内河航道智能微型测量船的设计与应用研究＊

杨传华

（长江武汉航道局 武汉 430014）

0 引 言

长江是一条贯穿我国东西的世界级通航河流，同时也是沿江省市经济发展的重要支撑.通过各级的努力和多年来的快速发展，长江航道维护管理手段取得了显著的提高.目前，长江上已经研制并陆续建设了航标遥测遥控、水位遥测遥报、无线视频监控等多种与数字航道建设相关的系统.这些系统的建设对提高航道维护效率，保障船舶安全航行等发挥了巨大作用，但是在航道数字化、航道水深实时采集研究上，目前还是个空白.航道水深数据的采集还是依靠航道工作船或测量船完成，其主要工作方式是在测量船上装测深仪、GPS、计算机等设备，通过这些设备进行数据采集，然后人工出图.由于使用这些船舶油耗大，需要的工作人员多，使用成本高，航道水深更新率较低.在枯水维护中，船舶搁浅的情况时有发生，这些都对航道水深采集提出了更高的要求，如何快速获取航道水深、降低航道水深采集成本，是航道测量中亟需解决的问题［1－4］.

2009年以来，长江武汉航道局通过2次立项先后开展了《遥控水深探测器的研制》及《遥控测量船自动航行系统的研制》，成功研制出了用于航道水深测量的遥控测量船，船上安装有测量系统，能够实现远程手动遥控测量和按预定航线自动导航测量，2011年开始投入使用，取得了较好的效果，本文将简要介绍该船的设计原理及应用情况分析.

1 遥控测量船设计

1.1 遥控测量船功能设计［5－8］

遥控测量船的设计目标为枯水期重点浅水道的航道测量及大比例的航道工程测量，针对该目标，确定以下技术指标要求：（1）研制的遥控测量船静水航速在12km／h以上；（2）遥控距离在2 km以上，遥控操作方便，抗干扰性强，不受过往船舶及其他无线信号的影响；（3）测量船上装有自动导航系统，可以按设计航线进行测量，也可人工手动调节；（4）遥控测量船吃水小于0.5m，稳性等各项性能符合一般船舶通用要求；（5）遥控测量船上有保护测量仪器的装置，船舶倾覆后不会沉没，仪器不会遗失；（6）水深采集数据及视频监控数据可实时传输到远程控制端.

根据上述技术指标，综合设计了以下各技术方案.

利用船舶设计原理设计遥控测量船的船体，在设计船体的稳性、重量、容量、分舱等时，充分考虑遥控测量船的轻小性、吃水浅、抗风力等要求，设计的遥控测量船能够在航道浅区工作，同时也能抵御一定的风浪，保证船体的灵活性和稳性.

遥控测量船和控制站的数据通信上采用数传电台和GSM 2套通信系统，GPS和水深测量数据由遥控船上的电脑系统自动记录存储，同时为便于远程实时观测工作状态，将这些信息通过数传电台和GSM两路信号同步传输到远程控制站，以保证通信的可靠性，视频及船舶控制信号通过数传电台传输.

遥控测量船的自动导航采用的是GPS和惯导的组合导航技术，GPS是当前应用最为广泛的卫星导航定位系统，但是GPS应用还存在易受干扰、动态环境中可靠性差以及数据输出频率低等不足.惯导系统则是利用安装在载体上的惯性测量装置（如加速度计和陀螺仪等）敏感载体的运动，输出载体的姿态和位置信息.系统完全自主，保密性强，并且机动灵活，具备多功能参数输出，但是存在误差随时间迅速积累的问题，导航精度随时间而发散，不能长时间独立工作，必须不断加以校准.将GPS和惯导进行组合可以使两种导航系统取长补短，构成一个有机的整体，提高整个系统的精度和抗干扰能力.

在水深测量上，遥控测量船由于船体轻小，在测量过程中，船体的晃动幅度会很大，这样会影响水深的测量精度，因此在换能器的安装方式上采用单摆的方式，这样的安装方式保证换能器在测量的过程中始终维持垂直的状态，而不会随着船体的晃动而摇摆，此外，为避免出现假水深，采用特殊材料对底部进行局部封装，从而提高了测量的精度.

1.2 水深测量中的关键技术［9－10］

理论上，测量构建水下地形图就是从测量船上的相对坐标到大地坐标的转换.一个典型的水深测量系统中，测量船工作于被测量区域水面，其上的测深仪周期扫描水下地形.每一个反射波独立计算范围、方位角、高程，在实际应用时，需要确定大地、测量船、传感器三者间的坐标转换关系.测量过程中，测量船的坐标位置可以通过差分GPS精确定位，而各水下河床表面深度可由测深仪获取.为获取河床面的精确坐标信息，需要确定不同坐标系之间的变化关系.在理想的条件下，水深测量可表示为

式中：ps，pv，pw，分别为传感器、测量船和地球齐次坐标系中的坐标位置；S为传感器到测量船的坐标系变换矩阵；V为测量船坐标到地球坐标系的变换矩阵.

实际应用中，传感器、测量船、地球3种坐标系中的转换存在一定的误差，也就是说得到的是一近似关系

变化V，S具有6个自由度，因此，总共有12个变量待定.为此，将式（2）变形

将式（3）与式（6）比较，可得如下误差表达式

式中：I为单位矩阵.实际应用中，不同区域的坐标变化矩阵不完全相同.因此，需要事先确定多个参考点，根据其已知精确坐标位置和实际测量相对坐标位置，形成线性方程组即可确定变换矩阵.从而，在测量过程中通过式（6）、式（7）快速计算河床各点的全球坐标位置信息，及分析实际测量中误差范围.为测量船航速控制、转向控制提供依据.

2 测试及应用分析

遥控测量船于2009年开始研制，2011年初交付荆州航道处试用，期间经过了不断的改进、优化，遥控测量船性能逐渐完善，2011年11月还实现了自动导航功能.在使用优化过程中，荆州处工作人员逐渐掌握了该遥控船的各项性能，各项操作均能独立完成，并且能够判断排除一般的船舶故障.该船是国内目前唯一用于航道生产的遥控船，荆州航道处将其应用到航道水深补测、工程测量以及航道测量中，代替传统渔船租赁测量以及测量艇测量，发挥了重要作用.

2.1 系统测试

1）船舶综合性能测试 经测试，船舶静水航速12.5km／h，回转半径为9m，能抵御冬季6级风下使用两艘快艇制造的大浪，船舶有汽油机和电动机两套动力推进系统，可单独工作，也可以同时工作，可远程启动任意一种推进系统，自由切换，船舶单独使用汽油机工作，续航能力超过4 h，船舶航行中操作人员可以远程控制视频像头360°旋转，远程观察船舶周围情况，船舶综合性能达到设计要求.

2）遥控性能测试 将遥控船挂在趸船尾部，将测量队的测量船启动出航，在测量船上通过遥控器操作方向舵、观察电脑中视频及GPS、测深仪信号实时变化，测试过程中，也特意选择中间有遮挡的环境，以测试信号抗干扰情况及遥控距离，经测试，使用数传电台传输：过往行轮航行对遥控操作无明显影响，视频及遥控可工作距离均超过4km.GPS、测深仪在2.4km以内信号正常，2.4～4km之间有零星乱码出现，但仍能正常工作，4 km以上，乱码较多，不能正常工作；使用GSM传输，通信距离不受影响，但在个别信号盲区江段测试时，网络出现断线.

3）自动导航性能测试 通过地面站软件设定了8个目标点和HOME点，采用自动导航模式，遥控测量船依次到达8个目标点后，并返回HOME点.工作中手动和自动控制可以任意切换.测试画面见图1.

图1 测试画面（右图中略弯曲连续z字形线为遥控船航行轨迹，断面间距10m）

同时，测试中设计了断面间距只有10m的断面点，该船仍能够准确上线，精确测量.

4）测深精度测试 换能器采用单摆式安装，为了检验这种安装方法的效果，采用静态和动态两种方式对其检测，静态方式测试方法是在小船静止的情况下，分别测试换能器固定安装和单摆安装两种方式下水深值，利用测深板对其检测，将一块测深板放在遥控船换能器下方一定的深度，四周用人员固定，然后横向摇晃测量船，模拟遥控测量船测量时的摇晃状态，记录换能器在此种安装方式下的测得的水深值，并和已知的标准水深值比较.经测试，在单摆安装方式下遥控测量船摇晃时测得的水深数据与已知的标准水深值相同.常规测量与遥控船测量实测水深比较见图2.

图2 常规测量与遥控船测量实测水深比较（红色数字为遥控船测量，蓝色为常规测量，单位：m）

动态方式测试是选择一片水域，先用遥控船在上面测几个断面，然后，用测量队的测量船按遥控船的测量轨迹进行测量，最后比较两船测得的水深测图，看有无差异，经比测，两船测的水深图基本一致，说明船舶遥摆对测深精度无影响.

2.2 社会经济效益分析

遥控测量船的使用彻底改变了航道站以往的维护工作模式，使传统航道部门水深掌握能力得到了根本的提升，为今后更好的发挥经济及社会效益奠定了基础.其吃水浅，航速快，遥控距离远以及无人驾驶等综合优点，还可以广泛应用到一些危险地段，如：礁石、沉船、崩岸河段以及危险品船检测等，可以减少安全事故发生.

长江航道局计划在“十二五”期建成数字航道，电子航道图是各种应用的基础，该图需要及时更新，因此，需要对全局所有航道进行及时的航道测量，如果使用现有船舶进行测量，其维护成本将会很大，目前，武汉航道局一个航道处平均管辖42km，如果全局进行同时测量，一次耗用油费约10.7万元（42km长／0.2km一个断面×1.5km江宽＋84km往返垂直距离，得到399km的测量距离，按平均断面航速22km／h计算需要18h，一个处需油耗18×350＝6 300元，17个处一次需要10.7万元），全长江航道局2 687.6km航道测量一次需要40.3万元，如果用此船测量，一次，一个处需油耗18×30＝540元，17个处一次需要9 180元，全航道局2 687.6km航道测量一次需要3.5万元，全航道局测量一次节约油耗36.8万元，如果测量密度大，节约费用还要多，经济效益非常明显.

3 结束语

展望“十二五”，加快发展畅通、高效、平安、绿色内河航运，成为各级航运主管部门的重要工作目标.利用信息化、数字化技术手段，开展内河航道通航状态监控以及航道安全风险防范技术研究，对于加快数字航道建设、提升航道通航保障能力而言，意义重大.

通过航道遥控测量船的研发和自动导航的设计，探索了水上无人自动驾驶遥控测量的可行性，实际应用效果较为理想.后续研究中将进一步对该船进行改进和完善，如增大遥控距离、增加主动避碰功能、增加流速测量功能等，使其功能更强，更智能化.

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