多波束定點實時沖刷監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用

李最森，章 琪，魏榮灝，張芝永，吳智敏

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020； 2.浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州 310020； 3.富陽區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 杭州 311400； 4.浙江樹人學(xué)院，浙江 杭州 310015)

隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，河口、海灣區(qū)域大型橋梁不斷涌現(xiàn)，迄今為止，我國已建成的5 km 以上橋梁約45 座（截至2020 年）[1]，約占世界總數(shù)的40%，主要分布在我國東部和東南沿海，是沿海交通生命線、經(jīng)濟(jì)大動脈的關(guān)鍵節(jié)點。在河口、海灣地區(qū)，跨海大橋所處的水域環(huán)境遠(yuǎn)比單向河流復(fù)雜，尤其是錢塘江、椒江、甌江、飛云江等強(qiáng)潮河口，為了保證橋梁的安全運(yùn)行，對橋墩局部沖刷過程的實時監(jiān)測顯得尤為重要。海塘是沿海地區(qū)防御風(fēng)暴潮災(zāi)害、保障經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人民群眾生命財產(chǎn)安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是防御風(fēng)暴潮災(zāi)害的第一道防線，我國已建成海塘約1.45 萬km。近年來極端天氣頻發(fā)，我國沿海臺風(fēng)暴潮呈多發(fā)、頻發(fā)、連發(fā)態(tài)勢，海塘安全風(fēng)險日益加劇。因此，塘腳沖刷過程的實時動態(tài)監(jiān)測也日益提上日程。

基于上述應(yīng)用場景，為保證涉水建筑物基礎(chǔ)在復(fù)雜水動力、地質(zhì)條件下和整個服役期內(nèi)的安全運(yùn)行，開展局部沖刷定點實時監(jiān)測技術(shù)研究，融合多波束測深、導(dǎo)航定位、姿態(tài)改正、數(shù)據(jù)無線傳輸、水下伺服云臺、數(shù)據(jù)處理及實時成圖等技術(shù)，達(dá)到在極端情況下也能夠?qū)崟r監(jiān)測局部沖刷演化過程，獲取現(xiàn)場時間序列全覆蓋水下地形數(shù)據(jù)的目的，以期為相關(guān)沖刷機(jī)理研究及防災(zāi)減災(zāi)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

近年來隨著信息化技術(shù)的進(jìn)步和智能化感知設(shè)備的發(fā)展，局部沖刷監(jiān)測技術(shù)發(fā)展極快，各有優(yōu)缺點。但在水下地形全覆蓋實時監(jiān)測領(lǐng)域仍然存在亟待解決的問題：一是缺乏連續(xù)、實時、適用于高含沙水流環(huán)境的局部沖刷動態(tài)監(jiān)測技術(shù)；二是缺乏擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的監(jiān)測系統(tǒng)。

1.1 點式?jīng)_刷監(jiān)測技術(shù)

點式?jīng)_刷監(jiān)測技術(shù)方法多樣、發(fā)展成熟，固定安裝于結(jié)構(gòu)物測量單點水下地形的沖淤變化。浮力驅(qū)動式、壓力水深式、電導(dǎo)率式、聲吶監(jiān)測裝置、光纖布拉格光柵（FBG）傳感器等[2-5]較為常用。如Briaud 等[6]開發(fā)了浮力式驅(qū)動監(jiān)測裝置，應(yīng)用于美國的Guadalupe River Bridge；壓力水深式監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于蘇通大橋、臺灣雙園大橋等[7-8]；2020 年，Maroni 等[9]首次將電導(dǎo)率式智能探頭應(yīng)用于新庫姆諾克（蘇格蘭西南部）的A76-200 號大橋上，獲取了近2 年的連續(xù)沖刷數(shù)據(jù)。張芝永等[10]則率先在金塘大橋采用基于聲吶的監(jiān)測裝置，監(jiān)測橋墩單點的沖刷變化，獲取了近5 年的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。單點式?jīng)_刷監(jiān)測技術(shù)發(fā)展成熟，但普遍局限于單點地形沖淤變化的測量，由于河床沖淤的隨機(jī)性，單點的地形沖刷規(guī)律與局部范圍可能不一致。

1.2 線式或面式監(jiān)測技術(shù)

多點布置單點式?jīng)_刷監(jiān)測裝置，可實現(xiàn)低分辨率的線式或面式?jīng)_刷監(jiān)測，但此方法工作量大、造價高，且必須依靠結(jié)構(gòu)物布置，難以覆蓋局部沖刷的對象區(qū)域。在實際工程中，常用方法仍然是利用超聲波測深技術(shù)[11-12]實現(xiàn)線式或面式水下局部地形沖刷的監(jiān)測。利用商用走航式單波束或多波束測深系統(tǒng)[13]對整個測量范圍進(jìn)行掃測[14]。限于設(shè)備運(yùn)行條件和人力物力，此種方法采集的數(shù)據(jù)后處理時間一般為1 個月，最短也需3～4 h，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，導(dǎo)致局部沖刷最深值[15-16]難以捕捉，影響局部沖刷規(guī)律的研究和涉水工程沖刷安全的精準(zhǔn)評估。但此類方法可得到分辨率達(dá)0.5 m 的較高精度局部沖刷地形圖，沖刷坑形態(tài)反演較好。因此，改進(jìn)或研發(fā)線式或面式的監(jiān)測技術(shù)，以實現(xiàn)一定范圍水下地形沖淤變化的實時監(jiān)測，成為目前局部沖刷監(jiān)測領(lǐng)域的研究熱點。

1.2.1 傳統(tǒng)走航式單波束測深技術(shù)（線式監(jiān)測技術(shù)） 單波束測深技術(shù)通過檢測換能器往海底發(fā)射的超聲波的雙程傳播時間，再結(jié)合聲速計算水深，結(jié)合潮位改正后可以得到相對于選定基面的水深或高程值。走航式單波束測深技術(shù)主要使用GNSS 設(shè)備進(jìn)行平面或三維定位和授時，利用聲吶進(jìn)行單點測深。測船通過走航可以獲取航跡線上多個測點的數(shù)據(jù)，從而獲取水深斷面數(shù)據(jù)，匯聚多條測線形成水下地形測圖。

1.2.2 走航式多波束測深技術(shù)（面式監(jiān)測技術(shù)） 單波束測深獲取單點的數(shù)據(jù)，采用等時或等距的方式記錄數(shù)據(jù)，導(dǎo)致可能缺失局部范圍最深或最淺點的信息，難以再精確插補(bǔ)；測船航行時受潮流、潮位等影響也會因偏航導(dǎo)致無法獲取對應(yīng)測線及測線之間的水深數(shù)據(jù)。為此，在20 世紀(jì)60 年代研發(fā)了多波束測深系統(tǒng)，通過條帶測量的方式由線成面實現(xiàn)了水下地形的全覆蓋測量?，F(xiàn)有的多波束測深系統(tǒng)基本由3 個子系統(tǒng)構(gòu)成：（1）多波束聲學(xué)子系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收換能器基陣和信號控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)發(fā)射和接收多波束信號，與外圍輔助設(shè)備系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)和指令的交互傳輸?shù)?；?）多波束外圍輔助設(shè)備子系統(tǒng)，主要包括導(dǎo)航定位系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)、表面聲速計和聲速剖面儀等，用于確定各波束腳印的位置及水深；（3）數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)，主要包括對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與后處理的軟、硬件系統(tǒng)。

多波束測深系統(tǒng)在河道、航道及海洋水下地形掃測，涉水建筑物水下沖淤、橋墩、風(fēng)電樁基礎(chǔ)沖刷監(jiān)測，水下管網(wǎng)檢測等方面發(fā)揮了重要作用，獲取了全覆蓋高精度的水下地形數(shù)據(jù)[14-19]。

2 多波束定點實時沖刷監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

多波束測深系統(tǒng)可獲取條帶水深數(shù)據(jù)，通過走航的方式實現(xiàn)面狀全覆蓋測量。但定點實時監(jiān)測要求監(jiān)測頻率較高，常規(guī)的走航作業(yè)無法滿足需求；采用固定安裝的聲吶探頭也僅能獲取條帶數(shù)據(jù)，無法較好反饋監(jiān)測區(qū)域的水下地形變化，因此本文研發(fā)了基于伺服云臺的定點實時監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文所述定點實時監(jiān)測系統(tǒng)主要由多波束測深子系統(tǒng)、伺服云臺、本地存儲及控制終端、無線傳輸、云端存儲等部分構(gòu)成，功能主要包含定位、姿態(tài)改正、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)處理和成果出圖等。關(guān)鍵構(gòu)成部分是多波束測深子系統(tǒng)改造及伺服云臺控制。根據(jù)大橋、海塘沖刷等不同工況定向開發(fā)測深系統(tǒng)功能，并根據(jù)常見實時監(jiān)測需求定制了伺服云臺，通過云臺旋轉(zhuǎn)帶動多波束測深系統(tǒng)實現(xiàn)面狀測量，結(jié)合非走航姿態(tài)改正技術(shù)，改進(jìn)了常規(guī)多波束測深系統(tǒng)固定安裝時僅能對某一固定剖面進(jìn)行觀測的不足，擴(kuò)大了設(shè)備的應(yīng)用場景。系統(tǒng)的具體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

多波束定點監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于多波束定點監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)定和測深數(shù)據(jù)處理。為準(zhǔn)確歸算多波束測深數(shù)據(jù)，伺服云臺系統(tǒng)與多波束測深系統(tǒng)集成后需要標(biāo)定，解算出多波束測深系統(tǒng)與伺服云臺系統(tǒng)的姿態(tài)相對關(guān)系。將多波束聲吶探頭與云臺及伺服系統(tǒng)進(jìn)行剛性連接，按照傳統(tǒng)多波束測深系統(tǒng)標(biāo)定的方式標(biāo)定，即選擇平坦的海底區(qū)域進(jìn)行往返測量求取橫搖參數(shù)，在具有特征的海底區(qū)域分別使用往返測量和同向測量求解縱搖和航偏角。同時，由于本系統(tǒng)具備時間同步功能，因此無需進(jìn)行時間延遲測量。伺服系統(tǒng)通過云臺帶動多波束聲吶探頭旋轉(zhuǎn)，為了提高系統(tǒng)觀測精度，分別對云臺旋轉(zhuǎn)0°、90°、180°和270°的橫搖、縱搖和航偏角進(jìn)行標(biāo)定。

如果定點監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于橋梁基礎(chǔ)沖刷監(jiān)測，則通常固定安裝于橋梁承臺附近，受橋面遮擋一般無法通過GNSS 系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，可以通過采用全站儀觀測的方式測量系統(tǒng)安裝位置，得到準(zhǔn)確的位置。多波束聲吶探頭通過云臺的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行測量。伺服云臺旋轉(zhuǎn)360°后，系統(tǒng)可以獲得以旋轉(zhuǎn)中心為圓心，測深條帶長度為直徑的圓形測區(qū)水下地形數(shù)據(jù)。圖2 為伺服云臺及水下地形掃描示意圖。

圖2 伺服云臺及水下地形掃描示意Fig.2 Schematic diagram of servo platform and underwater terrain scanning

實時定點監(jiān)測設(shè)備一般與觀測區(qū)域呈正交，即垂直于海底安裝，因此定義北方向為X軸，東方向為Y軸，Z軸垂直向下。觀測時云臺圍繞Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，則多波束測深系統(tǒng)觀測的數(shù)據(jù)疊加了云臺旋轉(zhuǎn)γ，采用歐拉角可表示為：

對于傾斜安裝的云臺，假定與X、Y和Z軸的角度分別為α、 β 和γ，則可采用歐拉角疊加了云臺姿態(tài)的多波束測深數(shù)據(jù)：

通過式（2）的改正，可以解決伺服云臺垂向安裝的問題，根據(jù)監(jiān)測工作的需要靈活選取所需的安裝傾角，實現(xiàn)對象區(qū)域的定點實時監(jiān)測。

對多波束定點監(jiān)測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，主要通過程序進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和人工后處理兩個步驟。定點監(jiān)測數(shù)據(jù)屬于時空連續(xù)監(jiān)測，其觀測區(qū)域和觀測間隔較為一致，可以根據(jù)觀測對象定義閾值進(jìn)行自動預(yù)處理。以橋梁橋墩局部沖刷觀測為例，橋墩水下結(jié)構(gòu)的觀測數(shù)據(jù)及跳點屬于典型的噪聲信號需要濾除。首先從初始觀測中提取出橋墩水下部分的數(shù)據(jù)，然后結(jié)合觀測誤差建立橋墩數(shù)據(jù)緩沖區(qū)間，對后續(xù)采集的橋墩信號進(jìn)行自動濾除。同時，對于時空序列的數(shù)據(jù)中孤立的局部觀測數(shù)據(jù)，如最淺點和最深點等進(jìn)行自動標(biāo)記。人工處理主要判別預(yù)處理的結(jié)果，對標(biāo)記的異常點進(jìn)行審核篩選，并檢驗核定是否存在其他異常數(shù)據(jù)。

2.3 工作流程

基于伺服云臺驅(qū)動的多波束實時定點監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的主要流程為：首先將多波束定點監(jiān)測設(shè)備與云臺進(jìn)行剛性連接，然后采用傳統(tǒng)多波束校準(zhǔn)的方法求取多波束定點監(jiān)測設(shè)備與云臺的初始安裝參數(shù)，如橫搖、縱搖和艏向等。進(jìn)而對云臺進(jìn)行初始化，從正北（定義為0°）開始旋轉(zhuǎn)云臺，將編碼器讀取的角度與姿態(tài)傳感器進(jìn)行融合，記錄多波束測深的位置、姿態(tài)、航向、水深和時間信息用于后續(xù)解算。

3 監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用及成果示例

3.1 監(jiān)測成果

為研究沖刷規(guī)律、監(jiān)測沖刷過程，選取某大橋的特征橋墩為例利用定點實時監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行觀測。根據(jù)橋墩局部沖刷觀測的既有成果選取沖刷深度富余量較小的目標(biāo)橋墩安裝多波束定點實時沖刷監(jiān)測系統(tǒng)?；诙嗖ㄊ鴾y深的數(shù)據(jù)量大，在本地存儲觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，利用改進(jìn)后的采集軟件對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行初步濾波，過濾跳點和明顯不符合實際規(guī)律的數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理和分析，從而獲取實時沖刷數(shù)據(jù)。初步清洗后的觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過各項改正后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的預(yù)警值進(jìn)行自動判別，對超限的數(shù)據(jù)依據(jù)相關(guān)基礎(chǔ)資料和有關(guān)理論，進(jìn)行準(zhǔn)確性評價，并基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時預(yù)報。

某橋墩的實時地形數(shù)據(jù)如圖3 所示，表征的是2 個不同時刻的水下地形渲染圖，這2 個時刻可以是系統(tǒng)采樣的時間間隔，也可以是時間序列數(shù)據(jù)中抽取的2 個典型水下地形變化的時刻。根據(jù)對比分析，可發(fā)現(xiàn)往復(fù)流作用下，水流流向與流速隨時間呈周期性變化，群樁基礎(chǔ)上下游均為沖深明顯區(qū)，迎流側(cè)、背流側(cè)、沖刷坑無明顯差異，沖刷形狀較為對稱。群樁中泥沙淤積形狀也趨于對稱。在水流往復(fù)作用下更多易起動的泥沙被帶起并隨著水流運(yùn)動，當(dāng)流速減緩，水流挾沙能力降低，泥沙更易落淤。因此群樁間形成了四周深、中間淺的沖刷坑，與單向流作用下迎流區(qū)有較大的泥沙淤積不同，往復(fù)流作用下沖刷坑外淤積幅度較小。

圖3 多波束定點實時監(jiān)測成果Fig.3 Real-time monitoring results by multi-beam sounding system at a fixed point

橋墩局部沖刷主要受阻流尺度影響外，還受潮流動力與泥沙特性的影響。目前國際上最為常用的橋墩沖刷公式為HEC-18 公式：

式中：hb為橋墩局部沖刷深度；hp為一般沖刷后水深；K1、K2和K3分別為墩形修正系數(shù)（圓柱為1.0）、水流攻角系數(shù)和河床條件修正系數(shù)；B為橋墩有效阻流尺度，群樁的B=K4Bt，其中Bt為橋墩群樁投影寬度，本示例取7.1 m，K4為樁距因子，K4=1?4/3(1?a/Bt)[(1?(a/L)?0.6]，其中a為樁徑，L為間距；Fr為傅汝德數(shù)，F(xiàn)r=v/(ghp)0.5，其中v為墩前行進(jìn)流速，g為重力加速度。以上公式中并未含泥沙特性的參數(shù)，而根據(jù)實測資料發(fā)現(xiàn)橋墩局部沖刷深度與潮流流速、泥沙起動流速具有較好的相關(guān)性。結(jié)合某大橋橋墩沖刷實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，擬合得到可用于預(yù)測往復(fù)潮流下黏性土橋墩局部沖刷計算式，該式計算結(jié)果與實測值誤差在20%以內(nèi)（見圖4），預(yù)測精度明顯高于HEC-18 公式。

圖4 各公式計算結(jié)果與實測值對比Fig.4 Comparison of calculated results with measured values by different formulas

式中：vc為泥沙起動流速。

3.2 精度驗證

為了驗證多波束定點實時監(jiān)測系統(tǒng)的精度，對監(jiān)測區(qū)域采用同步多波束走航測量獲取地形數(shù)據(jù)驗證定點實時監(jiān)測系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，比對結(jié)果表明1 mm 范圍內(nèi)高程校差在水深為[0, 0.1] m、(0.1, 0.2] m、(0.2,0.3] m 及大于0.3 m 時的點數(shù)（占比）分別為273 個（74.9%）、61 個（16.8%）、30 個（8.3%）及0 個（0%）。共比對檢驗364 個點，其差值≤0.3 m 為364 點，占總比對點數(shù)100%，定點監(jiān)測設(shè)備的測量精度符合水深測量規(guī)范的要求。

4 結(jié) 語

多波束測深系統(tǒng)作為一種高效的水下地形測量手段，已得到廣泛應(yīng)用，但由于傳統(tǒng)走航式測量無法在諸如洪水、臺風(fēng)暴潮等惡劣工況下實施，開發(fā)了一種定點實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過伺服云臺的旋轉(zhuǎn)帶動多波束聲吶探頭旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)局部區(qū)域水下地形的沖刷實時監(jiān)測，所構(gòu)建的基于多波束測深儀的定點實時監(jiān)測系統(tǒng)，能較好完成指定范圍的沖刷實時水下地形監(jiān)測工作，獲取的時間序列地形數(shù)據(jù)測量精度符合水深測量規(guī)范要求，且滿足沖刷監(jiān)測需要。

多波束定點實時監(jiān)測設(shè)備當(dāng)前需要固定場所如碼頭、橋墩等涉水建筑物才能安裝，作業(yè)要求較高，下一步可研究基于浮動平臺的監(jiān)測方案；同時，在數(shù)據(jù)智能濾波、快捷處理，精度評估和提升等方面深入研究，以便在更多應(yīng)用場景中實施水下地形變化過程定點實時監(jiān)測。