智能無人測(cè)量船在岷江龍溪口航電工程中的應(yīng)用

閆小平 李鴻賓 韓喜明 劉寶榮 楊生福

（四川江源工程咨詢有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

四川省內(nèi)有嘉陵江、岷江等大江大河，水運(yùn)資源豐富，近年來內(nèi)河水運(yùn)建設(shè)得到大力發(fā)展，岷江犍為、龍溪口等梯級(jí)航電樞紐正在全力推進(jìn)建設(shè)。岷江龍溪口航電工程地處岷江中游段，山區(qū)河道水流湍急，河面寬窄不一，水位和流量變化幅度大，洪枯流量相差懸殊，其水文測(cè)量難度較大，且要求快速和精準(zhǔn)。傳統(tǒng)的測(cè)量主要依靠手持儀器或固定儀器在機(jī)動(dòng)船上測(cè)量，而由于機(jī)動(dòng)船是人為操作，船只不能按照預(yù)設(shè)的航線準(zhǔn)確測(cè)量，且人員勞動(dòng)力高，操作要求高，不能全天候測(cè)流，同時(shí)，傳統(tǒng)的ADCP 測(cè)流載體存在效率低、淺灘難測(cè)、場(chǎng)景適應(yīng)性差、汛期測(cè)流危險(xiǎn)系數(shù)大等眾多痛點(diǎn)問題。因此，傳統(tǒng)人工測(cè)量方式在作業(yè)效率、安全性及工作范圍，以及數(shù)字化應(yīng)用等方面已無法滿足現(xiàn)代水運(yùn)建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展的需求。

智能無人測(cè)量船的出現(xiàn)，為山區(qū)河流測(cè)量提供了全新的技術(shù)手段，該技術(shù)擁有高效、安全、便攜、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，無人船搭載定位和聲吶設(shè)備進(jìn)行水下地形測(cè)量已在眾多場(chǎng)景、項(xiàng)目中得到應(yīng)用。本文將對(duì)其在岷江龍溪口航電樞紐建設(shè)工程中的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行介紹。

1 智能無人測(cè)量船系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)組成

目前市面上主流的無人測(cè)量船系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成。其中，控制系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)處理及顯示平臺(tái)、航行平臺(tái)、無線通信系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)；測(cè)量系統(tǒng)主要包括：全球定位系統(tǒng)GNSS、測(cè)深系統(tǒng)、陀螺儀及船上控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、姿態(tài)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等多種子系統(tǒng)組成[1]，如圖1所示。

圖1 無人測(cè)量船系統(tǒng)組成圖

1.2 測(cè)量原理

無人船測(cè)深系統(tǒng)工作原理如圖2 所示，由圖2 可知：待求點(diǎn)河堤三維坐標(biāo)為（X,Y，H），船上GPS 接收機(jī)可測(cè)得精確坐標(biāo)（x,y,h），可量得接收機(jī)至水面的高度h1，可量得測(cè)深儀換能器離水深h2，換能器至待求點(diǎn)河底距離可通過換能器發(fā)射和接收到波束回波的時(shí)間間隔t與聲波在水體中的傳播速度V計(jì)算，即h3=l/2tV，則可計(jì)算出待求點(diǎn)高程為：H=h-h1-D[2]。

圖2 工作原理示意圖

2 智能無人測(cè)量船在龍溪口航電樞紐中的應(yīng)用

2.1 工程概況

岷江（樂山~宜賓）河段為四川省重大件運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ?，岷江龍溪口航電樞紐工程位于岷江下游樂山市犍為縣境內(nèi)，是岷江樂山至宜賓航電梯級(jí)開發(fā)的第4級(jí)。在建設(shè)期間，確保航道基本不斷航且通航安全，是龍溪口航電工程建設(shè)的首要任務(wù)。為確保任務(wù)實(shí)現(xiàn)，首先需及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量出龍溪口航電樞紐工程區(qū)水面礙航障礙物及水下地形。為確保該任務(wù)高質(zhì)量、按期完成，開展施工期通航1∶1000 地形圖測(cè)繪工作，按業(yè)主劃定的測(cè)繪范圍（樞紐工程上下游共3.5km 的河段，其中樞紐壩軸線上游河道1.5km，下游河道2km，河道兩側(cè)延伸至高程不低于310.00m 處）進(jìn)行測(cè)繪，測(cè)繪任務(wù)包括控制測(cè)量及陸地和水下帶狀地形測(cè)量。

本次測(cè)量采用上海華測(cè)華微4號(hào)無人測(cè)量船，并搭載M9多普勒流速流向儀。

2.2 測(cè)區(qū)分析和測(cè)前準(zhǔn)備

2.2.1 測(cè)區(qū)分析

測(cè)區(qū)水深變化大，河岸大面積區(qū)域?yàn)闇\灘，水深不足20cm，但局部水深可近10m；龍溪口樞紐區(qū)較為狹窄，水深20 余m，水流湍急；樞紐區(qū)上游河段外延彎曲支汊多，測(cè)量死角較多。

2.2.2 測(cè)量準(zhǔn)備

（1）開展測(cè)區(qū)控制點(diǎn)的校準(zhǔn)及結(jié)果驗(yàn)證。根據(jù)測(cè)區(qū)范圍收集測(cè)區(qū)氣象資料和已有測(cè)量成果，在現(xiàn)場(chǎng)踏勘確定無人測(cè)量船下水路徑和RTK 基站架設(shè)場(chǎng)地；根據(jù)測(cè)區(qū)范圍、測(cè)量比例尺、現(xiàn)場(chǎng)礙航情況、水流速流向情況等，確定作業(yè)船的航行參數(shù)及測(cè)量參數(shù)，擬定航行路線；設(shè)備安裝調(diào)試，布置測(cè)線及自動(dòng)導(dǎo)航任務(wù)點(diǎn)的規(guī)劃。

（2）測(cè)量前的注意和確認(rèn)事項(xiàng)：①遙控器、電腦、無人船電池是否充電；②準(zhǔn)備當(dāng)?shù)氐淖鴺?biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)；③軟件和無人船主控注冊(cè)碼是否過期，機(jī)載設(shè)備是否開機(jī)運(yùn)行；④差分方式選擇電臺(tái)模式（準(zhǔn)備RTK 基站）還是CORS模式（準(zhǔn)備賬號(hào)）；⑤測(cè)區(qū)的底圖或已規(guī)劃好的航線；⑥檢查無人船及配件是否齊全，外觀是否正常。

2.3 無人測(cè)量船作業(yè)要點(diǎn)

2.3.1 基站RTK架設(shè)和無人船下水

根據(jù)踏勘確定的場(chǎng)地架設(shè)RTK基站及確定好的下水路徑實(shí)施無人測(cè)量船下水。下水前，船需經(jīng)以下檢查合格后方能下水。

（1）測(cè)區(qū)概況，流速不大于3.5m/s，淺灘范圍，漂浮物情況等；

（2）動(dòng)力是否正常；

（3）天線是否安裝妥當(dāng)，通訊是否正常；

（4）軟件是否注冊(cè)；

（5）軟件是否報(bào)錯(cuò)；

（6）軟件是否接入正確數(shù)據(jù)；

（7）遙控器，無人船等設(shè)備電量是否充足；

（8）坐標(biāo)是否正確；

（9）無人船的位置信息、船頭當(dāng)前指向、船體姿態(tài)（俯仰、橫滾）與無人船實(shí)際指向與姿態(tài)是否一致。

2.3.2 航行和數(shù)據(jù)采集

（1）航行要求。①調(diào)查船盡量保持勻速、直線航行（圖3）；②更換測(cè)線時(shí)，要盡量緩慢轉(zhuǎn)彎；③實(shí)際航線與計(jì)劃測(cè)線的偏離不大于測(cè)線間距的25%；④測(cè)量過程中測(cè)船前后左右擺動(dòng)不宜過大，當(dāng)風(fēng)浪引起測(cè)深儀記錄上回聲線波形起伏值較大時(shí)、波浪超過 0.6m 時(shí)暫停測(cè)深作業(yè)[3]。

圖3 航線規(guī)劃

（2）數(shù)據(jù)采集。通過船體控制軟件采用自動(dòng)模式使無人船自主航行至測(cè)區(qū)，按照布設(shè)好的測(cè)線進(jìn)行水深數(shù)據(jù)采集，如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)

2.4 水深數(shù)據(jù)處理

采用華測(cè)自主開發(fā)的HydroSurvey7 水深處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（圖5）。對(duì)所有測(cè)線記錄水深數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)，剔除水深粗差點(diǎn)，對(duì)波浪部分進(jìn)行平滑處理。

圖5 水深數(shù)據(jù)處理

2.5 質(zhì)量檢查

將處理過后的主測(cè)深線和檢查線測(cè)量成果進(jìn)行就近點(diǎn)重合比對(duì)高程，如表1 所示。結(jié)果表明：無人測(cè)量船水下地形測(cè)量精度滿足《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》要求。

表1 測(cè)深檢查線與主測(cè)深線相交點(diǎn)比對(duì)結(jié)果

3 無人船測(cè)量的優(yōu)勢(shì)與不足

3.1 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

通過本項(xiàng)目實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)無人測(cè)量船相對(duì)于常規(guī)水上測(cè)量方式有著以下幾方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

（1）無須人員上船，測(cè)量人員安全性系數(shù)顯著提高。

（2）吃水最淺僅10cm，相較常規(guī)測(cè)量方式，山區(qū)河流水域基本可實(shí)現(xiàn)全覆蓋。

（3）能夠搭載多種水上測(cè)量儀器及其它設(shè)備，稍加改裝可以用于其他方面，做到一平臺(tái)多用途。

（4）規(guī)劃航線后，智能化測(cè)量，測(cè)量效率高，所測(cè)數(shù)據(jù)成圖整齊美觀。

（5）無人測(cè)量船嚴(yán)格按照規(guī)劃航線行駛，測(cè)量精度高。

（6）使用成本低。

（7）無噪音、無污染。

（8）操作簡便，攜帶方便。

3.2 存在的不足

（1）無人測(cè)量船在大斷面測(cè)流時(shí)，對(duì)航線內(nèi)的障礙物發(fā)生擦掛，避障能力需要加強(qiáng)。

（2）在水流流速大于3m/s情況下，續(xù)航能力不足。

（3）自主航行和手動(dòng)遙控距離偏短。

（4）電池續(xù)航能力有待加強(qiáng)。

（5）抗纏繞物能力不強(qiáng)。

4 結(jié)束語

通過智能無人測(cè)量船在龍溪口工程項(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)踐可知，智能無人測(cè)量船相比傳統(tǒng)測(cè)量方式具有高效、安全、便攜、運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)采用無人測(cè)量船測(cè)量方式可以獲取更多類型的測(cè)繪成果，該技術(shù)及產(chǎn)品在庫區(qū)測(cè)量、湖泊測(cè)量以及適宜流速下的山區(qū)河道測(cè)量有著較高的應(yīng)用價(jià)值。無人測(cè)量船系統(tǒng)的出現(xiàn)，為航運(yùn)建設(shè)提供了全新的作業(yè)手段，對(duì)夯實(shí)水利高質(zhì)量發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用，在工程建設(shè)信息化和智能化要求越來越高的當(dāng)下，其應(yīng)用前景廣闊。