謝黎黎

摘要：為探索先進(jìn)高效的掃床方式，文章開展多波束測(cè)深儀測(cè)深替代硬式航道掃床的可行性研究，并進(jìn)行多波束測(cè)深儀測(cè)深和硬式掃床對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明，多波束測(cè)量精度能滿足行業(yè)要求，且具備更高效率。

關(guān)鍵詞：多波束;掃床;試驗(yàn)

0 引言

硬式掃床作為檢驗(yàn)航道尺度的主要手段已沿用幾十年，該方法簡(jiǎn)單有效，但相對(duì)落后低效，需配員較多，勞動(dòng)強(qiáng)度大。為探索先進(jìn)高效的掃床方式，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，有必要進(jìn)行航道掃床技術(shù)革新科研，為此從2017年起，南寧航道養(yǎng)護(hù)中心即著手開展對(duì)多波束測(cè)深儀測(cè)深替代硬式航道掃床可行性研究。

1 目標(biāo)要求

航道掃床技術(shù)革新科研工作的目標(biāo)要求為：

（1）選擇適合的航段進(jìn)行硬式掃床檢驗(yàn)，并與多波束測(cè)深儀測(cè)深檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比，要求分別在淺水區(qū)（4m以內(nèi)）、中水區(qū)（4～7m）及深水區(qū)（7m以上）進(jìn)行三組試驗(yàn)。每組試驗(yàn)均要檢驗(yàn)在硬式掃床發(fā)現(xiàn)0～20cm小區(qū)域淺點(diǎn)的情況下，多波束測(cè)深儀能否檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，即多波束測(cè)深儀測(cè)深替代硬式掃床是否可行。

（2）研究成果要得出明確的結(jié)論，即是否可行及其依據(jù)。若可行，應(yīng)提出其適用的條件，如適用水深情況、需配備的船舶類型、使用儀器型號(hào)、人員技術(shù)能力與數(shù)量、以及科研掃床的準(zhǔn)確率和效率等。

2 工作準(zhǔn)備情況

試驗(yàn)初期，組織了多波束測(cè)深系統(tǒng)原理、儀器安裝調(diào)試校正、多波束測(cè)深軟件的應(yīng)用和數(shù)據(jù)后處理軟件操作等培訓(xùn)，使技術(shù)人員掌握了多波束各個(gè)部件的安裝，保證儀器能接通工作，各改正參數(shù)調(diào)試復(fù)核后，隨即著手開展多波束測(cè)深儀測(cè)深替代硬式航道掃床的可行性研究。

3 第一次試驗(yàn)

2017年11月，技術(shù)人員在南寧航道站轄區(qū)進(jìn)行第一次多波束測(cè)深儀測(cè)深和硬式掃床對(duì)比試驗(yàn)。

硬式掃床前，把多波束所測(cè)水深圖成圖基準(zhǔn)面換算到當(dāng)天水位下的水深，以方便作對(duì)比。當(dāng)天，采用的是局現(xiàn)有設(shè)備DT100進(jìn)行測(cè)量，掃測(cè)測(cè)區(qū)選擇在南寧市豹子頭航道站轄區(qū)的郁江某航段，長(zhǎng)度約600m，寬度約200m。根據(jù)測(cè)量船特性，采用倒L型平臺(tái)支架+鋼絲繩固定的形式，測(cè)量采用多波束懸掛安裝測(cè)量方式。

在試驗(yàn)過程中，將多波束測(cè)深儀所測(cè)水深與單波束測(cè)深儀所測(cè)水深進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)多波束測(cè)深儀所測(cè)水深普遍比單波束測(cè)深儀所測(cè)水深值大0.15～0.3m，不滿足《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》（JTS-1312012）的要求。研究認(rèn)為，出現(xiàn)該問題的原因主要是：（1）本套多波束測(cè)深儀測(cè)量系統(tǒng)自身誤差未完全調(diào)試好;（2）多波束測(cè)量時(shí)形成的是帶狀測(cè)量面，測(cè)量點(diǎn)偏離換能器中心，導(dǎo)致測(cè)量誤差逐漸增大。

完成水深對(duì)比后，我們對(duì)多波束測(cè)深儀測(cè)量和硬式掃床分別在淺水區(qū)（4m以內(nèi)）、中水區(qū)（4～7m）進(jìn)行了對(duì)比，因航道條件受限，無法開展深水區(qū)（7m以上）試驗(yàn)，其中淺水區(qū)和中水區(qū)情況如表1所示：

從對(duì)比結(jié)果看，在水深小于4m的淺水區(qū)，多波束測(cè)深儀所測(cè)水深最低值為2.7m，但掃床下桿深度為2.5m時(shí)，所掃區(qū)域均出現(xiàn)碰桿，下桿深度為2.6m時(shí)，碰桿現(xiàn)象更為嚴(yán)重，個(gè)別區(qū)域碰桿高度達(dá)到50cm。

在水深4～7m為中水區(qū)，多波束測(cè)深儀所測(cè)水深最低值為4.0m，掃床下桿深度為3.8m時(shí)，所掃區(qū)域多處碰桿，下桿深度為4.0m時(shí)，碰桿現(xiàn)象更為嚴(yán)重，個(gè)別區(qū)域碰桿高度達(dá)到40～50cm。

因此第一次試驗(yàn)結(jié)果顯示：

（1）本套多波束測(cè)深儀DT100多波束測(cè)深系統(tǒng)在測(cè)深儀、GPS、聲速儀和姿態(tài)儀分別正確設(shè)置后方可使用，調(diào)試安裝和測(cè)量操作步驟繁瑣，測(cè)量過程采集的數(shù)據(jù)量大，對(duì)硬件要求高，且采集數(shù)據(jù)后的處理工作量極大（1h測(cè)量采集的數(shù)據(jù)，后處理時(shí)間需要3～6h左右）。

（2）在淺水區(qū)（4m以內(nèi)），多波束測(cè)深儀單條測(cè)線覆蓋范圍跟硬式掃床相當(dāng)，且無法發(fā)現(xiàn)0～0.2m小區(qū)域淺點(diǎn)或者障礙物情況，掃床效果不理想。

（3）在中水區(qū)（4～7m），多波束測(cè)深儀覆蓋范圍比6m長(zhǎng)單桿硬式掃床覆蓋范圍稍大，外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度比硬式掃床小。但其精度沒有硬式掃床精度高，無法發(fā)現(xiàn)0～0.2m甚至0～0.5m小區(qū)域淺點(diǎn)或者障礙物情況，無法滿足航道掃床標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 第二次試驗(yàn)

因第一次試驗(yàn)結(jié)果不理想，且缺少對(duì)深水區(qū)的研究，認(rèn)為缺乏足夠的數(shù)據(jù)來證實(shí)多波束測(cè)深儀測(cè)深不能替代硬式航道掃床的觀點(diǎn)，為了對(duì)多波束技術(shù)進(jìn)行更多的深入研究，2018年8月，南寧航道養(yǎng)護(hù)中心協(xié)同北京麥格天[HTXH1]渱科技發(fā)展有限公司共同研究海卓MS400型號(hào)多波束測(cè)深儀;11月再次與廣州南方測(cè)繪科技股份有限公司合作，使用RESONT20P多波束航道掃測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)也研究現(xiàn)有DT100多波束測(cè)深儀以作對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如表2所示。

掃測(cè)測(cè)區(qū)選擇在南寧市隆安縣境內(nèi)的右江某航段，長(zhǎng)度約540m，寬度約160m。采用倒L型平臺(tái)支架+鋼絲繩固定的形式，采用多波束懸掛安裝測(cè)量方式。

為驗(yàn)證多波束測(cè)深系統(tǒng)的精度問題，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)采用高精度改正過的單波束測(cè)深儀測(cè)水深，對(duì)多波束和經(jīng)過嚴(yán)格校正后的單波束測(cè)深儀所測(cè)的水深值，分別在4m以內(nèi)、4～7m、7m以上的水深區(qū)域抽取位置重疊或位置相對(duì)靠近的多個(gè)水深點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。在試驗(yàn)過程中，根據(jù)需要展現(xiàn)了水下地形的等高線情況，以便更直觀地查看水深分布情況。

在本次測(cè)量區(qū)域范圍內(nèi)，一次全覆蓋掃床時(shí)間少于2h，相比至少需要4h的硬式掃床，大大提高了效率。

經(jīng)多次測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，對(duì)比結(jié)果如表3所示：

根據(jù)《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》（JTS-1312012）8.6.4，掃獲的淺點(diǎn)或障礙物平面位置偏差≤0.15m、深度誤差≤0.1m的要求，從三個(gè)水深分層區(qū)域（4m以內(nèi)、4～7m、7m以上）水深數(shù)據(jù)對(duì)比來看，三組儀器均滿足要求，但DT100精度稍差，其他兩個(gè)型號(hào)的多波束測(cè)深儀精度較好。

因此第二次試驗(yàn)結(jié)果顯示：

（1）從三個(gè)不同型號(hào)的多波束測(cè)深儀技術(shù)參數(shù)可知，多波束適用水深一般為0.5m水深以上。（DT100測(cè)深范圍0.5～60m，海卓MS400測(cè)深范圍0.2～150m，南方測(cè)繪的RESONT20P測(cè)深范圍0.5～575m）

（2）水深越深，多波束測(cè)深儀測(cè)深替代硬式航道掃床效率越高。在5m以上的水深區(qū)域，多波束測(cè)水深效率比傳統(tǒng)的硬式掃床好;在3～5m水深區(qū)域，多波束測(cè)水深效率與傳統(tǒng)的硬式掃床效果相當(dāng);在3m以下的淺水區(qū)，多波束測(cè)水深效率比較低，甚至不如傳統(tǒng)的硬式掃床。

（3）多波束測(cè)深儀不受氣象條件限制，一般行駛穩(wěn)定、轉(zhuǎn)向靈活、轉(zhuǎn)彎半徑小的中小型船舶（除玻璃鋼船舶外）都能滿足要求。

（4）若在掃床過程中未發(fā)現(xiàn)淺點(diǎn)，則無需進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，多波束測(cè)深儀能大大提高效率，若發(fā)現(xiàn)淺點(diǎn)，則數(shù)據(jù)后處理較繁瑣，對(duì)技術(shù)人員素質(zhì)要求比較高。

5 結(jié)語

此次航道掃床技術(shù)革新科研工作是成功的，多波束測(cè)深儀能檢測(cè)發(fā)現(xiàn)在硬式掃床中發(fā)現(xiàn)的0～20cm小區(qū)域淺點(diǎn)或障礙物，即多波束測(cè)深儀測(cè)深替代硬式掃床是可行的。在試驗(yàn)過程中，我們總結(jié)了多波束測(cè)深儀的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）多波束測(cè)深系統(tǒng)使用便捷，具備更高的安全性;

（2）多波束可以達(dá)到水域范圍全覆蓋，一條測(cè)線橫向覆蓋范圍基本能達(dá)到水深的兩倍，特別是對(duì)于深水環(huán)境，多波束外業(yè)測(cè)量效率高;

（3）多波束的測(cè)量精度滿足行業(yè)相關(guān)規(guī)范的精度要求。

但同時(shí)也存在以下缺點(diǎn)：

（1）多波束測(cè)量過程采集的數(shù)據(jù)巨大，數(shù)據(jù)后處理工作量極大;

（2）數(shù)據(jù)后處理比較繁瑣，對(duì)技術(shù)人員素質(zhì)要求比較高。

因此，南寧航道養(yǎng)護(hù)中心目前正在著手研究，在掃床過程中若出現(xiàn)淺點(diǎn)能在顯示器上以紅色顯示并圈定范圍，同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲音，便于現(xiàn)場(chǎng)工作人員能調(diào)出淺區(qū)測(cè)量值，避免進(jìn)行重復(fù)工作。

多波束測(cè)深儀已在沿海一帶廣泛應(yīng)用，在長(zhǎng)江航道等80多個(gè)典型水域得到了實(shí)際運(yùn)用，產(chǎn)品的性能目標(biāo)、測(cè)量精度可靠性和允許穩(wěn)定性得到了廣泛的驗(yàn)證。此次航道掃床技術(shù)革新科研工作是進(jìn)一步研究和探索新形勢(shì)下航道尺度的檢驗(yàn)?zāi)Ｊ胶凸ぷ髂Ｊ剑窈髮⒉粩嚅_展研究工作，為能更好地為航道事業(yè)提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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