无人船系统在富春江水库及其回水区的水文应用

江 波，樊稳州，孙 瑜，谢石建

（浙江省河海测绘院，浙江 杭州 310008）

1 问题的提出

无人驾驶船（Unmanned surface vehicles或Autonomous surface vehicles），简称无人船（USV或ASV），一般是以有动力的船体为平台，搭载通讯设备、控制设备和特殊功能设备，开展某项特殊工作。近年来，计算机应用技术、无线蜂窝通信技术和高离性能传感器技术等的技术突破，无人船的技术也随之日益发展与成熟，当前无人船的研究主要集中在军事领域，随着人类对环境的不断探索，无人船也逐渐用于科学研究或商业中。军事上，二战期间无人船用于扫雷等任务[2]。此外，无人船反潜、监视、搜索等方面作用显露出来，包括美国的“OwlMKII”[3]“斯巴达侦察兵”[4]、模块化三体无人快速侦察艇“X - 2”号[5]、以色列的“Stingary”号无人艇[6]。

在民用方面 ，2008年，国内新光公司研发的“天象1号”无人艇在奥帆赛期间作为气象应急装备提供气象保障服务[7]；河道、海洋测绘领域无人船也得到了成功应用，如麻省理工研制的“SCOUT”号可用于水声通讯中继任务[8]；英国普利茅斯大学研制的“Springer”号可用于环境侦查[9]；2014年，云州智能科技研制的“领航者”号配备北斗导航系统，实现全自动导航和海上作业[10]。

2 无人船系统原理

本次应用的无人船系统是以北京南风科创研发的USV - I1650型为母本的改良型号，经浙江省河海测绘院多次野外测试。单体船设计，采用含碳纤维材料、防弹布高强度玻璃钢材质，具有耐腐蚀、船体轻、耐碰撞等特点。该无人船系统由岸基控制子系统和遥控船体子系统组成（见图1和图2）。

图1 岸基操控子系统图

图2 遥控船体子系统图

岸基子系统分为笔记本电脑、通讯天线和操控台3部分，依托陆地对无人船进行命令发射、船体前行和信息接受，通过无线进行实时数据传输；船体子系统主要包括船体内部供电系统、信号传输系统、船体控制系统、运动推进系统、信息采集系统和视频监控系统。该无人船相关参数见表1。

表1 无人船系统参数表

3 无人船在水下测量的应用分析

本次利用无人船进行水下测量的范围主要涉及富春江水库及其回水区域，为保证测量的流量和水下地形数据具有典型性和比较性，选定6个相关河流的控制水文站附近断面为施测代表性断面，分别为分水江水文站、富春江坝下、浦阳江诸暨站、新安江坝下、寿昌江源口、兰江兰溪段（见图3）。施测期间无人船船速控制在0.0～ 1.5m/s，以选定的流量断面为控制面，上游和下游各100m河道范围为地形测量区域，以富春江坝下为例加以分析（见图4）。

图3 各河流施测断面位置图

图4 富春江坝下实测断面示意图

3.1 水下地形测量

通过信息采集平台换装单频测深仪系统，通过岸基系统无线连接后，启动测量软件，设置好坐标和投影参数。水下地形测量采用断面法施测，预先按技术要求做好断面计划线，断面间距布设为10m，共计20条。按设定好的测线间距进行测点定位，测深仪记录1次/ 2m，共计采集数据6000余组，有效数据5817组，有效率96.9%，完成对富春江坝下区域的水下地形覆盖（见图5）。在剔除明显错误的水深数据基础上，对缺测区域采用权重插值方法，获得该区域水深结果。

图5 无人船测量轨迹图

3.2 水流流速流量测量

确定好流速测量断面，对多普勒流速剖面仪相关参数设置完成后，通过岸基系统，对水流流速进行采集，1d进行4次走航实测，共采集富春江坝下流量断面处数据1096组，有效数据1021组，有效率达93.2%。其相关计算结果见图7。

图6 富春江坝下流量监测断面走航测量图（软件截图）

对6个流量监测断面数据进行统计分析，通过与断面周围控制水文站相近时段流量结果比较（见表2），除2个断面同时段流量缺失无法比较外，河道流量，就数值来看，假定以水文站流量为真实值，无人船测流与水文站测流两者差值绝对值都在10%以内，基本能保证无人船数据可信，稳定性高。差值产生原因除本身仪器误差外，还有一部分原因是两者断面并未完全重合，且无法保证真正意义上的同步测量。

表2 无人船测流与水文站测流对比表

4 结果分析

本次无人船水下测量，累计航行30h，总航行里程约24km，对6条河流共计120个水下地形断面及6个流量断面进行施测，共采集到有效地形水深数据18300余个，有效率94.5%；流量有效数据2970余组，有效率93.7%。对该无人船系统的可靠性和准确性进行分析，通过与相关水文站等比较，表明无人船数据可满足测量要求。其测量系统的自动化和智能化技术提升作业效率，且有效保障作业人员人身安全，具有良好的工程测量应用价值。但还存在一定问题，无人船存在一定的转弯半径，地形线施测断面间距较小时，船头调转后会在岸边留下一段盲区；且本无人船采用单波数测深仪，遇到水中有较大悬浮物会产生噪点数据，遇到水底有大面积水草的情形测量成果很难反映水底地形。但一定程度上填补了载人船在水下测量领域的空白区域，真正做到自动化、高精度、高效益的单人（或双人）工作模式，大大减少野外测绘工作量，提高工作效率和质量。因此，无人测量船必将得到更广泛地应用，具有良好的市场前景。

[1] 徐玉如，苏玉民，庞永杰.海洋空间智能无人运载器技术发展展望[J].中国舰船研究，2006(3)：1- 4.

[2]BERTRAM V.Unmanned surface vehicles - a survey[R].Copenhagen：Volker Bertram，2008.

[3]杨国才，赵文兵.一锤定音：洛克希德·马丁TJS STOVL动力方案胜在哪里[J].国际航空，2002(6)：24- 26.

[4] 柳晨光，初秀民，吴青，等.USV发展现状及展望[J].中国造船，2014(4)：194- 205.

[5] 西陆中国军事.美军幽灵无人艇X - 2号不再是传说[EB/OL].(2011-08-15). http :/ /www. xi lu .com/2011/0815/news_606_182418.html.

[6] 张树凯，刘正江.无人船艇的发展及展望 [J].航海技术，2016，38(9)：29- 36.

[7] Eickstedt D P，Benjamin M R，Schmidt H，et al.Adaptive control of heterogeneous marine sensor platforms in an autonomous sensor network[J].International Conference on Intelligent Robotsand Systems，2006：5514- 5521.

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[9] 孙东平.无人船控制系统设计与实现[D].青岛：中国海洋大学，2015.

[10] 黄国良，徐恒，熊波，等.内河无人航道测量船系统设计[J].水运工程，2016，511(1)：162- 168.