內河航道智能微型測量船的設計與應用研究＊

楊傳華

（長江武漢航道局 武漢 430014）

0 引 言

長江是一條貫穿我國東西的世界級通航河流，同時也是沿江省市經濟發展的重要支撐.通過各級的努力和多年來的快速發展，長江航道維護管理手段取得了顯著的提高.目前，長江上已經研制并陸續建設了航標遙測遙控、水位遙測遙報、無線視頻監控等多種與數字航道建設相關的系統.這些系統的建設對提高航道維護效率，保障船舶安全航行等發揮了巨大作用，但是在航道數字化、航道水深實時采集研究上，目前還是個空白.航道水深數據的采集還是依靠航道工作船或測量船完成，其主要工作方式是在測量船上裝測深儀、GPS、計算機等設備，通過這些設備進行數據采集，然后人工出圖.由于使用這些船舶油耗大，需要的工作人員多，使用成本高，航道水深更新率較低.在枯水維護中，船舶擱淺的情況時有發生，這些都對航道水深采集提出了更高的要求，如何快速獲取航道水深、降低航道水深采集成本，是航道測量中亟需解決的問題［1－4］.

2009年以來，長江武漢航道局通過2次立項先后開展了《遙控水深探測器的研制》及《遙控測量船自動航行系統的研制》，成功研制出了用于航道水深測量的遙控測量船，船上安裝有測量系統，能夠實現遠程手動遙控測量和按預定航線自動導航測量，2011年開始投入使用，取得了較好的效果，本文將簡要介紹該船的設計原理及應用情況分析.

1 遙控測量船設計

1.1 遙控測量船功能設計［5－8］

遙控測量船的設計目標為枯水期重點淺水道的航道測量及大比例的航道工程測量，針對該目標，確定以下技術指標要求：（1）研制的遙控測量船靜水航速在12km／h以上；（2）遙控距離在2 km以上，遙控操作方便，抗干擾性強，不受過往船舶及其他無線信號的影響；（3）測量船上裝有自動導航系統，可以按設計航線進行測量，也可人工手動調節；（4）遙控測量船吃水小于0.5m，穩性等各項性能符合一般船舶通用要求；（5）遙控測量船上有保護測量儀器的裝置，船舶傾覆后不會沉沒，儀器不會遺失；（6）水深采集數據及視頻監控數據可實時傳輸到遠程控制端.

根據上述技術指標，綜合設計了以下各技術方案.

利用船舶設計原理設計遙控測量船的船體，在設計船體的穩性、重量、容量、分艙等時，充分考慮遙控測量船的輕小性、吃水淺、抗風力等要求，設計的遙控測量船能夠在航道淺區工作，同時也能抵御一定的風浪，保證船體的靈活性和穩性.

遙控測量船和控制站的數據通信上采用數傳電臺和GSM 2套通信系統，GPS和水深測量數據由遙控船上的電腦系統自動記錄存儲，同時為便于遠程實時觀測工作狀態，將這些信息通過數傳電臺和GSM兩路信號同步傳輸到遠程控制站，以保證通信的可靠性，視頻及船舶控制信號通過數傳電臺傳輸.

遙控測量船的自動導航采用的是GPS和慣導的組合導航技術，GPS是當前應用最為廣泛的衛星導航定位系統，但是GPS應用還存在易受干擾、動態環境中可靠性差以及數據輸出頻率低等不足.慣導系統則是利用安裝在載體上的慣性測量裝置（如加速度計和陀螺儀等）敏感載體的運動，輸出載體的姿態和位置信息.系統完全自主，保密性強，并且機動靈活，具備多功能參數輸出，但是存在誤差隨時間迅速積累的問題，導航精度隨時間而發散，不能長時間獨立工作，必須不斷加以校準.將GPS和慣導進行組合可以使兩種導航系統取長補短，構成一個有機的整體，提高整個系統的精度和抗干擾能力.

在水深測量上，遙控測量船由于船體輕小，在測量過程中，船體的晃動幅度會很大，這樣會影響水深的測量精度，因此在換能器的安裝方式上采用單擺的方式，這樣的安裝方式保證換能器在測量的過程中始終維持垂直的狀態，而不會隨著船體的晃動而搖擺，此外，為避免出現假水深，采用特殊材料對底部進行局部封裝，從而提高了測量的精度.

1.2 水深測量中的關鍵技術［9－10］

理論上，測量構建水下地形圖就是從測量船上的相對坐標到大地坐標的轉換.一個典型的水深測量系統中，測量船工作于被測量區域水面，其上的測深儀周期掃描水下地形.每一個反射波獨立計算范圍、方位角、高程，在實際應用時，需要確定大地、測量船、傳感器三者間的坐標轉換關系.測量過程中，測量船的坐標位置可以通過差分GPS精確定位，而各水下河床表面深度可由測深儀獲取.為獲取河床面的精確坐標信息，需要確定不同坐標系之間的變化關系.在理想的條件下，水深測量可表示為

式中：ps，pv，pw，分別為傳感器、測量船和地球齊次坐標系中的坐標位置；S為傳感器到測量船的坐標系變換矩陣；V為測量船坐標到地球坐標系的變換矩陣.

實際應用中，傳感器、測量船、地球3種坐標系中的轉換存在一定的誤差，也就是說得到的是一近似關系

變化V，S具有6個自由度，因此，總共有12個變量待定.為此，將式（2）變形

將式（3）與式（6）比較，可得如下誤差表達式

式中：I為單位矩陣.實際應用中，不同區域的坐標變化矩陣不完全相同.因此，需要事先確定多個參考點，根據其已知精確坐標位置和實際測量相對坐標位置，形成線性方程組即可確定變換矩陣.從而，在測量過程中通過式（6）、式（7）快速計算河床各點的全球坐標位置信息，及分析實際測量中誤差范圍.為測量船航速控制、轉向控制提供依據.

2 測試及應用分析

遙控測量船于2009年開始研制，2011年初交付荊州航道處試用，期間經過了不斷的改進、優化，遙控測量船性能逐漸完善，2011年11月還實現了自動導航功能.在使用優化過程中，荊州處工作人員逐漸掌握了該遙控船的各項性能，各項操作均能獨立完成，并且能夠判斷排除一般的船舶故障.該船是國內目前唯一用于航道生產的遙控船，荊州航道處將其應用到航道水深補測、工程測量以及航道測量中，代替傳統漁船租賃測量以及測量艇測量，發揮了重要作用.

2.1 系統測試

1）船舶綜合性能測試 經測試，船舶靜水航速12.5km／h，回轉半徑為9m，能抵御冬季6級風下使用兩艘快艇制造的大浪，船舶有汽油機和電動機兩套動力推進系統，可單獨工作，也可以同時工作，可遠程啟動任意一種推進系統，自由切換，船舶單獨使用汽油機工作，續航能力超過4 h，船舶航行中操作人員可以遠程控制視頻像頭360°旋轉，遠程觀察船舶周圍情況，船舶綜合性能達到設計要求.

2）遙控性能測試 將遙控船掛在躉船尾部，將測量隊的測量船啟動出航，在測量船上通過遙控器操作方向舵、觀察電腦中視頻及GPS、測深儀信號實時變化，測試過程中，也特意選擇中間有遮擋的環境，以測試信號抗干擾情況及遙控距離，經測試，使用數傳電臺傳輸：過往行輪航行對遙控操作無明顯影響，視頻及遙控可工作距離均超過4km.GPS、測深儀在2.4km以內信號正常，2.4～4km之間有零星亂碼出現，但仍能正常工作，4 km以上，亂碼較多，不能正常工作；使用GSM傳輸，通信距離不受影響，但在個別信號盲區江段測試時，網絡出現斷線.

3）自動導航性能測試 通過地面站軟件設定了8個目標點和HOME點，采用自動導航模式，遙控測量船依次到達8個目標點后，并返回HOME點.工作中手動和自動控制可以任意切換.測試畫面見圖1.

圖1 測試畫面（右圖中略彎曲連續z字形線為遙控船航行軌跡，斷面間距10m）

同時，測試中設計了斷面間距只有10m的斷面點，該船仍能夠準確上線，精確測量.

4）測深精度測試 換能器采用單擺式安裝，為了檢驗這種安裝方法的效果，采用靜態和動態兩種方式對其檢測，靜態方式測試方法是在小船靜止的情況下，分別測試換能器固定安裝和單擺安裝兩種方式下水深值，利用測深板對其檢測，將一塊測深板放在遙控船換能器下方一定的深度，四周用人員固定，然后橫向搖晃測量船，模擬遙控測量船測量時的搖晃狀態，記錄換能器在此種安裝方式下的測得的水深值，并和已知的標準水深值比較.經測試，在單擺安裝方式下遙控測量船搖晃時測得的水深數據與已知的標準水深值相同.常規測量與遙控船測量實測水深比較見圖2.

圖2 常規測量與遙控船測量實測水深比較（紅色數字為遙控船測量，藍色為常規測量，單位：m）

動態方式測試是選擇一片水域，先用遙控船在上面測幾個斷面，然后，用測量隊的測量船按遙控船的測量軌跡進行測量，最后比較兩船測得的水深測圖，看有無差異，經比測，兩船測的水深圖基本一致，說明船舶遙擺對測深精度無影響.

2.2 社會經濟效益分析

遙控測量船的使用徹底改變了航道站以往的維護工作模式，使傳統航道部門水深掌握能力得到了根本的提升，為今后更好的發揮經濟及社會效益奠定了基礎.其吃水淺，航速快，遙控距離遠以及無人駕駛等綜合優點，還可以廣泛應用到一些危險地段，如：礁石、沉船、崩岸河段以及危險品船檢測等，可以減少安全事故發生.

長江航道局計劃在“十二五”期建成數字航道，電子航道圖是各種應用的基礎，該圖需要及時更新，因此，需要對全局所有航道進行及時的航道測量，如果使用現有船舶進行測量，其維護成本將會很大，目前，武漢航道局一個航道處平均管轄42km，如果全局進行同時測量，一次耗用油費約10.7萬元（42km長／0.2km一個斷面×1.5km江寬＋84km往返垂直距離，得到399km的測量距離，按平均斷面航速22km／h計算需要18h，一個處需油耗18×350＝6 300元，17個處一次需要10.7萬元），全長江航道局2 687.6km航道測量一次需要40.3萬元，如果用此船測量，一次，一個處需油耗18×30＝540元，17個處一次需要9 180元，全航道局2 687.6km航道測量一次需要3.5萬元，全航道局測量一次節約油耗36.8萬元，如果測量密度大，節約費用還要多，經濟效益非常明顯.

3 結束語

展望“十二五”，加快發展暢通、高效、平安、綠色內河航運，成為各級航運主管部門的重要工作目標.利用信息化、數字化技術手段，開展內河航道通航狀態監控以及航道安全風險防范技術研究，對于加快數字航道建設、提升航道通航保障能力而言，意義重大.

通過航道遙控測量船的研發和自動導航的設計，探索了水上無人自動駕駛遙控測量的可行性，實際應用效果較為理想.后續研究中將進一步對該船進行改進和完善，如增大遙控距離、增加主動避碰功能、增加流速測量功能等，使其功能更強，更智能化.

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