智能無人測量船在岷江龍溪口航電工程中的應用

閆小平 李鴻賓 韓喜明 劉寶榮 楊生福

（四川江源工程咨詢有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

四川省內有嘉陵江、岷江等大江大河，水運資源豐富，近年來內河水運建設得到大力發展，岷江犍為、龍溪口等梯級航電樞紐正在全力推進建設。岷江龍溪口航電工程地處岷江中游段，山區河道水流湍急，河面寬窄不一，水位和流量變化幅度大，洪枯流量相差懸殊，其水文測量難度較大，且要求快速和精準。傳統的測量主要依靠手持儀器或固定儀器在機動船上測量，而由于機動船是人為操作，船只不能按照預設的航線準確測量，且人員勞動力高，操作要求高，不能全天候測流，同時，傳統的ADCP 測流載體存在效率低、淺灘難測、場景適應性差、汛期測流危險系數大等眾多痛點問題。因此，傳統人工測量方式在作業效率、安全性及工作范圍，以及數字化應用等方面已無法滿足現代水運建設高質量發展的需求。

智能無人測量船的出現，為山區河流測量提供了全新的技術手段，該技術擁有高效、安全、便攜、運行成本低等特點，無人船搭載定位和聲吶設備進行水下地形測量已在眾多場景、項目中得到應用。本文將對其在岷江龍溪口航電樞紐建設工程中的應用實踐進行介紹。

1 智能無人測量船系統介紹

1.1 系統組成

目前市面上主流的無人測量船系統主要由控制系統和測量系統組成。其中，控制系統主要包括：數據處理及顯示平臺、航行平臺、無線通信系統、遙控系統；測量系統主要包括：全球定位系統GNSS、測深系統、陀螺儀及船上控制系統、數據存儲系統、姿態和慣性導航系統、視頻監控系統等多種子系統組成[1]，如圖1所示。

圖1 無人測量船系統組成圖

1.2 測量原理

無人船測深系統工作原理如圖2 所示，由圖2 可知：待求點河堤三維坐標為（X,Y，H），船上GPS 接收機可測得精確坐標（x,y,h），可量得接收機至水面的高度h1，可量得測深儀換能器離水深h2，換能器至待求點河底距離可通過換能器發射和接收到波束回波的時間間隔t與聲波在水體中的傳播速度V計算，即h3=l/2tV，則可計算出待求點高程為：H=h-h1-D[2]。

圖2 工作原理示意圖

2 智能無人測量船在龍溪口航電樞紐中的應用

2.1 工程概況

岷江（樂山~宜賓）河段為四川省重大件運輸的重要通道，岷江龍溪口航電樞紐工程位于岷江下游樂山市犍為縣境內，是岷江樂山至宜賓航電梯級開發的第4級。在建設期間，確保航道基本不斷航且通航安全，是龍溪口航電工程建設的首要任務。為確保任務實現，首先需及時準確地測量出龍溪口航電樞紐工程區水面礙航障礙物及水下地形。為確保該任務高質量、按期完成，開展施工期通航1∶1000 地形圖測繪工作，按業主劃定的測繪范圍（樞紐工程上下游共3.5km 的河段，其中樞紐壩軸線上游河道1.5km，下游河道2km，河道兩側延伸至高程不低于310.00m 處）進行測繪，測繪任務包括控制測量及陸地和水下帶狀地形測量。

本次測量采用上海華測華微4號無人測量船，并搭載M9多普勒流速流向儀。

2.2 測區分析和測前準備

2.2.1 測區分析

測區水深變化大，河岸大面積區域為淺灘，水深不足20cm，但局部水深可近10m；龍溪口樞紐區較為狹窄，水深20 余m，水流湍急；樞紐區上游河段外延彎曲支汊多，測量死角較多。

2.2.2 測量準備

（1）開展測區控制點的校準及結果驗證。根據測區范圍收集測區氣象資料和已有測量成果，在現場踏勘確定無人測量船下水路徑和RTK 基站架設場地；根據測區范圍、測量比例尺、現場礙航情況、水流速流向情況等，確定作業船的航行參數及測量參數，擬定航行路線；設備安裝調試，布置測線及自動導航任務點的規劃。

（2）測量前的注意和確認事項：①遙控器、電腦、無人船電池是否充電；②準備當地的坐標轉換參數；③軟件和無人船主控注冊碼是否過期，機載設備是否開機運行；④差分方式選擇電臺模式（準備RTK 基站）還是CORS模式（準備賬號）；⑤測區的底圖或已規劃好的航線；⑥檢查無人船及配件是否齊全，外觀是否正常。

2.3 無人測量船作業要點

2.3.1 基站RTK架設和無人船下水

根據踏勘確定的場地架設RTK基站及確定好的下水路徑實施無人測量船下水。下水前，船需經以下檢查合格后方能下水。

（1）測區概況，流速不大于3.5m/s，淺灘范圍，漂浮物情況等；

（2）動力是否正常；

（3）天線是否安裝妥當，通訊是否正常；

（4）軟件是否注冊；

（5）軟件是否報錯；

（6）軟件是否接入正確數據；

（7）遙控器，無人船等設備電量是否充足；

（8）坐標是否正確；

（9）無人船的位置信息、船頭當前指向、船體姿態（俯仰、橫滾）與無人船實際指向與姿態是否一致。

2.3.2 航行和數據采集

（1）航行要求。①調查船盡量保持勻速、直線航行（圖3）；②更換測線時，要盡量緩慢轉彎；③實際航線與計劃測線的偏離不大于測線間距的25%；④測量過程中測船前后左右擺動不宜過大，當風浪引起測深儀記錄上回聲線波形起伏值較大時、波浪超過 0.6m 時暫停測深作業[3]。

圖3 航線規劃

（2）數據采集。通過船體控制軟件采用自動模式使無人船自主航行至測區，按照布設好的測線進行水深數據采集，如圖4所示。

圖4 實時采集數據

2.4 水深數據處理

采用華測自主開發的HydroSurvey7 水深處理軟件進行數據處理（圖5）。對所有測線記錄水深數據進行校對，剔除水深粗差點，對波浪部分進行平滑處理。

圖5 水深數據處理

2.5 質量檢查

將處理過后的主測深線和檢查線測量成果進行就近點重合比對高程，如表1 所示。結果表明：無人測量船水下地形測量精度滿足《水運工程測量規范》要求。

表1 測深檢查線與主測深線相交點比對結果

3 無人船測量的優勢與不足

3.1 應用優勢

通過本項目實踐，發現無人測量船相對于常規水上測量方式有著以下幾方面的應用優勢：

（1）無須人員上船，測量人員安全性系數顯著提高。

（2）吃水最淺僅10cm，相較常規測量方式，山區河流水域基本可實現全覆蓋。

（3）能夠搭載多種水上測量儀器及其它設備，稍加改裝可以用于其他方面，做到一平臺多用途。

（4）規劃航線后，智能化測量，測量效率高，所測數據成圖整齊美觀。

（5）無人測量船嚴格按照規劃航線行駛，測量精度高。

（6）使用成本低。

（7）無噪音、無污染。

（8）操作簡便，攜帶方便。

3.2 存在的不足

（1）無人測量船在大斷面測流時，對航線內的障礙物發生擦掛，避障能力需要加強。

（2）在水流流速大于3m/s情況下，續航能力不足。

（3）自主航行和手動遙控距離偏短。

（4）電池續航能力有待加強。

（5）抗纏繞物能力不強。

4 結束語

通過智能無人測量船在龍溪口工程項目的應用實踐可知，智能無人測量船相比傳統測量方式具有高效、安全、便攜、運行成本低等優勢，同時采用無人測量船測量方式可以獲取更多類型的測繪成果，該技術及產品在庫區測量、湖泊測量以及適宜流速下的山區河道測量有著較高的應用價值。無人測量船系統的出現，為航運建設提供了全新的作業手段，對夯實水利高質量發展起到積極的推動作用，在工程建設信息化和智能化要求越來越高的當下，其應用前景廣闊。