高翔

摘 要：本文針對目前耙吸挖泥船疏浚施工過程中，疏浚與測量分離，施工效率和效益不高的問題，進行了耙吸挖泥船疏浚測量一體化系統(tǒng)研究。主要采用高密度聲吶陣列技術(shù)進行疏浚測量一體化系統(tǒng)設(shè)計，并對系統(tǒng)精度進行測試。結(jié)果表明系統(tǒng)精度符合有關(guān)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)渾濁的施工水域全自動化、高精度的水深測量和河床地形探測，實現(xiàn)疏浚施工與工程測量的同步及實時水深測量數(shù)據(jù)和施工管理系統(tǒng)結(jié)合。將浚測一體化系統(tǒng)運用于疏浚船舶，能有效提高疏浚施工的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：耙吸式挖泥船;疏浚;測量;一體化

中圖分類號：U674.31 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）07-0050-04

疏浚測量是疏浚作業(yè)的重要工作之一，尤其現(xiàn)代疏浚工程中，及時得到準(zhǔn)確的水下地形資料十分重要，直接影響到工程的進度。關(guān)于疏浚測量，學(xué)者們已經(jīng)進行了系列研究：孫銀根等針對疏浚施工中， 水砣或測試板打出的深度往往與高頻測深儀所測數(shù)據(jù)不一致的問題，從超聲波測深原理和量化數(shù)據(jù)方面分析了浮泥層對高頻測深儀的影響，并提出幾種解決方案;郭雄強等將衛(wèi)星精準(zhǔn)定位、多聲波技術(shù)用于疏浚測量，實現(xiàn)了對海洋的底質(zhì)類型、淤泥厚度等深度精準(zhǔn)測量;施永富設(shè)計了一種輕便型航道疏浚測量系統(tǒng)，并將系統(tǒng)用于內(nèi)河航道圖測量， 研究結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠直觀準(zhǔn)確反映疏浚施工質(zhì)量，在實際應(yīng)用中效果顯著;王慶浩將彩色竹竿和測深錘代替GPS和測深儀用于實際疏浚施工測量，施工結(jié)果表明該測量方法具有較好的技術(shù)效益和經(jīng)濟效益;萬滔研究了適用于絞吸挖泥船的實時測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)浚前、浚中和浚后水深數(shù)據(jù)測量，施工質(zhì)量實時控制;李素江提出將GPS PPK潮位測量技術(shù)用于超長航道疏浚工程測量，并將其用于工程實際，實踐發(fā)現(xiàn)，相比GPS RTK技術(shù)，GPS PPK技術(shù)具有精度高、可靠、現(xiàn)勢性好等優(yōu)勢。目前，關(guān)于疏浚測量的研究較多，但大部分只是針對疏浚測量技術(shù)進行改進優(yōu)化研究，對于實時測量系統(tǒng)的研究還比較少，由于疏浚施工和測量的分離，施工成本高、數(shù)據(jù)時效差、效率低能耗高等弊端還未得到解決。

考慮到上述問題，本文提出了一種適用于耙吸挖泥船的疏浚測量一體化（以下簡稱“浚測一體化”）系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要基于高密度聲吶陣列技術(shù)，并采用疏浚同步核心算法和多維數(shù)據(jù)修正技術(shù)等，配備浚測一體化系統(tǒng)軟件，能實現(xiàn)船舶疏浚施工與工程測量同步，施工質(zhì)量實時控制，從而有效縮短測量周期，提高施工效率和質(zhì)量，提升施工效益。

1 高密度聲吶陣列

針對傳統(tǒng)聲吶測量技術(shù)在渾濁水域測量時誤差較大、周期較長等問題，本文提出了一種適用于河床地形檢測的高密度聲吶陣列，其中主要包括：能量聚焦、動態(tài)降噪及多設(shè)備集成等技術(shù)。

1.1 能量聚焦技術(shù)

由于測量環(huán)境水域渾濁、水體成分復(fù)雜，導(dǎo)致被測河床出現(xiàn)局部回波紊亂、波束腳印放大、噪信比提高，這會嚴(yán)重影響檢測精度。通過在高密度聲吶陣列中使用能量聚焦技術(shù)，在單一測量周期內(nèi)（50～100毫秒）縮短單次發(fā)射波長（約3～5微秒）、增加發(fā)射次數(shù)（約10～20次）、增大發(fā)射功率，使被測區(qū)域在該測量周期內(nèi)被更密集的聲波重復(fù)覆蓋，即會導(dǎo)致腳印內(nèi)回聲能量和腳印外回聲能量級別被放大。同時能量聚焦技術(shù)的使用，原始聲吶檢測數(shù)據(jù)量也被放大約10～20倍，使得數(shù)據(jù)及時傳輸和處理工作變得更為復(fù)雜和困難，所以相應(yīng)的在后端數(shù)據(jù)處理單元，通過增加多片高速DSP和FPGA的方式來解決這一問題，通過多片高速DSP協(xié)同工作，分片流水式運行來滿足海量數(shù)據(jù)的及時運算。

1.2動態(tài)降噪技術(shù)

由于本項目的應(yīng)用場景是疏浚水域，其水質(zhì)較湖泊、海洋更為渾濁且含各類懸浮物，勢必造成水體聲學(xué)噪聲較多;施工區(qū)域因船舶施工形成的紊流、水花以及氣泡都會造成聲吶噪聲。針對上述噪聲的產(chǎn)生原因和實際情況，在高密度聲吶陣列中增加了水體噪聲預(yù)識別技術(shù)和動態(tài)信噪比調(diào)節(jié)技術(shù)，在前端進行噪聲抑制，大大減少了檢測結(jié)果中的噪點和野值。

1.3多設(shè)備集成技術(shù)

在高密度聲吶陣列中不但集成了聲吶多波束發(fā)射裝置和多波束接收陣列，還集成了慣導(dǎo)測姿裝置、表面聲速測量裝置、海量測量數(shù)據(jù)雙向通信設(shè)備。通過集成慣導(dǎo)測姿裝置，使得通過高密度聲吶陣列精確河床地形，實現(xiàn)了高密度聲吶陣列在測量過程中無需校準(zhǔn)，并對測量過程中的船舶橫搖、縱搖、航向變化等因素進行了前端修正，既提高測量精度還減少后端數(shù)據(jù)修正運算量。通過集成表面聲速測量裝置，實時測量當(dāng)前水域的表面聲速，為后端數(shù)據(jù)運算和分析提供精確的聲速數(shù)據(jù)。在河床地形檢測應(yīng)用場景下，后端需要大量的水下聲吶波束測量原始數(shù)據(jù)即輔助設(shè)備數(shù)據(jù)，其中包含水體噪聲數(shù)據(jù)、回波能量數(shù)據(jù)、回波檢波數(shù)據(jù)、橫搖、俯仰、航向角、聲速數(shù)據(jù)等，這些海量數(shù)據(jù)需要在最小延時范圍內(nèi)傳輸給后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，同時還接收來自后端系統(tǒng)的配置和控制指令，通過在高密度聲吶陣列中集成海量數(shù)據(jù)雙向傳輸設(shè)備，實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)在本地壓縮后高速傳輸至后端系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)組成

耙吸挖泥船浚測一體化系統(tǒng)的組成主要包括：高密度聲吶陣列測深系統(tǒng)、升降測量平臺、計算機及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件。如圖1所示為測量機構(gòu)安裝示意圖，在船舶艏部左右對稱設(shè)置兩個測量井，在每個測量井內(nèi)安裝一套自動升降測量機構(gòu)，高密聲吶陣列安裝于測量機構(gòu)上。測量機構(gòu)采用分段式組裝模式，無需上塢即可拆裝維護，具備導(dǎo)軌自動除污功能。測量井結(jié)構(gòu)通道內(nèi)焊接有定向?qū)к?，升降平臺上安裝有自潤滑滑塊，升降平臺在定向?qū)к壖s束下做上下升降運動，當(dāng)收回和放下到位時通過升降平臺上的自動鎖緊機構(gòu)鎖緊。高密聲吶陣列固定安裝在升降平臺內(nèi)，實現(xiàn)校準(zhǔn)全自動完成，無需人工進行任何的測前校準(zhǔn)工作。

當(dāng)開啟測量模式時，自動升降機構(gòu)將水下基陣伸出船底板外;當(dāng)測量結(jié)束時，自動升降機構(gòu)將高密聲吶陣列收回至船體內(nèi)。

測量過程無需人工干預(yù)，自動完成測前準(zhǔn)備、測量過程中數(shù)據(jù)采集和傳輸、測后的數(shù)據(jù)自動清洗校準(zhǔn)和成圖，以及成圖數(shù)據(jù)的自動疊加顯示和網(wǎng)絡(luò)化傳輸。開展浚前測量工作時，船舶施工人員僅需在系統(tǒng)軟件中設(shè)置待測區(qū)域，并依照系統(tǒng)自動生成的航測控制線在待測區(qū)域內(nèi)航行即可完成浚前水深數(shù)據(jù)的測量，測量數(shù)據(jù)自動剔除野值并自動成圖，支持?jǐn)?shù)據(jù)的多種模式顯示?？Ｖ袦y量即在船舶施工的同時開展測量，此時高密聲吶陣列掃測的數(shù)據(jù)即是耙頭即將施工區(qū)域的水深數(shù)據(jù)，可為施工人員提供及時的水深數(shù)據(jù)指導(dǎo)，浚中測量時測量數(shù)據(jù)的顯示采用冒泡方式顯示，直觀明了，并可以根據(jù)當(dāng)前耙頭位置和耙頭軌跡預(yù)測，重點顯示即將施工區(qū)域水深數(shù)據(jù)?？：鬁y量的操作流程類似于浚前測量，可充分利用施工間隙、拋泥航行等時間來完成浚后測量，浚后測量數(shù)據(jù)顯示支持與浚前數(shù)據(jù)疊加顯示、淺點自動搜索和顯示等功能，以便于施工人員利用浚后數(shù)據(jù)進行施工質(zhì)量檢查。

2.2 系統(tǒng)性能

測量寬度：耙吸式挖泥船浚測一體化系統(tǒng)測量寬度超過10倍水深。

測點間距：測量水深點間距≤0.5米，完全滿足施工測量要求。

測深范圍：0.5米～100米。

測深精度：符合JT/T790-2010特級或一級精度。

測深設(shè)備最大功率≤500W。

吃水調(diào)整范圍：1～15米，根據(jù)船舶吃水、橫傾角、縱傾角與測量裝置下放深度進行自動修正。

聲速調(diào)整范圍：1400～1600m/s，分辨率0.1m/s。

系統(tǒng)工作環(huán)境溫度：-5℃～50℃。

數(shù)據(jù)：無需配備測量導(dǎo)航（外業(yè)）軟件和數(shù)據(jù)后處理（內(nèi)業(yè)）軟件。

3 精度測試

3.1 高密度聲吶陣列精度測試

3.1.1 高密度聲吶陣列安裝校準(zhǔn)

根據(jù)相關(guān)測量技術(shù)要求，需要對浚測一體化系統(tǒng)的橫搖偏差、縱搖偏差和艏向偏差等三個參數(shù)進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方法如下：

（1）布置兩條平行測線，每條測線往返測量各一次。

（2）以相同的航速完成4條測線的測量。

（3）使用Hypack軟件，完成校準(zhǔn)測線數(shù)據(jù)處理。

（4）使用Hypack軟件的Patch功能模塊，按照技術(shù)要求中規(guī)定，選擇合適的測線和校準(zhǔn)順序，分別計算出橫遙偏差、縱搖偏差和艏向偏差。

（5）重復(fù)（2）-（4）兩次，對每個參數(shù)得到三組校準(zhǔn)，統(tǒng)計校準(zhǔn)平均值和中誤差。

采用Hypack軟件的Patch功能模塊，進行橫搖偏差、縱搖偏差、和艏向偏差的校準(zhǔn)參數(shù)計算。對三組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分別進行處理，得到校準(zhǔn)參數(shù)如表1所示：

由表1可知，高密度聲吶陣列的安裝偏差參數(shù)分別為：橫搖偏差0.04度，縱搖偏差-3.4度，縱搖偏差-0.7度。橫搖偏差、縱搖偏差和艏向偏差的中誤差分別為0.00度、0.10度和0.06度，滿足《多波束測深系統(tǒng)測量技術(shù)要求 JT/T790-2010》中要求的，橫搖中誤差小于0.05度、縱搖中誤差小于0.3度和艏向中誤差小于0.1度的要求。

3.1.2 內(nèi)符合精度測試

完成橫搖偏差、縱搖偏差和艏向偏差測定與校準(zhǔn)后，對其內(nèi)符合精度測試（綜合測深誤差測試），測試方法如下：

（1）選擇水深大于或等于測區(qū)內(nèi)最大水深、水下地形平坦的水域進行。

（2）按正交方向分別布設(shè)2條測線;每個方向的測線測量兩次。

（3）按照相同航速測量，得到4條測量的數(shù)據(jù)。

（4）使用Hyapck軟件處理測量數(shù)據(jù)，并分別得到4條測線的測深點數(shù)據(jù)。

（5）每次選擇4條測線中的2條，對比重疊部分的水深，統(tǒng)計水深比對不符值點數(shù)，不符值點數(shù)不應(yīng)超過參加總比對點數(shù)15%，其中，不符值限差參照公式1中的方法計算（本測試不符值限差為0.29米）。

（6）4條測線兩兩比對，共進行6次統(tǒng)計，得到6次比對結(jié)果和所有比對的總結(jié)果。根據(jù)所選用測試方法得到內(nèi)符合精度測試如表2所示：

由表2可知，超限點比例最大值為3.08%;6組合并統(tǒng)計時，總比對點數(shù)為416，109，超限點數(shù)量僅為9，032，超限點比例為2.17%。6組對比結(jié)果和合并統(tǒng)計結(jié)果均遠(yuǎn)優(yōu)于《技術(shù)要求》中該規(guī)定的不超過15%的要求。

3.1.3 外符合精度測試

內(nèi)符合精度測試滿足限差要求后，還應(yīng)對水深大于或等于測區(qū)內(nèi)的最大水深、水下地形平坦的水域采用單波束測深儀對系統(tǒng)進行水深精度比對，測試方法如下：

（1）使用檢測板的方式對單波束測深精度進行校準(zhǔn)。

（2）選擇水深大于或等于測區(qū)內(nèi)最大水深、水下地形平坦的水域進行。

（3）高密度聲吶陣列測量：按正交方向分別布設(shè)2條測線;每個方向的測線測量兩次。按照相同航速測量，得到4條測量的數(shù)據(jù)。

（4）單波束測量：沿正交方向、按與多波速測線平行的方式布設(shè)兩組平行線，每組測線3條。按照相同航速測量，得到單波束測量數(shù)據(jù)。

（5）以單波束測深結(jié)果為參照，比對高密度聲吶陣列測深系統(tǒng)測量結(jié)果，統(tǒng)計水深比對不符點的數(shù)量，計算不符點比例，給出外符合精度測試結(jié)果。

使用Hyapck軟件對高密度聲吶陣列和單波束測量數(shù)據(jù)進行處理，以單波束測深結(jié)果為參考，對高密度聲吶陣列測量的水深精度進行比對，各測點的測量結(jié)果統(tǒng)計如表3所示：

由表3可知，對于12456個重合點，有236個點超過《多波束測深系統(tǒng)測量技術(shù)要求 JT/T790-2010》規(guī)定的不符值限，超限點比例為1.89%，滿足《多波束測深系統(tǒng)測量技術(shù)要求 JT/T790-2010》規(guī)定的超限點比例不超15%的要求。

3.2實船精度測試

將浚測一體化系統(tǒng)安裝至長鯨7號耙吸挖泥船，并在長江口岸直水道附近施工過程中進行精度測試，測試方法如下：

（1）在同一施工區(qū)域進行多次反復(fù)測量，然后對測量數(shù)據(jù)進行隨機比對。

（2）在同一施工區(qū)域針對不同浚次進行測量，形成單獨記錄文件，結(jié)合施工軌跡進行地形比對。

（3）安排測量隊對同一施工區(qū)域進行高密度測量，通過系統(tǒng)軟件中的數(shù)據(jù)比對功能模塊對同上述1和2的數(shù)據(jù)進行比對。

對比數(shù)據(jù)如圖2所示：

4 結(jié)論

（1）利用密度聲吶陣列技術(shù)，并集成了疏浚同步核心算法和多維數(shù)據(jù)修正等技術(shù)手段，設(shè)計了一套適用于耙吸挖泥船浚測一體化系統(tǒng)。

（2）浚測一體化系統(tǒng)各項精度指標(biāo)均符合有關(guān)系統(tǒng)測量精度技術(shù)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜疏浚水域的水深測量和河床地形探測。

（3）耙吸挖泥船浚測一體化系統(tǒng)能夠?qū)崟r為疏?？刂葡到y(tǒng)提供精確的河床感知數(shù)據(jù)，實現(xiàn)施工和測量同步進行，能有效解決傳統(tǒng)疏浚施工中浚測分離的弊端，提高疏浚施工的質(zhì)量和效率。

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