楊傳華

（長江武漢航道局 武漢 430014）

0 引 言

長江是一條貫穿我國東西的世界級通航河流，同時也是沿江省市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐.通過各級的努力和多年來的快速發(fā)展，長江航道維護(hù)管理手段取得了顯著的提高.目前，長江上已經(jīng)研制并陸續(xù)建設(shè)了航標(biāo)遙測遙控、水位遙測遙報、無線視頻監(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、航道水深實時采集研究上，目前還是個空白.航道水深數(shù)據(jù)的采集還是依靠航道工作船或測量船完成，其主要工作方式是在測量船上裝測深儀、GPS、計算機(jī)等設(shè)備，通過這些設(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，船舶擱淺的情況時有發(fā)生，這些都對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，是航道測量中亟需解決的問題［1－4］.

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

1 遙控測量船設(shè)計

1.1 遙控測量船功能設(shè)計［5－8］

遙控測量船的設(shè)計目標(biāo)為枯水期重點淺水道的航道測量及大比例的航道工程測量，針對該目標(biāo)，確定以下技術(shù)指標(biāo)要求：（1）研制的遙控測量船靜水航速在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)，不受過往船舶及其他無線信號的影響；（3）測量船上裝有自動導(dǎo)航系統(tǒng)，可以按設(shè)計航線進(jìn)行測量，也可人工手動調(diào)節(jié)；（4）遙控測量船吃水小于0.5m，穩(wěn)性等各項性能符合一般船舶通用要求；（5）遙控測量船上有保護(hù)測量儀器的裝置，船舶傾覆后不會沉沒，儀器不會遺失；（6）水深采集數(shù)據(jù)及視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)可實時傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制端.

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

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

遙控測量船和控制站的數(shù)據(jù)通信上采用數(shù)傳電臺和GSM 2套通信系統(tǒng)，GPS和水深測量數(shù)據(jù)由遙控船上的電腦系統(tǒng)自動記錄存儲，同時為便于遠(yuǎn)程實時觀測工作狀態(tài)，將這些信息通過數(shù)傳電臺和GSM兩路信號同步傳輸?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通過數(shù)傳電臺傳輸.

遙控測量船的自動導(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量裝置（如加速度計和陀螺儀等）敏感載體的運(yùn)動，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)動靈活，具備多功能參數(shù)輸出，但是存在誤差隨時間迅速積累的問題，導(dǎo)航精度隨時間而發(fā)散，不能長時間獨立工作，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)取長補(bǔ)短，構(gòu)成一個有機(jī)的整體，提高整個系統(tǒng)的精度和抗干擾能力.

在水深測量上，遙控測量船由于船體輕小，在測量過程中，船體的晃動幅度會很大，這樣會影響水深的測量精度，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量的過程中始終維持垂直的狀態(tài)，而不會隨著船體的晃動而搖擺，此外，為避免出現(xiàn)假水深，采用特殊材料對底部進(jìn)行局部封裝，從而提高了測量的精度.

1.2 水深測量中的關(guān)鍵技術(shù)［9－10］

理論上，測量構(gòu)建水下地形圖就是從測量船上的相對坐標(biāo)到大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換.一個典型的水深測量系統(tǒng)中，測量船工作于被測量區(qū)域水面，其上的測深儀周期掃描水下地形.每一個反射波獨立計算范圍、方位角、高程，在實際應(yīng)用時，需要確定大地、測量船、傳感器三者間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系.測量過程中，測量船的坐標(biāo)位置可以通過差分GPS精確定位，而各水下河床表面深度可由測深儀獲取.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，水深測量可表示為

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

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

變化V，S具有6個自由度，因此，總共有12個變量待定.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，需要事先確定多個參考點，根據(jù)其已知精確坐標(biāo)位置和實際測量相對坐標(biāo)位置，形成線性方程組即可確定變換矩陣.從而，在測量過程中通過式（6）、式（7）快速計算河床各點的全球坐標(biāo)位置信息，及分析實際測量中誤差范圍.為測量船航速控制、轉(zhuǎn)向控制提供依據(jù).

2 測試及應(yīng)用分析

遙控測量船于2009年開始研制，2011年初交付荊州航道處試用，期間經(jīng)過了不斷的改進(jìn)、優(yōu)化，遙控測量船性能逐漸完善，2011年11月還實現(xiàn)了自動導(dǎo)航功能.在使用優(yōu)化過程中，荊州處工作人員逐漸掌握了該遙控船的各項性能，各項操作均能獨立完成，并且能夠判斷排除一般的船舶故障.該船是國內(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、工程測量以及航道測量中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)漁船租賃測量以及測量艇測量，發(fā)揮了重要作用.

2.1 系統(tǒng)測試

1）船舶綜合性能測試 經(jīng)測試，船舶靜水航速12.5km／h，回轉(zhuǎn)半徑為9m，能抵御冬季6級風(fēng)下使用兩艘快艇制造的大浪，船舶有汽油機(jī)和電動機(jī)兩套動力推進(jìn)系統(tǒng)，可單獨工作，也可以同時工作，可遠(yuǎn)程啟動任意一種推進(jìn)系統(tǒng)，自由切換，船舶單獨使用汽油機(jī)工作，續(xù)航能力超過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)計要求.

2）遙控性能測試 將遙控船掛在躉船尾部，將測量隊的測量船啟動出航，在測量船上通過遙控器操作方向舵、觀察電腦中視頻及GPS、測深儀信號實時變化，測試過程中，也特意選擇中間有遮擋的環(huán)境，以測試信號抗干擾情況及遙控距離，經(jīng)測試，使用數(shù)傳電臺傳輸：過往行輪航行對遙控操作無明顯影響，視頻及遙控可工作距離均超過4km.GPS、測深儀在2.4km以內(nèi)信號正常，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，但在個別信號盲區(qū)江段測試時，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)斷線.

3）自動導(dǎo)航性能測試 通過地面站軟件設(shè)定了8個目標(biāo)點和HOME點，采用自動導(dǎo)航模式，遙控測量船依次到達(dá)8個目標(biāo)點后，并返回HOME點.工作中手動和自動控制可以任意切換.測試畫面見圖1.

圖1 測試畫面（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，測試中設(shè)計了斷面間距只有10m的斷面點，該船仍能夠準(zhǔn)確上線，精確測量.

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

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

動態(tài)方式測試是選擇一片水域，先用遙控船在上面測幾個斷面，然后，用測量隊的測量船按遙控船的測量軌跡進(jìn)行測量，最后比較兩船測得的水深測圖，看有無差異，經(jīng)比測，兩船測的水深圖基本一致，說明船舶遙擺對測深精度無影響.

2.2 社會經(jīng)濟(jì)效益分析

遙控測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)及社會效益奠定了基礎(chǔ).其吃水淺，航速快，遙控距離遠(yuǎn)以及無人駕駛等綜合優(yōu)點，還可以廣泛應(yīng)用到一些危險地段，如：礁石、沉船、崩岸河段以及危險品船檢測等，可以減少安全事故發(fā)生.

長江航道局計劃在“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)，該圖需要及時更新，因此，需要對全局所有航道進(jìn)行及時的航道測量，如果使用現(xiàn)有船舶進(jìn)行測量，其維護(hù)成本將會很大，目前，武漢航道局一個航道處平均管轄42km，如果全局進(jìn)行同時測量，一次耗用油費(fèi)約10.7萬元（42km長／0.2km一個斷面×1.5km江寬＋84km往返垂直距離，得到399km的測量距離，按平均斷面航速22km／h計算需要18h，一個處需油耗18×350＝6 300元，17個處一次需要10.7萬元），全長江航道局2 687.6km航道測量一次需要40.3萬元，如果用此船測量，一次，一個處需油耗18×30＝540元，17個處一次需要9 180元，全航道局2 687.6km航道測量一次需要3.5萬元，全航道局測量一次節(jié)約油耗36.8萬元，如果測量密度大，節(jié)約費(fèi)用還要多，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯.

3 結(jié)束語

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，開展內(nèi)河航道通航狀態(tài)監(jiān)控以及航道安全風(fēng)險防范技術(shù)研究，對于加快數(shù)字航道建設(shè)、提升航道通航保障能力而言，意義重大.

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

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