陳娟

摘 要：文章主要介紹了我國內(nèi)河航道及水庫的淤積現(xiàn)狀，針對大部分航道存在的淤積嚴(yán)重、監(jiān)測難度大等問題，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的泥沙淤積監(jiān)測技術(shù)。重點介紹國內(nèi)外泥沙淤積監(jiān)測技術(shù)的研究背景、現(xiàn)狀、監(jiān)測系統(tǒng)基本原理、系統(tǒng)組成及對無人機(jī)平臺的改進(jìn)和優(yōu)化，闡述此方案的發(fā)展前景。

關(guān)鍵字：泥沙淤積；監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；無人機(jī)

1 概述

隨著近幾年來人類影響的廣泛加深，對內(nèi)河航道及水庫的監(jiān)測和治理變得十分復(fù)雜。長江流域水土流失日益加重，已高達(dá)流域面積的31%，宜昌段多年平均輸沙量5.3億t，平均含沙量1.2 kg/m3。雖含沙量不大，但輸移過程極易淤積，泥沙淤積導(dǎo)致河道堵塞，洪水宣泄不暢，河湖調(diào)蓄能力降低，水位抬高。這些現(xiàn)象在我國其他內(nèi)河航道及水庫中都普遍存在，嚴(yán)重影響了工農(nóng)業(yè)發(fā)展和生活水平的提高。

為了做到及時合理地整治，在不影響航道船舶正常通航和作業(yè)的條件下，及時發(fā)現(xiàn)泥沙淤積的問題，減少治理航道所需人力物力財力，創(chuàng)造更好的通航條件。必須總結(jié)一套符合我國實際的泥沙淤積實時監(jiān)測技術(shù)。具備適宜的航道水深是船舶安全航行和提高航道效益的基本條件，實時了解水深數(shù)據(jù)是掌握泥沙淤積規(guī)律的重要手段。我國目前最常用的是船載聲納測深法，即利用船載聲納設(shè)施與GPS技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行實地觀測。這樣將使航道的正常經(jīng)營受到影響，也不適用于淤積變動快的港口航道，受水面環(huán)境影響和限制較大。此外，靠超聲波測深儀和測量船來實現(xiàn)航道水深測量，往往航道水深數(shù)據(jù)剛被發(fā)布， 航道水深又產(chǎn)生了變化，監(jiān)測的時效性得不到保障。國際上現(xiàn)有LADS（機(jī)載激光測深），SHOALS系列（掃描水文運(yùn)行機(jī)載激光雷達(dá)測量）等幾種LIDAR測深系統(tǒng)。考慮到設(shè)備價格高，需要高技術(shù)人員操作等因素，不適合推廣使用。

在當(dāng)今信息化時代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高度發(fā)展，使自動化、智能化、無人化控制成為可能。物聯(lián)網(wǎng)在國際上又稱傳感網(wǎng)，是基于互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的，一種以互聯(lián)網(wǎng)為主體聯(lián)結(jié)多種傳感設(shè)施形成的大型應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)能夠通過“物物交換”“人機(jī)交互”兩種交互模式完成人、物、機(jī)三者之間的通信，經(jīng)由傳感器技術(shù)和辨認(rèn)技術(shù)等，使實時監(jiān)控和完全自動化成為可能。近年國內(nèi)外開始有人研究利用測深儀和AIS設(shè)備構(gòu)建航道水深實時監(jiān)控系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)通過處理生成電子海圖，從而實現(xiàn)實時了解航道的水深信息，但這種方法依然存在操作管理麻煩，會受一定環(huán)境因素制約等缺陷。

2 創(chuàng)新特色概述

無人機(jī)可以定點起降，快速而又便利，可在人為預(yù)先定出飛行航線后自主航行并進(jìn)行拍攝，能精準(zhǔn)地控制航線，且航行安穩(wěn)，可控性、安全性能好。目前我國監(jiān)測大都采用無人船，需要反復(fù)多次地航行測量，不僅會降低航道運(yùn)行效率，且像濕地、灘涂等區(qū)域時而露出水面，時而淹沒于水下，有人船和無人船也無法到達(dá)。這種情況下，無人機(jī)小巧、機(jī)動、靈活、便利，安全穩(wěn)定的優(yōu)勢就大大顯現(xiàn)了出來。根據(jù)測水深的需求，在無人機(jī)底部安裝面積較大的浮板，增加接觸面積以減小壓強(qiáng)，無人機(jī)可以垂直起飛，快捷地抵達(dá)相應(yīng)區(qū)域。此外，無人機(jī)與GPRS數(shù)據(jù)、GPS定位儀、采集通訊模塊及VB計算機(jī)測控軟件等的結(jié)合，將實現(xiàn)實時、準(zhǔn)確、快速又低風(fēng)險的航道泥沙淤積監(jiān)測。無人機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相結(jié)合，能在各種水上環(huán)境實時監(jiān)測水深變化，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將水深變化轉(zhuǎn)換成函數(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)繪出水底地形圖，了解泥沙淤積準(zhǔn)確情況，這適應(yīng)了港口建設(shè)和保證航道安全的迫切需要。

（1）在無人機(jī)結(jié)構(gòu)方面：現(xiàn)有無人機(jī)基本機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加超聲波傳感器、GPS和GPRS系統(tǒng)，并在無人機(jī)底部加上兩塊面積比較大的浮板。

（2）在無人機(jī)功能方面：把握無人機(jī)俯仰、滾轉(zhuǎn)姿勢的控制與穩(wěn)定、高度控制與穩(wěn)定、速度把握與穩(wěn)定、側(cè)向偏離控制以及俯沖、降落控制等性能，更好地使無人機(jī)發(fā)揮作用。

（3）在超聲波測深方面：超聲波測深的工作原理，可用于編程中自動解算數(shù)據(jù)。在水下，聲波能較好地傳播信號。按照水深儀的原理，超聲波換能器能向水下發(fā)射超聲波，并同時進(jìn)行計時，超聲波在水中傳播時碰到水底就立刻返回來，收到反射波的換能器立即終止計時。超聲波在水中傳播，其速度約為1 500 m/s，由計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離（s），即：s=1 500×t/2。在編程中，利用公式由計算機(jī)自動解算水深數(shù)據(jù)。

（4）消除水面風(fēng)力、波浪對水深數(shù)據(jù)的影響：通常情況下，在水深測量的工作過程中有諸多不利的影響因素。其中波浪的影響最大，波浪對水深測量的影響與測線方向以及無人機(jī)的大小和抗風(fēng)能力有關(guān)，波浪影響了無人機(jī)的平衡性，所以在風(fēng)浪中，換能器也會有上下、左右以及前后的起伏和擺動，即使在相同地點，波谷和波峰的數(shù)據(jù)差異也特別大。此時測深儀里面所記錄的模擬信號會產(chǎn)生明顯的鋸齒狀，如果這種誤差不加以處理，水深地形圖上會出現(xiàn)忽高忽低的情形。無人機(jī)在同一地點不同時間測得的高程是不同的，換言之，測得的高程是有關(guān)時間t的一元函數(shù)，因此無人機(jī)在測定高程時需要在水面上停留一段時間測得多組數(shù)據(jù)，消除水面風(fēng)力和波浪影響得到粗略曲線后，記開始測量的時刻為0，在測量總時間0到T內(nèi)求平均值，因此需要計算高程在這段時間的積分再除以T得到平均值，對于積分的求法我們采用復(fù)合柯特斯公式進(jìn)行計算，在0到T內(nèi)每隔T/2k秒測量一次（0與T時刻各測一次），處理之后一共測得2k+1個時間點的高程值，并將其依次記為如下形式的關(guān)于變量t的函數(shù)，

將其從0到T平均分為2（k-2）個子區(qū)間，則每個子區(qū)間也被四等分，利用柯特斯復(fù)合求積公式可以近似算出此函數(shù)在區(qū)間0到T上的積分為。

那么在該區(qū)間的平均值即為。

這樣，通過測2～3個數(shù)據(jù)，用科斯特復(fù)合求積公式可以精確表示這個區(qū)間精確的水深數(shù)據(jù)，在某一水面區(qū)域多次測量和處理后就可以根據(jù)這些點得到一個水深變化曲線。

（5）在VB測控軟件的開發(fā)方面：采用VB編程語言解決實時監(jiān)測，對水深數(shù)據(jù)影響因素的處理及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的訪問問題。

（6）通過3次樣條插值函數(shù)得到精準(zhǔn)水深變化曲線：通過學(xué)習(xí)計算方法，我們了解到可以通過3次樣條插值函數(shù)的方法求一系列中間點的函數(shù)值。令

這樣即可根據(jù)各區(qū)間的函數(shù)求中間點的函數(shù)值，可以不用測太多的點也能繪制較精確的水深變化曲線。我們將會把這些計算方法通過編程變成VB的計算機(jī)語言，實現(xiàn)實時計算，精準(zhǔn)高效。

3 監(jiān)測系統(tǒng)基本原理

接收換能器和發(fā)射換能器以同等的高度和俯角分別安裝在航道兩側(cè)的開口處，主波束指向航道底部中心。為精確測定航道的水深H，只需測出換能器到海面的水深δ和被監(jiān)測點航道水深H1，根據(jù)公式：H=H1+δ，即可得到航道的即時水深，由射線聲學(xué)及三角函數(shù)關(guān)系，發(fā)射換能器生成的超聲波經(jīng)海底反射出的所有聲傳播路徑中，入射到航道底部中心位置聲線的聲程最短，它是最先到達(dá)接收換能器的。所以被監(jiān)測點水深值就可以計算出來，而后通過GPS技術(shù)與水聲信號檢測技術(shù)，能夠測得海底反射波傳輸時間t，算出發(fā)射點水底的距離，直接用傳感器測得換能器到海面的水深，并用柯特斯復(fù)合求積公式的計算方法來消除浪的影響。用3次樣條插值函數(shù)的方法進(jìn)一步提高δ的測量精度，得到精準(zhǔn)曲線，從而對實測水深參數(shù)進(jìn)行修正。

4 無人機(jī)平臺的改進(jìn)和優(yōu)化

將碳纖維復(fù)合材料和玻璃鋼用于無人機(jī)，重量輕且強(qiáng)度大，無人機(jī)尾部安裝的動力裝置采用性能穩(wěn)定的推力螺旋槳和航空發(fā)動機(jī)，無人機(jī)底部裝上較大的浮板以增大接觸面積，減小壓強(qiáng)，這樣可以更好地停留在水面或灘涂淤地上。

5 結(jié)語

目前隨著無人機(jī)制造業(yè)的飛速發(fā)展，無人機(jī)的運(yùn)用變得非常普及，在城市交通監(jiān)管，道路和公共場合泊車治理，無人機(jī)測繪、航拍等方面應(yīng)用廣泛，無人機(jī)能高效地監(jiān)控大片區(qū)域，而且受地形情況約束小、能耗小、小巧靈活、操作簡單，易于普及。將無人機(jī)搭載其他監(jiān)測系統(tǒng)用于泥沙淤積監(jiān)測，是代替以往船測的最可行方法。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將互聯(lián)網(wǎng)與多種傳感器結(jié)合，數(shù)據(jù)采集和傳輸范圍廣，及時準(zhǔn)確，信息便于記錄與儲存，是信息化時代泥沙淤積監(jiān)測的必然趨勢。兩者的結(jié)合推動了泥沙淤積監(jiān)測技術(shù)向自動化、高效化和經(jīng)濟(jì)化發(fā)展。

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