多波束聯(lián)合遙控水下機(jī)器人在高土石壩水下檢測中的應(yīng)用

朱偉璽，馬 俊

（華能瀾滄江水電股份有限公司糯扎渡電廠，云南 普洱 665008）

鑒于水下環(huán)境的復(fù)雜性、檢測區(qū)域范圍大等因素，目前，高土石壩壩前淤積、壩后沖淤和水下壩面等的水下檢測主要采用傳統(tǒng)的蛙人水下檢測技術(shù)。但該技術(shù)受下潛時間和深度的限制，且人員生命危險面臨巨大考驗。單一的多波束探測系統(tǒng)只能對大范圍的檢測區(qū)域進(jìn)行掃描，采用條帶狀水深圖，全面了解探測區(qū)水下地形情況，但無法準(zhǔn)確、直觀地判斷待測對象的量化指標(biāo)，因此需要聯(lián)合遙控水下機(jī)器人的高精度局部探測功能對重點區(qū)域進(jìn)行掃描，從而得到較為準(zhǔn)確的水下檢測狀況［1］。

與傳統(tǒng)蛙人水下檢測技術(shù)相比，多波束聯(lián)合遙控水下機(jī)器人技術(shù)可發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)點，快速、連續(xù)、全方位和多角度地獲取采集數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確真實地描述高土石壩壩前淤積、壩后沖淤和水下壩面等異常情況，從而彌補傳統(tǒng)水下檢測技術(shù)的弊端，克服水下復(fù)雜環(huán)境的限制，為衡量缺陷等級和制定缺陷修復(fù)計劃提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［2］。

1 多波束探測系統(tǒng)工作原理

多波束探測系統(tǒng)主要利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進(jìn)行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對水下地形的照射交叉區(qū)域稱為腳印，根據(jù)聲波到達(dá)時間或相位即可測量出對應(yīng)點的水下被測點水深值，若干個測量周期組合形成帶狀水深圖（見圖1），從而描繪出水下地形的三維特征。

圖1 多波束探測系統(tǒng)工作原理示意

該系統(tǒng)主要部件包括3個子系統(tǒng)（見圖2）：①多波束聲學(xué)子系統(tǒng)（發(fā)射接收換能器陣和信號控制處理電子系統(tǒng)）；②輔助設(shè)備（衛(wèi)星定位系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器、驗潮儀和聲速剖面儀等）；③數(shù)據(jù)后處理軟件（典型如Hypack）及相關(guān)軟件和數(shù)據(jù)顯示、輸出、儲存設(shè)備［3］。

2 遙控水下機(jī)器人系統(tǒng)工作原理

遙控水下機(jī)器人是一種由水面遙控結(jié)合水下作業(yè)的綜合系統(tǒng)，可在水下攝像、水下空間數(shù)據(jù)采集和聲吶回傳，按工作模式可將水下機(jī)器人分為2種：有纜水下機(jī)器人（ROV）和和無纜水下機(jī)器人（AUV）。從檢測費用、時間和區(qū)域等角度考慮，在水庫大壩水下檢測中一般采用有纜水下機(jī)器人，該系統(tǒng)主要由ROV主機(jī)、地面控制系統(tǒng)、絞盤管理系統(tǒng)3個部分組成，主要通過臍帶纜（通氣管、電纜線、信號線等）完成供電和功能控制，具有作業(yè)時間長、控制可靠、動作靈活等優(yōu)點，適用于開展負(fù)載的水下作業(yè)任務(wù)［4］。水下機(jī)器人系統(tǒng)工作原理和組成部件見圖3～4。

圖2 多波束探測系統(tǒng)子系統(tǒng)

圖3 水下機(jī)器人系統(tǒng)工作原理示意

圖4 水下機(jī)器人系統(tǒng)組成部件

3 多波束探測系統(tǒng)精度評估

多波束探測系統(tǒng)引起誤差的主要因素包括多波束換能器量程和多波束輔助傳感器（姿態(tài)測量、聲速測量及GPS測量）。根據(jù)各種因素可將精度評估分為3類［5］：

（1）靜態(tài)探測精度評估。反映系統(tǒng)深度重復(fù)測量精度，用來評價聲吶測深系統(tǒng)的水深測量精度，但無法暴露整個系統(tǒng)各誤差源引起的水深和位置誤差，是有限項誤差評估的方法。

（2）相對探測精度評估。對系統(tǒng)自身的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評估，由于系統(tǒng)的一些傳感器誤差對測量水深的影響自中央波束向邊緣波束增加，使中央波束精度明顯高于邊緣波束精度，該精度反映出影響波束水深精度各因素綜合誤差。

（3）絕對探測精度評估。由于多波束測深系統(tǒng)采用了波束開角小于3°窄波束技術(shù)，其中央波束的精度應(yīng)高于單波束測深精度，在技術(shù)上不能采用由單波束系統(tǒng)來檢驗多波束系統(tǒng)的方法。絕對精度評估方法是對多波束測深系統(tǒng)的系統(tǒng)偏差和外側(cè)波束的精度進(jìn)行分析和評估。

4 聯(lián)合探測技術(shù)

多波束探測系統(tǒng)能夠提供大范圍內(nèi)高精度的水下地形數(shù)據(jù)，可全面探查水底地形的起伏情況，但無法準(zhǔn)確、直觀地發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域。遙控水下機(jī)器人可近距離地提供水下局部情況的真實照片，但無法全面高效地了解整個探測區(qū)域的水下復(fù)雜環(huán)境，水下作業(yè)存在高風(fēng)險及盲目性。因此可發(fā)揮兩種系統(tǒng)各自的優(yōu)勢，采用多波束探測系統(tǒng)的面積普查和遙控水下機(jī)器人的局部詳查相結(jié)合的方式進(jìn)行水下探測。待水下缺陷區(qū)域確定后，可采用多波束探測系統(tǒng)對重點部位進(jìn)行精細(xì)化掃描，實現(xiàn)大壩水下隱患的定性和定量描述，可為評判建筑物缺陷等級和制定修復(fù)計劃提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 應(yīng)用實例

運用Sonic2024多波束探測系統(tǒng)和Seamor 600F 2/4遙控水下機(jī)器人系統(tǒng)于2016年7月10日至12月11日、2018年5月9日至11月30日，對大壩水面以下部分進(jìn)行4期三維激光掃描觀測（見表1）。分別選取枯水期和豐水期，第一期水位777.00 m，第二期水位812.00 m，第三期水位777.00 m，第四期水位812.00 m。

表1 大壩表面掃描點云數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計

在水下探測過程中，需要遵循以下原則：

（1）最大水深時波束開角20°，單測線點間距小于0.34 m，波束開角隨測線移動適當(dāng)增加，以確保足夠的重疊度。

（2）為了實時記錄船只的位置和運動姿態(tài)，將羅經(jīng)的數(shù)據(jù)輸出到實時采集系統(tǒng)中，對羅經(jīng)進(jìn)行緯度設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和輸出設(shè)置等。

（3）采集兩個以上控制點進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，檢查流動站測量精度后，將流動站接收機(jī)與多波束測深系統(tǒng)相連，使多波束獲取的坐標(biāo)與工程坐標(biāo)相一致。

（4）在后期數(shù)據(jù)處理過程中進(jìn)行必要的姿態(tài)改正，包括時延的校正、橫搖校正、縱搖校正、艏搖校正等，分別選擇平坦的水下地形區(qū)域以及有起伏的區(qū)域，進(jìn)行重復(fù)多次往返測量。

（5）根據(jù)系統(tǒng)水下探測結(jié)果進(jìn)行精度驗證和誤差改正。

5.1 點云數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理

在水下探測過程中，以離測區(qū)最近的變形觀測基點（DB-JQR-JD01S觀測房頂基點）作為RTK工作基點，實際采集測線與設(shè)計一致，平均測線間距20 m，共布設(shè)7條測線，測線間覆蓋率≥60%。水下數(shù)據(jù)的采集過程中，嚴(yán)格控制船速和航線，以保證水下多波束數(shù)據(jù)滿足設(shè)計精度要求。

如圖5所示，選取7條水面測線，平均間距20 m，單個掃描點間距為50 cm；選取左右壩肩兩個基點（DB-JQR-JD01S、DB-JQR-JD02S）、上 游 壩 面（DB-TP08-11）一個基點共計3個點作為觀測基準(zhǔn)點。根據(jù)既定的探測路徑依次探測水下待測區(qū)域獲取初始點云數(shù)據(jù)，并經(jīng)過噪點剔除、點云配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)分類和抽稀等數(shù)據(jù)預(yù)處理過程后，得到水下區(qū)域整體結(jié)構(gòu)化點云數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建水下待測區(qū)域三維模型。

壩體測量點云數(shù)據(jù)4期掃描平均密度約為164 p/m2，折算后掃描點的間距約50 cm，經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)處理分析后，有效的數(shù)據(jù)量約為5 600萬點，構(gòu)建模型分辨率為6 cm。

經(jīng)過4期多波束掃描和水下機(jī)器人探測可知，獲取點云數(shù)據(jù)需經(jīng)過去燥、濾波和粗差處理后形成平滑的第一、二期基礎(chǔ)點云數(shù)據(jù)（見圖6）。對于右泄的重點部位結(jié)合開挖輪廓圖和掃描點云數(shù)據(jù)進(jìn)行二次建模重點分析（見圖7）。為了整體分析壩前庫底的探測狀況及其形成原因，可將水下掃描建模部分和大壩整體模型構(gòu)建成整體可與竣工模型進(jìn)行對比分析（見圖8）。對于右泄入口處需用水下機(jī)器人進(jìn)行重點探測，探測混凝土的破損情況，為后期做進(jìn)一步結(jié)構(gòu)分析提供數(shù)據(jù)支撐（見圖9）。

圖5 大壩水下區(qū)域探測路徑

圖6 第一、二期迎水面多波束點云

圖7 第三、四期右岸泄洪洞多波束點云

圖8 整體壩區(qū)三維重建示意

圖9 水下機(jī)器人探測混凝土結(jié)構(gòu)麻面

根據(jù)4期測量數(shù)據(jù)對比分析可知：

（1）大壩壩前水下部分淤積層普遍較薄，其厚度小于80 cm，但在右壩肩部分有小范圍的淘蝕現(xiàn)象，在壩段樁號0+80 m、左岸1、2號導(dǎo)流洞進(jìn)口兩處有少量集中淤積現(xiàn)象，淤積總量約為496 m3。

（2）在左右岸泄洪洞進(jìn)水口處有少量混凝土出現(xiàn)麻面現(xiàn)象，破損總面積為0.76 m2，不影響泄洪洞的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

5.2 數(shù)據(jù)精度分析

水下多波束掃描系統(tǒng)的精度主要由RTK測量精度、慣導(dǎo)精度和測距精度確定。

（1）RTK測量精度。RTK基站架設(shè)于DB-JQR-JD01S觀測房頂部基點，Trimble R7 GNSS系統(tǒng)的測量精度為平面±2 cm，高程±3 cm。

（2）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)本身并不參與測量，主要用于糾正多波束測深系統(tǒng)在測量過程中的行船姿態(tài)，進(jìn)而實時改正觀測數(shù)據(jù)，因此慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度與測量深度有很大關(guān)系。本次作業(yè)過程中，水下最低點約為高程600 m，最高點約為高程777 m，最大水深約為180 m，在該深度條件下，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度約為±（2～3）cm。

（3）聲納精度。多波束聲納精度和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度類似，主要取決于測量水深，在該深度條件下，聲納精度約為±（2～3）cm。

綜上所述，在各類誤差的影響下，經(jīng)過精確計算和數(shù)據(jù)分析可知，水下多波束測深點云數(shù)據(jù)的精度≤10 cm。

6 結(jié)論與展望

聯(lián)合檢測系統(tǒng)可充分發(fā)揮多波束探測系統(tǒng)和遙控水下機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)勢，建立了一套用于高土石壩水下檢測的聯(lián)合技術(shù)方案，實現(xiàn)水下近距離、高精度的定量化掃描測量，準(zhǔn)確真實地描述高土石壩壩前淤積、壩后沖淤和水下壩面等異常情況，從而彌補了傳統(tǒng)水下檢測技術(shù)的弊端，克服了水下復(fù)雜環(huán)境的限制，為衡量缺陷等級和制定缺陷修復(fù)計劃提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

該聯(lián)合水下檢測系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域，海洋領(lǐng)域的運用將有更大的優(yōu)勢，也可為壩前水下攔污柵的檢查、消力池水下檢查提供借鑒。