無人船測量系統(tǒng)在水文應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用研究

摘要：主要探究無人船測量系統(tǒng)在水文應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用，助力提高水文監(jiān)測效率與準確度，優(yōu)化水域管理水平，減少水文災(zāi)害。簡要闡述了無人船測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理和優(yōu)勢。以某流域為例，提出優(yōu)化監(jiān)測節(jié)點、合理路徑規(guī)劃、水文參數(shù)監(jiān)測措施，并對其監(jiān)測效果加以驗證，明確通信丟包率0.22%～2.13%[A2] ，上位機丟包率0.08%～0.53%，監(jiān)測精度滿足要求，以期為相關(guān)工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：無人船 測量系統(tǒng) 水文應(yīng)急監(jiān)測 水體采樣

Application Research of Unmanned Ship Measurement System in Hydrological Emergency Monitoring

ZOU Yujie" DING Peng" CHEN Xingyu" "WANG Bo

China Power Construction Group Guiyang Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Guiyang， Guizhou Province， 550081 China

Abstract： This article mainly explores the application of unmanned ship measurement system in hydrological emergency monitoring， which helps to improve the efficiency and accuracy of hydrological monitoring， optimize water management levels， and reduce hydrological disasters. The structure， principles， and advantages of the unmanned ship measurement system were briefly explained. Taking a certain watershed as an example， optimization of monitoring nodes， reasonable path planning， and hydrological parameter monitoring measures were proposed， and their monitoring effects were verified. It was clarified that the communication packet loss rate was 0.22-2.13%， and the upper computer packet loss rate is 0.08%～0.53%. The monitoring accuracy met the requirements， in order to provide reference for relevant workers.

Key Words： Unmanned ships; Measurement system; Hydrological emergency monitoring; Water sampling

在傳感器、通信、人工智能等技術(shù)發(fā)展下，加上政策支持，使無人化獨立完成識別水面目標、感知周圍環(huán)境、避開障礙物的無人船應(yīng)運而生，與普通船艇相比，具有不需要船員、適應(yīng)性強、體積小、功能模塊集成等優(yōu)點，將其用于內(nèi)河水文監(jiān)測中，能夠精確、實施獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)。諸多學者在水文監(jiān)測中研究無人船應(yīng)用措施，王魏堃等人[1]考慮洪水、河流斷面監(jiān)測安全隱患較多，研究傷害華測導(dǎo)航股份有限公司華微4號無人船，簡要闡述智能無人船設(shè)計思路、技術(shù)原理等，解決了數(shù)據(jù)連接兼容、內(nèi)置定向板卡外接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)難題，并以大壩及其岸邊區(qū)域水上水下環(huán)境測量為例，明確其可有效測量水下地形數(shù)據(jù)。丁海山等人[2]提出了無人船搭載聲學測流設(shè)備方法，以上海奉賢區(qū)金匯港南閘為例，根據(jù)要求在2種不同排水工況下開展測驗，表明無人船走航測量精度較高，滿足項目要求?；谏鲜鰧W者的研究成果，本文采取案例分析法，探究實際項目中無人船測量系統(tǒng)應(yīng)用措施，以搭載響應(yīng)傳感器的方式，提高監(jiān)測質(zhì)量。

1 無人船測量系統(tǒng)的應(yīng)用

1.1 項目簡介

以某流域為例，全長248 km，集水面積10 463 m2，主要河道徑流來源是自然降水，水資源持續(xù)利用與非汛期降水減少導(dǎo)致水量不斷降低，部分時期甚至零流量，汛期到來流量則迅速增加。由于該河流水文變化較快，采取無人船測量系統(tǒng)監(jiān)測流量、水位、水質(zhì)、深度等，實現(xiàn)自動化在線監(jiān)測。

1.2 優(yōu)化監(jiān)測節(jié)點

在以往水文監(jiān)測中，按照一定距離間隔，網(wǎng)格化采集水域參數(shù)，存在監(jiān)測點代表性不足情況，需要對其科學規(guī)劃，舍棄低價值、冗余節(jié)點。以動態(tài)貼近度法，能夠獲得不同監(jiān)測節(jié)點、多個時間段監(jiān)測因子貼近度，充分考慮空間分布、時間氣候影響節(jié)點情況?？紤]無人船監(jiān)測中，節(jié)點選取還要考慮相對關(guān)系，加長巡航距離、減少監(jiān)測成本，將遺傳算法與動態(tài)貼近度法相結(jié)合，將各節(jié)點路徑編碼為個體，進而組成種群[3]。設(shè)定節(jié)點變異、交叉規(guī)則，按照子路徑成功度，對種群篩選演化，獲得最佳路徑組合。之后，以貼近度分類法，準確劃分M組節(jié)點，以描述問題，即從每組中選擇代表成員1個，將M個成員組合，構(gòu)成1個集合，進而解決集合中旅行商問題（Travelling salesman problem，TSP）。設(shè)計以遺傳算法解決巡航距離問題，確定最佳監(jiān)測節(jié)點，具體步驟如下：（1）監(jiān)測節(jié)點實數(shù)編碼，對種群隨機初始化，保證每組節(jié)點種群均覆蓋M節(jié)點；（2）觀察節(jié)點種群是否滿足動態(tài)貼近度分類要求；（3）以適應(yīng)度函數(shù)作為節(jié)點種群全部節(jié)點最短路徑；（4）各節(jié)點種群對應(yīng)最短路徑，以輪盤賭方式，選擇優(yōu)良節(jié)點；（5）種群節(jié)點出現(xiàn)變異、交叉，或不滿足條件或重復(fù)節(jié)點，以部分映射方式將其替換。引入逆轉(zhuǎn)優(yōu)化方式，對1組種群不同監(jiān)測點對調(diào)順序，保留良好適應(yīng)度個體；（6）不斷循環(huán)，滿足預(yù)設(shè)要求，獲得最佳監(jiān)測距離與最優(yōu)節(jié)點組合。

該項目對監(jiān)測點循環(huán)迭代優(yōu)化后，能夠避免以往中心監(jiān)測多、其余監(jiān)測少的問題，準確反映水質(zhì)分布，如圖1所示。

1.3合理路徑規(guī)劃

在水文監(jiān)測中，繪制電子水域信息由面、線、點等圖形構(gòu)成，采取二值化法構(gòu)建環(huán)境模型，簡化特征物標，選取航行路徑提取、處理物標信息[4]。障礙物信息包括礁石、島嶼、陸地等，1單位地形圖寬度相當于實際100 m寬度。無人船測量系統(tǒng)需要按照一定路徑航行，利用障礙物與目標點構(gòu)建人工勢場，引導(dǎo)隨機數(shù)搜索，確定每個節(jié)點增長量受斥力場、引力場合力影響，便于搜索中直接避開障礙物，精準規(guī)劃路徑。節(jié)點向量疊加表達式如[A4] 下。

式（1）中：為新節(jié)點；是步長；為隨機采樣點；為距離最近節(jié)點；為復(fù)合勢場施加的合力。碰撞檢測中，以黑色代表障礙物，判斷、之間障礙物情況，于二者之間均勻選擇測試點，均處于障礙物空間外，表明節(jié)點有效，相反則無效。隨機樹生長與障礙物相距較近，以斥力決定勢場分量方向，減小隨機數(shù)面向障礙物的步長。而隨機樹與障礙物相距較遠，降低斥力影響，由引力確定勢場分量方向，進而增加隨機樹面向目標點步長。之后，設(shè)定可變化采樣概率，考慮目標點為采樣點概率P值不變，面對狹窄環(huán)境與接近障礙時，將出現(xiàn)諸多冗余節(jié)點，對規(guī)劃時間造成影響。因此，改變采樣點概率P值，采樣點無效，則P=0，促使隨機數(shù)不斷擴展，增加擴展次數(shù)n，P值隨之增大，繼續(xù)以目標點為主規(guī)劃。P值變化公式如下。

式（2）中：為平衡系數(shù)；為最大隨機數(shù)采樣次數(shù)，接近，k=P。路徑規(guī)劃時間1.22 s，路徑長度11.8 m，規(guī)劃成功率100%，如圖2所示。

1.4水文參數(shù)監(jiān)測

1.4.1目標區(qū)域巡航

根據(jù)目標水域要求，利用地面無人船平臺登錄監(jiān)測系統(tǒng)，構(gòu)建水域地圖信息，標記任務(wù)目標區(qū)，進而保存地圖內(nèi)容，完成區(qū)域設(shè)定[5]。之后，打開水域地圖，編輯無人船測量系統(tǒng)任務(wù)，調(diào)用衛(wèi)星圖選擇優(yōu)化監(jiān)測點，設(shè)定規(guī)劃路徑、任務(wù)點等（采樣任務(wù)與監(jiān)測任務(wù)可設(shè)計相同任務(wù)點），保存后即可運行任務(wù)。開始運行任務(wù)，點擊開始鍵，使無人船能夠自主前往任務(wù)點，其具有聲波避障功能，配合規(guī)劃路徑，能夠躲避水域障礙物。最后，以無人船測量系統(tǒng)，將傳感天線采集的數(shù)據(jù)傳輸至控制平臺，按照任務(wù)日期儲存數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)查找、調(diào)用效率，也可直接將其以Excel表格方式導(dǎo)出。

1.4.2水體采樣監(jiān)測

針對水體湖泊應(yīng)急監(jiān)測水體指標，搭載各類傳感器，準確監(jiān)測[A5] pH值、溫度、溶解氧、葉綠素a、電導(dǎo)率、水深等數(shù)據(jù)?？紤]水質(zhì)監(jiān)測中，總磷與總氮監(jiān)測傳感器成本較高，資金有限，利用無人船將水樣采集后，送入實驗室檢測。并且，在無人船測量過程中，搭載15個采樣瓶，采樣后及時取出水樣，對其進行清洗，便于后續(xù)開展采樣工作，監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

2 無人船測量系統(tǒng)的應(yīng)用效果

無人船測量系統(tǒng)監(jiān)測水文各項參數(shù)后，需要利用NB-IoT與電信基站相配合，將監(jiān)測數(shù)據(jù)打包，通過串口發(fā)送至云數(shù)據(jù)庫，便于用戶利用以太網(wǎng)對無人船測量數(shù)據(jù)隨時訪問，遠程展示數(shù)據(jù)信息。該項目中，無人船在岸邊1側(cè)下水，橫穿水域至岸另一側(cè)返回，往復(fù)運動，每秒上報數(shù)據(jù)1次，持續(xù)開展10 min實驗，每天在不同天氣、時段監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如表2所示。根據(jù)對比可知，天氣影響通信質(zhì)量較為嚴重，不同階段丟包率不同，主要是用戶訪問網(wǎng)絡(luò)數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)負載、占用信道情況不同，流量越大、數(shù)據(jù)越容易漏報。

3 結(jié)語

綜上所述，在社會發(fā)展下，人類活動造成氣候巨變，頻發(fā)水災(zāi)對人民財產(chǎn)、生命安全造成影響，必須提高應(yīng)急反應(yīng)能力，制訂應(yīng)急方案。而水文應(yīng)急監(jiān)測作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)結(jié)合實際情況，合理應(yīng)用無人船測量系統(tǒng)，實時監(jiān)測水體采樣、水域深度、堤壩異常等數(shù)據(jù)，有效克服以往監(jiān)測難題，提高監(jiān)測質(zhì)量，為水災(zāi)應(yīng)急提供助力。

參考文獻

[1]王魏堃，戴詩奇.新型智能無人船在水文災(zāi)害風險預(yù)測中的研究與應(yīng)用[J].治淮，2024（5）：30-32.

[2]丁海山，江豐標，朱睿，等.無人船在金匯港南閘流量率定中的應(yīng)用[J].港口科技，2024（5）：27-32.

[3]周夢瑤，戴鳳君，張美玲.無人船測量系統(tǒng)在水文應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用[J].中國水能及電氣化，2023（12）：48-52.

[4]潘利業(yè)，李淼，馬毅鵬.新型智能無人船在提升水資源監(jiān)測、河湖監(jiān)管水平方面的應(yīng)用[J].水利發(fā)展研究，2022，22（7）：19-23.

[5]周紹陽，陳健健，蔣建平.無人船系統(tǒng)在淮安四線船閘工程流量測驗中的應(yīng)用[J].水利水電快報，2023，44（9）：15-19.