自动化技术在航道测量中的应用

2022-08-03长江重庆航道工程局李启佳

数字技术与应用 2022年7期

长江重庆航道工程局李启佳

在我国水路运输事业不断发展的过程中，为了提高水路运输效率以及船舶航行安全性，必须做好航道设计工作，开展科学的航道测量作业。在航道测量过程中，自动化技术具有良好的应用效果，通过采用自动化技术能够全面提升航道测量效率与测量结果准确性，从而能够为后续的航道规划与设计提供科学的基础数据和资料支持。因此，本文将对自动化技术在航道测量中的运用方面进行深入地研究与分析，并提出一些合理的意见和措施，旨在进一步提高航道测量工作质量。

在现代科学技术高速发展的背景下，自动化技术在多个行业和领域中逐渐取得应用，且在很大程度上改变了生产模式。在航道测量工作中，依靠自动化技术的自身优势，能够形成全过程自动化测量模式，在航道定位、航道测深等工作中具有良好的应用效果，因此需要准确掌握航道测量中自动化技术的应用措施，以此推动我国航运事业快速发展。

1 航道测量的主要内容分析

航道测量是航运事业中的重要基础，是航道规划设计的前提，航道设计需要以准确的测量结果为依据，才能够提高航道规划设计科学性。在对航道进行测量的过程中，需要采用多项测量技术，将其应用在航道定位、航道测深等进行准确测量，其主要工作内容包括全部河床范围内的水下、水上地形物与地物和两岸范围内的地物标志测量、水流观测、地刺偏差测量、航行障碍物以及限航物的测量[1]。其主要内容如图1所示。

图1 航道测量主要内容Fig.1 Main contents of hydrographic survey

由此可见，航道测量所包括的内容较为复杂，包括水下、水上等影响船舶航行所有因素的测量，同时需要保证测量结果准确性，才能够为航道设计规划提供支持，提高航道设计科学性，是提高船舶航行效率以及安全性的重要基础工作。在测量工作中，需要采用相关的仪器设备，对水下、水上以及两岸的基础物体进行测量，根据相关规定要求，航道测量精准性基本标准包括：（1）重要地物点对于邻近图根点的点位中误差为图上±0.6mm，高程中误差±0.1m。（2）重点地区的点位中误差为图上±0.8mm，高程中误差为±0.2m。（3）一般地区中，点位中误差为图上±1.0mm，高程中误差为±0.2m～±0.4m。传统的测量技术在测量精准方面无法得到有效保障，通过采用自动化技术，能够有效提升航道测量工作质量。

2 自动化技术在航道测量中的应用优势分析

2.1 自动化技术的基本内涵

自动化技术是一门综合性的技术，与控制论、信息论、系统工程等多个方面都有着紧密的联系，其中控制理论和计算机技术对自动化技术的影响最为深刻。在机械工程行业之中，自动化技术就是指通过机械来完成复杂的生产活动，从而去除繁重枯燥的人工操作。自动化技术脱离了原本大量的劳动力资源，通过机械进行生产，能够节省大量的生产成本，且能够克服人工生产中的不稳定因素，从而提高机械工程行业的精准度和生产效率，同时减轻工作人员的劳动强度[2]。

随着现代信息技术的不断发展，我国航道测量工作迎来了全面的技术创新，自动化技术在航道测量工作中的应用，使得航道测量传统模式在很大程度上发生改变，自动化技术与航道测量的深度融合，能够全面提高测量工作效率，最为主要的是能够提高航道测量准确性。

2.2 自动化技术的应用优势分析

根据相关的应用实践证明，自动化技术在航道测量工作中的应用，具有如下几项优势：（1）提高航道测量技术分析效率。在航道测量过程中，数据分析和处理是一项重要工作，航道测量的运行控制模式需要建立在数据的基础上才能够保证整体准确性，但是传统的测量技术对于数据的处理准确性较差，而将航道测量与自动化技术相结合，能够提高数据收集、分析与处理效率，同时能够保证数据分析准确性，进而为航道测量工作提供支持。（2）优化测量模型构建工序。在传统的航道测量工作中，航道测量需要建立在测量模型基础上，根据所建立的模型完成相应的测量工作，但是模型构建需要花费大量的时间，且难度较高。通过应用自动化技术，可以将控制模型构建环节优化，从而节省更多的时间，必须要构建的控制模型，可以通过自动化技术进行数据收集与处理，从而能够自动生成航道测量模型，且以数据的方式能够提高自动化航道测量效率和准确性，使得航道测量工作能够实现全过程自动化，相比于传统的测量工作模式，自动化技术具有较高的应用灵活性。（3）提高航道测量管理效果。按照当前航道测量工作的实际情况来看，传统的测量模式在应用过程中依然具有较为分散的问题，尚未建立整体化、系统化、集成化的测量工作模式，各个环节采用不同的测量技术，在前期需要投入大量的资源，且不同的测量工序之间相互交错，会形成控制错误的问题，从而导致航道测量工作受到很大负面影响。将自动化技术应用在航道测量工作中，通过运行数据收集、分析等功能，能够建立全面化的航道测量自动化控制模式，将从而能够对航道测量工作进行整体性的控制、分析和与预测，能够在很大程度上提高航道测量管理效果[3]。

3 自动化技术在航道测量中的具体运用方式分析

通过上述的分析可以看出，航道测量是一项较为复杂的工作，对于测量技术以及管理方法要求较高，在自动化技术快速发展的背景下，航道测量技术不断创新，其中自动化技术具有直观应用优势，能够全面提升航道测量工作效率与质量，所以需要掌握航道测量自动化技术应用关键要点。因此本文结合广西壮族自治区来宾市柳江红花枢纽至石龙三江口Ⅱ级航道工程航道整治施工No.9标段中测量工程具体情况，对其自动化技术的具体应用进行深入分析。

3.1 自动化技术应用准备工作

在本次航道测量工程中，为了确保自动化技术能够发挥出其应用的效果，在技术准备方面，准备了充分的硬件设备以及配套软件，从而为自动化技术在航道测量中的应用奠定基础。准备工作主要包括内容如表1所示。

表1 航道测量准备工作主要内容Tab.1 Main contents of hydrographic survey preparation work

3.2 自动化技术在航道定位中的应用

为了高效开展本次航道定位测量工作，必须做好航道定位基础测量工作。航道定位技术不仅是指对河流水深点以及对应平面的位置测量，还包括对航道测量工程区域的地形点定位。

内河航道定位技术从最初的经纬仪测量坐标方法，逐渐发展到采用GPS进行定位的技术，通过采用GPS定位系统对航道进行定位，在该过程中需要应用自动化技术，其主要应用包括：

（1）DGPS为差分定位技术。差分定位技术是由基准站、流动站和数据链三部分组成，其工作模式如图2所示。这种定位技术以已知的三维坐标系作为基础，利用对位置的修正量监测，以及将修正量对GPS移动平台进行实时发送的方式，能够实现对航道的准确定位，不仅能够提高航道定位测量效率，同时能够有效保障航道测量结果准确性。

图2 差分定位系统的组成Fig.2 Composition of differential positioning system

图3 精密单点定位解算流程图Fig.3 Flow chart of precise single point positioning solution

（2）CORS运行参考站为固定且连续的工作参考站，该技术在应用过程中，通过对网络、计算机以及通信技术进行结合，能够根据航道测量的需求，为其自动化提供观测数值和观测数据[4]。

（3）在PPP单点精密定位技术的应用方面，在地面跟踪站全面建设的基础上，该项技术得以广泛应用，其技术原理为利用地面跟踪站，得到准确的卫星钟差和运行轨道，之后利用接收机所收集的数据进行定位，从而能够得到精密单点数据。与传统的GPS单点定位方式相比，精密单点定位技术借助不同的高精度GPS卫星来发挥作用，再配合不同的误差直接改正模型，且在具体分析不同模型和算法的基础上直接改进单点定位，最终使导航定位精度在最大程度上得以提升。并且通过利用自动化技术能够实现快速、准确地测量，能够有效降低航道定位测量成本，降低测量人员工作量。

3.3 自动化技术在航道测深中的应用

在我国航道深度测量工作中，所采用的测量技术主要经过三个不同发展阶段。

第一阶段为采用直接测深的方法，因为该技术较为落后，当前航道深度测量工作中已经很少应用。

第二阶段为采用声学探测技术，声学探测技术主要采用单波束或多波束技术，通过换能器在水中能够传递声波的特性，在声波传递过程中遇到障碍物时能够得到反射，换能器则能够接受声波信号，根据反射时间以及传播速度对航道深度进行测量。声学测深技术主要由激发器、电源设备、放大器、换能器和记录显示设备组成，如图4所示。其中激发器可产生脉冲振荡电流，可将信号发射给换能器使之产生超声波脉冲。放大器能将换能器接收到的微弱河底回波的声能信号进行放大处理。换能器实际上是由发射换能器和接收换能器两部分组成，发射换能器将电能转换为机械能，进而转换为声能，以声波信号形式发射；接收换能器是将河底回波的声能信号转化为电能信号的声电转换装置。记录显示设备用于水深的显示与记录。电源设备为测深系统的各个部件共给相应的电源。（水深，其中tt为通过换能器向海底发射声波，tr为返回后被换能器接收的信号，C(t)为声速在任意时刻的传播速度。）

图4 声学探测技术的组成Fig.4 Composition of acoustic detection technology

第三阶段为当前自动化技术的应用，主要是将光学技术与自动化技术相结合形成机载激光技术。机载激光技术要由激光发射器、接收设备、扫描器、POS系统和控制系统组成，有时也会搭载数字量测型相机、数字摄像机、高光谱相机等用于获取同步影像的数据，工作原理如图5所示。机载激光测深是基于海洋光学窗口，利用机载激光发射器和接收设备进行水深测量。机载激光技术将飞机作为激光发射平台，由激光发射器向海面发射两种不同波长的高功率、窄脉冲激光（近红外光和蓝绿光），通过接收两种反射光的时间差（近红外光被海面完全反射和散射，蓝绿激光则被海底反射），并结合蓝绿光的入射角和海水的折射率等因素进行综合计算，获得被测位置的水深值，最后将水深数据与机载定位数据，飞行器飞行姿态信息等综合处理，确定出待定坐标点的水深值。由于机载激光技术可以满足速度快、精度高、面积大、成本低等测深需求，能够有效解决传统系统的局限性，不会受到航行条件以及工作效率较差等因素的限制，已被广泛应用于海洋测绘中。

图5 机载激光技术工作原理Fig.5 How airborne laser technology works

3.4 自动化技术在航行障碍物测量中的应用

在本次航道测量工程中，为了保障船舶航行安全性，则需要探明水下存在的障碍物，如果没有明确障碍物的存在，船舶航行则会发生碰撞等危险事故。通过采用自动化技术，向水下发射声波和激光信号，信号在遭遇水下障碍物时，能够自动反射，返回的信号进入自动化分析系统，通过自动成图软件以及数据处理，对水下的障碍物形状、大小以及位置等进行准确描述，从而能够获取当前水下存在的障碍物具体信息，为航行安全性提供保障。在该技术应用过程中，信号处理、数据分析以及成图等都能够自动化实现，相比于传统的航行障碍物测量技术而言，不需要测量人员深入水下，而是能够全过程自动化完成，且利用自动化成图技术、数据处理技术等，能够更加准确地呈现出水下障碍物的具体情况，结果更加真实可靠，是自动化技术具有的直接优势，在航道测量工程中取得了良好的应用效果，实现航道测量工作与自动化技术的深度结合，全面促进航行障碍物测量工作质量，为航道规划设计提供数据基础[5]。

3.5 本次测量过程中的经验总结

在本次航道测量中，合理的选用多项自动化设备，通过自动化技术的应用确保了测量工作合理开展，提升了测量效果。结合本次测量工作的开展，总结了自动化技术在航道测量中的应用经验，具体包括以下几方面工作：

（1）自动化航道测量前应该做好自动化设备的检验检测，确保自动化设备为100%的工作状态，在检验检测过程中，针对测量的初始数据，设备电量情况、设备是否存在损坏、设备的网络状态进行检验，确保测量设备万无一失，才能够实现精准的测量。

（2）提前设计好测量方案，通过区域内的历史资料收集，测量资料收集完成测量方案的有效制定，按照测量方案开展测量工作，能够做到事半功倍，减少由于测量准备不足而造成的测量速度慢、测量误差问题。如在本次工程测量前，测量团队进行了3次测量考察工作，主要针对柳江航道的水流情况、水位情况、天气状况、航道基本情况以及航道内的通行情况进行了细致的分析，并且根据各种资料收集，建立了测量方案，初步选择了测量点，对测量方案进行优化后才开始测量工作。