絞吸挖泥船疏浚實(shí)時測量技術(shù)的研究與應(yīng)用

萬 滔

（長江航道局 武漢430010）

引 言

疏浚測量是疏浚施工的重要工作，一般在疏浚前、后和工程實(shí)施中進(jìn)行，即浚前、浚中和浚后測量。浚前測量是制定施工方案和確定工程量的直接依據(jù)；浚中測量是檢查施工進(jìn)度和完善施工方案的有效手段；浚后測量是檢驗(yàn)施工效果和評定施工質(zhì)量的主要依據(jù)。

目前絞吸挖泥船的疏浚測量一般由安裝測量儀器的其他船舶完成。這種疏浚測量與疏浚施工分離的方式存在如下問題：

（1）測量周期長、消耗成本高；

（2）數(shù)據(jù)時效性不強(qiáng)，由于潮汐、回於等因素影響，測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化，無法有效指導(dǎo)施工；

（3）無法實(shí)時獲取施工數(shù)據(jù)，浚后測量若出現(xiàn)問題，只能返工，浪費(fèi)人力物力。

本文針對上述問題，研究利用三維矢量聲納測深技術(shù)，在絞吸挖泥船首部配置全自動外展測量機(jī)構(gòu)和相關(guān)測量設(shè)備，融合船舶RTK-GPS、電羅經(jīng)、船舶姿態(tài)儀、吃水、施工系統(tǒng)數(shù)據(jù)，開發(fā)絞吸挖泥船疏浚實(shí)時測量一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)絞吸挖泥船的施工特點(diǎn)，在船舶施工過程中同步完成浚前、浚中、浚后的測量工作，通過實(shí)時測量數(shù)據(jù)和施工數(shù)據(jù)的融合，實(shí)現(xiàn)浚前施工測量、浚中施工指導(dǎo)和浚后施工檢查的功能。

1 三維矢量聲納測深技術(shù)系統(tǒng)原理

常規(guī)聲納測量系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)垂直水面測量，當(dāng)換能器與水平面夾角過大時無法正常工作（一般夾角不允許大于5°），采用固定測量頻率（一般為200 kHz或400 kHz），在施工渾濁水域無法正常準(zhǔn)確測量，因此常規(guī)聲納測量無法應(yīng)用于絞吸挖泥船的實(shí)時測量。

三維矢量聲納測深技術(shù)是針對疏浚施工船舶特點(diǎn)研究的專門解決方案，其主要組成部分包含水下變頻換能器、外展測量機(jī)構(gòu)、測量系統(tǒng)以及后端處理軟件系統(tǒng)。其基本原理為：

（1）定制的水下變頻換能器安裝在外展測量機(jī)構(gòu)上，具備以下功能：

① 測量角度可在±45°傾斜范圍內(nèi)任意變化，角度相關(guān)性不影響測量精度。

② 內(nèi)置高精度角度測量，角度測量誤差小于0.02°，角度測量響應(yīng)為100次/秒。

③ 為保證在大角度傾斜時測量精度，換能器的聲納發(fā)射角和接收角均≤1°。

④ 通過特定聲道結(jié)構(gòu)和能量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聲波約束，保證大角度時聲納能量和聲波花瓣曲線的集中。

⑤ 測量頻率可在20～200 kHz之間調(diào)整，通過測量頻率的動態(tài)調(diào)整實(shí)現(xiàn)渾濁水域的精確測量。

（2）外展測量機(jī)構(gòu)包含垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)、水平角度偏移機(jī)構(gòu)和自動控制系統(tǒng)。通過垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水下變頻換能器的下放和回收，下放深度為水線下0.5～1 m。通過水平角度偏移機(jī)構(gòu)，自動調(diào)整水下變頻換能器測量角度，測量指定位置的水下深度。垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)、角度偏移機(jī)構(gòu)均由伺服機(jī)構(gòu)完成，伺服機(jī)構(gòu)采用自動控制，控制參數(shù)由后端處理軟件系統(tǒng)提供。

（3）測量系統(tǒng)采用水底信號識別、水底門跟蹤、脈寬選擇、信號門檻、自動增益控制、時間增益控制等處理技術(shù)，將水下變頻換能器發(fā)送的聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，最終獲取測量區(qū)域的水深數(shù)據(jù)。

（4）測量系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換的水深數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸給后端處理軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)結(jié)合施工船舶的平面定位、施工設(shè)計(jì)圖紙、施工計(jì)劃線、施工產(chǎn)量等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)施工測量成圖、施工質(zhì)量分析、施工輔助指導(dǎo)等功能。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)組成

絞吸挖泥船疏浚實(shí)時測量系統(tǒng)的組成包括：外展測量機(jī)構(gòu)、三維矢量聲納測深系統(tǒng)、船舶定位及船舶姿態(tài)設(shè)備、系統(tǒng)軟件及環(huán)境。外展測量機(jī)構(gòu)安裝在船舶特定部位，自動控制聲納測深平臺的啟動、伸出、下放、收回等操作并保持測深平臺的穩(wěn)定；三維矢量聲納測深系統(tǒng)為測量設(shè)備，可通過先進(jìn)的三維矢量聲納技術(shù)完成測點(diǎn)的水深探測及測點(diǎn)相對換能器平面位置的偏移值；船舶定位設(shè)備采用RTK-GPS定位系統(tǒng)，船舶姿態(tài)設(shè)備為測量船舶縱傾、橫傾及吃水的設(shè)備，船舶定位及船舶姿態(tài)數(shù)據(jù)為測量數(shù)據(jù)提供輔助修正；系統(tǒng)軟件安裝于符合要求的工控機(jī)上，可完成測量數(shù)據(jù)的采集、清洗、誤差修正并存儲，并可提供人機(jī)交互界面協(xié)助用戶控制測量機(jī)構(gòu)和對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)。

2.1.2 主要性能指標(biāo)

測量寬度：在施工工況水深條件下（3～25 m），測量寬度為船舶實(shí)際挖槽寬度。

測點(diǎn)間距：測量水深點(diǎn)間距≤1 m，滿足施工測量要求。

測深范圍：3～25 m。

測深精度：（5 cm±0.1%）h，h為水深。

測深設(shè)備單個換能器發(fā)射功率≤250 W。

聲速調(diào)整范圍：1 370～1 700 m/s ，分辨率 1 m/s，根據(jù)聲速儀自動修正。

環(huán)境工作溫度：-10 ～ 55℃。

供電電源：交流220 V。

2.1.3 系統(tǒng)主要功能

（1）測量數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)實(shí)時獲取測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行GPS、船舶姿態(tài)、船舶吃水、船舶橋架挖深等多維修正，并進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和處理，得出實(shí)際測點(diǎn)的測深數(shù)據(jù)。

（2）測量數(shù)據(jù)融合和顯示。系統(tǒng)軟件將測量數(shù)據(jù)和施工管理數(shù)據(jù)融合，并采用多種方式進(jìn)行顯示，其中包括回波圖顯示、測深點(diǎn)文字顯示和色塊圖顯示、等深線顯示等。

（3）測量數(shù)據(jù)成圖。系統(tǒng)軟件按照時間段自動保存，測量數(shù)據(jù)自動成圖，成圖數(shù)據(jù)支持導(dǎo)出為通用測深文件格式，支持將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到HyPack等主流軟件中。

（4）施工輔助管理。系統(tǒng)軟件將水深測量數(shù)據(jù)實(shí)時顯示在施工管理界面中，與施工中的重要數(shù)據(jù)融合疊加在一起，比如長江電子航道圖、施工設(shè)計(jì)圖、浚前或浚后測深圖、挖槽設(shè)計(jì)線、施工軌跡線等，并具備自動深度過濾、淺點(diǎn)智能搜尋和標(biāo)識、施工質(zhì)量分析等功能，幫助施工人員提高施工效率。

（5）疏浚測量數(shù)據(jù)分析。根據(jù)用戶設(shè)定計(jì)劃深度，結(jié)合浚前測量、浚中測量和浚后測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行對比分析。對比分析方式有二維斷面曲線對比和三維面重構(gòu)疊加對比兩種主要方式。系統(tǒng)數(shù)據(jù)可通過船舶局域網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸，用戶可在船載終端和遠(yuǎn)程管理終端進(jìn)行二維對比和三維對比。

2.2 實(shí)施方法

2.2.1 實(shí)施船舶和測深儀布置

實(shí)施船舶為2 000 m3/h絞吸挖泥船，船舶主要參數(shù)：總長88.6 m，型寬15 m，型深15 m，最大挖深16 m，最小挖深2.6 m，最大排距2 500 m。實(shí)驗(yàn)水域?yàn)殚L江中游水域，實(shí)際挖深3～5 m。

三維矢量聲納測深系統(tǒng)包括兩套外展測量機(jī)構(gòu)和5臺測深設(shè)備，在絞吸挖泥船鉸刀兩側(cè)布置外展測量機(jī)構(gòu)，在每側(cè)的測量機(jī)構(gòu)上均布2臺三維矢量聲納測深設(shè)備的換能裝置，測深儀A為浚前測深儀，采用一定傾斜角度安裝，測量的是鉸刀施工位置前方的水深；測深儀B為浚后測深儀，垂直于鉸刀方向安裝，測量的是鉸刀施工位置后方的水深；在絞刀處單獨(dú)安裝測深儀C為浚中測深儀，測量的是浚中水深，具體見圖1。

圖1 三維矢量聲納測深設(shè)備換能器的布置

從制造成本、船體結(jié)構(gòu)、測量必要性等因素綜合考慮，應(yīng)盡量減小外伸長度，并且保證挖槽內(nèi)的橫向測深點(diǎn)間距為3～5 m。三維矢量聲納測深設(shè)備采樣頻率為每秒30次，即使船舶按照10 kn航速航行，也滿足縱向測深點(diǎn)間距不大于1 m的要求。

2.2.2 測量實(shí)施方法

絞吸挖泥船疏浚實(shí)時測量的實(shí)施方法具體包括：測量機(jī)構(gòu)架設(shè)、水深數(shù)據(jù)采集、水深數(shù)據(jù)處理與校正、與航道疏浚施工管理系統(tǒng)協(xié)同。

（1）展開測量機(jī)構(gòu)、下放測深換能器。在船舶完成施工定位后，操作人員控制外展測量機(jī)構(gòu)，使測深換能器平臺從船舷內(nèi)旋轉(zhuǎn)至船舷外90°，然后下放至水面。施工開始時啟動三維矢量聲納測深系統(tǒng)，開始水深測量及數(shù)據(jù)采集。

（2）船舶施工行進(jìn)時，測量機(jī)構(gòu)保持展開姿態(tài)，相關(guān)測量設(shè)備持續(xù)實(shí)時回送測量數(shù)據(jù)。位于前位絞刀處和后位換能器回送的測量數(shù)據(jù)分別對應(yīng)為疏浚前測量數(shù)據(jù)、疏浚中測量數(shù)據(jù)和疏浚后測量數(shù)據(jù)。

（3）采集的測點(diǎn)水深數(shù)據(jù)、測點(diǎn)相對換能器的偏移值，GPS數(shù)據(jù)、船舶縱傾、橫傾、吃水?dāng)?shù)據(jù)，均通過傳輸線纜傳輸至工控機(jī)上的系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)軟件通過處理與校正，計(jì)算出每一測點(diǎn)的大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄存儲。

（4）船舶到達(dá)本槽施工終點(diǎn)后，將會航行至下一槽的施工起點(diǎn)。在此期間系統(tǒng)通過GPS信號判斷本槽施工結(jié)束，自動停止相關(guān)水深測量。

（5）船舶開始下一槽施工時，重復(fù)以上測量過程，直到完成本次疏浚施工的全部挖槽，完成全部水深測量。

（6）回收測量機(jī)構(gòu)。操作人員控制外展測量機(jī)構(gòu)，關(guān)閉所有測量設(shè)備，使測量臂離開水面，升至水平位置，旋轉(zhuǎn)測量臂至船舷內(nèi)完成測量機(jī)構(gòu)回收。

2.2.3 實(shí)時測量結(jié)果

圖2-圖5是絞吸挖泥船疏浚實(shí)時測量系統(tǒng)實(shí)船測試部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)截圖。

圖2 疏浚前數(shù)據(jù)顯示

圖3 疏浚中數(shù)據(jù)顯示

圖4 疏浚前疏浚中數(shù)據(jù)對比區(qū)（泥漿濃度較高處）

圖5 疏浚前后數(shù)據(jù)對比

3 結(jié) 論

針對目前絞吸挖泥船疏浚與測量分離實(shí)施方法存在的不足，本文提出基于三維矢量聲納測深的疏浚實(shí)時測量技術(shù)，并經(jīng)過實(shí)船測試，初步實(shí)現(xiàn)絞吸挖泥船疏浚測量一體化，實(shí)現(xiàn)疏浚與測量實(shí)時互動，降低疏浚測量工作量，縮短疏浚工程周期，提高疏浚工程的質(zhì)量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

［1］ 周延玲.測量在疏浚工程施工中的作用［J］.中國科技博覽，2012，37：166-167.

［2］ 劉樹東，李素江.疏浚工程高效、高精度多波束測量方法［D］.第十九屆世界疏浚大會論文集，2010：67-70.

［3］ 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院.航道疏浚工程竣工驗(yàn)收測量技術(shù)研究［J］.價值工程，2013（4）：52-54.

［4］ 羅深榮.側(cè)掃聲納和多波束測深系統(tǒng)在海洋調(diào)查中的綜合應(yīng)用［J］.海洋測繪，2003（1）：22-24.

［5］ 楊久東，馬飛虎.聲納測深數(shù)據(jù)濾波及實(shí)踐［J］.測繪信息與工程，2010（1）：49-50.

［6］ 蘆山.水下聲納信號收發(fā)處理系統(tǒng)研究［J］.哈爾濱理工大學(xué)，2013 .