無人船在油氣管道水域穿越工程中的應用

萬仕平

中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

精確測量水下地形是油氣管道水域穿越工程的重點和難點,是油氣管道建設的重要數據支撐,在工程設計、施工和運維工作中十分重要[1-2]。傳統依靠人力和載人船具輔助測深桿、測深錘、測深儀等方法采集水下地形數據,面臨諸多問題:通航水域過往船具流量大,租賃船具作業窗口期短,效率低下;局部水域生態保護,禁止載人船具通行,實施水下地形測量困難;采用常規測深桿、測深錘測量水下地形點密度較低,精度難以保障;多波束等專業測深儀操作程序復雜,且涉及大型船具,作業條件要求較高;作業人員涉水,存在安全隱患。近年來,無人測量船(以下簡稱無人船)發展快速,憑借其便捷、高效、全面、安全的數據采集方式,能夠全面反映水域深度和水下地形情況,在工程建設中得到了廣泛應用[3-7]。本文介紹了無人船的工作原理、技術特點和作業流程,并結合某LNG管道大型河流穿越工程案例,總結無人船在油氣管道水域穿越工程應用中的相關作業方法和工作內容,最后與傳統水域測量的成果精度、工作效率和經濟效益進行對比分析。

1 無人船工作流程

1.1 工作原理

無人船集成了測深、定位、導航、視頻監控等設備,裝載有多重傳感器,可按設定任務全自動完成水域地形測量工作[8-9]。無人船的測深系統采用自身攜帶全球導航衛星系統實時動態相對定位(Global Navigation Satellite System Real Time Kinematic Relative Positioning,GNSS RTK)和單波束測深儀相結合的方式對水體單元位置和深度進行計算[10]。工作原理具體表現為:利用換能器往水底發射聲波,當聲波遇到障礙物(即到達水底)時會反射回換能器,根據聲波往返時間和所測水域中聲波傳播的速度,可計算換能器和水底的距離,加以改正后得到深度;同時通過GNSS RTK接收信號,對無人船進行實時動態定位,通過對測深點相對船體位置改正、吃水改正和測深數據,實時獲得水域定位點的坐標和深度[11],從而實現水下地形數據的獲取,見圖1。

圖1 無人船工作原理示意圖

在測量過程中,首先測得GNSS RTK天線幾何中心坐標及高程,減去GNSS RTK天線到水面的垂直距離,即可得到水面高程;其次根據換能器底部到水面的距離(吃水改正),加上換能器到水底的距離,得到水深;最后由水面高程減去水深,得到水下測量點的高程,GNSS RTK天線垂直投影水面點的坐標即為換能器和水下測量點的坐標[12-13]。

水面高程計算公式為:

H1=H0-h1

(1)

水深計算公式為:

h=h2+h3

(2)

水下測量點高程計算公式為:

H=H1-h

(3)

1.2 技術特點

近年來,無人船研發邁入了新階段,智能化應用趨勢顯著。在水下地形測量工作中,與傳統測量方法相比,無人船具有機動、靈活、安全性高的特點,可在環境復雜、工況惡劣的水域作業。

1)安全可靠,減少事故。無人船通過全自動駕駛和避障系統,遙控采集水域地形數據,杜絕了人員和載人船具因涉水而引發的傷亡事故,保障人民生命財產安全。

2)數據采集范圍和位置準確。自動導航和駕駛系統根據用戶輸入的測量范圍和航線設計,結合GNSS RTK技術可實施厘米級精度的導航和定位,保障測量范圍滿足設計需求,利用規劃的航線軌跡,可實施精確的水下地形斷面點采集。

3)適應范圍廣。無人船由于船體載重小,吃水淺,結合其避障系統,可廣泛應用于通航、生態保護、淺灘、池塘等各種水域。

1.3 作業流程

利用無人船開展測量工作,首先利用既有圖紙和資料進行航線設計,并將設計航線導入控制系統(遙控手薄),待設備安裝連接、調試和參數設置完畢后,船體下水按設定航線自動或手動駕駛模式進行數據采集;其次在數據采集過程中,需根據具體水域情況調整回波質量[14],采集完成后返航并下載數據,經內業整理轉換后,輸出測深成果數據。無人船作業流程見圖2。

圖2 無人船作業流程圖

2 應用實例

2.1 工程概況

以某LNG管道大型河流穿越工程的水域地形測量為例,管道穿越位置附近的河流常年水面寬度約300 m,屬于非通航水域,項目要求按1∶1 000 比例尺精度施測,測量范圍為穿越軸線兩側各100 m。測量時為枯水期,平均水深6～8 m,最大水深約17 m,流速約 0.5 m/s,河流局部因采沙遺留沙坑、淺灘及孤島,水域地形復雜。

2.2 數據采集

2.2.1 設備情況

采用某品牌無人船實施該工程的水域測量工作,無人船主要參數見表1。

表1 無人船主要參數情況表

2.2.2 數據采集

測區水域情況復雜,采用全自動無人駕駛模式作業方式具有擱淺和遇障的風險,故采用手動控制方式,進行目視并輔助實時攝像視頻開展數據采集工作。參照穿越軸線兩側各100 m范圍間隔約每10 m實施1條航線[15],測點間距為5 m,設定航行速度為1～2 m/s,有效采集測深點1 067個,作業時間約2 h。針對淺灘、孤島和水草附近區域,盡量保證一定的安全距離,避免船體擱淺、碰撞或被纏繞。數據采集完成后,船具返航,并及時下載測深數據。無人船航行軌跡約5.1 km,有效測線長度約4.6 km。無人船航行軌跡見圖3。

圖3 無人船航行軌跡圖

2.3 數據處理

2.3.1 數據檢查

內業數據處理主要通過無人船隨機軟件進行水深采樣,根據水深圖的回波記錄,在模擬回波和數字水深疊加數據上進行水深噪點數據的剔除[16],僅保留準確水深數據,見圖4。

圖4 水深噪點剔除圖

2.3.2 數據改正

數據檢查完畢后,保存測深數據,并進行水面高程改正,即RTK驗潮。具體方式為通過測線濾波,如水面高程基本不變,則說明測量期間無漲、落潮現象,水量和流速均較穩定,可不進行水面高程改正;否則測線應根據實際情況,進行固定水位、單站水位或區域水位改正。確認水位改正后,即可輸出測深數據成果。

2.4 應用分析

2.4.1 精度分析

無人船測量完畢后,為檢驗水域地形精度情況和可靠性,現場采用測深桿對近岸和淺灘區的水域進行人工測量。獲取水域地形點76個,深度范圍為0.5～3 m。根據GB/T 50539—2017《油氣輸送管道工程測量規范》關于水域地形測量的精度要求,3°≤水底地形傾角<10°時,等高線插求點或數字高程模型格網點相對于鄰近控制點的高程中誤差,不應>2/3等高距(等高距為0.5 m)[17-18]。通過人工測量水域地形點與無人船測量水域地形點生成的數字高程格網同位置插求高程進行比較計算[19-20],高程中誤差為0.21 m,高程允許中誤差為0.33 m,無人船測量成果精度滿足規范要求。

2.4.2 作業效率

傳統管道大型河流穿越工程水下地形測量作業方式采用租賃載人船具,在船舷安裝測深儀器和GNSS RTK設備,測深設備外形較大、較重,安裝時間較長,測量前的準備工作及航行到測量區域用時較長,施測時主要靠人工導航方式進行水面測繪工作。該工程中,在與之類似的另外一條大型河流穿越工程水域測量工作中,采用了租賃載人船具搭載測深儀和GNSS RTK設備開展水域地形工作,船具停靠需選擇在穿越處下游2 km的碼頭,傳統測深設備安裝測試及船具往返時間約5 h,實際有效測量作業時間4 h,測量工作時間約9 h,加上前期船具協調時間約2 d,總體計劃和實施時間為3 d。在圖3所示河流穿越水域測量中,無人船現場組裝設備和連接下水時間15 min,航行及測量時間40 min,返航及拆卸時間15 min,總體時間可控制在2 h內。經統計,與傳統租賃船具測量相比,在本項目中無人船能夠有效提高作業效率500%～600%。

2.4.3 經濟效益

無人船在某LNG管道大型河流穿越工程中的應用,克服了租賃船具的困難,不必因采用機動船具作為搭載平臺產生必要的燃油費,避免了噪聲污染及對部分大氣和水體等的排放性污染,較傳統租賃載人船測量方式更加環保和經濟。通過輕量、精簡和高度集成化的設備,節約了人力、物力,一次作業即可減少因租賃機動船具而產生的數千或上萬元的租賃及相關人工成本費用。因此,從長期使用方面來看,無人船的應用具有較大的經濟效益。

3 結論

無人船的發展和應用,為油氣管道水域測量作業帶來了一種全新的、自動化程度高的測量模式。在河流流速適中、深度適當的情況下,無人船可作為首選水域測量方法。工程應用實例數據情況表明,較傳統水域地形測量方法而言,無人船水下地形測量方法在保障人身安全、作業效率和成果精度情況方面,均有極大的提升,可為油氣管道河流穿越設計工作提供準確的測繪成果,能夠有效縮短設計工期和提升設計成果質量,并有效規避安全風險,具有較高的經濟效益和社會效益。