無人遙控測量船遠(yuǎn)程圖傳系統(tǒng)研究與應(yīng)用

馬新國 黃漢邦 胡思航

摘要：受十年禁漁期及漁民上岸等政策影響，長江岳陽航道測繪中心對(duì)無人遙控船測量的需求日益增大，而自主研發(fā)的測量船測深儀遠(yuǎn)程連接系統(tǒng)中連接圖像清晰度較差，信號(hào)接收延時(shí)高易掉線等問題。為滿足日常測繪需要，需提高測量效率及測量成果質(zhì)量，我中心基于新型數(shù)據(jù)網(wǎng)橋設(shè)備作為測深儀圖傳控制。通過基站模塊、船載監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于新型數(shù)據(jù)網(wǎng)橋設(shè)備的無人遙控測量船測深儀遠(yuǎn)程系統(tǒng)具有連接簡單、信號(hào)穩(wěn)定、延遲低等特點(diǎn)，能夠滿足日常無人船在航道測量中對(duì)測深儀監(jiān)控需求。

關(guān)鍵詞：新型數(shù)據(jù)網(wǎng)橋設(shè)備;圖傳控制;遠(yuǎn)程系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1006—7973（2022）03-0063-04

1概述

1.1研究背景及研究必要性

長江航道自主研發(fā)無人船較早，走在國內(nèi)前列，但是基礎(chǔ)研發(fā)能力與專業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)有一定差距，作為最早將無人遙控測量船實(shí)際應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中的單位，岳陽航道測繪中心取得了大量的實(shí)踐數(shù)據(jù)。長江岳陽航道測繪中心無人遙控測量船原先采用4G 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，但在實(shí)際測量應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控并不理想，造成4G 網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常掉線原因如下：

（1）由于岳陽處轄區(qū)地處兩省交界，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)太差。在測量過程中，測深設(shè)備無法實(shí)時(shí)監(jiān)控，不能保證測量成果。

（2）無人遙控測量船的遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)功率覆蓋低，艙內(nèi)信號(hào)密閉，無法通暢發(fā)射和接收信號(hào)，在實(shí)際測量中很容易超出測量范圍，不利于測量安全。

網(wǎng)絡(luò)掉線引起監(jiān)控畫面丟失，其造成影響如下：

（1）無法實(shí)時(shí)監(jiān)測測深儀是否正常運(yùn)行。

（2）在數(shù)據(jù)采集過程遇到水流紊亂導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不佳等相關(guān)問題時(shí)，不能通過遠(yuǎn)程桌面及時(shí)對(duì)測深儀進(jìn)行設(shè)置。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測水深斷開，將無法預(yù)判無人遙控測量船擱淺碰撞等狀況并及時(shí)進(jìn)行干預(yù)措施。

基于存在的問題，需通過對(duì)無人遙控測量船數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，以進(jìn)一步優(yōu)化無人遙控測量船性能，便于日常使用。

1.2主要研究目標(biāo)

無人遙控測量船已實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)導(dǎo)航、主動(dòng)避碰、精確測量、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N功能，且船舶浮性、穩(wěn)性、防水性等綜合性能適應(yīng)長江航道各種工況環(huán)境。但在實(shí)際應(yīng)用中，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)系統(tǒng)存在一些問題，準(zhǔn)備通過對(duì)無人遙控測量船數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，解決在兩省交界特殊環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈接問題。

基于上述優(yōu)化需求，確定本項(xiàng)目研究主要內(nèi)容為：無人遙控測量船遠(yuǎn)程圖傳系統(tǒng)研究與應(yīng)用。

通過數(shù)據(jù)系統(tǒng)升級(jí)后的無人遙控測量船應(yīng)該滿足以下技術(shù)指標(biāo)：

（1）數(shù)據(jù)鏈要求傳輸距離在2KM 以上，傳輸速度4Mbps 以上。

（2）傳輸要求穩(wěn)定，搭配2個(gè)以上大功率 PA 射頻功放，可實(shí)現(xiàn)2-3公里點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸。

（3）供電輸出方便與船舶使用，滿足12V 供電要求。

（4）滿足最低室外防護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，有一定的防水、防塵、防凍、抗高溫的能力，適應(yīng)工作溫度在-10°至55°之間。

（5）方便電腦查看數(shù)據(jù)情況。

基于上述存在的問題，需通過對(duì)無人遙控測量船數(shù)據(jù)系統(tǒng)的升級(jí)改造，進(jìn)一步優(yōu)化無人遙控測量船的使用。為解決測量船測深儀遠(yuǎn)程連接系統(tǒng)中連接圖像清晰度較差，信號(hào)接收延時(shí)高易掉線等問題，我中心積極研究，探索各項(xiàng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合日常測量過程中遇到的各種無人船遠(yuǎn)程過程中出現(xiàn)的問題，最終采用基于新型數(shù)據(jù)網(wǎng)橋設(shè)備作為測深儀圖傳控制，該系統(tǒng)突破原本受網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商基站信號(hào)影響，即使在完全沒有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)區(qū)域也能通過網(wǎng)橋設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離圖傳控制，且穩(wěn)定性高、延遲低等特點(diǎn)，對(duì)于長江航道無人遙測具有重要意義。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)結(jié)合日常測量工作實(shí)際，基于現(xiàn)有無人遙控測量網(wǎng)絡(luò)通信主要存在以下幾個(gè)問題：

（1）由于岳陽處轄區(qū)，地處兩省交界，長江兩岸網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商基站架設(shè)密度低，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)太差。在測量過程中，測深設(shè)備網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常掉線，不能實(shí)時(shí)監(jiān)控，難以保證測量成果;

（2）艙內(nèi)信號(hào)密閉，無法通暢發(fā)射和接收信號(hào)。

基于上述存在的問題，結(jié)合現(xiàn)有通訊技術(shù)，通過新型數(shù)據(jù)網(wǎng)橋設(shè)備對(duì)無人遙控測量船數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的改造，可實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)無人遙控測量船測深系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

選擇的岸端無線基站具有體積小，便捷攜帶、續(xù)航時(shí)間長，并內(nèi)置無線 WIFI 傳輸?shù)墓δ芴攸c(diǎn)。它輕量化的殼體設(shè)計(jì)，可單手?jǐn)y帶，防護(hù)等級(jí)達(dá)到 IP66，防跌落強(qiáng)度為1m;同時(shí)內(nèi)置 WIFI 路由模塊，有線和無線均可進(jìn)行連接。

選擇的船端圖傳設(shè)備具有設(shè)備小巧、防凍抗高溫的能力，固定安裝在無人測量船內(nèi)部，使用12V 直流供電，通過兩根通訊天線與岸端無線基站連接。

通過船端圖傳設(shè)備及岸端無線基站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控測深儀系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控測深儀狀態(tài)，避免出現(xiàn)測深系統(tǒng)故障后，測量人員無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，影響測量工作效率。

3主要功能及試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1主要功能實(shí)現(xiàn)

無人遙控測量船遠(yuǎn)程圖傳系統(tǒng)主要考核該系統(tǒng)以下指標(biāo)：系統(tǒng)傳輸距離與速率、設(shè)備工作溫度對(duì)系統(tǒng)的影響、設(shè)備功耗。

3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析比對(duì)

為確保設(shè)備系統(tǒng)滿足航道測量需求，對(duì)其進(jìn)行了為期5個(gè)月的實(shí)際測試，結(jié)合實(shí)際測量進(jìn)行了多次的設(shè)備調(diào)試測試效果如下：

3.2.1傳輸距離與速率

設(shè)備無線連接完成后遠(yuǎn)程桌面連接成功，在遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦端打開 PCTATCP 軟件，輸入測試命令，默認(rèn)情況下，單個(gè)數(shù)據(jù)包的大小為8192，數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)為2048。此時(shí)，從無人船船載測深電腦到遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦的 TCP 傳輸速度為2311.71KB/s。滿足傳輸速度4Mbps （512KB/s）以上的要求。

3.2.2設(shè)備工作溫度對(duì)系統(tǒng)的影響

在設(shè)備通電成功后，遠(yuǎn)程桌面連接成功，通過紅外線測溫儀進(jìn)行量測無人船艙內(nèi)溫度，通過早中晚溫度對(duì)比（如下表3），查看遠(yuǎn)程桌面連接是否斷開。

在通過五個(gè)月的試驗(yàn)，在日常測量工作環(huán)境下，設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，未出現(xiàn)因設(shè)備高溫而斷線的情況。3.2.3設(shè)備功耗

中心無人船航測1號(hào)搭載60AH 鋰電池，將船端圖傳設(shè)備電源適配器插上無人船12V 電源輸出排插，船端圖傳設(shè)備正常啟動(dòng)，遠(yuǎn)程桌面連接成功（圖1）。通

過實(shí)際測試，充滿電情況下整個(gè)系統(tǒng)可連續(xù)工作20小時(shí)，可滿足日常航道測量生產(chǎn)作業(yè)需求。

4項(xiàng)目研究成果

4.1研究取得的主要成果

無人遙控測量船數(shù)據(jù)系統(tǒng)升級(jí)技術(shù)研究用新型船端圖傳設(shè)備和岸端無線基站，實(shí)現(xiàn)了專網(wǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，解決了以往遠(yuǎn)程圖傳桌面易斷開、無法實(shí)時(shí)監(jiān)控的情況，極大的提高了生產(chǎn)效率和船舶自身安全。

4.2研究成果技術(shù)參數(shù)

（1）數(shù)據(jù)鏈要求傳輸距離在2KM 以上，傳輸速度4Mbps 以上。

（2）傳輸要求穩(wěn)定，搭配2個(gè)以上大功率 PA 射頻功放，可實(shí)現(xiàn)5公里點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸。

（3）供電輸出方便與船舶使用，滿足12V 供電要求。

（4）滿足最低室外防護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，有一定的防水、防塵、防凍、抗高溫的能力，適應(yīng)工作溫度在-10℃至60℃之間。

4.3技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

通過使用新型船端圖傳設(shè)備和岸端無線基站，將原有的遠(yuǎn)程圖傳桌面由2KM 提高到5KM，傳輸速度穩(wěn)定，極大的提高了測量實(shí)時(shí)監(jiān)控的范圍。

5成果應(yīng)用情況

項(xiàng)目組將研究成果在遙測3號(hào)無人測量船進(jìn)行了應(yīng)用，并于2021年10月起在長江岳陽航道處航道測繪中心正式投入應(yīng)用。使用無人遙控測量船搭載測深儀 HY1601和 GNSS 定位系統(tǒng)進(jìn)行淺區(qū)補(bǔ)淺和碼頭測量。應(yīng)用無人遙控測量船新設(shè)備進(jìn)行枯水期補(bǔ)淺任務(wù)，參與完成了洞庭湖口邊灘補(bǔ)淺、糧庫碼頭測量、界牌2#丁壩補(bǔ)淺等航道測量。實(shí)地測量照片如下（圖2至圖6）：

6經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益分析

6.1經(jīng)濟(jì)效益

（1）使用無人遙控測量船在改造升級(jí)之前，使用4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程桌面實(shí)時(shí)監(jiān)控，測量過程中因斷網(wǎng)掉線導(dǎo)致無法實(shí)時(shí)監(jiān)控，無人遙控測量船水深記錄無法保證，經(jīng)常重復(fù)測量，在數(shù)據(jù)系統(tǒng)升級(jí)改造以后，網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定，能夠全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，減少了重復(fù)測量及人工，提高了工作效率。

（2）數(shù)據(jù)系統(tǒng)升級(jí)后的無人遙控測量船減少重復(fù)測量次數(shù)之后，燃油消耗減少，降低了測量成本。

（3）在進(jìn)行工程區(qū)測量時(shí)，數(shù)據(jù)系統(tǒng)升級(jí)后的無人遙控測量船多次使用，降低了測量快艇在工程區(qū)損壞螺旋槳和尾軸幾率，保證了大型測量快艇的安全，提高測量工作的安全可靠性。

6.2環(huán)境效益

無人遙控測量船動(dòng)力為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，使用燃料為汽油，對(duì)比大型測量快艇的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的燃料柴油，具有一定的清潔環(huán)保效益，數(shù)據(jù)系統(tǒng)升級(jí)后的無人遙控測量船使用率大大提升，降低了大型測量快艇的測量使用，減少了柴油使用，降低長江碳排放污染。

7存在的問題與后期優(yōu)化建議

（1）改進(jìn)船控系統(tǒng)模塊，用來代替飛控模塊，解決飛控模塊功能單一、接口不豐富、參數(shù)調(diào)整不理想的問題，使之更加適用于現(xiàn)代無人遙控測量船的控制。

（2）使用一體化地面站代替遙控手柄，簡化操作按鍵，實(shí)現(xiàn)將岸端計(jì)算機(jī)、手操柄、數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的集成，提高無人遙控測量船執(zhí)行命令的準(zhǔn)確性。

（3）現(xiàn)有移動(dòng) GNSS 設(shè)備防水等級(jí)不夠高，在測量過程中容易造成設(shè)備進(jìn)水，建議集成小型 GNSS 接收機(jī)，具有防水防雷等功能。

8應(yīng)用前景及效果

長江岳陽航道測繪中心通過5個(gè)月的實(shí)際工作對(duì)無人遙控測量船遠(yuǎn)程圖傳系統(tǒng)研究與應(yīng)用，通過不斷改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試，目前該系統(tǒng)操作簡單、信號(hào)穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)o人船測深系統(tǒng)。在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不穩(wěn)定甚至無網(wǎng)絡(luò)信號(hào)江面，能夠完成測量過程實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)于長江航道數(shù)字化航道建設(shè)，航道測繪遙測具有重要的意義，值得推廣并使用。

長江岳陽航道測繪中心遙控測量船遠(yuǎn)程圖傳系統(tǒng)已用于2021年度整治建筑物觀測、碼頭工程等多項(xiàng)測量任務(wù)，在這過程中無人遙控測量船遠(yuǎn)程圖傳系統(tǒng)，極大的方便了測量人員的測量工作，未出現(xiàn)儀器設(shè)備掉線等問題，進(jìn)一步提升了航道測量無人船應(yīng)用技術(shù)，為航道測繪公益服務(wù)提供技術(shù)保障。