自動化技術在航道測量中的應用

長江重慶航道工程局 李啟佳

在我國水路運輸事業不斷發展的過程中，為了提高水路運輸效率以及船舶航行安全性，必須做好航道設計工作，開展科學的航道測量作業。在航道測量過程中，自動化技術具有良好的應用效果，通過采用自動化技術能夠全面提升航道測量效率與測量結果準確性，從而能夠為后續的航道規劃與設計提供科學的基礎數據和資料支持。因此，本文將對自動化技術在航道測量中的運用方面進行深入地研究與分析，并提出一些合理的意見和措施，旨在進一步提高航道測量工作質量。

在現代科學技術高速發展的背景下，自動化技術在多個行業和領域中逐漸取得應用，且在很大程度上改變了生產模式。在航道測量工作中，依靠自動化技術的自身優勢，能夠形成全過程自動化測量模式，在航道定位、航道測深等工作中具有良好的應用效果，因此需要準確掌握航道測量中自動化技術的應用措施，以此推動我國航運事業快速發展。

1 航道測量的主要內容分析

航道測量是航運事業中的重要基礎，是航道規劃設計的前提，航道設計需要以準確的測量結果為依據，才能夠提高航道規劃設計科學性。在對航道進行測量的過程中，需要采用多項測量技術，將其應用在航道定位、航道測深等進行準確測量，其主要工作內容包括全部河床范圍內的水下、水上地形物與地物和兩岸范圍內的地物標志測量、水流觀測、地刺偏差測量、航行障礙物以及限航物的測量[1]。其主要內容如圖1所示。

圖1 航道測量主要內容Fig.1 Main contents of hydrographic survey

由此可見，航道測量所包括的內容較為復雜，包括水下、水上等影響船舶航行所有因素的測量，同時需要保證測量結果準確性，才能夠為航道設計規劃提供支持，提高航道設計科學性，是提高船舶航行效率以及安全性的重要基礎工作。在測量工作中，需要采用相關的儀器設備，對水下、水上以及兩岸的基礎物體進行測量，根據相關規定要求，航道測量精準性基本標準包括：（1）重要地物點對于鄰近圖根點的點位中誤差為圖上±0.6mm，高程中誤差±0.1m。（2）重點地區的點位中誤差為圖上±0.8mm，高程中誤差為±0.2m。（3）一般地區中，點位中誤差為圖上±1.0mm，高程中誤差為±0.2m～±0.4m。傳統的測量技術在測量精準方面無法得到有效保障，通過采用自動化技術，能夠有效提升航道測量工作質量。

2 自動化技術在航道測量中的應用優勢分析

2.1 自動化技術的基本內涵

自動化技術是一門綜合性的技術，與控制論、信息論、系統工程等多個方面都有著緊密的聯系，其中控制理論和計算機技術對自動化技術的影響最為深刻。在機械工程行業之中，自動化技術就是指通過機械來完成復雜的生產活動，從而去除繁重枯燥的人工操作。自動化技術脫離了原本大量的勞動力資源，通過機械進行生產，能夠節省大量的生產成本，且能夠克服人工生產中的不穩定因素，從而提高機械工程行業的精準度和生產效率，同時減輕工作人員的勞動強度[2]。

隨著現代信息技術的不斷發展，我國航道測量工作迎來了全面的技術創新，自動化技術在航道測量工作中的應用，使得航道測量傳統模式在很大程度上發生改變，自動化技術與航道測量的深度融合，能夠全面提高測量工作效率，最為主要的是能夠提高航道測量準確性。

2.2 自動化技術的應用優勢分析

根據相關的應用實踐證明，自動化技術在航道測量工作中的應用，具有如下幾項優勢：（1）提高航道測量技術分析效率。在航道測量過程中，數據分析和處理是一項重要工作，航道測量的運行控制模式需要建立在數據的基礎上才能夠保證整體準確性，但是傳統的測量技術對于數據的處理準確性較差，而將航道測量與自動化技術相結合，能夠提高數據收集、分析與處理效率，同時能夠保證數據分析準確性，進而為航道測量工作提供支持。（2）優化測量模型構建工序。在傳統的航道測量工作中，航道測量需要建立在測量模型基礎上，根據所建立的模型完成相應的測量工作，但是模型構建需要花費大量的時間，且難度較高。通過應用自動化技術，可以將控制模型構建環節優化，從而節省更多的時間，必須要構建的控制模型，可以通過自動化技術進行數據收集與處理，從而能夠自動生成航道測量模型，且以數據的方式能夠提高自動化航道測量效率和準確性，使得航道測量工作能夠實現全過程自動化，相比于傳統的測量工作模式，自動化技術具有較高的應用靈活性。（3）提高航道測量管理效果。按照當前航道測量工作的實際情況來看，傳統的測量模式在應用過程中依然具有較為分散的問題，尚未建立整體化、系統化、集成化的測量工作模式，各個環節采用不同的測量技術，在前期需要投入大量的資源，且不同的測量工序之間相互交錯，會形成控制錯誤的問題，從而導致航道測量工作受到很大負面影響。將自動化技術應用在航道測量工作中，通過運行數據收集、分析等功能，能夠建立全面化的航道測量自動化控制模式，將從而能夠對航道測量工作進行整體性的控制、分析和與預測，能夠在很大程度上提高航道測量管理效果[3]。

3 自動化技術在航道測量中的具體運用方式分析

通過上述的分析可以看出，航道測量是一項較為復雜的工作，對于測量技術以及管理方法要求較高，在自動化技術快速發展的背景下，航道測量技術不斷創新，其中自動化技術具有直觀應用優勢，能夠全面提升航道測量工作效率與質量，所以需要掌握航道測量自動化技術應用關鍵要點。因此本文結合廣西壯族自治區來賓市柳江紅花樞紐至石龍三江口Ⅱ級航道工程航道整治施工No.9標段中測量工程具體情況，對其自動化技術的具體應用進行深入分析。

3.1 自動化技術應用準備工作

在本次航道測量工程中，為了確保自動化技術能夠發揮出其應用的效果，在技術準備方面，準備了充分的硬件設備以及配套軟件，從而為自動化技術在航道測量中的應用奠定基礎。準備工作主要包括內容如表1所示。

表1 航道測量準備工作主要內容Tab.1 Main contents of hydrographic survey preparation work

3.2 自動化技術在航道定位中的應用

為了高效開展本次航道定位測量工作，必須做好航道定位基礎測量工作。航道定位技術不僅是指對河流水深點以及對應平面的位置測量，還包括對航道測量工程區域的地形點定位。

內河航道定位技術從最初的經緯儀測量坐標方法，逐漸發展到采用GPS進行定位的技術，通過采用GPS定位系統對航道進行定位，在該過程中需要應用自動化技術，其主要應用包括：

（1）DGPS為差分定位技術。差分定位技術是由基準站、流動站和數據鏈三部分組成，其工作模式如圖2所示。這種定位技術以已知的三維坐標系作為基礎，利用對位置的修正量監測，以及將修正量對GPS移動平臺進行實時發送的方式，能夠實現對航道的準確定位，不僅能夠提高航道定位測量效率，同時能夠有效保障航道測量結果準確性。

圖2 差分定位系統的組成Fig.2 Composition of differential positioning system

圖3 精密單點定位解算流程圖Fig.3 Flow chart of precise single point positioning solution

（2）CORS運行參考站為固定且連續的工作參考站，該技術在應用過程中，通過對網絡、計算機以及通信技術進行結合，能夠根據航道測量的需求，為其自動化提供觀測數值和觀測數據[4]。

（3）在PPP單點精密定位技術的應用方面，在地面跟蹤站全面建設的基礎上，該項技術得以廣泛應用，其技術原理為利用地面跟蹤站，得到準確的衛星鐘差和運行軌道，之后利用接收機所收集的數據進行定位，從而能夠得到精密單點數據。與傳統的GPS單點定位方式相比，精密單點定位技術借助不同的高精度GPS衛星來發揮作用，再配合不同的誤差直接改正模型，且在具體分析不同模型和算法的基礎上直接改進單點定位，最終使導航定位精度在最大程度上得以提升。并且通過利用自動化技術能夠實現快速、準確地測量，能夠有效降低航道定位測量成本，降低測量人員工作量。

3.3 自動化技術在航道測深中的應用

在我國航道深度測量工作中，所采用的測量技術主要經過三個不同發展階段。

第一階段為采用直接測深的方法，因為該技術較為落后，當前航道深度測量工作中已經很少應用。

第二階段為采用聲學探測技術，聲學探測技術主要采用單波束或多波束技術，通過換能器在水中能夠傳遞聲波的特性，在聲波傳遞過程中遇到障礙物時能夠得到反射，換能器則能夠接受聲波信號，根據反射時間以及傳播速度對航道深度進行測量。聲學測深技術主要由激發器、電源設備、放大器、換能器和記錄顯示設備組成，如圖4所示。其中激發器可產生脈沖振蕩電流，可將信號發射給換能器使之產生超聲波脈沖。放大器能將換能器接收到的微弱河底回波的聲能信號進行放大處理。換能器實際上是由發射換能器和接收換能器兩部分組成，發射換能器將電能轉換為機械能，進而轉換為聲能，以聲波信號形式發射；接收換能器是將河底回波的聲能信號轉化為電能信號的聲電轉換裝置。記錄顯示設備用于水深的顯示與記錄。電源設備為測深系統的各個部件共給相應的電源。（水深，其中tt為通過換能器向海底發射聲波，tr為返回后被換能器接收的信號，C(t)為聲速在任意時刻的傳播速度。）

圖4 聲學探測技術的組成Fig.4 Composition of acoustic detection technology

第三階段為當前自動化技術的應用，主要是將光學技術與自動化技術相結合形成機載激光技術。機載激光技術要由激光發射器、接收設備、掃描器、POS系統和控制系統組成，有時也會搭載數字量測型相機、數字攝像機、高光譜相機等用于獲取同步影像的數據，工作原理如圖5所示。機載激光測深是基于海洋光學窗口，利用機載激光發射器和接收設備進行水深測量。機載激光技術將飛機作為激光發射平臺，由激光發射器向海面發射兩種不同波長的高功率、窄脈沖激光（近紅外光和藍綠光），通過接收兩種反射光的時間差（近紅外光被海面完全反射和散射，藍綠激光則被海底反射），并結合藍綠光的入射角和海水的折射率等因素進行綜合計算，獲得被測位置的水深值，最后將水深數據與機載定位數據，飛行器飛行姿態信息等綜合處理，確定出待定坐標點的水深值。由于機載激光技術可以滿足速度快、精度高、面積大、成本低等測深需求，能夠有效解決傳統系統的局限性，不會受到航行條件以及工作效率較差等因素的限制，已被廣泛應用于海洋測繪中。

圖5 機載激光技術工作原理Fig.5 How airborne laser technology works

3.4 自動化技術在航行障礙物測量中的應用

在本次航道測量工程中，為了保障船舶航行安全性，則需要探明水下存在的障礙物，如果沒有明確障礙物的存在，船舶航行則會發生碰撞等危險事故。通過采用自動化技術，向水下發射聲波和激光信號，信號在遭遇水下障礙物時，能夠自動反射，返回的信號進入自動化分析系統，通過自動成圖軟件以及數據處理，對水下的障礙物形狀、大小以及位置等進行準確描述，從而能夠獲取當前水下存在的障礙物具體信息，為航行安全性提供保障。在該技術應用過程中，信號處理、數據分析以及成圖等都能夠自動化實現，相比于傳統的航行障礙物測量技術而言，不需要測量人員深入水下，而是能夠全過程自動化完成，且利用自動化成圖技術、數據處理技術等，能夠更加準確地呈現出水下障礙物的具體情況，結果更加真實可靠，是自動化技術具有的直接優勢，在航道測量工程中取得了良好的應用效果，實現航道測量工作與自動化技術的深度結合，全面促進航行障礙物測量工作質量，為航道規劃設計提供數據基礎[5]。

3.5 本次測量過程中的經驗總結

在本次航道測量中，合理的選用多項自動化設備，通過自動化技術的應用確保了測量工作合理開展，提升了測量效果。結合本次測量工作的開展，總結了自動化技術在航道測量中的應用經驗，具體包括以下幾方面工作：

（1）自動化航道測量前應該做好自動化設備的檢驗檢測，確保自動化設備為100%的工作狀態，在檢驗檢測過程中，針對測量的初始數據，設備電量情況、設備是否存在損壞、設備的網絡狀態進行檢驗，確保測量設備萬無一失，才能夠實現精準的測量。

（2）提前設計好測量方案，通過區域內的歷史資料收集，測量資料收集完成測量方案的有效制定，按照測量方案開展測量工作，能夠做到事半功倍，減少由于測量準備不足而造成的測量速度慢、測量誤差問題。如在本次工程測量前，測量團隊進行了3次測量考察工作，主要針對柳江航道的水流情況、水位情況、天氣狀況、航道基本情況以及航道內的通行情況進行了細致的分析，并且根據各種資料收集，建立了測量方案，初步選擇了測量點，對測量方案進行優化后才開始測量工作。

4 結語

綜上所述，本文全面闡述了航道測量工作的主要內容，并對自動化技術在航道測量中的應用優勢進行全面分析，最后提出多項自動化技術在航道測量中的具體應用方式，希望能夠對我國航道測量工作起到一定的借鑒和幫助作用，全面提升航道測量工作質量，以此為基礎促進我國水運事業發展，從而能夠提高經濟發展質量。