

2 iBoat BS2無人船水下測量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成部分

該實驗所用的無人船為中海達推出的智能無人測量船，系統(tǒng)由無人船平臺、岸基操控終端、聲吶探測模塊、GNSS定位模塊、自動導(dǎo)航模塊、外圍傳感模塊以及無人船專用軟件等組成[3]。無人船測量的原理是利用聲吶系統(tǒng)和GNSS系統(tǒng)結(jié)合，得到水下陸地面的平面坐標(biāo)和高程[4]。中海達無人船iBoat BS2智能無人測量船具有以下特點：

（1）智能導(dǎo)航系統(tǒng)。iBoat BS2智能無人船有兩種導(dǎo)航模式：手動模式和自動模式。自動導(dǎo)航模式用戶可以根據(jù)事先設(shè)計好的路線進行自主航行，免去了手動操作麻煩，對于水下地形地貌測繪尤為重要；手動模式采用手工遙控器方式，遙控船只航行，對于測量河流斷面以及水下地形測繪非常實用。iBoat BS2智能無人船還支持自動返航功能，當(dāng)電量不足或者突然失去控制信號時，船體會自動進行判斷，返回到設(shè)置的HOME點位，保障安全。

（2）實時通信功能。iBoat BS2智能無人船通過實時射頻點對點通訊方式，可以實時把船的工作狀態(tài)、航姿及任務(wù)狀態(tài)傳輸?shù)桨痘到y(tǒng)，實時傳輸測深、定位數(shù)據(jù)。除了用戶選擇電臺通訊外，可選配4G通訊方式，突破通訊距離的障礙[5]。

（3）內(nèi)置高性能HD-MAX測深模塊和專業(yè)的HiMAX測深軟件。iBoat BS2智能無人船標(biāo)準(zhǔn)配置高性能的HD-MAX測深模塊、高精度GNSS定位設(shè)備和HiMAX測深軟件，有效解決超淺水和深水測量難題。標(biāo)準(zhǔn)測量水深范圍為0.15～300 m。

（4）高穩(wěn)定性。采用雙M型船體設(shè)計，航行速度快，船體平穩(wěn)。船體吃水深度10 cm，在淺水測量中也占優(yōu)勢。 船體材料重量輕，強度高，足以滿足各種苛刻的測量環(huán)境要求。同時可抗三級風(fēng)，二級浪，輕松應(yīng)對各種常規(guī)測量環(huán)境。

2.2 系統(tǒng)測量原理

無人船系統(tǒng)主要由GNSS系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)和操控系統(tǒng)組成[6]。測量原理為：利用GPS系統(tǒng)的RTK技術(shù)[7]，可以測得RTK天線相位中心所在位置的平面坐標(biāo)（x，y，z）；如果聲速在水中的傳播速度為v，傳播時間為t，那么水深h=vt/2，無人船聲吶測得的水下陸地面的深度為h，由此可得到水下陸地面點的高程公式為：

式中：z為RTK天線相位中心的高程（單位：m），i為天線高（單位：m），μ為吃水（單位：m），h為聲吶到水下陸地面距離（單位：m）[7]。

但是，往往水平面上并不是風(fēng)平浪靜或者船體會出現(xiàn)傾斜的情況，都會對測量造成誤差[8]。本文所用的iBoat BS2智能無人測量船具有傾斜改正計算，會自動進行改正，所以無需再人為進行。

多波束聲吶或者側(cè)掃聲吶能夠提高單航線的工作效率，不需要反復(fù)加密航線，但是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理方面較為復(fù)雜[9]。本文所用的無人船是單波束聲吶系統(tǒng)，如果想要獲得更加密集的地形數(shù)據(jù)，則需要對航線進行加密[10]。

3 水下測量實驗

3.1 數(shù)據(jù)采集

本次實驗數(shù)據(jù)采集的地方在蘇州引河某河段，測量當(dāng)天天氣較好，無大風(fēng)，水面較為平靜，無人船在工作中平穩(wěn)航行，可以忽略外界因素對該實驗數(shù)據(jù)的影響，且智能化無人船可自我傾斜改正。數(shù)據(jù)采集過程中分別用了兩種模式為手動和自動模式，采集了200個水下特征點坐標(biāo)（見圖1）。

圖1 無人船航行軌跡

從所有的數(shù)據(jù)中隨機挑選出50個特征點，再采用人工測量的方式獲得其坐標(biāo)，通過水上測量的數(shù)據(jù)與相應(yīng)特征點的人工水下采集數(shù)據(jù)進行比較，得到了兩種高程值。

此處可假設(shè)人工測得的高程值為真實高程值，水上測量的高程值通過對比擬定的真實高程值，可以評定出智能化無人船系統(tǒng)的精度。無人測量船所測的高程由Z1來表示，人工測量的高程由Z2來表示，具體見表1。通過無人船測量值Z1和人工測量值Z2之差可以得到其精度情況，具體分布見圖2。

表1 Z1和Z2數(shù)據(jù)表

圖2 精度分布情況

由圖2可以看出：在-2～-1 cm的個數(shù)為6個，在-1～0 cm的個數(shù)為5個，在0～1 cm的個數(shù)為16個，在1～2 cm的個數(shù)為20個，在2～3 cm的個數(shù)為3個。目前，傳統(tǒng)的水下測量精度要求在20 cm以內(nèi)，可以得出智能無人船測出的總體數(shù)值精度十分高，表明了該技術(shù)以及該型號的智能無人船能有效地提高水下測量的效率，在現(xiàn)代水利斷面測量中具有一定優(yōu)勢和高效性。

利用無人船，在蘇州引水河道再次進行了實驗，此次航行為水下斷面測量，對所得數(shù)據(jù)進行處理即可得到該航線的水下斷面陸地形態(tài)（見圖3）。

3.2 注意要點

（1）在本次實驗之前做了一個對比，發(fā)現(xiàn)聲速對水深值影響很大，假定15 m的水深，選擇1500 m/s的聲速與1450 m/s聲速測得水深偏差0.5 m，因此在測深時必須對照比測板計算出正確的水深。

（2）影響水深的因素有溫度、鹽度以及水層壓強，其中溫度對水深影響最大，在一定溫度范圍內(nèi)每升高1℃，聲速增加3 m/s左右，對于淡水淺水區(qū)域，只考慮溫度即可。

（3）在水深測量中，吃水深度一定要準(zhǔn)確量取，測量桿要固定死，以免測量過程中松動導(dǎo)致吃水深度變化。

（4）由于單波束穿透力不夠，所以在遇到一些較大的障礙物（例如水中懸浮物體）會產(chǎn)生噪點數(shù)據(jù)，對實驗結(jié)果造成影響。

4 結(jié)語

圖3 水下斷面陸地形態(tài)

本實驗采用的智能無人船對于蘇州某引水河道的水下地形進行了測量，利用人為測量進行了高程的對比，表明利用無人船可以高效地獲得高精度、高可靠性的水下陸地面點位坐標(biāo)。同時得到了航線圖，使用該無人船對某個斷面進行測量，利用數(shù)據(jù)繪出了相應(yīng)的水下陸地斷面圖。無人船能有效地提高水下測量的效率，不僅保障了測量人員的人身安全，更加體現(xiàn)了其在現(xiàn)代水利斷面測量中具有的優(yōu)勢。