楊傳華
(長(zhǎng)江武漢航道局 武漢 430014)
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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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