無人船測(cè)量系統(tǒng)在水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

周夢(mèng)瑤 戴鳳君 張美玲

(江蘇省水文水資源勘測(cè)局鎮(zhèn)江分局，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

在當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)大發(fā)展、人類活動(dòng)加劇導(dǎo)致全球氣候巨變的大環(huán)境下，水災(zāi)呈現(xiàn)出突發(fā)、頻發(fā)的特點(diǎn)，嚴(yán)重危害人民身心與財(cái)產(chǎn)安全[1]。汛情的應(yīng)急反應(yīng)能力決定著防汛決策的制定以及成效，提高應(yīng)急監(jiān)測(cè)能力是當(dāng)前水文工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。我國(guó)內(nèi)陸河流分布多而廣，易發(fā)水災(zāi)。江蘇省復(fù)雜的水系條件，使防汛抗旱工作難度系數(shù)直線上升。當(dāng)前水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)仍多采用纜道流速儀法或由纜繩拖拽搭載有聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP)的人工船對(duì)流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)效率低且在極端天氣條件下容易造成安全事故，影響水文應(yīng)急能力的提升，由此急需構(gòu)建并優(yōu)化出一套適用于應(yīng)急情況的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

近十年來，無人系統(tǒng)的研發(fā)及其在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用呈幾何級(jí)數(shù)的趨勢(shì)增長(zhǎng)[2]，形成了一批包括無人機(jī)、無人船、水下無人潛航器在內(nèi)的新型無人系統(tǒng)[3，4]。本研究采用的無人船測(cè)量系統(tǒng)以無人船為載體，可搭載水位測(cè)量?jī)x、流速儀、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀等多種水文監(jiān)測(cè)儀器，同時(shí)監(jiān)測(cè)多種水文要素[5]。由于其集成化程度高，面對(duì)復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境，無人船測(cè)量系統(tǒng)能夠克服多種監(jiān)測(cè)難題，適用性較傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式大大提升，為洪澇災(zāi)害地區(qū)的應(yīng)急決策與降低財(cái)產(chǎn)損失提供了極大助力。

本研究以水文測(cè)驗(yàn)無人船為載具平臺(tái)，搭載測(cè)流設(shè)備構(gòu)建無人船測(cè)量系統(tǒng)，并將該測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用于河道水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中。該系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)效率高、不擾動(dòng)流場(chǎng)、適用環(huán)境廣、操作易上手、測(cè)速范圍大等特點(diǎn)，有效提高了在應(yīng)急情況下的水文監(jiān)測(cè)能力。

1 無人船水文測(cè)量系統(tǒng)原理

無人船測(cè)量系統(tǒng)以無人船為載體，配備4G通信網(wǎng)絡(luò)、高清攝像頭，在定位定向板卡上搭載測(cè)深儀以及ADCP等測(cè)量設(shè)備，對(duì)測(cè)驗(yàn)區(qū)域的流速、位置、水深等參數(shù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的采集，適用于山區(qū)河流、內(nèi)河湖泊、水庫(kù)、城市中小型河流等[6](見圖1)。無人船測(cè)量系統(tǒng)中的流量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與獲取主要由ADCP完成，其利用多普勒頻移原理，在測(cè)流斷面上布設(shè)多條測(cè)速垂線，通過測(cè)量每條垂線多點(diǎn)水深處的流速得到各垂線平均流速，再結(jié)合斷面數(shù)據(jù)輸出流量數(shù)據(jù)，完美地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)流的局限性，其中ADCP應(yīng)用廣泛，能夠提供高精度、全范圍、多要素的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在河流水文監(jiān)測(cè)、水文研究，以及水域經(jīng)濟(jì)建設(shè)等方面都具有重要意義。

圖1 無人船測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

無人船測(cè)量系統(tǒng)依托CORS-RTK作業(yè)模式進(jìn)行導(dǎo)航與定位，得到的位置數(shù)據(jù)精度能達(dá)到5cm，高程數(shù)據(jù)精度能達(dá)到10cm。在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)連接衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)備點(diǎn)位的固定解算前，用戶設(shè)備通過GSM向控制中心發(fā)送一個(gè)概略坐標(biāo)，控制中心通過計(jì)算機(jī)為用戶擇優(yōu)選取一個(gè)固定基準(zhǔn)站，并將高精度的差分信號(hào)發(fā)給移動(dòng)站，本研究中通過GNSS連接江蘇省CORS站(JS CORS)實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)備點(diǎn)位的固定解算，并通過位置信息實(shí)現(xiàn)無人船測(cè)量過程中的自動(dòng)導(dǎo)航[7](見圖2)。

圖2 無人船測(cè)量示意圖

本研究使用專為水文現(xiàn)代化開發(fā)的新一代“華微4號(hào)”自動(dòng)水文測(cè)驗(yàn)無人船(見圖3)，結(jié)合北斗高精度全球定位系統(tǒng)與無人船自動(dòng)控制技術(shù)，適配市面主流走航型ADCP。該型號(hào)船長(zhǎng)1.2m，重13kg，裝載超速馬達(dá)，最大船速7m/s。搭配毫米波避障雷達(dá)，攝像頭參照岸邊距進(jìn)行判斷，保證測(cè)驗(yàn)的安全以及精準(zhǔn)性。具備自動(dòng)航行、自適應(yīng)水流直線技術(shù)與懸停技術(shù)，保證斷面直線走航，助力水文測(cè)流全自動(dòng)化(見表1)。搭配瑞江1200kHz ADCP，構(gòu)建出本文所用的無人船水文測(cè)量系統(tǒng)。

表1 “華微4號(hào)”無人船主要技術(shù)參數(shù)

圖3 “華微4號(hào)”無人船

2 無人船水文測(cè)量系統(tǒng)工作流程

使用無人船測(cè)量系統(tǒng)對(duì)流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)的流程(見圖4)，首先要完成計(jì)劃的全面準(zhǔn)備以及測(cè)點(diǎn)的勘察工作，選取視野開闊、環(huán)境安全的區(qū)域開展流量監(jiān)測(cè)。然后進(jìn)行設(shè)備的安裝與調(diào)試工作，準(zhǔn)備就緒后開始航線的規(guī)劃并開始無人船的試航行。一切流程正常無誤后，開始無人船測(cè)量系統(tǒng)的正式作業(yè)，進(jìn)行水文數(shù)據(jù)采集，得到處理后的數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)的正確性與合理性，需要對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查與修正，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)，需要再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，直至數(shù)據(jù)合格，完成測(cè)量。

圖4 無人船測(cè)量系統(tǒng)作業(yè)流程

為進(jìn)行無法滿足傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)條件斷面的測(cè)流，江蘇省水文水資源勘測(cè)為各個(gè)分局配備了無人船，構(gòu)建了搭載多種ADCP的測(cè)流系統(tǒng)，解決了這些斷面的測(cè)流問題，為在暴雨等極端條件下的流量應(yīng)急監(jiān)測(cè)做出了貢獻(xiàn)。

3 無人船測(cè)量系統(tǒng)在鎮(zhèn)江水文中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 主要應(yīng)用測(cè)區(qū)

無人船水文測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)在江蘇省水文水資源勘測(cè)局鎮(zhèn)江分局得到應(yīng)用，并完成了測(cè)量精度分析。本研究測(cè)區(qū)位于京杭大運(yùn)河蘇南段入長(zhǎng)江口1.3km處的諫壁閘水文站，其屬于國(guó)家重要水文站、一類精度站及中央報(bào)汛站，也是大運(yùn)河蘇南段入江口門控制站，控制大運(yùn)河進(jìn)出水量，歷史最高水位為1996年8月1日的8.64m。諫壁閘水文站監(jiān)測(cè)要素主要為水位、流量、降水、水質(zhì)，各要素已實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。該段水面情況較好，水質(zhì)清澈，適合無人船作業(yè)。

江蘇省水文水資源勘測(cè)局鎮(zhèn)江分局使用的華微4號(hào)無人船搭載瑞智型ADCP(見表2)，可在15min內(nèi)完成諫壁閘水文站的斷面測(cè)流，解決了水文測(cè)驗(yàn)要求在同一流量級(jí)下的難點(diǎn)問題，測(cè)量過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：?在測(cè)流過程中，無人船應(yīng)盡量保證勻速行駛且行駛速度小于水流速；?測(cè)量范圍盡量選取在兩岸的ADCP盲區(qū)水深處，以提高測(cè)流數(shù)據(jù)的精度；?一個(gè)測(cè)次的施測(cè)為左岸→右岸、右岸→左岸2個(gè)來回，實(shí)測(cè)流量值為所測(cè)斷面流量的平均值，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄；?在測(cè)量過程中當(dāng)無人船在北斗定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)導(dǎo)航下到達(dá)實(shí)測(cè)斷面左岸預(yù)設(shè)點(diǎn)時(shí)，無人船保持懸停，此時(shí)ADCP開始設(shè)置相應(yīng)的左岸邊參數(shù)，隨后控制無人船向右岸勻速行駛進(jìn)行第一個(gè)測(cè)回的測(cè)量，到達(dá)右岸預(yù)設(shè)點(diǎn)保持懸停，此時(shí)ADCP開始設(shè)置相應(yīng)的右岸邊參數(shù)，并開始第二個(gè)測(cè)回的測(cè)量，到達(dá)左岸后保持懸停，至此該測(cè)次結(jié)束操作[6]。

表2 設(shè)備情況

3.2 監(jiān)測(cè)精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2023年6月17日是鎮(zhèn)江入梅之日，本研究選取6月18—20日暴雨情況下諫壁閘水文站緊急排水時(shí)的測(cè)流數(shù)據(jù)，流量數(shù)據(jù)以排水為負(fù)，以引水為正。在大暴雨情況下，大運(yùn)河水位急促上漲，緊急將大運(yùn)河的水量排至長(zhǎng)江，以緩解內(nèi)河排澇壓力，因此本次測(cè)驗(yàn)的流量數(shù)據(jù)均為負(fù)值。該測(cè)驗(yàn)點(diǎn)的河段寬度約109m，水面開闊，水質(zhì)較好，無明顯水面漂浮物。為了排除數(shù)據(jù)的偶然性，分別進(jìn)行20次流速儀人工測(cè)流與無人船測(cè)流并進(jìn)行誤差分析(見圖5)。

圖5 勘測(cè)區(qū)衛(wèi)星圖

測(cè)驗(yàn)流程：檢查船體儀器連接正常無誤后將無人船下水，隨即手動(dòng)操控?zé)o人船開至監(jiān)測(cè)斷面中央；讓無人船在無操作情況下順流漂3s獲取水流方向，然后將無人船開到岸邊預(yù)設(shè)點(diǎn)處懸停，在ADCP測(cè)流軟件中配置相關(guān)的河道斷面信息后解除懸停，操控電腦端或遙控器控制無人船按照航線行駛，同時(shí)進(jìn)行ADCP數(shù)據(jù)采集，行駛至對(duì)岸預(yù)設(shè)點(diǎn)無人船自動(dòng)懸停，此時(shí)ADCP軟件停止測(cè)驗(yàn)，依次開始下一個(gè)測(cè)次(見圖6)。

圖6 無人船測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試場(chǎng)景

3.3 測(cè)量結(jié)果與精度分析

本研究共選取20個(gè)流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由表3無人船測(cè)流與流速儀測(cè)流數(shù)據(jù)對(duì)比可知，無人船搭載ADCP測(cè)流系統(tǒng)與水文站流速儀所測(cè)的流量數(shù)據(jù)誤差值在±5m3/s之間，20個(gè)測(cè)次的誤差率均在±5%之間，誤差率均值為-0.15%。由于此次測(cè)流數(shù)據(jù)為極端天氣下的監(jiān)測(cè)值，且諫壁閘水文站的斷面寬度較大，根據(jù)比較，無人船測(cè)流系統(tǒng)和流速儀測(cè)流數(shù)據(jù)誤差范圍較小，說明無人船搭載ADCP測(cè)流系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度較高，適用于日常流量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)(見表3)。

表3 諫壁閘水文站無人船測(cè)流與流速儀測(cè)流數(shù)據(jù)對(duì)比

4 優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.1 優(yōu)點(diǎn)分析

a.安全系數(shù)高。采用遠(yuǎn)程遙控操作的方式可以使操作人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域。

b.測(cè)量效率高。無人船測(cè)量系統(tǒng)集成化程度高，節(jié)約設(shè)備間的連接時(shí)間；作業(yè)所需時(shí)間短，航向穩(wěn)定且準(zhǔn)確，避免重復(fù)測(cè)量，節(jié)省人力。

c.測(cè)量精度高。無人船自帶絕對(duì)直線技術(shù)、自適應(yīng)流速技術(shù)、自動(dòng)懸停技術(shù)，可以保證航線的穩(wěn)定性，從而確保數(shù)據(jù)的高精度。

d.測(cè)量范圍廣。采用遙控的方式能夠?qū)Υ笮退蜻M(jìn)行監(jiān)測(cè)，且由于無人船的吃水深度只有10cm，能實(shí)現(xiàn)從岸邊到中央的全水域測(cè)量。

e.環(huán)境兼容性強(qiáng)。無人船搭載的ADCP無須像傳統(tǒng)流速儀那樣必須垂直于斷面，無人船可以以斜線或者曲線的航跡測(cè)得斷面流量數(shù)據(jù)。

4.2 缺點(diǎn)分析

a.對(duì)信號(hào)強(qiáng)弱依賴性高。無人船測(cè)量系統(tǒng)需要借助GNSS實(shí)現(xiàn)平面的定位，對(duì)于周邊遮擋嚴(yán)重、無GNSS信號(hào)的水域，無人船測(cè)量系統(tǒng)具有劣勢(shì)。

b.動(dòng)力模塊保護(hù)措施需要進(jìn)一步加強(qiáng)。運(yùn)行過程中，馬達(dá)若是被纏繞住，需要人員進(jìn)入水域進(jìn)行救援；在水草多的區(qū)域，馬達(dá)會(huì)受到阻塞，航行測(cè)量效率受到影響。

5 結(jié) 語

本文以無人船測(cè)量系統(tǒng)在江蘇省水文水資源勘測(cè)局鎮(zhèn)江分局的應(yīng)用為背景，介紹了無人船測(cè)量系統(tǒng)的工作原理與流程。以“華微4號(hào)”無人船為載體，搭載瑞智型ADCP構(gòu)建無人船測(cè)量系統(tǒng)。通過對(duì)京杭大運(yùn)河局部區(qū)域進(jìn)行斷面流量測(cè)驗(yàn)并與流速儀纜道測(cè)流方法進(jìn)行比對(duì)，無人船搭載ADCP測(cè)流系統(tǒng)和水文站流速儀所測(cè)的流量數(shù)據(jù)差值在±5m3/s以內(nèi)，20個(gè)測(cè)次的誤差率均在±5%之內(nèi)，誤差率均值為-0.15%，誤差范圍符合使用要求。

無人船測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際使用情況表明其具有安全性強(qiáng)、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、效率高、測(cè)量范圍廣、使用方式多樣的優(yōu)點(diǎn)，為水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)提供了一種功能強(qiáng)、更高效、更廣泛的測(cè)驗(yàn)手段。該系統(tǒng)在使用中展現(xiàn)出了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，且隨著技術(shù)的進(jìn)步與5G時(shí)代的賦能，其將在未來的水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)發(fā)展中發(fā)揮主導(dǎo)作用。