智能无人测量船在河道水下地形测量中的应用

2020-08-09胡翔志

工程技术研究 2020年13期

胡翔志

（山东省地质测绘院，山东济南 250002）

以往，水下地形测量工作主要是将探测仪和GNSS接收机固定在载人船上，然后到指定的位置进行水深等参数的测量工作，以获取更多的位置坐标信息。但是这种测量方式在实际的操作过程中，易受到外界环境的影响而出现测量误差，如风浪和人为操作的误差等。同时，传统水下地形测量的方法不仅精度不高，而且作业时间长、投入成本大且危险性比较大，所以对河道治理工作的长期发展有着许多的不利影响。此外，应用传统的水下地形测量方法在浅滩和浅水区进行测量时，对外界环境的要求比较高。而无人测量船系统中有效融合了信息化、智能化的技术，如GPS定位技术、无人测量船智能导航技术、自动避障技术、实时通信技术和声呐测深技术等，可以更好地避免外界因素的影响，在各种环境中都能稳定地开展水下地形测量工作。通常只需要在GNSS导航设备和测深仪中将所需的工作指令编辑好，就可以实现对各种类型水域的水下地形的稳定有效的测量，智能无人测量船技术在河道清理、测绘等方面发挥了十分重要的作用，也避免了人为测量的风险性，为工作人员提供了安全的工作条件。

1 无人测量船概述

在传统的测量工作中，载人船的体积相对较大，在水下地形测量的过程中受到吃水深度的影响，无法在岸边、浅滩等区域进行精准的测量，因此水下地形测量的范围受到了限制。传统测量载人船还需要皮划艇等船只的辅助才能进行一步进行测量，但是皮划艇等小型船只在测量时，一旦遇到湍急的水流和风浪等就会面临巨大的安全风险，无法顺利进行水下地形测量工作。而无人测量船在应用的过程中表现出了许多优势。在自动作业的过程中，无人测量船可以深入多种地形和水域甚至是危险区开展测量工作，如浅水域、水库、海湾等，应用十分广泛，且有效保障了测量工作人员的安全性。对于无人测量船系统来说，其主要是由遥控无人测量船子系统、岸基控制系统等组成，其中，遥控无人测量船子系统中主要包括了力系统、船上控制系统、陀螺仪及CCD摄像头等多种子系统，而岸基控制子系统发挥了十分重要的交互界面控制和无线传输的作用，可以接收和处理船体上的数据，也可以在自动控制的过程中进行多角度的测量。无人测量船工作原理结构示意图如图1所示。

图1 无人测量船工作原理结构示意图

2 无人测量船的特点

无人测量船是水下地形测量的一种测绘新方式，经过十几年的发展历程，加之信息技术手段、智能化探测技术手段的不断发展，无人测量船在技术方面已经有了极大的提升，航行和测量工作表现出了十分稳定的特性，且智能化水平越来越高。在实际的应用过程中将逐渐取代传统的载人船作业方式，得到越来越广泛的应用。

无人测量船的优势就在于安全可靠程度高、运行成本低，且因为其不载人，所以实际测量的工作中，可以有效避免人员伤亡等情况。而且无人测量船船体小、携带方便、灵活程度高，再加上其搭载了通信系统、高精度传感器，所以有效提升了整体系统的工作性，进而可以精准获取信息、高效传递及处理信息，同时，在避开杂物方面也更加智能化，能更加灵活地进行水下地形测量工作。

3 无人测量船在水下地形测量中的应用

3.1 测量实例

以某河道的实际测量工作为例，测量人员用无人测量船进行河道清污前后的水下地形测量，从而对清污工作进行部署。该河道的水下面积约4.85km2，在绘图过程中利用了Cass 9.1地形地籍成图软件。因为无人测量船在抗风浪性能上进行了提升，所以航行的平稳程度和吃水的情况都得到了改善，应用的过程中更为便利。

3.2 具体应用

（1）水下地形测量。在河道水下地形测量工作前，准备工作必不可少。工作人员需要提前做好定位时间、水下测量软件的调试、坐标系统的精确度等方面的校正工作，减少因为系统工作方面的问题而造成水下地形测量的误差。在GNSS设备连接好后就可以开启正式的测量工作，选择自动巡航模式，让无人测量船进入特定水域，进行测点和测深的工作。在该地区河道的水下地形测量中，需要融入智能控制技术，做好前期航线的设置工作，在整体工作中进行自动化的测量工作。具体工作中，河道的水下地形测量在6级以下风力中都可以进行，测量人员需要借助相关软件分析河段及湖面情况，科学设置断面的计划线，保证计划线垂直于水流方向。在无人测量船的工作过程中，船只需要保持直线及匀速运行的状态，在改变河道测线的过程中，做好精准的定位工作，减少摆动、浮动，做好转向和变速的工作。在此过程中，还需要控制水下地形测量工作中的风浪高度。如果风浪超过0.6m，探测仪的回声起伏数值比较大，就需要做好控制工作，减小在水下地形测量的过程中精度受到的影响。另外，在线测量的过程中还容易出现最浅点等侧漏的问题，因此需要针对可能出现的情况和问题进行精准的控制，在准备工作过程中做好精准化、针对性的预测，做好测量间距和测量位点的控制。针对上述无人测量船水下地形测量过程中的相关问题，就要求负责测量的技术人员充分重视内业整理工作，并全面准确地收集和整理探测设备测得的有关信号，进而获得测量地点的准确水深及三维坐标等数据。

（2）处理水下地形测量数据和绘图。在编辑、校正测量数据之后，还需要利用相关软件进行专业性的分析工作，在合理计算的基础上分析水位和地下地形地势，并做好资料的归纳整理。在分类编排测绘资料的过程中，可以对比分析清污前后的水下地形，结合无人测量船获取的信息做好图纸的构建工作，为后续工作的开展奠定坚实的基础，也便于形成科学化的技术对比报告。

（3）布置检查线和检查精准度。在无人测量船的工作过程中，需要在河道上构筑好所在位置的检查线，并与主测深线垂直，长度要超过主测深线，且检查线和主测深线交叉位置的高度差不能超过规定的标准值（0.2m）。在此过程中，需要按照相关水下地形测量规范标准来进行水下地形测量的精确度方面的控制，将误差控制在合理范围之内。这也是水下地形分析工作的关键所在，可以有效保证整个测量工作的有效性；同时，这也是无人测量船区别于传统人工测量工作的重要优势。

4 优化智能无人测量船应用效果的建议

为了提升无人测量船的智能化进程和运行效率，需要在工作过程中积极构建完善的运行管理机制，从制度上加强约束，保障可以利用智能无人测量船高效优质地完成水下地形测量工作，从而充分发挥智能无人测量船技术的优势及作用。

（1）应用智能无人测量船进行测量时，应充分重视优化和升级技术控制体系及运行效率，确保无人测量船的工作效果。特别要重视智能避障功能的优化，这样有利于增强智能无人测量船在复杂环境下的工作能力及工作效率，从而使得智能无人测量船技术更好发挥其测量效果。同时，在实际水下地形测量的应用过程中，智能无人测量船的视线会受到一定程度的影响，也会影响判断障碍物距离的效果，成为后续工作过程中的重大安全隐患。在此过程中，探测元件的应用尤其重要，可以降低在实际工作过程中船体与障碍物的碰撞概率。

（2）在水下地形测量工作中应充分重视优化岸基系统，使岸基系统的控制单元和智能无人测量船的信息交流单元实现快速有效的连接，对整个测量工作过程进行有效管理和整合，提升基础工作水平，促使河道断面数据信息实现更加及时、完整、系统的传递。同时，利用通信系统把得到的相关数据快速有效传回数据控制中心，并分析和记录传输过程中的问题，促使无人船测量工作取得预期的效果。

（3）如果是手动模式，应重点关注视频传输模块的优化，利用设备上装有的摄像头来及时有效地采集及分析所需的信息，同时利用超声波实现对障碍物的自动避让，并准确判断船体到障碍物的实际距离。