無人船聯(lián)合多波束在水工建筑物檢測(cè)中的應(yīng)用研究

畢繼鑫

（浙江華東測(cè)繪與工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014）

水電工程是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，截至2021年年底，我國已建水庫大壩9.8 萬多座，總庫容達(dá)8 983億m3，基本覆蓋我國境內(nèi)所有大江大河，與河道、堤防、蓄滯洪區(qū)構(gòu)成的流域防洪工程體系能夠在暴雨洪水發(fā)生時(shí)保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。然而，我國80%以上水庫大壩修建于20 世紀(jì)50 年代至70年代，運(yùn)行期間水工建筑物受勘測(cè)設(shè)計(jì)缺陷、施工質(zhì)量漏洞、管理不到位等人為因素以及洪水、地震、滑坡等自然因素的影響存在不同程度的老化、塌陷錯(cuò)位、沖蝕磨損、泥沙淤積等病險(xiǎn)，極易造成不良后果，給國家和社會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)水庫大壩周邊水下基礎(chǔ)設(shè)施或地質(zhì)情況進(jìn)行定期檢查，了解水工建筑物的水下運(yùn)行狀態(tài)，提供保養(yǎng)維護(hù)、除險(xiǎn)加固的檢測(cè)依據(jù)，成為水電站運(yùn)行管理的重要基礎(chǔ)工作。

受限于水電站水下檢測(cè)設(shè)備發(fā)展緩慢，相關(guān)研究尚處于起步階段。來記桃等［1］綜述了多波束測(cè)深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶、三維實(shí)時(shí)聲吶、水下攝像機(jī)在雅礱江流域水電站水下檢測(cè)中的應(yīng)用；王瀛勇等［2］采用SeaBat 8125 多波束測(cè)深系統(tǒng)獲取壩面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于Mi?croStation 平臺(tái)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)形成了水電站壩面平整度檢測(cè)方法；張智敏等［3］基于SONIC 2024 多波束測(cè)深系統(tǒng)研究了水電站圍堰淤積監(jiān)測(cè)及沖淤分析方法；劉海寶等［4］將SONIC 2024 多波束測(cè)深系統(tǒng)應(yīng)用于水電站壩前鋪蓋檢測(cè)，重點(diǎn)介紹了其數(shù)據(jù)采集及處理工作。上述研究都是將多波束測(cè)深系統(tǒng)搭載于有人船完成水工建筑物的檢測(cè)，然而，水電站普遍地處非通航水域，水上作業(yè)安全隱患較大?；诖?，本文以白沙河水電站為研究對(duì)象，將華微6 號(hào)無人船聯(lián)合NORBIT多波束測(cè)深系統(tǒng)應(yīng)用于水電站各類水工建筑物的水下檢測(cè)，重點(diǎn)研究其岸基通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析等關(guān)鍵技術(shù)，以期為白沙河水電站的管理及除險(xiǎn)加固提供依據(jù)。

1 無人船聯(lián)合多波束測(cè)深系統(tǒng)工作原理

1.1 NORBIT 多波束測(cè)深系統(tǒng)

NORBIT 多波束測(cè)深系統(tǒng)是挪威NORBIT 公司推出的新一代集成化、輕便化、高精度的多波束測(cè)深系統(tǒng)，系統(tǒng)量程0.2～275.0 m，中心頻率400 kHz（支持200～700 kHz 可調(diào)），波束角度0.5°×1.0°（垂直航線×沿航跡），波束開角7°～210°可調(diào)，最大輸出頻率達(dá)60 Hz，每脈沖擊發(fā)含256 個(gè)波束。NORBIT 多波束測(cè)深系統(tǒng)集成一體化見圖1，系統(tǒng)將換能器基陣、POS MV Wave?master 定位定向測(cè)姿硬件、AML Smart SV 表面聲速探頭集成一體化，甲板單元僅由1 根網(wǎng)線便可解決同類系統(tǒng)至少需要5 根連接線才能接通多波束測(cè)深系統(tǒng)的問題。

圖1 NORBIT 多波束測(cè)深系統(tǒng)集成一體化

1.2 多波束無人船平臺(tái)

把NORBIT 多波束測(cè)深系統(tǒng)搭載于華微6 號(hào)碳纖維可拆卸式無人船平臺(tái)進(jìn)行水工建筑物檢測(cè)，見圖2。船體尺寸1.80 m×0.50 m×0.25 m，吃水0.15 m，最大載重50 kg，能在5 級(jí)風(fēng)3 級(jí)浪環(huán)境下穩(wěn)定工作。NORBIT 多波束換能器與含橡膠的無人船套筒通過法蘭盤及連接螺絲固定于無人船船底，換能器接收陣列朝船頭方向，后天線為定位天線，前天線為定向天線；船頭接有2 根網(wǎng)橋天線用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)（基站、視頻、數(shù)據(jù)通信），船尾接有兩根遙控天線用于無人船遙控通信；無人船內(nèi)嵌的PC 主機(jī)安裝QINSy 軟件用于實(shí)時(shí)存儲(chǔ)多波束測(cè)量數(shù)據(jù)，聲吶電纜、定位定向電纜、網(wǎng)線、電源線等插入甲板單元對(duì)應(yīng)接口，同甲板單元安置于船體前艙。此外，無人船內(nèi)有3 塊電池，分別用來對(duì)主控和左槳供電，對(duì)右槳供電，對(duì)換能器、甲板單元、網(wǎng)橋以及串口服務(wù)器供電。

圖2 華微6 號(hào)無人船

1.3 多波束測(cè)深系統(tǒng)檢測(cè)水工建筑物原理

NORBIT 多波束測(cè)深系統(tǒng)采用指向性正交的兩組換能器基陣對(duì)聲吶波束進(jìn)行發(fā)射和接收（見圖3），發(fā)射基陣平行于無人船首尾線排列，接收基陣垂直于無人船首尾線排列。

圖3 多波束測(cè)深系統(tǒng)檢測(cè)水工建筑物的工作原理

檢測(cè)水工建筑物時(shí)發(fā)射基陣形成的扇形聲波波束照射無人船正下方的狹窄水域并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，聲波接觸水域底部水工建筑物時(shí)發(fā)生反射［5］。各反射點(diǎn)空間位置不同使波束返回時(shí)間各不相同，接收基陣接收的回波中包含水下各反射點(diǎn)的空間信息，對(duì)各回波信號(hào)進(jìn)行固定方向的多波束形成、幅度檢測(cè)、能量累積等處理，直至接收基陣對(duì)所有待測(cè)角度的回波接收完畢，即完成一次條帶式測(cè)量，此時(shí)根據(jù)對(duì)應(yīng)角度波束的計(jì)數(shù)值和測(cè)量聲速值可計(jì)算各反射點(diǎn)距離換能器的距離，再經(jīng)三角變換可得到水工建筑物多點(diǎn)位的深度信息。

使用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)水工建筑物檢測(cè)時(shí)通過布設(shè)密集的測(cè)線保證各次測(cè)量的條帶邊緣具有一定重疊度，以此實(shí)現(xiàn)水工建筑物的全覆蓋精確水深測(cè)量，對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行潮位、聲速、定位、姿態(tài)等輔助參數(shù)改正后，基于離散水深數(shù)據(jù)三維建模法實(shí)現(xiàn)水工建筑物可視化檢測(cè)。

2 無人船聯(lián)合多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)水電站數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 水電站概況

白沙河水電站位于湖北省竹溪縣兵營鄉(xiāng)境內(nèi)的泉河流域，以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、養(yǎng)殖等綜合效益，電站裝機(jī)容量50 MW，工程規(guī)模屬大（2）型，大壩為混凝土面板堆石壩，水庫最大庫容2.476 億m3，最大壩高104 m。水電站壩前防滲鋪蓋頂部高程380 m，頂寬4 m，坡比1 ∶2.5，其中下層鋪蓋采用粉質(zhì)黏土鋪蓋，上覆石渣混合料，下層粉質(zhì)黏土鋪蓋頂寬2 m，坡比1 ∶2.0。采用華微6 號(hào)無人船聯(lián)合NORBIT 多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行水下掃測(cè)檢查，檢查區(qū)域主要為上游大壩壩前及右岸水工建筑物。

2.2 岸基通信與測(cè)線布設(shè)

無人船和操作平板均設(shè)有連接網(wǎng)橋主機(jī)的無線網(wǎng)橋天線，PC 端通過網(wǎng)線連接電腦，配套使用華微6 號(hào)無人船Auto Planner 軟件進(jìn)行測(cè)線布設(shè)，通過設(shè)置TCP 連接、遠(yuǎn)程主機(jī)IP 和端口號(hào)進(jìn)行無人船遙控通信與遠(yuǎn)程測(cè)量監(jiān)控（見圖4），其測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在無人船內(nèi)部嵌入的主機(jī)內(nèi)存盤。水電站測(cè)量分為計(jì)劃自動(dòng)測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)量，對(duì)于白沙河水電站壩前開放水域設(shè)置自動(dòng)控制航線，航線間距為40 m；對(duì)于壩前邊界水域，為防止無人船撞岸傾覆，切換為手動(dòng)控制航線。

圖4 無人船測(cè)線布設(shè)及遠(yuǎn)程測(cè)量監(jiān)控

2.3 校準(zhǔn)測(cè)量

開展白沙河水電站檢測(cè)作業(yè)前進(jìn)行艏向校準(zhǔn)工作（見圖5），先操縱無人船繞8 字行駛3 次，然后反向航行30 s，最后同向前進(jìn)航行30 s，重復(fù)上述操作直至艏向均方根值低于0.5°，NORBIT 多波束測(cè)深系統(tǒng)自動(dòng)解算GPS 相對(duì)位置關(guān)系。

圖5 艏向校準(zhǔn)

2.4 數(shù)據(jù)采集

采用快速靜態(tài)法獲取白沙河變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)TN01、TN02、TN03、TN04、TN05 在WGS－84 橢球下的平面坐標(biāo)和大地高程，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)TN03 架設(shè)Trimble R8 GNSS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站并開啟靜態(tài)測(cè)量模式，無人船聯(lián)合多波束測(cè)深系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工作見圖6。采用WBMS GUI 聲吶軟件對(duì)NORBIT 換能器聲吶進(jìn)行控制，無人船基于內(nèi)嵌的POS MV Wavemaster 定位定向測(cè)姿系統(tǒng)自動(dòng)記錄GNSS 數(shù)據(jù)、來自IMU 的角速度和加速度以及來自方位角測(cè)量系統(tǒng)的航向數(shù)據(jù)，采用毫秒級(jí)的時(shí)間精度同步位置、方向、涌浪、速度等指標(biāo)。在QINSy 數(shù)據(jù)采集軟件Setup 模塊添加NORBIT 聲吶、GNSS、羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器并配置參數(shù)，設(shè)置白沙河水電站地理參數(shù)及上述傳感器相對(duì)位置，基于Online 模塊進(jìn)行XTF 格式的多波束數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)生成DTM 模型進(jìn)行3D 顯示。

圖6 無人船聯(lián)合多波束測(cè)深系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工作

2.5 數(shù)據(jù)處理

2.5.1 定位數(shù)據(jù)處理

基于TN03 基準(zhǔn)站的靜態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)無人船軌跡POS數(shù)據(jù)進(jìn)行單基站緊組合差分GNSS 后處理［6］和定位測(cè)姿數(shù)據(jù)中誤差計(jì)算，以GPS 歷元為橫坐標(biāo)，分別以后處理定位中誤差、后處理姿態(tài)誤差為縱坐標(biāo)，繪制無人船實(shí)時(shí)軌跡數(shù)據(jù)定位測(cè)姿誤差變化圖（見圖7）。分析可知，北坐標(biāo)平均中誤差為0.014 m，東坐標(biāo)平均中誤差為0.012 m，高程平均中誤差為0.026 m，橫搖平均中誤差為0.748 arc－min，縱搖平均中誤差為0.749 arcmin，艏向平均中誤差為1.970 arc－min，上述中誤差值均小于相關(guān)規(guī)范要求，因此單基站緊組合差分GNSS后處理可極大提高水電站多波束檢測(cè)數(shù)據(jù)的定位精度。

圖7 無人船實(shí)時(shí)軌跡數(shù)據(jù)定位測(cè)姿誤差變化

2.5.2 水深數(shù)據(jù)處理

基于CARIS 軟件并采用無驗(yàn)潮模式對(duì)水電站多波束水深數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，由于多波束搭載于已出場(chǎng)檢定的無人船上，因此不需進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量求取系統(tǒng)的橫搖校準(zhǔn)值、縱搖校準(zhǔn)值、艏向校準(zhǔn)值。水深數(shù)據(jù)處理流程具體如下：

（1）新建船型文件并在船型文件中輸入多波束測(cè)深系統(tǒng)各傳感器的相對(duì)位置信息，然后利用船型文件新建工程文件。

（2）將XTF 格式的多波束測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入CARIS軟件，其中Ship Navigation 格式選擇含有GNSS 高程數(shù)據(jù)的Raw Navigation Records，其他導(dǎo)入設(shè)置與傳統(tǒng)驗(yàn)潮模式相同，之后將POS Pac 解算的含有無人船定位信息的SBET 數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入CARIS 軟件。

（3）進(jìn)行導(dǎo)航數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、航向數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查。

（4）在Sound Velocity Correction 模塊進(jìn)行聲速改正，基于Single Height 模式并結(jié)合POS Pac 計(jì)算的無人船GNSS 天線大地高程在Compute GPS Tide 模塊計(jì)算GPS 潮位數(shù)據(jù)。

（5）通過Merge 功能對(duì)水深數(shù)據(jù)、GPS 潮位數(shù)據(jù)、羅經(jīng)數(shù)據(jù)、無人船GNSS 天線三維坐標(biāo)及其與換能器的相對(duì)高度進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)條帶水深轉(zhuǎn)換計(jì)算，輸出壩前水底大地高程。

（6）基于TPU 值以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)與曲面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的距離，通過CUBE 算法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改正［7］，生成網(wǎng)格化水深地形曲面。

（7）根據(jù)網(wǎng)格模型對(duì)水深數(shù)據(jù)分子區(qū)進(jìn)行編輯，建立水下地形表面網(wǎng)格模型（見圖8），基于此模型導(dǎo)出0.1 m 格網(wǎng)間距的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖8 白沙河水電站壩前水下地形表面網(wǎng)格模型

2.5.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

白沙河水電站多波束測(cè)量數(shù)據(jù)成果主要為WGS－84 橢球下的平面坐標(biāo)系（高斯－克呂格投影，3°分帶，中央經(jīng)線111°00′00.00″E）、大地高程系統(tǒng)，而水電站設(shè)計(jì)圖紙及日常運(yùn)維均采用掛靠于BJ－54 橢球的白沙河獨(dú)立坐標(biāo)系（中央經(jīng)線109°33′02.325647″E、高程投影面450 m）、1956 年黃海高程基準(zhǔn)。為使多波束測(cè)量成果與水電站系統(tǒng)基準(zhǔn)保持一致，首先基于式（1）的布爾薩七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，以TN01、TN02、TN03、TN04 為公共點(diǎn)，通過最小二乘法平差計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)；再把TN05 作為檢核點(diǎn)，檢核點(diǎn)轉(zhuǎn)換殘差為毫米級(jí)；最后結(jié)合坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)和布爾薩七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型［8］，將多波束測(cè)量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為白沙河坐標(biāo)系。

式中：x2、y2、H2為白沙河坐標(biāo)；x1、y1、H1為多波束測(cè)量坐標(biāo)；Δx0、Δy0、ΔH0為平移參數(shù)；εx、εy、εH為旋轉(zhuǎn)參數(shù)；m為尺度比參數(shù)。

3 水電站多波束檢測(cè)成果分析

將白沙河水電站總布置圖中的防滲鋪蓋頂部平臺(tái)、發(fā)電進(jìn)水口、導(dǎo)流放空洞等水工建筑物與多波束掃測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，結(jié)果見圖9。

圖9 白沙河水電站水下建筑物分布

3.1 防滲鋪蓋頂部平臺(tái)

采集白沙河水電站壩前防滲鋪蓋頂部平臺(tái)邊界橫剖面點(diǎn)繪制其橫剖面圖，見圖10。分析可知，防滲鋪蓋頂部平臺(tái)不再保持水電站建立時(shí)的水平狀態(tài)，目前防滲鋪蓋頂部平臺(tái)呈現(xiàn)由下游向上游傾斜的狀況，即防滲鋪蓋頂部平臺(tái)靠近下游邊界高程均高于上游邊界高程。防滲鋪蓋頂部平臺(tái)的高程變化規(guī)律分為3 段：①沿壩軸線相對(duì)于左岸距離35.0 m 范圍內(nèi)，防滲鋪蓋頂部平臺(tái)高程平均值從左至右自379.956 m 遞減至377.426 m；②沿壩軸線相對(duì)于左岸距離105.0～128.5 m范圍內(nèi)，防滲鋪蓋頂部平臺(tái)高程平均值從右至左自378.864 m 遞減至377.523 m；③沿壩軸線相對(duì)于左岸距離35.0～105.0 m 范圍內(nèi)，防滲鋪蓋頂部平臺(tái)高程變化幅度較小、趨于一致，平均高程為377.427 m。

圖10 白沙河水電站壩前防滲鋪蓋頂部平臺(tái)邊界橫剖面

3.2 防滲鋪蓋底部

白沙河水電站壩前防滲鋪蓋底部橫剖面見圖11，防滲鋪蓋底部平均高程為359.232 m、最大高程為365.687 m、最小高程為356.908 m。通過比較水電站原布置圖中壩前防滲鋪蓋底部高程347.80 m，可知壩前最小淤積厚度為9.108 m、最大淤積厚度為17.887 m、平均淤積厚度為11.432 m。

圖11 白沙河水電站壩前防滲鋪蓋底部橫剖面

3.3 左、右岸山體及壩前深坑

水電站原布置圖中標(biāo)記壩前深坑底部高程為347.8 m的平坦區(qū)域，發(fā)電前左岸山體有多條穿插小路。本次多波束檢測(cè)成果顯示左、右岸山體清晰可見，但將檢測(cè)成果與原布置圖記錄的左、右岸山體及壩前深坑高程進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)左岸山體下側(cè)整體高程提高，分析原因是水庫淹沒導(dǎo)致山體上端不穩(wěn)固區(qū)域產(chǎn)生滑坡堆積至壩前深坑。防滲鋪蓋底部壩面高程361.0 m以下呈現(xiàn)出滑坡體（見圖12），覆蓋壩面左側(cè)約1／2 面積，壩前深坑淤積情況與防滲鋪蓋底部淤積情況保持一致。

圖12 壩前深坑滑坡體

3.4 發(fā)電進(jìn)水口

上游發(fā)電進(jìn)水口多波束檢測(cè)三維成果見圖13。圖13（a）為多波束檢測(cè)結(jié)果與水電站原布置圖疊加后的局部放大，其中綠色線為發(fā)電進(jìn)水口側(cè)平臺(tái)外立面原始上輪廓線、紅色線為水工建筑物其余輪廓線，圖13（b）為發(fā)電進(jìn)水口區(qū)域檢測(cè)三維模型，綜合對(duì)比可知發(fā)電進(jìn)水口側(cè)平臺(tái)邊緣沖蝕磨損嚴(yán)重。此外，進(jìn)水口底板塌陷成3 個(gè)區(qū)塊，其中：區(qū)塊1 平均高程為410.9 m（與水電站原布置圖一致），區(qū)塊2 平均高程為409.6 m（平均塌陷0.7 m），區(qū)塊3 平均高程為407.0 m（平均塌陷3.9 m）。

圖13 發(fā)電進(jìn)水口多波束檢測(cè)三維成果

3.5 導(dǎo)流放空洞

導(dǎo)流放空洞洞口橫剖面見圖14，與水電站原布置圖中導(dǎo)流放空洞洞口高程359.0 m 相比，白沙河水電站導(dǎo)流放空洞洞口存在0.6～1.6 m 厚度的淤積。

圖14 導(dǎo)流放空洞洞口橫剖面

4 結(jié) 語

華微6 號(hào)無人船外觀小巧、安裝方便、航行穩(wěn)定、速度快、續(xù)航能力強(qiáng)、不易擱淺，極其適用于地處非通航水域的水電站聲吶檢測(cè)工作。通過開展無人船聯(lián)合NORBIT 多波束測(cè)深系統(tǒng)在白沙河水電站水工建筑物檢測(cè)中的應(yīng)用研究，驗(yàn)證了無人船聯(lián)合NORBIT 多波束測(cè)深系統(tǒng)的可行性和可靠性，主要成果如下：

（1）對(duì)NORBIT 多波束測(cè)深系統(tǒng)采集的水電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理后，其結(jié)果能如實(shí)反映水工建筑物水下真實(shí)情況，水下微地形地貌清晰可辨，可為水工建筑物檢修設(shè)計(jì)與施工方案的完善、變更等提供依據(jù)。

（2）無人船聯(lián)合多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)水工建筑物塌陷錯(cuò)位、泥沙淤積、沖蝕磨損情況檢測(cè)效果較好。白沙河水電站發(fā)電進(jìn)水口底板、防滲鋪蓋頂部平臺(tái)產(chǎn)生一定程度的塌陷錯(cuò)位，防滲鋪蓋頂部平臺(tái)靠近下游邊界高程均高于上游邊界高程。防滲鋪蓋底部壩面高程361.0 m 以下呈現(xiàn)出滑坡體，水電站壩前深坑、導(dǎo)流放空洞洞口均存在不同程度的淤積。水電站發(fā)電進(jìn)水口側(cè)平臺(tái)邊緣沖蝕磨損明顯，檢測(cè)成果可以清晰判斷其沖刷磨損范圍及程度。