耙吸挖泥船浚測(cè)一體化系統(tǒng)研究

高翔

摘 要：本文針對(duì)目前耙吸挖泥船疏浚施工過(guò)程中，疏浚與測(cè)量分離，施工效率和效益不高的問(wèn)題，進(jìn)行了耙吸挖泥船疏浚測(cè)量一體化系統(tǒng)研究。主要采用高密度聲吶陣列技術(shù)進(jìn)行疏浚測(cè)量一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)精度進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明系統(tǒng)精度符合有關(guān)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)渾濁的施工水域全自動(dòng)化、高精度的水深測(cè)量和河床地形探測(cè)，實(shí)現(xiàn)疏浚施工與工程測(cè)量的同步及實(shí)時(shí)水深測(cè)量數(shù)據(jù)和施工管理系統(tǒng)結(jié)合。將浚測(cè)一體化系統(tǒng)運(yùn)用于疏浚船舶，能有效提高疏浚施工的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：耙吸式挖泥船;疏浚;測(cè)量;一體化

中圖分類號(hào)：U674.31 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2020）07-0050-04

疏浚測(cè)量是疏浚作業(yè)的重要工作之一，尤其現(xiàn)代疏浚工程中，及時(shí)得到準(zhǔn)確的水下地形資料十分重要，直接影響到工程的進(jìn)度。關(guān)于疏浚測(cè)量，學(xué)者們已經(jīng)進(jìn)行了系列研究：孫銀根等針對(duì)疏浚施工中， 水砣或測(cè)試板打出的深度往往與高頻測(cè)深儀所測(cè)數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題，從超聲波測(cè)深原理和量化數(shù)據(jù)方面分析了浮泥層對(duì)高頻測(cè)深儀的影響，并提出幾種解決方案;郭雄強(qiáng)等將衛(wèi)星精準(zhǔn)定位、多聲波技術(shù)用于疏浚測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋的底質(zhì)類型、淤泥厚度等深度精準(zhǔn)測(cè)量;施永富設(shè)計(jì)了一種輕便型航道疏浚測(cè)量系統(tǒng)，并將系統(tǒng)用于內(nèi)河航道圖測(cè)量， 研究結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠直觀準(zhǔn)確反映疏浚施工質(zhì)量，在實(shí)際應(yīng)用中效果顯著;王慶浩將彩色竹竿和測(cè)深錘代替GPS和測(cè)深儀用于實(shí)際疏浚施工測(cè)量，施工結(jié)果表明該測(cè)量方法具有較好的技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益;萬(wàn)滔研究了適用于絞吸挖泥船的實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)浚前、浚中和浚后水深數(shù)據(jù)測(cè)量，施工質(zhì)量實(shí)時(shí)控制;李素江提出將GPS PPK潮位測(cè)量技術(shù)用于超長(zhǎng)航道疏浚工程測(cè)量，并將其用于工程實(shí)際，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，相比GPS RTK技術(shù)，GPS PPK技術(shù)具有精度高、可靠、現(xiàn)勢(shì)性好等優(yōu)勢(shì)。目前，關(guān)于疏浚測(cè)量的研究較多，但大部分只是針對(duì)疏浚測(cè)量技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化研究，對(duì)于實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的研究還比較少，由于疏浚施工和測(cè)量的分離，施工成本高、數(shù)據(jù)時(shí)效差、效率低能耗高等弊端還未得到解決。

考慮到上述問(wèn)題，本文提出了一種適用于耙吸挖泥船的疏浚測(cè)量一體化（以下簡(jiǎn)稱“浚測(cè)一體化”）系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要基于高密度聲吶陣列技術(shù)，并采用疏浚同步核心算法和多維數(shù)據(jù)修正技術(shù)等，配備浚測(cè)一體化系統(tǒng)軟件，能實(shí)現(xiàn)船舶疏浚施工與工程測(cè)量同步，施工質(zhì)量實(shí)時(shí)控制，從而有效縮短測(cè)量周期，提高施工效率和質(zhì)量，提升施工效益。

1 高密度聲吶陣列

針對(duì)傳統(tǒng)聲吶測(cè)量技術(shù)在渾濁水域測(cè)量時(shí)誤差較大、周期較長(zhǎng)等問(wèn)題，本文提出了一種適用于河床地形檢測(cè)的高密度聲吶陣列，其中主要包括：能量聚焦、動(dòng)態(tài)降噪及多設(shè)備集成等技術(shù)。

1.1 能量聚焦技術(shù)

由于測(cè)量環(huán)境水域渾濁、水體成分復(fù)雜，導(dǎo)致被測(cè)河床出現(xiàn)局部回波紊亂、波束腳印放大、噪信比提高，這會(huì)嚴(yán)重影響檢測(cè)精度。通過(guò)在高密度聲吶陣列中使用能量聚焦技術(shù)，在單一測(cè)量周期內(nèi)（50～100毫秒）縮短單次發(fā)射波長(zhǎng)（約3～5微秒）、增加發(fā)射次數(shù)（約10～20次）、增大發(fā)射功率，使被測(cè)區(qū)域在該測(cè)量周期內(nèi)被更密集的聲波重復(fù)覆蓋，即會(huì)導(dǎo)致腳印內(nèi)回聲能量和腳印外回聲能量級(jí)別被放大。同時(shí)能量聚焦技術(shù)的使用，原始聲吶檢測(cè)數(shù)據(jù)量也被放大約10～20倍，使得數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸和處理工作變得更為復(fù)雜和困難，所以相應(yīng)的在后端數(shù)據(jù)處理單元，通過(guò)增加多片高速DSP和FPGA的方式來(lái)解決這一問(wèn)題，通過(guò)多片高速DSP協(xié)同工作，分片流水式運(yùn)行來(lái)滿足海量數(shù)據(jù)的及時(shí)運(yùn)算。

1.2動(dòng)態(tài)降噪技術(shù)

由于本項(xiàng)目的應(yīng)用場(chǎng)景是疏浚水域，其水質(zhì)較湖泊、海洋更為渾濁且含各類懸浮物，勢(shì)必造成水體聲學(xué)噪聲較多;施工區(qū)域因船舶施工形成的紊流、水花以及氣泡都會(huì)造成聲吶噪聲。針對(duì)上述噪聲的產(chǎn)生原因和實(shí)際情況，在高密度聲吶陣列中增加了水體噪聲預(yù)識(shí)別技術(shù)和動(dòng)態(tài)信噪比調(diào)節(jié)技術(shù)，在前端進(jìn)行噪聲抑制，大大減少了檢測(cè)結(jié)果中的噪點(diǎn)和野值。

1.3多設(shè)備集成技術(shù)

在高密度聲吶陣列中不但集成了聲吶多波束發(fā)射裝置和多波束接收陣列，還集成了慣導(dǎo)測(cè)姿裝置、表面聲速測(cè)量裝置、海量測(cè)量數(shù)據(jù)雙向通信設(shè)備。通過(guò)集成慣導(dǎo)測(cè)姿裝置，使得通過(guò)高密度聲吶陣列精確河床地形，實(shí)現(xiàn)了高密度聲吶陣列在測(cè)量過(guò)程中無(wú)需校準(zhǔn)，并對(duì)測(cè)量過(guò)程中的船舶橫搖、縱搖、航向變化等因素進(jìn)行了前端修正，既提高測(cè)量精度還減少后端數(shù)據(jù)修正運(yùn)算量。通過(guò)集成表面聲速測(cè)量裝置，實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前水域的表面聲速，為后端數(shù)據(jù)運(yùn)算和分析提供精確的聲速數(shù)據(jù)。在河床地形檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景下，后端需要大量的水下聲吶波束測(cè)量原始數(shù)據(jù)即輔助設(shè)備數(shù)據(jù)，其中包含水體噪聲數(shù)據(jù)、回波能量數(shù)據(jù)、回波檢波數(shù)據(jù)、橫搖、俯仰、航向角、聲速數(shù)據(jù)等，這些海量數(shù)據(jù)需要在最小延時(shí)范圍內(nèi)傳輸給后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，同時(shí)還接收來(lái)自后端系統(tǒng)的配置和控制指令，通過(guò)在高密度聲吶陣列中集成海量數(shù)據(jù)雙向傳輸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)在本地壓縮后高速傳輸至后端系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)組成

耙吸挖泥船浚測(cè)一體化系統(tǒng)的組成主要包括：高密度聲吶陣列測(cè)深系統(tǒng)、升降測(cè)量平臺(tái)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件。如圖1所示為測(cè)量機(jī)構(gòu)安裝示意圖，在船舶艏部左右對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)測(cè)量井，在每個(gè)測(cè)量井內(nèi)安裝一套自動(dòng)升降測(cè)量機(jī)構(gòu)，高密聲吶陣列安裝于測(cè)量機(jī)構(gòu)上。測(cè)量機(jī)構(gòu)采用分段式組裝模式，無(wú)需上塢即可拆裝維護(hù)，具備導(dǎo)軌自動(dòng)除污功能。測(cè)量井結(jié)構(gòu)通道內(nèi)焊接有定向?qū)к?，升降平臺(tái)上安裝有自潤(rùn)滑滑塊，升降平臺(tái)在定向?qū)к壖s束下做上下升降運(yùn)動(dòng)，當(dāng)收回和放下到位時(shí)通過(guò)升降平臺(tái)上的自動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊。高密聲吶陣列固定安裝在升降平臺(tái)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)全自動(dòng)完成，無(wú)需人工進(jìn)行任何的測(cè)前校準(zhǔn)工作。

當(dāng)開(kāi)啟測(cè)量模式時(shí)，自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)將水下基陣伸出船底板外;當(dāng)測(cè)量結(jié)束時(shí)，自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)將高密聲吶陣列收回至船體內(nèi)。

測(cè)量過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，自動(dòng)完成測(cè)前準(zhǔn)備、測(cè)量過(guò)程中數(shù)據(jù)采集和傳輸、測(cè)后的數(shù)據(jù)自動(dòng)清洗校準(zhǔn)和成圖，以及成圖數(shù)據(jù)的自動(dòng)疊加顯示和網(wǎng)絡(luò)化傳輸。開(kāi)展浚前測(cè)量工作時(shí)，船舶施工人員僅需在系統(tǒng)軟件中設(shè)置待測(cè)區(qū)域，并依照系統(tǒng)自動(dòng)生成的航測(cè)控制線在待測(cè)區(qū)域內(nèi)航行即可完成浚前水深數(shù)據(jù)的測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)剔除野值并自動(dòng)成圖，支持?jǐn)?shù)據(jù)的多種模式顯示。浚中測(cè)量即在船舶施工的同時(shí)開(kāi)展測(cè)量，此時(shí)高密聲吶陣列掃測(cè)的數(shù)據(jù)即是耙頭即將施工區(qū)域的水深數(shù)據(jù)，可為施工人員提供及時(shí)的水深數(shù)據(jù)指導(dǎo)，浚中測(cè)量時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示采用冒泡方式顯示，直觀明了，并可以根據(jù)當(dāng)前耙頭位置和耙頭軌跡預(yù)測(cè)，重點(diǎn)顯示即將施工區(qū)域水深數(shù)據(jù)?？：鬁y(cè)量的操作流程類似于浚前測(cè)量，可充分利用施工間隙、拋泥航行等時(shí)間來(lái)完成浚后測(cè)量，浚后測(cè)量數(shù)據(jù)顯示支持與浚前數(shù)據(jù)疊加顯示、淺點(diǎn)自動(dòng)搜索和顯示等功能，以便于施工人員利用浚后數(shù)據(jù)進(jìn)行施工質(zhì)量檢查。

2.2 系統(tǒng)性能

測(cè)量寬度：耙吸式挖泥船浚測(cè)一體化系統(tǒng)測(cè)量寬度超過(guò)10倍水深。

測(cè)點(diǎn)間距：測(cè)量水深點(diǎn)間距≤0.5米，完全滿足施工測(cè)量要求。

測(cè)深范圍：0.5米～100米。

測(cè)深精度：符合JT/T790-2010特級(jí)或一級(jí)精度。

測(cè)深設(shè)備最大功率≤500W。

吃水調(diào)整范圍：1～15米，根據(jù)船舶吃水、橫傾角、縱傾角與測(cè)量裝置下放深度進(jìn)行自動(dòng)修正。

聲速調(diào)整范圍：1400～1600m/s，分辨率0.1m/s。

系統(tǒng)工作環(huán)境溫度：-5℃～50℃。

數(shù)據(jù)：無(wú)需配備測(cè)量導(dǎo)航（外業(yè)）軟件和數(shù)據(jù)后處理（內(nèi)業(yè)）軟件。

3 精度測(cè)試

3.1 高密度聲吶陣列精度測(cè)試

3.1.1 高密度聲吶陣列安裝校準(zhǔn)

根據(jù)相關(guān)測(cè)量技術(shù)要求，需要對(duì)浚測(cè)一體化系統(tǒng)的橫搖偏差、縱搖偏差和艏向偏差等三個(gè)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方法如下：

（1）布置兩條平行測(cè)線，每條測(cè)線往返測(cè)量各一次。

（2）以相同的航速完成4條測(cè)線的測(cè)量。

（3）使用Hypack軟件，完成校準(zhǔn)測(cè)線數(shù)據(jù)處理。

（4）使用Hypack軟件的Patch功能模塊，按照技術(shù)要求中規(guī)定，選擇合適的測(cè)線和校準(zhǔn)順序，分別計(jì)算出橫遙偏差、縱搖偏差和艏向偏差。

（5）重復(fù)（2）-（4）兩次，對(duì)每個(gè)參數(shù)得到三組校準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)校準(zhǔn)平均值和中誤差。

采用Hypack軟件的Patch功能模塊，進(jìn)行橫搖偏差、縱搖偏差、和艏向偏差的校準(zhǔn)參數(shù)計(jì)算。對(duì)三組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，得到校準(zhǔn)參數(shù)如表1所示：

由表1可知，高密度聲吶陣列的安裝偏差參數(shù)分別為：橫搖偏差0.04度，縱搖偏差-3.4度，縱搖偏差-0.7度。橫搖偏差、縱搖偏差和艏向偏差的中誤差分別為0.00度、0.10度和0.06度，滿足《多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)要求 JT/T790-2010》中要求的，橫搖中誤差小于0.05度、縱搖中誤差小于0.3度和艏向中誤差小于0.1度的要求。

3.1.2 內(nèi)符合精度測(cè)試

完成橫搖偏差、縱搖偏差和艏向偏差測(cè)定與校準(zhǔn)后，對(duì)其內(nèi)符合精度測(cè)試（綜合測(cè)深誤差測(cè)試），測(cè)試方法如下：

（1）選擇水深大于或等于測(cè)區(qū)內(nèi)最大水深、水下地形平坦的水域進(jìn)行。

（2）按正交方向分別布設(shè)2條測(cè)線;每個(gè)方向的測(cè)線測(cè)量?jī)纱巍?/p>

（3）按照相同航速測(cè)量，得到4條測(cè)量的數(shù)據(jù)。

（4）使用Hyapck軟件處理測(cè)量數(shù)據(jù)，并分別得到4條測(cè)線的測(cè)深點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（5）每次選擇4條測(cè)線中的2條，對(duì)比重疊部分的水深，統(tǒng)計(jì)水深比對(duì)不符值點(diǎn)數(shù)，不符值點(diǎn)數(shù)不應(yīng)超過(guò)參加總比對(duì)點(diǎn)數(shù)15%，其中，不符值限差參照公式1中的方法計(jì)算（本測(cè)試不符值限差為0.29米）。

（6）4條測(cè)線兩兩比對(duì)，共進(jìn)行6次統(tǒng)計(jì)，得到6次比對(duì)結(jié)果和所有比對(duì)的總結(jié)果。根據(jù)所選用測(cè)試方法得到內(nèi)符合精度測(cè)試如表2所示：

由表2可知，超限點(diǎn)比例最大值為3.08%;6組合并統(tǒng)計(jì)時(shí)，總比對(duì)點(diǎn)數(shù)為416，109，超限點(diǎn)數(shù)量?jī)H為9，032，超限點(diǎn)比例為2.17%。6組對(duì)比結(jié)果和合并統(tǒng)計(jì)結(jié)果均遠(yuǎn)優(yōu)于《技術(shù)要求》中該規(guī)定的不超過(guò)15%的要求。

3.1.3 外符合精度測(cè)試

內(nèi)符合精度測(cè)試滿足限差要求后，還應(yīng)對(duì)水深大于或等于測(cè)區(qū)內(nèi)的最大水深、水下地形平坦的水域采用單波束測(cè)深儀對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行水深精度比對(duì)，測(cè)試方法如下：

（1）使用檢測(cè)板的方式對(duì)單波束測(cè)深精度進(jìn)行校準(zhǔn)。

（2）選擇水深大于或等于測(cè)區(qū)內(nèi)最大水深、水下地形平坦的水域進(jìn)行。

（3）高密度聲吶陣列測(cè)量：按正交方向分別布設(shè)2條測(cè)線;每個(gè)方向的測(cè)線測(cè)量?jī)纱巍０凑障嗤剿贉y(cè)量，得到4條測(cè)量的數(shù)據(jù)。

（4）單波束測(cè)量：沿正交方向、按與多波速測(cè)線平行的方式布設(shè)兩組平行線，每組測(cè)線3條。按照相同航速測(cè)量，得到單波束測(cè)量數(shù)據(jù)。

（5）以單波束測(cè)深結(jié)果為參照，比對(duì)高密度聲吶陣列測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果，統(tǒng)計(jì)水深比對(duì)不符點(diǎn)的數(shù)量，計(jì)算不符點(diǎn)比例，給出外符合精度測(cè)試結(jié)果。

使用Hyapck軟件對(duì)高密度聲吶陣列和單波束測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以單波束測(cè)深結(jié)果為參考，對(duì)高密度聲吶陣列測(cè)量的水深精度進(jìn)行比對(duì)，各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示：

由表3可知，對(duì)于12456個(gè)重合點(diǎn)，有236個(gè)點(diǎn)超過(guò)《多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)要求 JT/T790-2010》規(guī)定的不符值限，超限點(diǎn)比例為1.89%，滿足《多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)要求 JT/T790-2010》規(guī)定的超限點(diǎn)比例不超15%的要求。

3.2實(shí)船精度測(cè)試

將浚測(cè)一體化系統(tǒng)安裝至長(zhǎng)鯨7號(hào)耙吸挖泥船，并在長(zhǎng)江口岸直水道附近施工過(guò)程中進(jìn)行精度測(cè)試，測(cè)試方法如下：

（1）在同一施工區(qū)域進(jìn)行多次反復(fù)測(cè)量，然后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)比對(duì)。

（2）在同一施工區(qū)域針對(duì)不同浚次進(jìn)行測(cè)量，形成單獨(dú)記錄文件，結(jié)合施工軌跡進(jìn)行地形比對(duì)。

（3）安排測(cè)量隊(duì)對(duì)同一施工區(qū)域進(jìn)行高密度測(cè)量，通過(guò)系統(tǒng)軟件中的數(shù)據(jù)比對(duì)功能模塊對(duì)同上述1和2的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

對(duì)比數(shù)據(jù)如圖2所示：

4 結(jié)論

（1）利用密度聲吶陣列技術(shù)，并集成了疏浚同步核心算法和多維數(shù)據(jù)修正等技術(shù)手段，設(shè)計(jì)了一套適用于耙吸挖泥船浚測(cè)一體化系統(tǒng)。

（2）浚測(cè)一體化系統(tǒng)各項(xiàng)精度指標(biāo)均符合有關(guān)系統(tǒng)測(cè)量精度技術(shù)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜疏浚水域的水深測(cè)量和河床地形探測(cè)。

（3）耙吸挖泥船浚測(cè)一體化系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)為疏?？刂葡到y(tǒng)提供精確的河床感知數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)施工和測(cè)量同步進(jìn)行，能有效解決傳統(tǒng)疏浚施工中浚測(cè)分離的弊端，提高疏浚施工的質(zhì)量和效率。

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