基于無線網(wǎng)絡(luò)的船舶航道水深測量研究

劉榮超，陶華寧，劉榮才

(1. 華北水利水電大學(xué), 河南 鄭州 450045；2. 廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 廣西 南寧 530023；3. 北京華晟經(jīng)世信息技術(shù)股份有限公司, 北京 100000)

0 引 言

水深變化情況直接影響航道通過能力，間接影響船舶航行安全[1–3]。受水流沖蝕與泥沙淤積影響，航道水深經(jīng)常改變，為此，需要實(shí)時測量航道水深，為提升航道通過能力提供科學(xué)依據(jù)。楊松等[4]利用GIS 空間分析技術(shù)，將水深數(shù)據(jù)離散成空間點(diǎn)云矢量數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到水深測量結(jié)果。該方法可有效測量水深，且水深測量效率較快、精度較高。陳偉等[5]通過中位值平均濾波法預(yù)處理歷史水深數(shù)據(jù)，通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，在預(yù)處理的數(shù)據(jù)內(nèi)，提取水深特征；利用長短時記憶網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合提取的水深特征，預(yù)測航道水深，實(shí)現(xiàn)航道水深測量。該方法可有效提取水深特征，得到航道水深測量結(jié)果。但這2 種方法均易受外界環(huán)境影響，抗干擾性較差，當(dāng)航道所處位置的水下環(huán)境較復(fù)雜時，這2 種方法便無法精準(zhǔn)測量水深。無線網(wǎng)絡(luò)具備分布式、成本低、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢[6–7]，在各個領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，將其應(yīng)用在水深測量領(lǐng)域中，可實(shí)現(xiàn)長期實(shí)時水深測量，提升水深測量精度，加快測量效率。為此，研究基于無線網(wǎng)絡(luò)的船舶航道水深測量方法，精準(zhǔn)測量船舶航道水深。

1 船舶航道水深測量

根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)的分布式特點(diǎn)，將目標(biāo)海域分割成數(shù)個子區(qū)域，并在各子區(qū)域中安裝無線水深測量節(jié)點(diǎn)，采集水深數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后得到船舶航道水深測量結(jié)果。基于無線網(wǎng)絡(luò)船舶航道水深測量方法的技術(shù)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 船舶航道水深測量方法的技術(shù)架構(gòu)Fig. 1 Technical framework of ship channel depth measurement method

以超聲波測距傳感器為無線水深測量節(jié)點(diǎn)，依據(jù)超聲波測距原理，采集船舶航道水深數(shù)據(jù)，利用相關(guān)函數(shù)法預(yù)處理超聲波信號，提升船舶航道水深數(shù)據(jù)采集精度。無線水深測量節(jié)點(diǎn)完成船舶航道水深數(shù)據(jù)后，以無線多跳方式組建無線網(wǎng)絡(luò)，并傳輸水深數(shù)據(jù)到匯聚網(wǎng)關(guān)內(nèi)。

匯聚網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)匯聚轉(zhuǎn)發(fā)水深數(shù)據(jù)至中央處理器。匯聚網(wǎng)關(guān)利用基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸方法，完成水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

中央處理器負(fù)責(zé)對接收的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并存儲至對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，用戶利用客戶端調(diào)取數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)，實(shí)時查看船舶航道水深測量結(jié)果。

1.1 基于無線水深測量節(jié)點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)采集

利用無線水深測量節(jié)點(diǎn)(超聲波測距傳感器)采集船舶航道水深數(shù)據(jù)。令D為超聲波測距傳感器發(fā)射探頭與海底的距離，L為超聲波發(fā)射探頭至海底的傳播路徑，其公式為：

式中：c為超聲波速度；t為船舶航道水深測量時間。

D的計算公式如下：

式中，d為超聲波測距傳感器發(fā)射探頭與接收探頭間的距離。

超聲波測距傳感器在接收回波信號時，受相位的不確定性與頻移的影響，導(dǎo)致接收的回波信號存在時延問題，從而降低船舶航道水深數(shù)據(jù)采集精度。為此，利用相關(guān)函數(shù)法，預(yù)處理超聲波信號。令超聲波信號在海洋內(nèi)傳輸時的衰減系數(shù)為 α，經(jīng)過延時 τ后，獲取的回波信號為 αs(t-τ)。令超聲波測距傳感器發(fā)射的超聲波信號為 βt(nT)， 其中，采樣時間間隔為T，采樣 次 數(shù)為n，接收的超聲波信號 為 βr(nT) 。 βt(nT)與βr(nT)的計算公式如下：

式 中：b1(nT) ，b2(nT) 分 別 為 βt(nT) 與 βr(nT)的 噪聲； β(nT) 為 βt(nT) 的采樣信號； β(nT-τ) 為 βr(nT)經(jīng)過衰減后的采樣信號。

βt(nT)與 βr(nT)的互相關(guān)函數(shù)如下：

式 中：Rββ為 β (nT) 的自相關(guān) 函 數(shù)；k為采樣次數(shù)；E為期望值。

在 τ=mT情況下，Rββ(τ) 存在最大值， τ的估計結(jié)果為：

其中， δ為極小數(shù)。

利用互相關(guān)函數(shù)估計的τ，對接收的回波信號進(jìn)行預(yù)處理，提升船舶航道水深數(shù)據(jù)采集精度。

1.2 基于無線網(wǎng)絡(luò)的船舶航道水深數(shù)據(jù)傳輸

匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)利用基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸方法，轉(zhuǎn)發(fā)無線水深測量節(jié)點(diǎn)采集的船舶航道水深數(shù)據(jù)至中央處理器。基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸方法原理為：利用源節(jié)點(diǎn)編碼處理采集的船舶航道水深數(shù)據(jù)，得到多個互不影響的數(shù)據(jù)，目的節(jié)點(diǎn)僅接收部分編碼數(shù)據(jù)，便可恢復(fù)全部原始數(shù)據(jù)。具體步驟如下：

步驟1令源節(jié)點(diǎn)Q內(nèi)包含 η份船舶航道水深數(shù)據(jù)d1,d2,···,dη，目的節(jié)點(diǎn)為P。發(fā)送船舶航道水深數(shù)據(jù)前，Q會任意生成l個η 維 向量x1,x2,···,xl，各向量內(nèi)均具有 η個分量，即xi=xi1,xi2,···,xiη,i=1,2,···,l，每個向量均記為編碼向量。

步驟2編碼運(yùn)算l個向量和 η個船舶航道水深數(shù)據(jù)，獲取l個編碼數(shù)據(jù)y1,y2,···,yl，公式如下：

式中：yi為第i個 編碼數(shù)據(jù)； λj為編碼系數(shù)。

步驟3利用編碼向量建立編碼矩陣如下：

步驟4打包編碼后的數(shù)據(jù)yj,j=1,2,···,l，和與其相應(yīng)的編碼向量，獲取l個編碼數(shù)據(jù)包zj，將zj傳輸至P。

步驟5P接收部分zj后，在 η個編碼向量互不影響情況下，便可解碼獲取原始船舶航道水深數(shù)據(jù)d1,d2,···,dη，公式如下：

利用區(qū)域推進(jìn)機(jī)制建立船舶航道水深數(shù)據(jù)編碼數(shù)據(jù)包傳輸策略，降低數(shù)據(jù)傳輸能耗，提升數(shù)據(jù)傳輸成功率。

區(qū)域推進(jìn)機(jī)制依據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)的廣播特點(diǎn)，自動在可以轉(zhuǎn)發(fā)編碼數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)內(nèi)，選擇最佳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)編碼數(shù)據(jù)包。

式中：Ea為a的剩余能量；E0為全部節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一的初始能量；G為時間系數(shù)；F代表轉(zhuǎn)發(fā)等待時間低于G的接收節(jié)點(diǎn)集合；O代表轉(zhuǎn)發(fā)等待時間超過G低于 2G的接收節(jié)點(diǎn)集合。

2 性能測試與分析

以某船舶航道為實(shí)驗(yàn)對象，海岸線長度大約為3 800 km，東西寬度大約346 km，面積大約8×104km2。利用本文方法對該航道進(jìn)行水深測量，驗(yàn)證本文方法水深測量的可行性。

利用本文方法在航道上部署超聲波測距傳感器，即部署監(jiān)測點(diǎn)，部署結(jié)果如圖2 所示。共部署16 個超聲波測距傳感器，利用這16 個超聲波測距傳感器采集航道水深數(shù)據(jù)。其中3 個超聲波測距傳感器采集結(jié)果如圖3 所示。可知，本文方法可有效利用超聲波測距傳感器，實(shí)時采集船舶航道水深數(shù)據(jù)。其中，傳感器1 的水深數(shù)據(jù)波動區(qū)間在17.6 ～18.0 m；傳感器2 的水深數(shù)據(jù)波動區(qū)間在18.8 ～19.2 m；傳感器3 的水深數(shù)據(jù)波動區(qū)間在18.0 ～18.4 m。各傳感器采集的水深數(shù)據(jù)波動幅度均較小。實(shí)驗(yàn)證明，本文方法具備航道水深數(shù)據(jù)采集的有效性。

圖2 超聲波測距傳感器部署Fig. 2 Deployment results of ultrasonic ranging sensors

圖3 航道水深數(shù)據(jù)采集結(jié)果Fig. 3 Data collection results of channel water depth

利用本文方法對采集的航道水深數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到各監(jiān)測點(diǎn)的航道水深測量結(jié)果，如表1 所示。可知，本文方法可有效測量航道水深，且測量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果非常接近，最大誤差為0.08 m。本文方法測量的平均水深為18.30 m，實(shí)際平均水深為18.34 m，相差較小。實(shí)驗(yàn)證明，本文方法的船舶航道水深測量結(jié)果，與實(shí)際水深間的誤差較小，符合水深測量要求，即本文方法的航道水深測量精度較高。

表1 船舶航道水深測量結(jié)果Tab. 1 Measurement results of ship channel depth

以發(fā)送編碼包數(shù)量和實(shí)際編碼包數(shù)量的比率為冗余系數(shù)，分析不同冗余系數(shù)時，本文方法傳輸船舶航道水深數(shù)據(jù)的能耗，分析結(jié)果如圖4 所示。可知，隨著冗余系數(shù)的提升，本文方法傳輸船舶航道輸水深數(shù)據(jù)時的能耗隨之增長，當(dāng)冗余系數(shù)為4 時，本文方法數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎倪_(dá)到峰值，接近7.3×104J，并未超過能耗閾值。實(shí)驗(yàn)證明：在不同冗余系數(shù)下，本文方法傳輸航道水深數(shù)據(jù)時的能耗均較低，即航道水深數(shù)據(jù)傳輸效果較優(yōu)。

圖4 不同冗余系數(shù)時數(shù)據(jù)傳輸能耗分析結(jié)果Fig. 4 Data transmission energy consumption analysis results with different redundancy coefficients

3 結(jié) 語

精準(zhǔn)掌握航道水深的變化情況，可為提升船舶航行安全提供參考。為此，研究基于無線網(wǎng)絡(luò)的船舶航道水深測量方法，利用無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性與分布性等優(yōu)勢，提升船舶航道水深測量的實(shí)時性與精度，為船舶航道水深測量提供新的研究方向。