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        探究無人測(cè)量船在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用前景

        2023-08-02 09:12:12洪德玫張子航
        中國(guó)水運(yùn) 2023年6期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量作業(yè)

        洪德玫,張子航

        (長(zhǎng)江蕪湖航道處,安徽 蕪湖 241000)

        水下地形測(cè)量是主要針對(duì)河流航道內(nèi)水深、是否存在淤泥出攤、是否存在礙航物等展開測(cè)量,如水下礁石、沉船等可能阻礙航道暢通的因素。傳統(tǒng)水下地形測(cè)量中,主要依靠人工驅(qū)動(dòng)的船只搭載探測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)量,受技術(shù)、資金、氣候等多種條件限制,水下地形測(cè)量的局限性較強(qiáng),同時(shí)需要多種設(shè)備儀器的搭配使用,才能得出相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果。無人測(cè)量船的應(yīng)用,具備了對(duì)水下地形實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量的方式,能有效突破傳統(tǒng)測(cè)量中存在的局限性,也可以避免在危險(xiǎn)區(qū)域開展測(cè)量作業(yè)引發(fā)的安全事故,因此無人測(cè)量船在水下地形測(cè)量中備受青睞。

        1 無人測(cè)量船的優(yōu)勢(shì)

        無人測(cè)量船系統(tǒng)主要由遙控?zé)o人船測(cè)量子系統(tǒng)、岸基控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。遙控?zé)o人測(cè)量船子系統(tǒng)主要包括力系統(tǒng)、陀螺儀、CCD 攝像頭、船上控制系統(tǒng)等多個(gè)部分;岸基控制子系統(tǒng)主要具備無線傳輸與交互界面控制等功能,可用于對(duì)船上數(shù)據(jù)的接收與處理,也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無人測(cè)量船的遠(yuǎn)程控制,驅(qū)動(dòng)無人測(cè)量船多角度展開測(cè)量[1]。其主要構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)終端(筆記本電腦)、遙控器、無線電臺(tái)等,有助于在作業(yè)區(qū)域周邊開闊位置實(shí)時(shí)對(duì)船只展開控制,在岸基控制系統(tǒng)的幫助下,能有效提高船只控制的精度,便于船只更高效地完成作業(yè)。

        在水下地形測(cè)量中,無人測(cè)量船屬于一種比較新穎的測(cè)量方式,在我國(guó)經(jīng)過多年應(yīng)用后,已逐漸實(shí)現(xiàn)與智能化探測(cè)技術(shù)、信息技術(shù)等技術(shù)手段的融合應(yīng)用,也使得無人測(cè)量船的自動(dòng)化與智能化水平大幅提升,在實(shí)際作業(yè)中無人測(cè)量船體現(xiàn)出了顯著穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性、全面性等測(cè)量特性,目前已逐漸實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)載人船作業(yè)形式的替代,在水下地形測(cè)量中無人測(cè)量船的應(yīng)用范圍越來越廣。

        無人測(cè)量船具有安全、可靠、低成本等優(yōu)勢(shì),由于其具備遠(yuǎn)程控制功能和小型化等特性,所以可以在不載人的情況下開展測(cè)量作業(yè),能減少在危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)時(shí)發(fā)生安全事故的概率。無人測(cè)量船的船體偏小,具有攜帶便捷、靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),船體搭載通信系統(tǒng)與傳感器系統(tǒng),系統(tǒng)功能優(yōu)越性較強(qiáng),能在精準(zhǔn)獲取測(cè)量數(shù)據(jù)后實(shí)現(xiàn)高效地傳遞與處理,同時(shí)在傳感器的作用下還能自動(dòng)避開水下障礙物,更靈活地展開水下地形測(cè)量作業(yè)。

        無人測(cè)量船的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,搬運(yùn)十分便捷,在測(cè)量前準(zhǔn)備與實(shí)際測(cè)量中花費(fèi)的時(shí)間較少,可以根據(jù)斷面數(shù)據(jù)間隔要求合理對(duì)采樣間隔進(jìn)行設(shè)置,且不容易受人為因素的干擾,同時(shí)在測(cè)量作業(yè)中需要的人員數(shù)量減少,能節(jié)省水下地形測(cè)量的成本支出。

        2 無人測(cè)量船的主要功能

        2.1 智能導(dǎo)航

        無人測(cè)量船一般有兩種導(dǎo)航模式,分別為手動(dòng)與自動(dòng),用戶可以通過工作需要靈活切換導(dǎo)航模式。自動(dòng)導(dǎo)航模式一般是水下地形測(cè)量的首選,切換該模式后,主要由用戶提前設(shè)計(jì)無人測(cè)量船的測(cè)量路線,實(shí)現(xiàn)船只自動(dòng)航行,能減少手動(dòng)操作帶來的麻煩,采用RTK 數(shù)據(jù)定位自主導(dǎo)航,能保證走線的精準(zhǔn)性,有效減少船只運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的航線誤差,更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)對(duì)水下地形地貌的測(cè)量。手動(dòng)模式主要通過操作遙控器的方式對(duì)船只航行進(jìn)行控制,手動(dòng)與自動(dòng)的結(jié)合更容易提高航向的準(zhǔn)確性,能有效避免無人測(cè)量船在航行時(shí)與各種障礙物發(fā)生碰撞。

        2.2 數(shù)據(jù)采集

        主要是在GPS 的幫助下,為無人測(cè)量船的航行及測(cè)量提供定位信息,采用RTK 技術(shù)提高對(duì)位置信息精度提供保障,通過在岸邊設(shè)置基準(zhǔn)站的方式快速獲取信息,并通過電臺(tái)將獲取的信號(hào)發(fā)射給船只搭載的GPS裝置,提高航行的精準(zhǔn)性,也可以不考慮架設(shè)基準(zhǔn)站,直接使用CORS 信號(hào)。

        2.3 傳感器系統(tǒng)

        無人測(cè)量船打造了多種傳感器裝置集成的傳感器系統(tǒng),在水下地形測(cè)繪中,如側(cè)掃、水質(zhì)分析、測(cè)流、測(cè)深等功能的實(shí)現(xiàn),主要得益于多種傳感器的幫助,能快速幫助用戶捕捉各種水下信息,傳感器系統(tǒng)的功能會(huì)直接給水下地形測(cè)量的結(jié)果產(chǎn)生影響[2]。

        2.4 定位測(cè)深數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

        利用無線電臺(tái)將測(cè)深、定位等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至岸基的客戶端,便于實(shí)時(shí)對(duì)定位、水深等數(shù)據(jù)進(jìn)行查看,因此無人測(cè)量船還具有無線實(shí)時(shí)傳輸與存儲(chǔ)的功能。還可以直接將測(cè)深、定位等數(shù)據(jù)記錄在測(cè)深儀器存儲(chǔ)器內(nèi),便于后期對(duì)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出和處理。

        3 無人測(cè)量船的市場(chǎng)需求

        傳統(tǒng)水下地形測(cè)量中,主要使用吃水較深、體積較大的船只,通過搭載GPS、測(cè)深設(shè)備等開展作業(yè),此類載人船只難以到達(dá)障礙物較多、淺水、岸邊等區(qū)域進(jìn)行作業(yè);而采用吃水較淺的橡皮艇、竹筏等開展水下地形測(cè)量,或者直接采取人工蹚水的方式有較高危險(xiǎn)性,且測(cè)量精度、效率得不到保障,尤其是在危險(xiǎn)水域不適合采用上述兩種方法。所以在當(dāng)前的水下地形測(cè)量領(lǐng)域,迫切需要一種更安全、高效、便捷的工具彌補(bǔ)傳統(tǒng)載人船只在水下地形測(cè)量中的缺陷,無人測(cè)量船的出現(xiàn),剛好能滿足水下地形測(cè)量的多種需求,有助于處理好水下地形測(cè)量安全隱患多、吃水淺、作業(yè)范圍狹窄、數(shù)據(jù)獲取難等多方面缺陷,因此無人測(cè)量船在當(dāng)前的市場(chǎng)中得到了有效推廣。

        4 無人測(cè)量船在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

        4.1 水下地形測(cè)量

        水下地形測(cè)量開始前需要做好充足準(zhǔn)備工作,工作人員需要提前做好對(duì)水下測(cè)量軟件的調(diào)試、坐標(biāo)系統(tǒng)精度校正、定位時(shí)間等準(zhǔn)備工作,盡量減少因系統(tǒng)問題導(dǎo)致的水下地形測(cè)量誤差。在連接好GNSS 設(shè)備后正式開始測(cè)量工作。首先可以切換自動(dòng)模式,在無人測(cè)量船進(jìn)入特定水域后開展測(cè)量工作。水下地形測(cè)量中,可以采取智能控制技術(shù)手段,提前對(duì)無人測(cè)量船的航線進(jìn)行設(shè)置,提高水下地形測(cè)量的自動(dòng)化水平。工作人員要通過相關(guān)軟件對(duì)水面、水下情況進(jìn)行調(diào)查、分析,科學(xué)設(shè)置航線,盡量減少航線誤差。無人測(cè)量船在運(yùn)行過程中,船只需要保持勻速、直線的運(yùn)行狀態(tài),在改變測(cè)線時(shí),徐亞奧進(jìn)行精準(zhǔn)定位,盡量減少船只的浮動(dòng)、擺動(dòng),科學(xué)進(jìn)行變速、專項(xiàng)[3]。整個(gè)過程中,要盡量減少風(fēng)浪給水下地形測(cè)量帶來的不良影響,所以在測(cè)量前還需要做好對(duì)風(fēng)浪高度的調(diào)查,選擇合適的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。在線測(cè)量中還可能面臨最淺點(diǎn)等測(cè)漏問題,所以還需要做好對(duì)此類問題的準(zhǔn)確控制,在前期準(zhǔn)備中進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè),注重對(duì)測(cè)量位點(diǎn)及測(cè)量間距展開控制。對(duì)無人測(cè)量船在水下地形測(cè)量中可能存在的問題,需要工作人員做好內(nèi)業(yè)整理工作,便于獲取準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯與校準(zhǔn)后,需要使用相應(yīng)的軟件對(duì)數(shù)據(jù)展開分析,在科學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上做好對(duì)水下地形的分析,對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行歸納整理。針對(duì)測(cè)量資料的分類編排,可以與既往水下地形資料展開對(duì)比,結(jié)合無人測(cè)量船獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行圖紙編制,為后續(xù)各項(xiàng)工作的開展提供科學(xué)指導(dǎo),同時(shí)形成準(zhǔn)確的技術(shù)對(duì)比報(bào)告。

        4.2 布置檢查線

        水下地形測(cè)量中,無人測(cè)量船在運(yùn)行過程中,需要提前在作業(yè)區(qū)域內(nèi)構(gòu)筑所在位置的檢查線,保證其與主測(cè)深線保持垂直,長(zhǎng)度需要超過主測(cè)深線,同時(shí)要對(duì)主測(cè)深線與檢查線交叉位置的高度差進(jìn)行檢查,一般高度差不能超過0.2m[4]。在此期間,需要結(jié)合水下地形測(cè)量的相應(yīng)規(guī)范,嚴(yán)格控制好無人測(cè)量船的測(cè)量精度,盡量將測(cè)量誤差控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),這是水下地形策略的關(guān)鍵,也是保證測(cè)量作業(yè)有效性的一種手段,只有這樣才能將無人測(cè)量船的最大價(jià)值發(fā)揮出來。

        4.3 嚴(yán)格管理無人測(cè)量船

        為了在水下地形測(cè)量中,提高無人測(cè)量船運(yùn)行的自動(dòng)化與智能化水平,需要針對(duì)無人測(cè)量船的運(yùn)行搭建一個(gè)運(yùn)行管理體系,通過制度執(zhí)行嚴(yán)格規(guī)范無人測(cè)量船的運(yùn)行行為,便于更高效地完成水下地形測(cè)量工作,充分將無人測(cè)量船的智能化優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來。首先,需要重視通過技術(shù)的優(yōu)化與升級(jí),提高無人測(cè)量船的工作效果,注重引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)手段與技術(shù)裝置,便于提高無人測(cè)量船在復(fù)雜環(huán)境下的工作能力,更好地發(fā)揮自身測(cè)量作用。具體進(jìn)行水下地形測(cè)量時(shí),船只運(yùn)行視線可能會(huì)受到影響,包括系統(tǒng)判斷障礙物距離的效果,可能給無人測(cè)量船的運(yùn)行帶來安全隱患,所以無人測(cè)量船還需要打造具備防碰撞功能的探測(cè)元件,通過自動(dòng)對(duì)障礙物進(jìn)行識(shí)別,減少作業(yè)期間發(fā)生碰撞的概率。其次,要重視對(duì)岸基控制系統(tǒng)的優(yōu)化,注重岸基控制系統(tǒng)與無人測(cè)量船信息交流單元的準(zhǔn)確連接,以此強(qiáng)化對(duì)無人測(cè)量船運(yùn)行過程的管控,便于及時(shí)將水下地形測(cè)量中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳遞,如利用通信系統(tǒng)將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)信息快速傳回?cái)?shù)據(jù)控制中心,及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理、分析,確保無人測(cè)量船的使用能進(jìn)一步達(dá)到預(yù)期效果[5]。倘若無人測(cè)量船切換了手動(dòng)控制的模式,需要重視對(duì)視頻傳輸功能模型的優(yōu)化,利用無人測(cè)量船上搭載的攝像頭,實(shí)現(xiàn)對(duì)所需信息的實(shí)時(shí)采集,或者通過超聲波實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的識(shí)別和自動(dòng)避讓,準(zhǔn)確對(duì)障礙物與無人測(cè)量船之間的距離進(jìn)行判斷,保證作業(yè)的安全性,提高水下地形測(cè)量整體效率。

        4.4 完善水下地形測(cè)量流程

        水下地形測(cè)量流程中,考慮到傳統(tǒng)載人船測(cè)量的方式在安全性上得不到保障,且測(cè)量范圍存在局限性,因此使用無人測(cè)量船有著巨大價(jià)值,不過在實(shí)際采用無人測(cè)量船時(shí),需要對(duì)水下地形測(cè)量的工作流程進(jìn)行完善。首先,需要準(zhǔn)備適當(dāng)型號(hào)的無人測(cè)量船,做好對(duì)無人測(cè)量船參數(shù)的設(shè)置,重點(diǎn)檢查測(cè)深儀、計(jì)算機(jī)等設(shè)備,保證各項(xiàng)設(shè)備功能完整,并做好對(duì)作業(yè)區(qū)域的觀察,提前對(duì)無人測(cè)量船的航行路線進(jìn)行確定。其次,可以采用CORS 信號(hào)開展測(cè)量作業(yè),如本次作業(yè)缺少已知控制點(diǎn),不具備對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行校檢的條件時(shí),要對(duì)已知控制點(diǎn)進(jìn)行確定,保證高程、平面坐標(biāo)等均符合規(guī)定要求才能進(jìn)行測(cè)量作業(yè)[6]。實(shí)際測(cè)量中,需要靈活切換自動(dòng)與手動(dòng)兩種無人測(cè)量船操控模式,嚴(yán)格控制好模式切換的時(shí)間、間隔,如針對(duì)岸邊水深度較淺的區(qū)域,適合采用手動(dòng)控制的模式。最后,工作人員需要在視野比較開闊的位置對(duì)無人測(cè)量船進(jìn)行操控,嚴(yán)格控制好采樣的時(shí)間與位置間距,在完成一系列操作后及時(shí)將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并進(jìn)行內(nèi)業(yè)整理,為繪制地形圖做好充分準(zhǔn)備。

        5 無人測(cè)量船的應(yīng)用前景

        5.1 智能化

        無人測(cè)量船在水下地形測(cè)量中,最大優(yōu)勢(shì)在于支持獨(dú)立自主的測(cè)量作業(yè),因此怎樣提高無人測(cè)量船的自主能力、智能化水平是未來發(fā)展的關(guān)鍵,只有這樣才能在未來的水下地形測(cè)量中,靈活應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境,完成不同的測(cè)量任務(wù),這也是目前無人測(cè)量船研究及應(yīng)用的重難點(diǎn)。

        5.2 標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化發(fā)展

        為進(jìn)一步提高無人測(cè)量船的質(zhì)量及整體性能,保證無人測(cè)量船運(yùn)行及控制的便捷性,有效降低船只運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),減少無人測(cè)量船的研制周期、研制成本,提高其與鄰近船只的協(xié)同作業(yè)能力,無人測(cè)量船將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展,便于各船只系統(tǒng)間的準(zhǔn)確對(duì)接。無人測(cè)量船的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展需要提出有關(guān)軟件標(biāo)準(zhǔn)接口、數(shù)據(jù)格式等方面的概念,在設(shè)計(jì)與研制過程中,分模塊進(jìn)行布局,將進(jìn)一步提高無人測(cè)量船在水下地形測(cè)量中的作業(yè)能力及整體性能。

        6 結(jié)語

        綜上所述,無人測(cè)量船在水下地形測(cè)量中有著良好應(yīng)用前景,相比于傳統(tǒng)載人船的測(cè)量方式,無人測(cè)量船在實(shí)際作用中能體現(xiàn)出安全、靈活、便捷等特征,其無人測(cè)量船具有較強(qiáng)隱蔽性和更低的運(yùn)維成本,能進(jìn)一步提高工作人員執(zhí)行高強(qiáng)度、高風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè),減少工作人員重復(fù)性與長(zhǎng)周期的工作。面向未來,無人測(cè)量船的技術(shù)研發(fā)將更加成熟,其應(yīng)用范圍會(huì)得到不斷拓展,將逐漸實(shí)現(xiàn)從江河領(lǐng)域向深遠(yuǎn)海領(lǐng)域延伸,系統(tǒng)也將具備完全獨(dú)立、完整作業(yè)等方面的能力。

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