絞吸挖泥船疏浚實時測量技術的研究與應用

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、后和工程實施中進行，即浚前、浚中和浚后測量?？Ｇ皽y量是制定施工方案和確定工程量的直接依據；浚中測量是檢查施工進度和完善施工方案的有效手段；浚后測量是檢驗施工效果和評定施工質量的主要依據。

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）數據時效性不強，由于潮汐、回於等因素影響，測量數據產生變化，無法有效指導施工；

（3）無法實時獲取施工數據，浚后測量若出現問題，只能返工，浪費人力物力。

本文針對上述問題，研究利用三維矢量聲納測深技術，在絞吸挖泥船首部配置全自動外展測量機構和相關測量設備，融合船舶RTK-GPS、電羅經、船舶姿態(tài)儀、吃水、施工系統數據，開發(fā)絞吸挖泥船疏浚實時測量一體化系統。該系統根據絞吸挖泥船的施工特點，在船舶施工過程中同步完成浚前、浚中、浚后的測量工作，通過實時測量數據和施工數據的融合，實現浚前施工測量、浚中施工指導和浚后施工檢查的功能。

1 三維矢量聲納測深技術系統原理

常規(guī)聲納測量系統只能實現垂直水面測量，當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確測量，因此常規(guī)聲納測量無法應用于絞吸挖泥船的實時測量。

三維矢量聲納測深技術是針對疏浚施工船舶特點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、外展測量機構、測量系統以及后端處理軟件系統。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構上，具備以下功能：

① 測量角度可在±45°傾斜范圍內任意變化，角度相關性不影響測量精度。

② 內置高精度角度測量，角度測量誤差小于0.02°，角度測量響應為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 通過特定聲道結構和能量控制系統實現聲波約束，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之間調整，通過測量頻率的動態(tài)調整實現渾濁水域的精確測量。

（2）外展測量機構包含垂直運動機構、水平角度偏移機構和自動控制系統。通過垂直運動機構實現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構，自動調整水下變頻換能器測量角度，測量指定位置的水下深度。垂直運動機構、角度偏移機構均由伺服機構完成，伺服機構采用自動控制，控制參數由后端處理軟件系統提供。

（3）測量系統采用水底信號識別、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，將水下變頻換能器發(fā)送的聲納數據進行轉換和處理，最終獲取測量區(qū)域的水深數據。

（4）測量系統將轉換的水深數據實時傳輸給后端處理軟件系統，軟件系統結合施工船舶的平面定位、施工設計圖紙、施工計劃線、施工產量等數據實現施工測量成圖、施工質量分析、施工輔助指導等功能。

2 系統實現

2.1 總體設計

2.1.1 系統組成

絞吸挖泥船疏浚實時測量系統的組成包括：外展測量機構、三維矢量聲納測深系統、船舶定位及船舶姿態(tài)設備、系統軟件及環(huán)境。外展測量機構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為測量設備，可通過先進的三維矢量聲納技術完成測點的水深探測及測點相對換能器平面位置的偏移值；船舶定位設備采用RTK-GPS定位系統，船舶姿態(tài)設備為測量船舶縱傾、橫傾及吃水的設備，船舶定位及船舶姿態(tài)數據為測量數據提供輔助修正；系統軟件安裝于符合要求的工控機上，可完成測量數據的采集、清洗、誤差修正并存儲，并可提供人機交互界面協助用戶控制測量機構和對測量數據進行查詢統計。

2.1.2 主要性能指標

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

測點間距：測量水深點間距≤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。

測深設備單個換能器發(fā)射功率≤250 W。

聲速調整范圍：1 370～1 700 m/s ，分辨率 1 m/s，根據聲速儀自動修正。

環(huán)境工作溫度：-10 ～ 55℃。

供電電源：交流220 V。

2.1.3 系統主要功能

（1）測量數據采集。系統實時獲取測量數據，進行GPS、船舶姿態(tài)、船舶吃水、船舶橋架挖深等多維修正，并進行相應的轉換和處理，得出實際測點的測深數據。

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

（3）測量數據成圖。系統軟件按照時間段自動保存，測量數據自動成圖，成圖數據支持導出為通用測深文件格式，支持將數據導入到HyPack等主流軟件中。

（4）施工輔助管理。系統軟件將水深測量數據實時顯示在施工管理界面中，與施工中的重要數據融合疊加在一起，比如長江電子航道圖、施工設計圖、浚前或浚后測深圖、挖槽設計線、施工軌跡線等，并具備自動深度過濾、淺點智能搜尋和標識、施工質量分析等功能，幫助施工人員提高施工效率。

（5）疏浚測量數據分析。根據用戶設定計劃深度，結合浚前測量、浚中測量和浚后測量數據，進行對比分析。對比分析方式有二維斷面曲線對比和三維面重構疊加對比兩種主要方式。系統數據可通過船舶局域網遠程傳輸，用戶可在船載終端和遠程管理終端進行二維對比和三維對比。

2.2 實施方法

2.2.1 實施船舶和測深儀布置

實施船舶為2 000 m3/h絞吸挖泥船，船舶主要參數：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。實驗水域為長江中游水域，實際挖深3～5 m。

三維矢量聲納測深系統包括兩套外展測量機構和5臺測深設備，在絞吸挖泥船鉸刀兩側布置外展測量機構，在每側的測量機構上均布2臺三維矢量聲納測深設備的換能裝置，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備換能器的布置

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

2.2.2 測量實施方法

絞吸挖泥船疏浚實時測量的實施方法具體包括：測量機構架設、水深數據采集、水深數據處理與校正、與航道疏浚施工管理系統協同。

（1）展開測量機構、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構，使測深換能器平臺從船舷內旋轉至船舷外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，開始水深測量及數據采集。

（2）船舶施工行進時，測量機構保持展開姿態(tài)，相關測量設備持續(xù)實時回送測量數據。位于前位絞刀處和后位換能器回送的測量數據分別對應為疏浚前測量數據、疏浚中測量數據和疏浚后測量數據。

（3）采集的測點水深數據、測點相對換能器的偏移值，GPS數據、船舶縱傾、橫傾、吃水數據，均通過傳輸線纜傳輸至工控機上的系統軟件，系統軟件通過處理與校正，計算出每一測點的大地坐標數據并進行記錄存儲。

（4）船舶到達本槽施工終點后，將會航行至下一槽的施工起點。在此期間系統通過GPS信號判斷本槽施工結束，自動停止相關水深測量。

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

（6）回收測量機構。操作人員控制外展測量機構，關閉所有測量設備，使測量臂離開水面，升至水平位置，旋轉測量臂至船舷內完成測量機構回收。

2.2.3 實時測量結果

圖2-圖5是絞吸挖泥船疏浚實時測量系統實船測試部分試驗數據截圖。

圖2 疏浚前數據顯示

圖3 疏浚中數據顯示

圖4 疏浚前疏浚中數據對比區(qū)（泥漿濃度較高處）

圖5 疏浚前后數據對比

3 結 論

針對目前絞吸挖泥船疏浚與測量分離實施方法存在的不足，本文提出基于三維矢量聲納測深的疏浚實時測量技術，并經過實船測試，初步實現絞吸挖泥船疏浚測量一體化，實現疏浚與測量實時互動，降低疏浚測量工作量，縮短疏浚工程周期，提高疏浚工程的質量，具有顯著的經濟效益和社會效益。

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