周紹陽(yáng)，陳健健，蔣建平

摘要：無(wú)人船憑借其靈敏性強(qiáng)、運(yùn)行速度快、方便便捷等優(yōu)勢(shì)，目前已廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)及水下地形測(cè)量領(lǐng)域，但在水文流量測(cè)驗(yàn)領(lǐng)域應(yīng)用較少。主要介紹了無(wú)人船系統(tǒng)的組成、測(cè)流原理以及技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合淮安四線船閘工程水文流量測(cè)驗(yàn)，詳細(xì)介紹無(wú)人船系統(tǒng)測(cè)流的方法并分析影響測(cè)驗(yàn)精度的因素。結(jié)果表明：基于北斗高精度全球定位系統(tǒng)與無(wú)人船自動(dòng)控制技術(shù)的無(wú)人船系統(tǒng)，不僅提高了測(cè)流效率，降低了人員涉水風(fēng)險(xiǎn)，且在復(fù)雜水域條件下，精度可靠。

關(guān)鍵詞：流量測(cè)驗(yàn)； 無(wú)人船； ADCP； 淮安四線船閘

中圖法分類(lèi)號(hào)：P332.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.003

文章編號(hào)：1006-0081（2023）09-0015-05

0引言

流量是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)江河某一橫斷面的水體體積，是反映江河等水體水量變化的基本數(shù)據(jù)，也是河流最重要的水文特征值［1］。傳統(tǒng)的流速儀、浮標(biāo)等測(cè)流方法逐漸被走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）測(cè)流方法取代 ［2-4］。然而，基于纜道拖拽三體船的走航式ADCP測(cè)流，需要布設(shè)纜道，適用于斷面窄且無(wú)通航需求的基本水文斷面，在工程流量測(cè)驗(yàn)中應(yīng)用較少，基于人工船的走航式ADCP測(cè)流，在實(shí)際工程應(yīng)用中普遍存在租船困難、儀器安裝費(fèi)時(shí)、面對(duì)淺灘水域測(cè)量精度不高等問(wèn)題［5-7］。無(wú)人船是無(wú)人駕駛船的簡(jiǎn)稱，一般是以有動(dòng)力的船體為平臺(tái)，搭載通訊設(shè)備、控制設(shè)備和特殊功能設(shè)備，開(kāi)展某項(xiàng)特殊工作［8］。當(dāng)前無(wú)人船的研究主要集中在軍事領(lǐng)域［9-10］，近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，基于北斗高精度全球定位系統(tǒng)與無(wú)人船自動(dòng)控制技術(shù)的無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)日漸成熟，目前已廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水下地形測(cè)量等方面，但在水文測(cè)量的應(yīng)用較少［11-13］。

工程流量測(cè)驗(yàn)區(qū)別于水文站流量監(jiān)測(cè)，水文站流量監(jiān)測(cè)斷面是通過(guò)勘查分析確定的，一般情況下斷面與水流變化穩(wěn)定，而工程流量測(cè)驗(yàn)都是臨時(shí)布置的測(cè)驗(yàn)斷面，斷面水流、泥沙特性復(fù)雜。船閘工程流量測(cè)驗(yàn)，不僅需要考慮流量測(cè)驗(yàn)斷面特性，還需考慮其他配套水利工程運(yùn)行情況、船舶通航等因素，對(duì)流量測(cè)驗(yàn)時(shí)機(jī)、精度以及安全要求更高。為解決上述難題，嘗試將無(wú)人船系統(tǒng)應(yīng)用于船閘工程流量測(cè)驗(yàn)。本文主要介紹華微4號(hào)無(wú)人船系統(tǒng)的組成、測(cè)流原理以及技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并以淮安四線船閘工程流量測(cè)驗(yàn)為例，詳細(xì)說(shuō)明無(wú)人船系統(tǒng)測(cè)流的方法并分析測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證無(wú)人船系統(tǒng)測(cè)流的可行性。

1無(wú)人船系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)組成

無(wú)人船系統(tǒng)依靠無(wú)人船平臺(tái)，集成導(dǎo)航模塊、測(cè)深系統(tǒng)、GNSS定位定向系統(tǒng)、岸基操控等模塊為一體，搭載ADCP，可實(shí)現(xiàn)快速、高效獲取斷面流量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)分為船體、通訊單元、控制單元、數(shù)據(jù)采集單元等，各部分簡(jiǎn)介如下。圖1為華微4號(hào)無(wú)人船。

（1） 船體。作為搭載測(cè)量和通信設(shè)備的基本平臺(tái)，華微4號(hào)是由高分子聚酯碳纖維、凱夫拉布材質(zhì)構(gòu)建的三體船，具有耐腐蝕、質(zhì)量小的特點(diǎn)。

（2） 通訊單元。無(wú)人船依靠通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)射頻點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式實(shí)現(xiàn)和岸基控制單元的相互通信，將無(wú)人船的工作狀態(tài)、姿態(tài)、測(cè)量數(shù)據(jù)等傳輸?shù)桨痘到y(tǒng)。華微4號(hào)可采用電臺(tái)、4G通信以及網(wǎng)橋的方式進(jìn)行通信。

（3） 控制單元。借助便攜式計(jì)算機(jī)、遙控器以及通信單元實(shí)現(xiàn)無(wú)人船的航行控制。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水域環(huán)境，測(cè)量人員可自主選擇自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式，且可在兩種控制方式中自由切換。同時(shí)，通過(guò)AutoPlanner無(wú)人船控制軟件可實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、自主導(dǎo)航、船體參數(shù)控制等功能。

（4） 數(shù)據(jù)采集單元。華微4號(hào)的水深、三維坐標(biāo)和羅經(jīng)、流量數(shù)據(jù)分別通過(guò)內(nèi)置在船體的測(cè)深儀、GNSS和ADCP采集，數(shù)據(jù)通過(guò)通信天線實(shí)時(shí)傳輸給岸基控制系統(tǒng)。華微4號(hào)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2測(cè)流原理

基于無(wú)人船系統(tǒng)的流量測(cè)驗(yàn)實(shí)質(zhì)是走航式ADCP流量測(cè)驗(yàn)，其基本原理為聲學(xué)多普勒效應(yīng)。ADCP測(cè)量流速剖面，其換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后聆聽(tīng)被水體中顆粒物散射回來(lái)的聲波［14］。聲學(xué)多普勒頻移則由下式確定：

Fd=2FsVC（1）

式中，F(xiàn)d為聲學(xué)多普勒頻移，Hz；Fs為發(fā)射波頻率，Hz；V為顆粒物沿聲束方向的移動(dòng)速度，m/s；C為聲波在水中的傳播速度，m/s。

根據(jù)公式（1）便可計(jì)算出水流速度。計(jì)算公式如下：

V′=1000FdC′2FscosA（2）

式中，V′為水流速度，m/s；C′為ADCP換能器表面處的聲速，m/s；A為波束方向與流速方向的夾角，（°）。

通過(guò)無(wú)人船搭載ADCP進(jìn)行的流量測(cè)驗(yàn)是基于“流速面積法”實(shí)現(xiàn)的，流量計(jì)算公式如下：

Q=S（u·n）ds（3）

式中，Q為流量；S為河流某斷面面積；u為河流斷面某點(diǎn)處流速矢量；n為作業(yè)船航跡上的單位法線矢量；ds為河流斷面上微元面積。

1.3技術(shù)優(yōu)勢(shì)

華微4號(hào)無(wú)人船系統(tǒng)，結(jié)合了北斗高精度全球定位系統(tǒng)與無(wú)人船自動(dòng)控制技術(shù)，采用水文走航式ADCP斷面水流測(cè)驗(yàn)設(shè)計(jì)，具備自動(dòng)航行、自適應(yīng)水流直線與懸停功能。相比基于人工船的走航式ADCP流量測(cè)驗(yàn)方法，具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1） 能夠確保船體姿態(tài)平穩(wěn)、船速穩(wěn)定均勻、航線基本直線，可快速、準(zhǔn)確測(cè)得位置、水深、流速流量等數(shù)據(jù)；

（2） 船體小巧輕便，可以車(chē)載運(yùn)輸，顯著降低作業(yè)成本；

（3） 船體小、吃水淺，適用于淺水區(qū)域作業(yè)，能夠有效增加實(shí)測(cè)流量面積，提高測(cè)驗(yàn)精度；

（4） 免安裝校準(zhǔn)，避免儀器校準(zhǔn)誤差，提高了作業(yè)效率和測(cè)驗(yàn)精度；

（5） 免人員涉水，改善了作業(yè)方式，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

2實(shí)測(cè)與分析

2.1工程概況

京杭運(yùn)河北起北京，南至杭州，流經(jīng)北京、天津、河北、山東、江蘇、浙江6省市，溝通了海河、黃河、淮河、長(zhǎng)江、錢(qián)塘江五大水系，全長(zhǎng)1 797 km，是國(guó)家水運(yùn)主通道?；窗泊l屬于京杭運(yùn)河蘇北運(yùn)河段的重要組成部分，由于現(xiàn)狀三線船閘常年滿負(fù)荷運(yùn)行，待閘時(shí)間較長(zhǎng)，水路運(yùn)輸效率降低，開(kāi)展淮安四線船閘工程刻不容緩。規(guī)劃建設(shè)的淮安四線船閘工程位于淮安市淮安區(qū)，包括船閘工程（新建四線船閘、上下游引航道）、橋梁工程（改建橋梁1座，新建橋梁1座）以及附屬和配套工程（航標(biāo)工程、信息化工程、船閘輔助生產(chǎn)設(shè)施等）。

本次流量測(cè)驗(yàn)區(qū)域位于淮安抽水三站、淮安引江閘、沙莊引江閘河道內(nèi)，共布置5條測(cè)流斷面，分別為運(yùn)河大斷面CS1，沙莊引河口門(mén)CS2，船閘下游CS3，抽水三站引河CS4，淮安引江閘斜引河CS5，具體位置見(jiàn)圖2。

2.2外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本次采用華微4號(hào)無(wú)人船搭載RDI瑞普1200K ADCP開(kāi)展水文流量測(cè)驗(yàn)。無(wú)人船系統(tǒng)開(kāi)展流量測(cè)驗(yàn)主要有以下4個(gè)步驟。

（1） 安裝與調(diào)試無(wú)人船系統(tǒng)。主要有ADCP、電池組、4G天線和遙控天線的安裝以及遙控器、螺旋槳的調(diào)試等。

（2） 通信設(shè)置并設(shè)置測(cè)流參數(shù)。本次采用4G連接無(wú)人船與ADCP，并配置CORS實(shí)現(xiàn)定位定向功能，通過(guò)WinRiver測(cè)流軟件配置ADCP參數(shù)，主要參數(shù)如下：測(cè)深單元深度0.1 m，盲區(qū)0.25 m，脈沖間隔0.01 s，每組信號(hào)脈沖數(shù)4個(gè)，底部跟蹤信號(hào)數(shù)4個(gè)，測(cè)流船速＜2 m/s，GNSS采樣間隔小于0.1 s，且與ADCP同步。

（3） 規(guī)劃航線。通過(guò)AutoPlanner無(wú)人船控制軟件規(guī)劃航線。

（4） 流量測(cè)驗(yàn)。① 操控?zé)o人船到測(cè)流斷面位置后停止控制，讓無(wú)人船順流漂動(dòng)3 s，獲取水流方向與流速；② 操控?zé)o人船駛至岸邊并開(kāi)啟懸停模式；③ 解除懸停，讓無(wú)人船自動(dòng)沿垂直河流的方向駛至對(duì)岸，待達(dá)到預(yù)設(shè)位置后，無(wú)人船自動(dòng)懸停，停止ADCP測(cè)驗(yàn)。

通過(guò)完成上述4個(gè)步驟，無(wú)人船即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)流，航行一個(gè)往返，完成一個(gè)斷面的流量測(cè)驗(yàn)。

圖3為航線規(guī)劃示意圖，圖4為WinRiver測(cè)流軟件界面。

2.3內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用WinRiver軟件，具體處理流程如下：

（1） 數(shù)據(jù)檢查，主要對(duì)ADCP施測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放檢查，確保數(shù)據(jù)完整、正確以及參數(shù)設(shè)置合理。

（2） 判斷是否存在“動(dòng)底”，河流一般在含沙量或流速較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致ADCP一定頻率的測(cè)定“底”是沿河床運(yùn)動(dòng)的，此種情況稱為“動(dòng)底”。無(wú)人船系統(tǒng)因集成了GNSS羅經(jīng)，通過(guò)“底”跟蹤與GGA航跡圖及羅經(jīng)校準(zhǔn)表可判斷是否存在“動(dòng)底”，本次測(cè)驗(yàn)經(jīng)分析無(wú)“動(dòng)底”，流量成果采用底跟蹤數(shù)據(jù)。

（3） 非實(shí)測(cè)區(qū)域推求，根據(jù)ADCP測(cè)流原理，ADCP施測(cè)的是中間部分流量，上層盲區(qū)部分、底層旁瓣部分和兩岸邊非實(shí)測(cè)區(qū)的流量需要采用相關(guān)方法推求獲得。上、下盲區(qū)的流量根據(jù)斷面實(shí)際流速分布率定推求。根據(jù)測(cè)船起點(diǎn)及終點(diǎn)位置，利用測(cè)流斷面成果計(jì)算水邊距離，再根據(jù)岸邊類(lèi)型選擇合適系數(shù)推求岸邊流量。

（4） 流量計(jì)算，完成上述步驟后通過(guò)WinRiver回放軟件摘錄單次斷面總流量，并計(jì)算斷面流量。

本次流量測(cè)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

2.4精度評(píng)價(jià)

由于本次測(cè)驗(yàn)斷面控制條件各不相同，流量測(cè)驗(yàn)精度差異較大，結(jié)合無(wú)人船系統(tǒng)和船閘工程特性，分類(lèi)各斷面測(cè)驗(yàn)精度情況，具體精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

（1） 大流量斷面CS1，該斷面較寬，水深較深，實(shí)測(cè)總流量為274 m3/s，實(shí)測(cè)流量占比約83.2%，是影響測(cè)驗(yàn)精度的主要原因。雖然因測(cè)驗(yàn)時(shí)機(jī)要求以及受船舶通航影響，船速較快，船速與水流速度比值達(dá)到1.68～2.38，但對(duì)測(cè)驗(yàn)精度影響甚微，半測(cè)回誤差為0，測(cè)驗(yàn)精度較高。

（2） 大流速、窄深型斷面CS2，該斷面較窄，水深較深，水流流速大，斷面平均流速達(dá)到0.84 m/s，是理想的測(cè)流斷面。實(shí)測(cè)流量占比約74.4%，船速與水流速度比值小。雖然右岸附近受渦流影響，船跡呈彎曲形狀，但對(duì)測(cè)驗(yàn)精度影響較小，半測(cè)回誤差分別為-0.6%，0.6%，測(cè)驗(yàn)精度較高。

（3） 小流速、窄深型斷面CS3，該斷面較窄，水深較深，水流流速雖小但流態(tài)穩(wěn)定，實(shí)測(cè)流量占比約為76.6%，船速與水流速度接近，最大半測(cè)回誤差為0.9%，測(cè)驗(yàn)精度較高。

（4） 受紊流影響的小流量斷面CS4，該斷面相對(duì)較寬，水深較淺，實(shí)測(cè)流量占比約為68.3%，底部盲區(qū)占比較大是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏少的主要原因。受抽水三站運(yùn)行影響，斷面左岸附近紊流嚴(yán)重，靠近左岸區(qū)域又是急流區(qū)，水流流速、流向變化劇烈，采用無(wú)人船系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)驗(yàn)時(shí)船體姿態(tài)易失控，所以在左岸附近只能采用遙控器手動(dòng)測(cè)驗(yàn)，等流態(tài)穩(wěn)定后立即切換為自動(dòng)測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｊ謩?dòng)測(cè)驗(yàn)相比自動(dòng)測(cè)驗(yàn)，船體姿態(tài)不穩(wěn)，船艏擺動(dòng)幅度較大。該斷面施測(cè)一個(gè)測(cè)回時(shí)精度不滿足要求，因此共施測(cè)2個(gè)測(cè)回。半測(cè)回誤差介于-2.3%～3.8%，測(cè)驗(yàn)精度滿足T/CHES 61-2021《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求，但測(cè)驗(yàn)精度一般。

（5） 受水草影響的小流量斷面CS5，該斷面特性基本與CS4一致，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏少。受水上攔污裝置影響，大片水草淤積在斷面左岸附近。為防止水草纏繞螺旋槳引起無(wú)人船系統(tǒng)失控，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)時(shí)采用遙控器手動(dòng)測(cè)驗(yàn)，等避開(kāi)水草區(qū)域后則立即切換為自動(dòng)測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。因?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)偏少及采用手動(dòng)測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，最大半測(cè)回誤差為1.6%，測(cè)驗(yàn)精度一般。

2.5合理性檢查

為滿足分析需要，在流量測(cè)驗(yàn)期間關(guān)閉淮安三線船閘，保證淮安抽水三站、淮安引江閘、沙莊引江閘正常運(yùn)行。根據(jù)水量平衡原理，理論上CS1流量為CS2流量與CS3流量之和，CS3流量為CS4流量與CS5流量之和。實(shí)際計(jì)算結(jié)果如表2所示，CS1斷面流量的閉塞差為1.1%，CS3斷面流量的閉塞差為1.0%，流量數(shù)據(jù)合理。綜上所述，基于無(wú)人船系統(tǒng)的走航式ADCP流量測(cè)驗(yàn)精度可靠，能夠滿足船閘工程水文流量測(cè)驗(yàn)要求。

3結(jié)論與建議

（1） 無(wú)人船系統(tǒng)基于北斗高精度全球定位系統(tǒng)與無(wú)人船自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)航行和自適應(yīng)水流直線功能，增加了實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)數(shù)量，確保了勻速直線走航測(cè)驗(yàn)，提高了流量測(cè)驗(yàn)精度，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了作業(yè)效率，能夠滿足船閘工程流量測(cè)驗(yàn)的需求，在工程流量測(cè)驗(yàn)領(lǐng)域有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用前景。

（2） 淮安四線船閘工程流量測(cè)驗(yàn)驗(yàn)證了基于無(wú)人船系統(tǒng)的流量測(cè)驗(yàn)精度可靠，但在斷面控制條件較差的情況，比如岸邊存在水草、水流紊亂等復(fù)雜水域條件下，測(cè)驗(yàn)精度會(huì)降低。建議進(jìn)一步完善無(wú)人船自動(dòng)控制技術(shù)，優(yōu)化無(wú)人船路徑規(guī)劃算法，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜流態(tài)條件下的自動(dòng)測(cè)量功能；建議進(jìn)一步優(yōu)化無(wú)人船感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別通航船舶、水工浮標(biāo)、成片水草等障礙物并及時(shí)調(diào)整航線；建議融合ADCP與無(wú)人船控制技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別水流方向，實(shí)現(xiàn)逆水上線功能，避免順流上線時(shí)船體轉(zhuǎn)彎角度過(guò)大、速度過(guò)快引起誤差。

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（編輯：李晗）

Application of unmanned vessel in flow test of Huai′an Fourth Line?Ship Lock Project

ZHOU Shaoyang，CHEN Jianjian，JIANG Jianping

（Lower Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Bureau of Hydrology of Changjiang Water Resources Commission，Nanjing 210011，China）

Abstract： With the advantages of high sensitivity，fast operation and convenience，the unmanned vessel has been widely used in water quality monitoring and underwater topographic survey，but less in hydrological flow measurement.This paper mainly introduced the composition，current measurement principle and technical advantages of unmanned ship system.Combined with the hydrologic flow measurement of the Huai′an Fourth Line Ship Lock Project，it introduced the method of flow measurement of the unmanned ship system in detail，and analyzed factors that affected accuracy of the flow test.The results showed that the unmanned ship system based on Beidou high-precision global positioning system and unmanned ship automatic control technology can improve the flow measurement efficiency，reduce the risk of personnel wading，and make the accuracy more reliable under complex flow conditions.

Key words： flow test； unmanned vessel； ADCP； Huai′an Fourth Line Ship Lock