楊傳華

（長(zhǎng)江武漢航道局 武漢 430014）

0 引 言

長(zhǎng)江是一條貫穿我國(guó)東西的世界級(jí)通航河流，同時(shí)也是沿江省市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐.通過(guò)各級(jí)的努力和多年來(lái)的快速發(fā)展，長(zhǎng)江航道維護(hù)管理手段取得了顯著的提高.目前，長(zhǎng)江上已經(jīng)研制并陸續(xù)建設(shè)了航標(biāo)遙測(cè)遙控、水位遙測(cè)遙報(bào)、無(wú)線視頻監(jiān)控等多種與數(shù)字航道建設(shè)相關(guān)的系統(tǒng).這些系統(tǒng)的建設(shè)對(duì)提高航道維護(hù)效率，保障船舶安全航行等發(fā)揮了巨大作用，但是在航道數(shù)字化、航道水深實(shí)時(shí)采集研究上，目前還是個(gè)空白.航道水深數(shù)據(jù)的采集還是依靠航道工作船或測(cè)量船完成，其主要工作方式是在測(cè)量船上裝測(cè)深儀、GPS、計(jì)算機(jī)等設(shè)備，通過(guò)這些設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后人工出圖.由于使用這些船舶油耗大，需要的工作人員多，使用成本高，航道水深更新率較低.在枯水維護(hù)中，船舶擱淺的情況時(shí)有發(fā)生，這些都對(duì)航道水深采集提出了更高的要求，如何快速獲取航道水深、降低航道水深采集成本，是航道測(cè)量中亟需解決的問(wèn)題［1－4］.

2009年以來(lái)，長(zhǎng)江武漢航道局通過(guò)2次立項(xiàng)先后開(kāi)展了《遙控水深探測(cè)器的研制》及《遙控測(cè)量船自動(dòng)航行系統(tǒng)的研制》，成功研制出了用于航道水深測(cè)量的遙控測(cè)量船，船上安裝有測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)遙控測(cè)量和按預(yù)定航線自動(dòng)導(dǎo)航測(cè)量，2011年開(kāi)始投入使用，取得了較好的效果，本文將簡(jiǎn)要介紹該船的設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用情況分析.

1 遙控測(cè)量船設(shè)計(jì)

1.1 遙控測(cè)量船功能設(shè)計(jì)［5－8］

遙控測(cè)量船的設(shè)計(jì)目標(biāo)為枯水期重點(diǎn)淺水道的航道測(cè)量及大比例的航道工程測(cè)量，針對(duì)該目標(biāo)，確定以下技術(shù)指標(biāo)要求：（1）研制的遙控測(cè)量船靜水航速在12km／h以上；（2）遙控距離在2 km以上，遙控操作方便，抗干擾性強(qiáng)，不受過(guò)往船舶及其他無(wú)線信號(hào)的影響；（3）測(cè)量船上裝有自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，可以按設(shè)計(jì)航線進(jìn)行測(cè)量，也可人工手動(dòng)調(diào)節(jié)；（4）遙控測(cè)量船吃水小于0.5m，穩(wěn)性等各項(xiàng)性能符合一般船舶通用要求；（5）遙控測(cè)量船上有保護(hù)測(cè)量?jī)x器的裝置，船舶傾覆后不會(huì)沉沒(méi)，儀器不會(huì)遺失；（6）水深采集數(shù)據(jù)及視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制端.

根據(jù)上述技術(shù)指標(biāo)，綜合設(shè)計(jì)了以下各技術(shù)方案.

利用船舶設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)遙控測(cè)量船的船體，在設(shè)計(jì)船體的穩(wěn)性、重量、容量、分艙等時(shí)，充分考慮遙控測(cè)量船的輕小性、吃水淺、抗風(fēng)力等要求，設(shè)計(jì)的遙控測(cè)量船能夠在航道淺區(qū)工作，同時(shí)也能抵御一定的風(fēng)浪，保證船體的靈活性和穩(wěn)性.

遙控測(cè)量船和控制站的數(shù)據(jù)通信上采用數(shù)傳電臺(tái)和GSM 2套通信系統(tǒng)，GPS和水深測(cè)量數(shù)據(jù)由遙控船上的電腦系統(tǒng)自動(dòng)記錄存儲(chǔ)，同時(shí)為便于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀測(cè)工作狀態(tài)，將這些信息通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)和GSM兩路信號(hào)同步傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制站，以保證通信的可靠性，視頻及船舶控制信號(hào)通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)傳輸.

遙控測(cè)量船的自動(dòng)導(dǎo)航采用的是GPS和慣導(dǎo)的組合導(dǎo)航技術(shù)，GPS是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，但是GPS應(yīng)用還存在易受干擾、動(dòng)態(tài)環(huán)境中可靠性差以及數(shù)據(jù)輸出頻率低等不足.慣導(dǎo)系統(tǒng)則是利用安裝在載體上的慣性測(cè)量裝置（如加速度計(jì)和陀螺儀等）敏感載體的運(yùn)動(dòng)，輸出載體的姿態(tài)和位置信息.系統(tǒng)完全自主，保密性強(qiáng)，并且機(jī)動(dòng)靈活，具備多功能參數(shù)輸出，但是存在誤差隨時(shí)間迅速積累的問(wèn)題，導(dǎo)航精度隨時(shí)間而發(fā)散，不能長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)立工作，必須不斷加以校準(zhǔn).將GPS和慣導(dǎo)進(jìn)行組合可以使兩種導(dǎo)航系統(tǒng)取長(zhǎng)補(bǔ)短，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，提高整個(gè)系統(tǒng)的精度和抗干擾能力.

在水深測(cè)量上，遙控測(cè)量船由于船體輕小，在測(cè)量過(guò)程中，船體的晃動(dòng)幅度會(huì)很大，這樣會(huì)影響水深的測(cè)量精度，因此在換能器的安裝方式上采用單擺的方式，這樣的安裝方式保證換能器在測(cè)量的過(guò)程中始終維持垂直的狀態(tài)，而不會(huì)隨著船體的晃動(dòng)而搖擺，此外，為避免出現(xiàn)假水深，采用特殊材料對(duì)底部進(jìn)行局部封裝，從而提高了測(cè)量的精度.

1.2 水深測(cè)量中的關(guān)鍵技術(shù)［9－10］

理論上，測(cè)量構(gòu)建水下地形圖就是從測(cè)量船上的相對(duì)坐標(biāo)到大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換.一個(gè)典型的水深測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)量船工作于被測(cè)量區(qū)域水面，其上的測(cè)深儀周期掃描水下地形.每一個(gè)反射波獨(dú)立計(jì)算范圍、方位角、高程，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要確定大地、測(cè)量船、傳感器三者間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系.測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量船的坐標(biāo)位置可以通過(guò)差分GPS精確定位，而各水下河床表面深度可由測(cè)深儀獲取.為獲取河床面的精確坐標(biāo)信息，需要確定不同坐標(biāo)系之間的變化關(guān)系.在理想的條件下，水深測(cè)量可表示為

式中：ps，pv，pw，分別為傳感器、測(cè)量船和地球齊次坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置；S為傳感器到測(cè)量船的坐標(biāo)系變換矩陣；V為測(cè)量船坐標(biāo)到地球坐標(biāo)系的變換矩陣.

實(shí)際應(yīng)用中，傳感器、測(cè)量船、地球3種坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)換存在一定的誤差，也就是說(shuō)得到的是一近似關(guān)系

變化V，S具有6個(gè)自由度，因此，總共有12個(gè)變量待定.為此，將式（2）變形

將式（3）與式（6）比較，可得如下誤差表達(dá)式

式中：I為單位矩陣.實(shí)際應(yīng)用中，不同區(qū)域的坐標(biāo)變化矩陣不完全相同.因此，需要事先確定多個(gè)參考點(diǎn)，根據(jù)其已知精確坐標(biāo)位置和實(shí)際測(cè)量相對(duì)坐標(biāo)位置，形成線性方程組即可確定變換矩陣.從而，在測(cè)量過(guò)程中通過(guò)式（6）、式（7）快速計(jì)算河床各點(diǎn)的全球坐標(biāo)位置信息，及分析實(shí)際測(cè)量中誤差范圍.為測(cè)量船航速控制、轉(zhuǎn)向控制提供依據(jù).

2 測(cè)試及應(yīng)用分析

遙控測(cè)量船于2009年開(kāi)始研制，2011年初交付荊州航道處試用，期間經(jīng)過(guò)了不斷的改進(jìn)、優(yōu)化，遙控測(cè)量船性能逐漸完善，2011年11月還實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)導(dǎo)航功能.在使用優(yōu)化過(guò)程中，荊州處工作人員逐漸掌握了該遙控船的各項(xiàng)性能，各項(xiàng)操作均能獨(dú)立完成，并且能夠判斷排除一般的船舶故障.該船是國(guó)內(nèi)目前唯一用于航道生產(chǎn)的遙控船，荊州航道處將其應(yīng)用到航道水深補(bǔ)測(cè)、工程測(cè)量以及航道測(cè)量中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)漁船租賃測(cè)量以及測(cè)量艇測(cè)量，發(fā)揮了重要作用.

2.1 系統(tǒng)測(cè)試

1）船舶綜合性能測(cè)試 經(jīng)測(cè)試，船舶靜水航速12.5km／h，回轉(zhuǎn)半徑為9m，能抵御冬季6級(jí)風(fēng)下使用兩艘快艇制造的大浪，船舶有汽油機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩套動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，可單獨(dú)工作，也可以同時(shí)工作，可遠(yuǎn)程啟動(dòng)任意一種推進(jìn)系統(tǒng)，自由切換，船舶單獨(dú)使用汽油機(jī)工作，續(xù)航能力超過(guò)4 h，船舶航行中操作人員可以遠(yuǎn)程控制視頻像頭360°旋轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)程觀察船舶周圍情況，船舶綜合性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

2）遙控性能測(cè)試 將遙控船掛在躉船尾部，將測(cè)量隊(duì)的測(cè)量船啟動(dòng)出航，在測(cè)量船上通過(guò)遙控器操作方向舵、觀察電腦中視頻及GPS、測(cè)深儀信號(hào)實(shí)時(shí)變化，測(cè)試過(guò)程中，也特意選擇中間有遮擋的環(huán)境，以測(cè)試信號(hào)抗干擾情況及遙控距離，經(jīng)測(cè)試，使用數(shù)傳電臺(tái)傳輸：過(guò)往行輪航行對(duì)遙控操作無(wú)明顯影響，視頻及遙控可工作距離均超過(guò)4km.GPS、測(cè)深儀在2.4km以內(nèi)信號(hào)正常，2.4～4km之間有零星亂碼出現(xiàn)，但仍能正常工作，4 km以上，亂碼較多，不能正常工作；使用GSM傳輸，通信距離不受影響，但在個(gè)別信號(hào)盲區(qū)江段測(cè)試時(shí)，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)斷線.

3）自動(dòng)導(dǎo)航性能測(cè)試 通過(guò)地面站軟件設(shè)定了8個(gè)目標(biāo)點(diǎn)和HOME點(diǎn)，采用自動(dòng)導(dǎo)航模式，遙控測(cè)量船依次到達(dá)8個(gè)目標(biāo)點(diǎn)后，并返回HOME點(diǎn).工作中手動(dòng)和自動(dòng)控制可以任意切換.測(cè)試畫面見(jiàn)圖1.

圖1 測(cè)試畫面（右圖中略彎曲連續(xù)z字形線為遙控船航行軌跡，斷面間距10m）

同時(shí)，測(cè)試中設(shè)計(jì)了斷面間距只有10m的斷面點(diǎn)，該船仍能夠準(zhǔn)確上線，精確測(cè)量.

4）測(cè)深精度測(cè)試 換能器采用單擺式安裝，為了檢驗(yàn)這種安裝方法的效果，采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式對(duì)其檢測(cè)，靜態(tài)方式測(cè)試方法是在小船靜止的情況下，分別測(cè)試換能器固定安裝和單擺安裝兩種方式下水深值，利用測(cè)深板對(duì)其檢測(cè)，將一塊測(cè)深板放在遙控船換能器下方一定的深度，四周用人員固定，然后橫向搖晃測(cè)量船，模擬遙控測(cè)量船測(cè)量時(shí)的搖晃狀態(tài)，記錄換能器在此種安裝方式下的測(cè)得的水深值，并和已知的標(biāo)準(zhǔn)水深值比較.經(jīng)測(cè)試，在單擺安裝方式下遙控測(cè)量船搖晃時(shí)測(cè)得的水深數(shù)據(jù)與已知的標(biāo)準(zhǔn)水深值相同.常規(guī)測(cè)量與遙控船測(cè)量實(shí)測(cè)水深比較見(jiàn)圖2.

圖2 常規(guī)測(cè)量與遙控船測(cè)量實(shí)測(cè)水深比較（紅色數(shù)字為遙控船測(cè)量，藍(lán)色為常規(guī)測(cè)量，單位：m）

動(dòng)態(tài)方式測(cè)試是選擇一片水域，先用遙控船在上面測(cè)幾個(gè)斷面，然后，用測(cè)量隊(duì)的測(cè)量船按遙控船的測(cè)量軌跡進(jìn)行測(cè)量，最后比較兩船測(cè)得的水深測(cè)圖，看有無(wú)差異，經(jīng)比測(cè)，兩船測(cè)的水深圖基本一致，說(shuō)明船舶遙擺對(duì)測(cè)深精度無(wú)影響.

2.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析

遙控測(cè)量船的使用徹底改變了航道站以往的維護(hù)工作模式，使傳統(tǒng)航道部門水深掌握能力得到了根本的提升，為今后更好的發(fā)揮經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益奠定了基礎(chǔ).其吃水淺，航速快，遙控距離遠(yuǎn)以及無(wú)人駕駛等綜合優(yōu)點(diǎn)，還可以廣泛應(yīng)用到一些危險(xiǎn)地段，如：礁石、沉船、崩岸河段以及危險(xiǎn)品船檢測(cè)等，可以減少安全事故發(fā)生.

長(zhǎng)江航道局計(jì)劃在“十二五”期建成數(shù)字航道，電子航道圖是各種應(yīng)用的基礎(chǔ)，該圖需要及時(shí)更新，因此，需要對(duì)全局所有航道進(jìn)行及時(shí)的航道測(cè)量，如果使用現(xiàn)有船舶進(jìn)行測(cè)量，其維護(hù)成本將會(huì)很大，目前，武漢航道局一個(gè)航道處平均管轄42km，如果全局進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，一次耗用油費(fèi)約10.7萬(wàn)元（42km長(zhǎng)／0.2km一個(gè)斷面×1.5km江寬＋84km往返垂直距離，得到399km的測(cè)量距離，按平均斷面航速22km／h計(jì)算需要18h，一個(gè)處需油耗18×350＝6 300元，17個(gè)處一次需要10.7萬(wàn)元），全長(zhǎng)江航道局2 687.6km航道測(cè)量一次需要40.3萬(wàn)元，如果用此船測(cè)量，一次，一個(gè)處需油耗18×30＝540元，17個(gè)處一次需要9 180元，全航道局2 687.6km航道測(cè)量一次需要3.5萬(wàn)元，全航道局測(cè)量一次節(jié)約油耗36.8萬(wàn)元，如果測(cè)量密度大，節(jié)約費(fèi)用還要多，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯.

3 結(jié)束語(yǔ)

展望“十二五”，加快發(fā)展暢通、高效、平安、綠色內(nèi)河航運(yùn)，成為各級(jí)航運(yùn)主管部門的重要工作目標(biāo).利用信息化、數(shù)字化技術(shù)手段，開(kāi)展內(nèi)河航道通航狀態(tài)監(jiān)控以及航道安全風(fēng)險(xiǎn)防范技術(shù)研究，對(duì)于加快數(shù)字航道建設(shè)、提升航道通航保障能力而言，意義重大.

通過(guò)航道遙控測(cè)量船的研發(fā)和自動(dòng)導(dǎo)航的設(shè)計(jì)，探索了水上無(wú)人自動(dòng)駕駛遙控測(cè)量的可行性，實(shí)際應(yīng)用效果較為理想.后續(xù)研究中將進(jìn)一步對(duì)該船進(jìn)行改進(jìn)和完善，如增大遙控距離、增加主動(dòng)避碰功能、增加流速測(cè)量功能等，使其功能更強(qiáng)，更智能化.

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