無人船搭載聲吶設(shè)備在大崗山水下檢測中的試驗(yàn)應(yīng)用

彭 濤, 黃 會(huì) 寶， 高 志 良， 江 德 軍

(國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

1 概 述

大崗山水電站位于大渡河干流的中游，電站樞紐主要由攔河混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成，最大壩高210.0 m，電站裝機(jī)容量2 600 MW。大崗山水庫平面呈條帶狀，為河道型水庫，水庫正常蓄水位1 130 m時(shí)，壩前最大天然壅水深度約120 m。大崗山庫區(qū)屬于大渡河中游產(chǎn)沙區(qū)，壩址河段多年平均懸移質(zhì)年輸沙量2430萬t(其中瀘定水文站-大崗山壩址區(qū)間的多年平均懸移質(zhì)輸沙量約1428萬t)，多年平均含沙量0.773 kg/m3，輸沙量主要集中在汛期(6～9月)，汛期多年平均懸移質(zhì)輸沙量2 200萬t，占全年輸沙量的90.5%，汛期平均含沙量1.120 kg/m3。該河段多年平均推移質(zhì)年輸沙量為32.4萬t。作為大渡河干流的水電站，了解蓄水初期水庫泥沙淤積情況對(duì)指導(dǎo)水庫運(yùn)行十分重要，該測量工作積極按照大渡河公司智慧企業(yè)建設(shè)目標(biāo)，改進(jìn)了適應(yīng)高山峽谷地區(qū)水庫的無人船測量系統(tǒng)，在大崗山壩前水下地形測量試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了水下地形的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和航行，有效提高了作業(yè)效率，減少了測量人員的涉水風(fēng)險(xiǎn)。

2 無人船測量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

無人船搭載聲吶設(shè)備測量系統(tǒng)不僅能夠解決高山峽谷區(qū)域人員作業(yè)高風(fēng)險(xiǎn)的難題，還能安全開展緊急情況大壩及邊坡的水下測量，為大壩運(yùn)行性態(tài)提供可靠數(shù)據(jù)支撐。測量船系統(tǒng)主要由船體、動(dòng)力系統(tǒng)、船載主控系統(tǒng)、設(shè)備供電系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)、船體和測深設(shè)備導(dǎo)航定位系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)等組成。

2.1.1 船體選型及設(shè)計(jì)

考慮船體內(nèi)需布置發(fā)電機(jī)、電池、多波束等設(shè)施設(shè)備，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，船體滿載情況總重約300 kg(包含船身)，經(jīng)多次選型比較，最終確定設(shè)計(jì)無人船排水量為450 kg，船體長度3 m，寬度1.45 m，整體采用全鋁材料焊接，相對(duì)重量較輕。船體和多波束設(shè)備設(shè)計(jì)建模及實(shí)物見圖1。

圖1 船體搭載多波束設(shè)備設(shè)計(jì)建模圖及實(shí)物圖

2.1.2 動(dòng)力系統(tǒng)及設(shè)備供電系統(tǒng)

多波束設(shè)備在使用過程中對(duì)運(yùn)行環(huán)境具有一定要求，在穩(wěn)定，平穩(wěn)的環(huán)境中可以得到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，因此，在動(dòng)力方面使用了水下電動(dòng)機(jī)直驅(qū)螺旋槳推動(dòng)船體前進(jìn)。為提高靈活性，采用矢量控制轉(zhuǎn)向。以電機(jī)為動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)在控制方面相對(duì)準(zhǔn)確容易，只需要向電動(dòng)機(jī)調(diào)速器發(fā)送相應(yīng)PWM信號(hào)，即可調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制輸出功率，達(dá)到船速的控制。該無人船為推力系統(tǒng)配置了三元鋰電池為電機(jī)提供動(dòng)力電源。由于庫區(qū)長、范圍廣，無人船需要具備長距離航行能力，如果單純使用電池驅(qū)動(dòng)，那么，整個(gè)船體將裝載大量電池，使船體重量直線上升，會(huì)讓拆裝，運(yùn)輸，船體下水變得困難。鑒于純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)需要在使用前對(duì)電池進(jìn)行充電，充電時(shí)間和充電附屬設(shè)施龐大。從以上性能及使用便捷性考慮，決定采用混合動(dòng)力系統(tǒng)，即發(fā)電機(jī)發(fā)電給電池充電，電池直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，一邊使用一邊充電，即具有良好的控制性能，又可以實(shí)現(xiàn)長距離航行。同時(shí)，拆裝維護(hù)，運(yùn)輸下水，都由于質(zhì)量變輕和模塊化的設(shè)計(jì)而變得便捷。

2.1.3 船載主控系統(tǒng)

無人船需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、自動(dòng)避障、自動(dòng)導(dǎo)航等功能，是實(shí)現(xiàn)無人船測量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。船載主控系統(tǒng)采用GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航和捷聯(lián)慣導(dǎo)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用已廣泛應(yīng)用到復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分級(jí)遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將控制系統(tǒng)分為組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)，并保證系統(tǒng)的強(qiáng)魯棒性和容錯(cuò)性。以單片機(jī)作為控制器，各傳感器反饋構(gòu)成多元閉環(huán)控制系統(tǒng)。本次試驗(yàn)為簡化無人船的制造過程，采用了水下動(dòng)力矢量控制方式，該方式在船的控制中具有很高的靈活性，但在控制方面的難度也是最大的，經(jīng)過多次測試，調(diào)整好相關(guān)的PID參數(shù)和其余控制參數(shù)后，無人船能準(zhǔn)確地按規(guī)劃航線行駛，以1.7 m/s的速度壓線航行，偏離度不超過0.5 m。

2.1.4 聲吶系統(tǒng)

聲吶系統(tǒng)主要包含Teledyne Reson T20P超高分辨率多波束、Reson SVP-70表面聲速儀、PosMV SurfMaster船載定位定姿系統(tǒng)、PDS多波束實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集后處理軟件及Valeport MiniSVP剖面聲速儀。多波束測深系統(tǒng)是一種多傳感器的復(fù)雜組合系統(tǒng),是現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)、高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)、高分辨顯示技術(shù)、高精度導(dǎo)航定位技術(shù)、數(shù)字化傳感器技術(shù)及其他相關(guān)高新技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成載有多波束測深系統(tǒng)的船，每發(fā)射一個(gè)聲脈沖，不僅可以獲得船下方的垂直深度，而且可以同時(shí)獲得與船的航跡相垂直的面內(nèi)的多個(gè)水深值，一次測量即可覆蓋一個(gè)寬扇面；與單波束回聲測深儀相比，多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、測量速度快、精度和效率高的優(yōu)點(diǎn)。

2.1.5 通信鏈路系統(tǒng)

根據(jù)無人船實(shí)際搭載多波束設(shè)備的情況，該船通信鏈路系統(tǒng)可以分為三大部分，第一部分是船載主控系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路，第二部分是多波束遠(yuǎn)程操作鏈路，第三部分是多波束系統(tǒng)定位差分鏈路。無人測量船運(yùn)行環(huán)境為高山峽谷區(qū)域，大山會(huì)阻擋無線信號(hào)，但無人船的控制及航行情況需要時(shí)時(shí)監(jiān)控，鑒于測區(qū)移動(dòng)信號(hào)基本覆蓋的情況下，無人船主控系統(tǒng)鏈路數(shù)據(jù)使用2G-4G通信，以保障長距離通信，同時(shí)還搭載了一套900 MHz的數(shù)傳電臺(tái)作為無人船的雙路冗余通訊系統(tǒng)，在無2G信號(hào)的地方電臺(tái)作為備份使用。多波束遠(yuǎn)程操作鏈路由于數(shù)據(jù)承載量大，故采用高帶寬的通信設(shè)備來承擔(dān)，使用內(nèi)建網(wǎng)絡(luò)，直接連接無人船上多波束控制電腦，由岸上人員直接同屏遠(yuǎn)程操作。導(dǎo)航差分鏈路由于其數(shù)據(jù)量小，使用的是大功率遠(yuǎn)程433 MHz頻率無線電臺(tái)通信，以滿足在大山區(qū)遠(yuǎn)距離通信(基站位置合理的情況下可達(dá)5 km)。

2.2 測量系統(tǒng)的原理

無人船測量系統(tǒng)是整個(gè)無人船系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著水深測量和導(dǎo)航定位任務(wù)。多波束測深系統(tǒng)是利用發(fā)射換能器陣列向水底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對(duì)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(duì)水底地形的照射腳印，對(duì)這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚恚淮翁綔y就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個(gè)甚至更多的水底被測點(diǎn)的水深值，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出水底地形的三維特征。因此，多波束測深系統(tǒng)把測深技術(shù)從點(diǎn)、線擴(kuò)展到面，并進(jìn)一步發(fā)展到立體測深和自動(dòng)成圖，適合進(jìn)行大面積的水底地形探測?；緶y量原理及多波束系統(tǒng)鏈接見圖2。

圖2 無人船測量原理及多波束系統(tǒng)鏈接圖

3 大崗山水電站壩前水下地形測量應(yīng)用

3.1 測區(qū)現(xiàn)狀

大崗山水庫蓄水后，入庫泥沙將在庫內(nèi)落淤，淤積三角洲到達(dá)壩前或田灣河引水泥沙在壩前淤積后，在取水和泄流過程中，泥沙或沙石粒被水流帶動(dòng)，其勢能和動(dòng)能造成水工建筑物混凝土破壞和磨損，影響到取水口前各泄水建筑物的安全運(yùn)行。大崗山壩前至泄洪洞進(jìn)口區(qū)域處于河道轉(zhuǎn)彎處，測區(qū)最大水深大于200 m，水面寬度在350～430 m之間，測區(qū)范圍邊坡存在多處不同程度的垮塌，傳統(tǒng)測量作業(yè)方式存在較大安全隱患，因此，采用無人船搭載聲吶設(shè)備在大崗山壩前開展作業(yè)，測區(qū)范圍見圖3。

圖3 大崗山壩前測量區(qū)域示意圖

3.2 施測過程

采用無人船搭載多波束水下測量系統(tǒng)對(duì)泄洪洞進(jìn)口至壩前庫段開展水下測量，主要沿水流方向布設(shè)計(jì)劃測線，以平行于等深線為大體原則布設(shè)測線，對(duì)泄洪洞進(jìn)口至壩前庫段水下地形進(jìn)行探測。無人船現(xiàn)場沿計(jì)劃測線自動(dòng)行駛，直到采集到的數(shù)據(jù)完全覆蓋住測區(qū)為止。測線布置見圖4。

圖4 泄洪洞進(jìn)口至壩前庫段測線布置圖

大崗山水電站處于高山峽谷區(qū)域，衛(wèi)星信號(hào)易被山坡遮擋，為確保多波束接收到準(zhǔn)確的GPS定位信號(hào)，需將RTK基準(zhǔn)站架設(shè)在坡度相對(duì)較緩、高度較高的位置，且選擇在衛(wèi)星信號(hào)較好的時(shí)間段開展多波束水下探測工作，考慮以上條件要求，基站假設(shè)于泄洪洞進(jìn)口上游攔污漂碼頭開闊地帶。

無人船搭載多波束測量過程中，存在一次因信號(hào)丟失導(dǎo)致無人船自行返航情況，經(jīng)修改設(shè)置后，無人船繼續(xù)航線行駛開展測量任務(wù)，多波束實(shí)時(shí)采集通訊回傳鏈路通暢。同時(shí)，為進(jìn)一步測試無人船作業(yè)過程中的穩(wěn)定性，此次無人船搭載多波束開展水下測量共作業(yè)3次，總共運(yùn)行時(shí)間25 h左右，實(shí)際航行里程42 km，試驗(yàn)過程中無人船運(yùn)行性態(tài)良好。

3.3 測量成果

3.3.1 檢測成果

采用無人船搭載多波束探測技術(shù)對(duì)壩前水域進(jìn)行全覆蓋水下三維掃描，獲取壩前水域水下地形三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)截圖(圖5)，利用實(shí)測的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成近壩庫區(qū)三維曲面圖(圖6)，繪制壩前水域1∶100地形圖(圖7)。

圖5 壩前區(qū)域水下三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)截圖

圖6 壩前區(qū)域水下三維曲面圖

圖7 壩前區(qū)水下地形圖

3.3.2 測深精度

測深精度主要從相鄰測線間點(diǎn)云的重疊度來判斷，以兩條相鄰測線為例，其重疊情況見圖8。由圖8可見，相鄰測線點(diǎn)云高差為0.05 m，滿足《水利水電施工測量規(guī)范》中：當(dāng)水深小于等于20m時(shí)，高程中誤差為±0.2 m，當(dāng)水深大于20 m時(shí)，對(duì)測深點(diǎn)高程中誤差為±0.01H(H為水深)的要求。

圖8 相鄰測線點(diǎn)云重疊情況圖

4 結(jié) 語

利用無人船搭載聲吶設(shè)備，開展大崗山泄洪洞進(jìn)口至壩前庫段的水下測量工作，數(shù)據(jù)結(jié)果很好地反映了庫區(qū)水下地形情況，順利完成了該庫區(qū)水下地形的測量任務(wù)。

試驗(yàn)表明，無人船搭載聲吶設(shè)備能夠高效、安全完成高山峽谷地區(qū)庫區(qū)測量任務(wù)，且具有高度的自動(dòng)化，避免因人員在船上作業(yè)帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，適用于水電站庫區(qū)、淺灘及緊急情況下的水下地形測量。當(dāng)前無人船系統(tǒng)多數(shù)尚處于自動(dòng)化階段，在智能規(guī)劃航線、智能主動(dòng)避障及通信傳輸控制上還存在不足，但隨著智能化、集成化水平的提高以及5G通訊技術(shù)的投入使用，這些問題都將得到更好的解決，也必將使無人船系統(tǒng)更加智能，使測量的精度、可靠性更高，并能適應(yīng)更復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。