智能无人测量船在岷江龙溪口航电工程中的应用

闫小平 李鸿宾 韩喜明 刘宝荣 杨生福

（四川江源工程咨询有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

四川省内有嘉陵江、岷江等大江大河，水运资源丰富，近年来内河水运建设得到大力发展，岷江犍为、龙溪口等梯级航电枢纽正在全力推进建设。岷江龙溪口航电工程地处岷江中游段，山区河道水流湍急，河面宽窄不一，水位和流量变化幅度大，洪枯流量相差悬殊，其水文测量难度较大，且要求快速和精准。传统的测量主要依靠手持仪器或固定仪器在机动船上测量，而由于机动船是人为操作，船只不能按照预设的航线准确测量，且人员劳动力高，操作要求高，不能全天候测流，同时，传统的ADCP 测流载体存在效率低、浅滩难测、场景适应性差、汛期测流危险系数大等众多痛点问题。因此，传统人工测量方式在作业效率、安全性及工作范围，以及数字化应用等方面已无法满足现代水运建设高质量发展的需求。

智能无人测量船的出现，为山区河流测量提供了全新的技术手段，该技术拥有高效、安全、便携、运行成本低等特点，无人船搭载定位和声呐设备进行水下地形测量已在众多场景、项目中得到应用。本文将对其在岷江龙溪口航电枢纽建设工程中的应用实践进行介绍。

1 智能无人测量船系统介绍

1.1 系统组成

目前市面上主流的无人测量船系统主要由控制系统和测量系统组成。其中，控制系统主要包括：数据处理及显示平台、航行平台、无线通信系统、遥控系统；测量系统主要包括：全球定位系统GNSS、测深系统、陀螺仪及船上控制系统、数据存储系统、姿态和惯性导航系统、视频监控系统等多种子系统组成[1]，如图1所示。

图1 无人测量船系统组成图

1.2 测量原理

无人船测深系统工作原理如图2 所示，由图2 可知：待求点河堤三维坐标为（X,Y，H），船上GPS 接收机可测得精确坐标（x,y,h），可量得接收机至水面的高度h1，可量得测深仪换能器离水深h2，换能器至待求点河底距离可通过换能器发射和接收到波束回波的时间间隔t与声波在水体中的传播速度V计算，即h3=l/2tV，则可计算出待求点高程为：H=h-h1-D[2]。

图2 工作原理示意图

2 智能无人测量船在龙溪口航电枢纽中的应用

2.1 工程概况

岷江（乐山~宜宾）河段为四川省重大件运输的重要通道，岷江龙溪口航电枢纽工程位于岷江下游乐山市犍为县境内，是岷江乐山至宜宾航电梯级开发的第4级。在建设期间，确保航道基本不断航且通航安全，是龙溪口航电工程建设的首要任务。为确保任务实现，首先需及时准确地测量出龙溪口航电枢纽工程区水面碍航障碍物及水下地形。为确保该任务高质量、按期完成，开展施工期通航1∶1000 地形图测绘工作，按业主划定的测绘范围（枢纽工程上下游共3.5km 的河段，其中枢纽坝轴线上游河道1.5km，下游河道2km，河道两侧延伸至高程不低于310.00m 处）进行测绘，测绘任务包括控制测量及陆地和水下带状地形测量。

本次测量采用上海华测华微4号无人测量船，并搭载M9多普勒流速流向仪。

2.2 测区分析和测前准备

2.2.1 测区分析

测区水深变化大，河岸大面积区域为浅滩，水深不足20cm，但局部水深可近10m；龙溪口枢纽区较为狭窄，水深20 余m，水流湍急；枢纽区上游河段外延弯曲支汊多，测量死角较多。

2.2.2 测量准备

（1）开展测区控制点的校准及结果验证。根据测区范围收集测区气象资料和已有测量成果，在现场踏勘确定无人测量船下水路径和RTK 基站架设场地；根据测区范围、测量比例尺、现场碍航情况、水流速流向情况等，确定作业船的航行参数及测量参数，拟定航行路线；设备安装调试，布置测线及自动导航任务点的规划。

（2）测量前的注意和确认事项：①遥控器、电脑、无人船电池是否充电；②准备当地的坐标转换参数；③软件和无人船主控注册码是否过期，机载设备是否开机运行；④差分方式选择电台模式（准备RTK 基站）还是CORS模式（准备账号）；⑤测区的底图或已规划好的航线；⑥检查无人船及配件是否齐全，外观是否正常。

2.3 无人测量船作业要点

2.3.1 基站RTK架设和无人船下水

根据踏勘确定的场地架设RTK基站及确定好的下水路径实施无人测量船下水。下水前，船需经以下检查合格后方能下水。

（1）测区概况，流速不大于3.5m/s，浅滩范围，漂浮物情况等；

（2）动力是否正常；

（3）天线是否安装妥当，通讯是否正常；

（4）软件是否注册；

（5）软件是否报错；

（6）软件是否接入正确数据；

（7）遥控器，无人船等设备电量是否充足；

（8）坐标是否正确；

（9）无人船的位置信息、船头当前指向、船体姿态（俯仰、横滚）与无人船实际指向与姿态是否一致。

2.3.2 航行和数据采集

（1）航行要求。①调查船尽量保持匀速、直线航行（图3）；②更换测线时，要尽量缓慢转弯；③实际航线与计划测线的偏离不大于测线间距的25%；④测量过程中测船前后左右摆动不宜过大，当风浪引起测深仪记录上回声线波形起伏值较大时、波浪超过 0.6m 时暂停测深作业[3]。

图3 航线规划

（2）数据采集。通过船体控制软件采用自动模式使无人船自主航行至测区，按照布设好的测线进行水深数据采集，如图4所示。

图4 实时采集数据

2.4 水深数据处理

采用华测自主开发的HydroSurvey7 水深处理软件进行数据处理（图5）。对所有测线记录水深数据进行校对，剔除水深粗差点，对波浪部分进行平滑处理。

图5 水深数据处理

2.5 质量检查

将处理过后的主测深线和检查线测量成果进行就近点重合比对高程，如表1 所示。结果表明：无人测量船水下地形测量精度满足《水运工程测量规范》要求。

表1 测深检查线与主测深线相交点比对结果

3 无人船测量的优势与不足

3.1 应用优势

通过本项目实践，发现无人测量船相对于常规水上测量方式有着以下几方面的应用优势：

（1）无须人员上船，测量人员安全性系数显著提高。

（2）吃水最浅仅10cm，相较常规测量方式，山区河流水域基本可实现全覆盖。

（3）能够搭载多种水上测量仪器及其它设备，稍加改装可以用于其他方面，做到一平台多用途。

（4）规划航线后，智能化测量，测量效率高，所测数据成图整齐美观。

（5）无人测量船严格按照规划航线行驶，测量精度高。

（6）使用成本低。

（7）无噪音、无污染。

（8）操作简便，携带方便。

3.2 存在的不足

（1）无人测量船在大断面测流时，对航线内的障碍物发生擦挂，避障能力需要加强。

（2）在水流流速大于3m/s情况下，续航能力不足。

（3）自主航行和手动遥控距离偏短。

（4）电池续航能力有待加强。

（5）抗缠绕物能力不强。

4 结束语

通过智能无人测量船在龙溪口工程项目的应用实践可知，智能无人测量船相比传统测量方式具有高效、安全、便携、运行成本低等优势，同时采用无人测量船测量方式可以获取更多类型的测绘成果，该技术及产品在库区测量、湖泊测量以及适宜流速下的山区河道测量有着较高的应用价值。无人测量船系统的出现，为航运建设提供了全新的作业手段，对夯实水利高质量发展起到积极的推动作用，在工程建设信息化和智能化要求越来越高的当下，其应用前景广阔。