耙吸挖泥船浚測一體化系統研究

高翔

摘 要：本文針對目前耙吸挖泥船疏浚施工過程中，疏浚與測量分離，施工效率和效益不高的問題，進行了耙吸挖泥船疏浚測量一體化系統研究。主要采用高密度聲吶陣列技術進行疏浚測量一體化系統設計，并對系統精度進行測試。結果表明系統精度符合有關要求，能夠實現渾濁的施工水域全自動化、高精度的水深測量和河床地形探測，實現疏浚施工與工程測量的同步及實時水深測量數據和施工管理系統結合。將浚測一體化系統運用于疏浚船舶，能有效提高疏浚施工的質量和效率。

關鍵詞：耙吸式挖泥船;疏浚;測量;一體化

中圖分類號：U674.31 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）07-0050-04

疏浚測量是疏浚作業的重要工作之一，尤其現代疏浚工程中，及時得到準確的水下地形資料十分重要，直接影響到工程的進度。關于疏浚測量，學者們已經進行了系列研究：孫銀根等針對疏浚施工中， 水砣或測試板打出的深度往往與高頻測深儀所測數據不一致的問題，從超聲波測深原理和量化數據方面分析了浮泥層對高頻測深儀的影響，并提出幾種解決方案;郭雄強等將衛星精準定位、多聲波技術用于疏浚測量，實現了對海洋的底質類型、淤泥厚度等深度精準測量;施永富設計了一種輕便型航道疏浚測量系統，并將系統用于內河航道圖測量， 研究結果表明該系統能夠直觀準確反映疏浚施工質量，在實際應用中效果顯著;王慶浩將彩色竹竿和測深錘代替GPS和測深儀用于實際疏浚施工測量，施工結果表明該測量方法具有較好的技術效益和經濟效益;萬滔研究了適用于絞吸挖泥船的實時測量系統，該系統能實現浚前、浚中和浚后水深數據測量，施工質量實時控制;李素江提出將GPS PPK潮位測量技術用于超長航道疏浚工程測量，并將其用于工程實際，實踐發現，相比GPS RTK技術，GPS PPK技術具有精度高、可靠、現勢性好等優勢。目前，關于疏浚測量的研究較多，但大部分只是針對疏浚測量技術進行改進優化研究，對于實時測量系統的研究還比較少，由于疏浚施工和測量的分離，施工成本高、數據時效差、效率低能耗高等弊端還未得到解決。

考慮到上述問題，本文提出了一種適用于耙吸挖泥船的疏浚測量一體化（以下簡稱“浚測一體化”）系統，該系統主要基于高密度聲吶陣列技術，并采用疏浚同步核心算法和多維數據修正技術等，配備浚測一體化系統軟件，能實現船舶疏浚施工與工程測量同步，施工質量實時控制，從而有效縮短測量周期，提高施工效率和質量，提升施工效益。

1 高密度聲吶陣列

針對傳統聲吶測量技術在渾濁水域測量時誤差較大、周期較長等問題，本文提出了一種適用于河床地形檢測的高密度聲吶陣列，其中主要包括：能量聚焦、動態降噪及多設備集成等技術。

1.1 能量聚焦技術

由于測量環境水域渾濁、水體成分復雜，導致被測河床出現局部回波紊亂、波束腳印放大、噪信比提高，這會嚴重影響檢測精度。通過在高密度聲吶陣列中使用能量聚焦技術，在單一測量周期內（50～100毫秒）縮短單次發射波長（約3～5微秒）、增加發射次數（約10～20次）、增大發射功率，使被測區域在該測量周期內被更密集的聲波重復覆蓋，即會導致腳印內回聲能量和腳印外回聲能量級別被放大。同時能量聚焦技術的使用，原始聲吶檢測數據量也被放大約10～20倍，使得數據及時傳輸和處理工作變得更為復雜和困難，所以相應的在后端數據處理單元，通過增加多片高速DSP和FPGA的方式來解決這一問題，通過多片高速DSP協同工作，分片流水式運行來滿足海量數據的及時運算。

1.2動態降噪技術

由于本項目的應用場景是疏浚水域，其水質較湖泊、海洋更為渾濁且含各類懸浮物，勢必造成水體聲學噪聲較多;施工區域因船舶施工形成的紊流、水花以及氣泡都會造成聲吶噪聲。針對上述噪聲的產生原因和實際情況，在高密度聲吶陣列中增加了水體噪聲預識別技術和動態信噪比調節技術，在前端進行噪聲抑制，大大減少了檢測結果中的噪點和野值。

1.3多設備集成技術

在高密度聲吶陣列中不但集成了聲吶多波束發射裝置和多波束接收陣列，還集成了慣導測姿裝置、表面聲速測量裝置、海量測量數據雙向通信設備。通過集成慣導測姿裝置，使得通過高密度聲吶陣列精確河床地形，實現了高密度聲吶陣列在測量過程中無需校準，并對測量過程中的船舶橫搖、縱搖、航向變化等因素進行了前端修正，既提高測量精度還減少后端數據修正運算量。通過集成表面聲速測量裝置，實時測量當前水域的表面聲速，為后端數據運算和分析提供精確的聲速數據。在河床地形檢測應用場景下，后端需要大量的水下聲吶波束測量原始數據即輔助設備數據，其中包含水體噪聲數據、回波能量數據、回波檢波數據、橫搖、俯仰、航向角、聲速數據等，這些海量數據需要在最小延時范圍內傳輸給后端數據處理系統，同時還接收來自后端系統的配置和控制指令，通過在高密度聲吶陣列中集成海量數據雙向傳輸設備，實現對原始數據在本地壓縮后高速傳輸至后端系統。

2 系統實現

2.1 系統組成

耙吸挖泥船浚測一體化系統的組成主要包括：高密度聲吶陣列測深系統、升降測量平臺、計算機及網絡系統、系統軟件。如圖1所示為測量機構安裝示意圖，在船舶艏部左右對稱設置兩個測量井，在每個測量井內安裝一套自動升降測量機構，高密聲吶陣列安裝于測量機構上。測量機構采用分段式組裝模式，無需上塢即可拆裝維護，具備導軌自動除污功能。測量井結構通道內焊接有定向導軌，升降平臺上安裝有自潤滑滑塊，升降平臺在定向導軌約束下做上下升降運動，當收回和放下到位時通過升降平臺上的自動鎖緊機構鎖緊。高密聲吶陣列固定安裝在升降平臺內，實現校準全自動完成，無需人工進行任何的測前校準工作。

當開啟測量模式時，自動升降機構將水下基陣伸出船底板外;當測量結束時，自動升降機構將高密聲吶陣列收回至船體內。

測量過程無需人工干預，自動完成測前準備、測量過程中數據采集和傳輸、測后的數據自動清洗校準和成圖，以及成圖數據的自動疊加顯示和網絡化傳輸。開展浚前測量工作時，船舶施工人員僅需在系統軟件中設置待測區域，并依照系統自動生成的航測控制線在待測區域內航行即可完成浚前水深數據的測量，測量數據自動剔除野值并自動成圖，支持數據的多種模式顯示?？Ｖ袦y量即在船舶施工的同時開展測量，此時高密聲吶陣列掃測的數據即是耙頭即將施工區域的水深數據，可為施工人員提供及時的水深數據指導，浚中測量時測量數據的顯示采用冒泡方式顯示，直觀明了，并可以根據當前耙頭位置和耙頭軌跡預測，重點顯示即將施工區域水深數據?？：鬁y量的操作流程類似于浚前測量，可充分利用施工間隙、拋泥航行等時間來完成浚后測量，浚后測量數據顯示支持與浚前數據疊加顯示、淺點自動搜索和顯示等功能，以便于施工人員利用浚后數據進行施工質量檢查。

2.2 系統性能

測量寬度：耙吸式挖泥船浚測一體化系統測量寬度超過10倍水深。

測點間距：測量水深點間距≤0.5米，完全滿足施工測量要求。

測深范圍：0.5米～100米。

測深精度：符合JT/T790-2010特級或一級精度。

測深設備最大功率≤500W。

吃水調整范圍：1～15米，根據船舶吃水、橫傾角、縱傾角與測量裝置下放深度進行自動修正。

聲速調整范圍：1400～1600m/s，分辨率0.1m/s。

系統工作環境溫度：-5℃～50℃。

數據：無需配備測量導航（外業）軟件和數據后處理（內業）軟件。

3 精度測試

3.1 高密度聲吶陣列精度測試

3.1.1 高密度聲吶陣列安裝校準

根據相關測量技術要求，需要對浚測一體化系統的橫搖偏差、縱搖偏差和艏向偏差等三個參數進行校準，校準方法如下：

（1）布置兩條平行測線，每條測線往返測量各一次。

（2）以相同的航速完成4條測線的測量。

（3）使用Hypack軟件，完成校準測線數據處理。

（4）使用Hypack軟件的Patch功能模塊，按照技術要求中規定，選擇合適的測線和校準順序，分別計算出橫遙偏差、縱搖偏差和艏向偏差。

（5）重復（2）-（4）兩次，對每個參數得到三組校準，統計校準平均值和中誤差。

采用Hypack軟件的Patch功能模塊，進行橫搖偏差、縱搖偏差、和艏向偏差的校準參數計算。對三組校準數據分別進行處理，得到校準參數如表1所示：

由表1可知，高密度聲吶陣列的安裝偏差參數分別為：橫搖偏差0.04度，縱搖偏差-3.4度，縱搖偏差-0.7度。橫搖偏差、縱搖偏差和艏向偏差的中誤差分別為0.00度、0.10度和0.06度，滿足《多波束測深系統測量技術要求 JT/T790-2010》中要求的，橫搖中誤差小于0.05度、縱搖中誤差小于0.3度和艏向中誤差小于0.1度的要求。

3.1.2 內符合精度測試

完成橫搖偏差、縱搖偏差和艏向偏差測定與校準后，對其內符合精度測試（綜合測深誤差測試），測試方法如下：

（1）選擇水深大于或等于測區內最大水深、水下地形平坦的水域進行。

（2）按正交方向分別布設2條測線;每個方向的測線測量兩次。

（3）按照相同航速測量，得到4條測量的數據。

（4）使用Hyapck軟件處理測量數據，并分別得到4條測線的測深點數據。

（5）每次選擇4條測線中的2條，對比重疊部分的水深，統計水深比對不符值點數，不符值點數不應超過參加總比對點數15%，其中，不符值限差參照公式1中的方法計算（本測試不符值限差為0.29米）。

（6）4條測線兩兩比對，共進行6次統計，得到6次比對結果和所有比對的總結果。根據所選用測試方法得到內符合精度測試如表2所示：

由表2可知，超限點比例最大值為3.08%;6組合并統計時，總比對點數為416，109，超限點數量僅為9，032，超限點比例為2.17%。6組對比結果和合并統計結果均遠優于《技術要求》中該規定的不超過15%的要求。

3.1.3 外符合精度測試

內符合精度測試滿足限差要求后，還應對水深大于或等于測區內的最大水深、水下地形平坦的水域采用單波束測深儀對系統進行水深精度比對，測試方法如下：

（1）使用檢測板的方式對單波束測深精度進行校準。

（2）選擇水深大于或等于測區內最大水深、水下地形平坦的水域進行。

（3）高密度聲吶陣列測量：按正交方向分別布設2條測線;每個方向的測線測量兩次。按照相同航速測量，得到4條測量的數據。

（4）單波束測量：沿正交方向、按與多波速測線平行的方式布設兩組平行線，每組測線3條。按照相同航速測量，得到單波束測量數據。

（5）以單波束測深結果為參照，比對高密度聲吶陣列測深系統測量結果，統計水深比對不符點的數量，計算不符點比例，給出外符合精度測試結果。

使用Hyapck軟件對高密度聲吶陣列和單波束測量數據進行處理，以單波束測深結果為參考，對高密度聲吶陣列測量的水深精度進行比對，各測點的測量結果統計如表3所示：

由表3可知，對于12456個重合點，有236個點超過《多波束測深系統測量技術要求 JT/T790-2010》規定的不符值限，超限點比例為1.89%，滿足《多波束測深系統測量技術要求 JT/T790-2010》規定的超限點比例不超15%的要求。

3.2實船精度測試

將浚測一體化系統安裝至長鯨7號耙吸挖泥船，并在長江口岸直水道附近施工過程中進行精度測試，測試方法如下：

（1）在同一施工區域進行多次反復測量，然后對測量數據進行隨機比對。

（2）在同一施工區域針對不同浚次進行測量，形成單獨記錄文件，結合施工軌跡進行地形比對。

（3）安排測量隊對同一施工區域進行高密度測量，通過系統軟件中的數據比對功能模塊對同上述1和2的數據進行比對。

對比數據如圖2所示：

4 結論

（1）利用密度聲吶陣列技術，并集成了疏浚同步核心算法和多維數據修正等技術手段，設計了一套適用于耙吸挖泥船浚測一體化系統。

（2）浚測一體化系統各項精度指標均符合有關系統測量精度技術要求，能夠實現復雜疏浚水域的水深測量和河床地形探測。

（3）耙吸挖泥船浚測一體化系統能夠實時為疏?？刂葡到y提供精確的河床感知數據，實現施工和測量同步進行，能有效解決傳統疏浚施工中浚測分離的弊端，提高疏浚施工的質量和效率。

參考文獻：

[1]武建中，盧志炎，盛晨興. 我國疏浚業的現狀與展望[J].中國水運，2017（02）：14-16.

[2]陳云. 疏浚業將大有可為[J].施工企業管理，2010（12）：32-33.

[3]施永富. 輕便型航道疏浚測量系統開發及應用研究[J].科技資訊，2015，13（31）：70-71.

[4]劉樹東，李素江.疏浚工程高效、高精度多波束測量方法[C].世界疏浚協會，中國疏浚協會.2010：62-70.

[5]孫銀根，王蕾，杜媛安.浮泥層對高頻測深儀在疏浚測量中的影響分析[J].中國水運.航道科技，2019（01）：76-80.

[6]郭雄強，劉力，劉思航，等.探究現代海洋測繪及通信技術在港航道疏浚工程測量中的應用[J].科技風，2017（14）：126.

[7]施永富.輕便型航道疏浚測量系統開發及應用研究[J].科技資訊，2015，13（31）：70-71.

[8]王慶浩.彩色竹竿在疏浚工程測量中的應用[J].礦山測量，2016（01）：33-36.

[9]萬滔.絞吸挖泥船疏浚實時測量技術的研究與應用[J].船舶，2015，26（04）：91-94.

[10]李素江，王華原.GPS PPK潮位測量技術在疏浚測量中的應用[J].水道港口，2012，33（02）：178-184.