基于物聯網的泥沙淤積監測技術研究

陳娟

摘 要：文章主要介紹了我國內河航道及水庫的淤積現狀，針對大部分航道存在的淤積嚴重、監測難度大等問題，提出了基于物聯網的泥沙淤積監測技術。重點介紹國內外泥沙淤積監測技術的研究背景、現狀、監測系統基本原理、系統組成及對無人機平臺的改進和優化，闡述此方案的發展前景。

關鍵字：泥沙淤積；監測；物聯網；無人機

1 概述

隨著近幾年來人類影響的廣泛加深，對內河航道及水庫的監測和治理變得十分復雜。長江流域水土流失日益加重，已高達流域面積的31%，宜昌段多年平均輸沙量5.3億t，平均含沙量1.2 kg/m3。雖含沙量不大，但輸移過程極易淤積，泥沙淤積導致河道堵塞，洪水宣泄不暢，河湖調蓄能力降低，水位抬高。這些現象在我國其他內河航道及水庫中都普遍存在，嚴重影響了工農業發展和生活水平的提高。

為了做到及時合理地整治，在不影響航道船舶正常通航和作業的條件下，及時發現泥沙淤積的問題，減少治理航道所需人力物力財力，創造更好的通航條件。必須總結一套符合我國實際的泥沙淤積實時監測技術。具備適宜的航道水深是船舶安全航行和提高航道效益的基本條件，實時了解水深數據是掌握泥沙淤積規律的重要手段。我國目前最常用的是船載聲納測深法，即利用船載聲納設施與GPS技術相結合進行實地觀測。這樣將使航道的正常經營受到影響，也不適用于淤積變動快的港口航道，受水面環境影響和限制較大。此外，靠超聲波測深儀和測量船來實現航道水深測量，往往航道水深數據剛被發布， 航道水深又產生了變化，監測的時效性得不到保障。國際上現有LADS（機載激光測深），SHOALS系列（掃描水文運行機載激光雷達測量）等幾種LIDAR測深系統。考慮到設備價格高，需要高技術人員操作等因素，不適合推廣使用。

在當今信息化時代，物聯網技術高度發展，使自動化、智能化、無人化控制成為可能。物聯網在國際上又稱傳感網，是基于互聯網產生的，一種以互聯網為主體聯結多種傳感設施形成的大型應用型網絡。物聯網能夠通過“物物交換”“人機交互”兩種交互模式完成人、物、機三者之間的通信，經由傳感器技術和辨認技術等，使實時監控和完全自動化成為可能。近年國內外開始有人研究利用測深儀和AIS設備構建航道水深實時監控系統，并將數據通過處理生成電子海圖，從而實現實時了解航道的水深信息，但這種方法依然存在操作管理麻煩，會受一定環境因素制約等缺陷。

2 創新特色概述

無人機可以定點起降，快速而又便利，可在人為預先定出飛行航線后自主航行并進行拍攝，能精準地控制航線，且航行安穩，可控性、安全性能好。目前我國監測大都采用無人船，需要反復多次地航行測量，不僅會降低航道運行效率，且像濕地、灘涂等區域時而露出水面，時而淹沒于水下，有人船和無人船也無法到達。這種情況下，無人機小巧、機動、靈活、便利，安全穩定的優勢就大大顯現了出來。根據測水深的需求，在無人機底部安裝面積較大的浮板，增加接觸面積以減小壓強，無人機可以垂直起飛，快捷地抵達相應區域。此外，無人機與GPRS數據、GPS定位儀、采集通訊模塊及VB計算機測控軟件等的結合，將實現實時、準確、快速又低風險的航道泥沙淤積監測。無人機與物聯網系統相結合，能在各種水上環境實時監測水深變化，經過數據處理系統，將水深變化轉換成函數，通過物聯網技術繪出水底地形圖，了解泥沙淤積準確情況，這適應了港口建設和保證航道安全的迫切需要。

（1）在無人機結構方面：現有無人機基本機構的基礎上增加超聲波傳感器、GPS和GPRS系統，并在無人機底部加上兩塊面積比較大的浮板。

（2）在無人機功能方面：把握無人機俯仰、滾轉姿勢的控制與穩定、高度控制與穩定、速度把握與穩定、側向偏離控制以及俯沖、降落控制等性能，更好地使無人機發揮作用。

（3）在超聲波測深方面：超聲波測深的工作原理，可用于編程中自動解算數據。在水下，聲波能較好地傳播信號。按照水深儀的原理，超聲波換能器能向水下發射超聲波，并同時進行計時，超聲波在水中傳播時碰到水底就立刻返回來，收到反射波的換能器立即終止計時。超聲波在水中傳播，其速度約為1 500 m/s，由計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離（s），即：s=1 500×t/2。在編程中，利用公式由計算機自動解算水深數據。

（4）消除水面風力、波浪對水深數據的影響：通常情況下，在水深測量的工作過程中有諸多不利的影響因素。其中波浪的影響最大，波浪對水深測量的影響與測線方向以及無人機的大小和抗風能力有關，波浪影響了無人機的平衡性，所以在風浪中，換能器也會有上下、左右以及前后的起伏和擺動，即使在相同地點，波谷和波峰的數據差異也特別大。此時測深儀里面所記錄的模擬信號會產生明顯的鋸齒狀，如果這種誤差不加以處理，水深地形圖上會出現忽高忽低的情形。無人機在同一地點不同時間測得的高程是不同的，換言之，測得的高程是有關時間t的一元函數，因此無人機在測定高程時需要在水面上停留一段時間測得多組數據，消除水面風力和波浪影響得到粗略曲線后，記開始測量的時刻為0，在測量總時間0到T內求平均值，因此需要計算高程在這段時間的積分再除以T得到平均值，對于積分的求法我們采用復合柯特斯公式進行計算，在0到T內每隔T/2k秒測量一次（0與T時刻各測一次），處理之后一共測得2k+1個時間點的高程值，并將其依次記為如下形式的關于變量t的函數，

將其從0到T平均分為2（k-2）個子區間，則每個子區間也被四等分，利用柯特斯復合求積公式可以近似算出此函數在區間0到T上的積分為。

那么在該區間的平均值即為。

這樣，通過測2～3個數據，用科斯特復合求積公式可以精確表示這個區間精確的水深數據，在某一水面區域多次測量和處理后就可以根據這些點得到一個水深變化曲線。

（5）在VB測控軟件的開發方面：采用VB編程語言解決實時監測，對水深數據影響因素的處理及數據庫系統的訪問問題。

（6）通過3次樣條插值函數得到精準水深變化曲線：通過學習計算方法，我們了解到可以通過3次樣條插值函數的方法求一系列中間點的函數值。令

這樣即可根據各區間的函數求中間點的函數值，可以不用測太多的點也能繪制較精確的水深變化曲線。我們將會把這些計算方法通過編程變成VB的計算機語言，實現實時計算，精準高效。

3 監測系統基本原理

接收換能器和發射換能器以同等的高度和俯角分別安裝在航道兩側的開口處，主波束指向航道底部中心。為精確測定航道的水深H，只需測出換能器到海面的水深δ和被監測點航道水深H1，根據公式：H=H1+δ，即可得到航道的即時水深，由射線聲學及三角函數關系，發射換能器生成的超聲波經海底反射出的所有聲傳播路徑中，入射到航道底部中心位置聲線的聲程最短，它是最先到達接收換能器的。所以被監測點水深值就可以計算出來，而后通過GPS技術與水聲信號檢測技術，能夠測得海底反射波傳輸時間t，算出發射點水底的距離，直接用傳感器測得換能器到海面的水深，并用柯特斯復合求積公式的計算方法來消除浪的影響。用3次樣條插值函數的方法進一步提高δ的測量精度，得到精準曲線，從而對實測水深參數進行修正。

4 無人機平臺的改進和優化

將碳纖維復合材料和玻璃鋼用于無人機，重量輕且強度大，無人機尾部安裝的動力裝置采用性能穩定的推力螺旋槳和航空發動機，無人機底部裝上較大的浮板以增大接觸面積，減小壓強，這樣可以更好地停留在水面或灘涂淤地上。

5 結語

目前隨著無人機制造業的飛速發展，無人機的運用變得非常普及，在城市交通監管，道路和公共場合泊車治理，無人機測繪、航拍等方面應用廣泛，無人機能高效地監控大片區域，而且受地形情況約束小、能耗小、小巧靈活、操作簡單，易于普及。將無人機搭載其他監測系統用于泥沙淤積監測，是代替以往船測的最可行方法。物聯網系統將互聯網與多種傳感器結合，數據采集和傳輸范圍廣，及時準確，信息便于記錄與儲存，是信息化時代泥沙淤積監測的必然趨勢。兩者的結合推動了泥沙淤積監測技術向自動化、高效化和經濟化發展。

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