無人船測(cè)量系統(tǒng)在水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

摘要：主要探究無人船測(cè)量系統(tǒng)在水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，助力提高水文監(jiān)測(cè)效率與準(zhǔn)確度，優(yōu)化水域管理水平，減少水文災(zāi)害。簡(jiǎn)要闡述了無人船測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理和優(yōu)勢(shì)。以某流域?yàn)槔?，提出?yōu)化監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、合理路徑規(guī)劃、水文參數(shù)監(jiān)測(cè)措施，并對(duì)其監(jiān)測(cè)效果加以驗(yàn)證，明確通信丟包率0.22%～2.13%[A2] ，上位機(jī)丟包率0.08%～0.53%，監(jiān)測(cè)精度滿足要求，以期為相關(guān)工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：無人船 測(cè)量系統(tǒng) 水文應(yīng)急監(jiān)測(cè) 水體采樣

Application Research of Unmanned Ship Measurement System in Hydrological Emergency Monitoring

ZOU Yujie" DING Peng" CHEN Xingyu" "WANG Bo

China Power Construction Group Guiyang Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Guiyang， Guizhou Province， 550081 China

Abstract： This article mainly explores the application of unmanned ship measurement system in hydrological emergency monitoring， which helps to improve the efficiency and accuracy of hydrological monitoring， optimize water management levels， and reduce hydrological disasters. The structure， principles， and advantages of the unmanned ship measurement system were briefly explained. Taking a certain watershed as an example， optimization of monitoring nodes， reasonable path planning， and hydrological parameter monitoring measures were proposed， and their monitoring effects were verified. It was clarified that the communication packet loss rate was 0.22-2.13%， and the upper computer packet loss rate is 0.08%～0.53%. The monitoring accuracy met the requirements， in order to provide reference for relevant workers.

Key Words： Unmanned ships; Measurement system; Hydrological emergency monitoring; Water sampling

在傳感器、通信、人工智能等技術(shù)發(fā)展下，加上政策支持，使無人化獨(dú)立完成識(shí)別水面目標(biāo)、感知周圍環(huán)境、避開障礙物的無人船應(yīng)運(yùn)而生，與普通船艇相比，具有不需要船員、適應(yīng)性強(qiáng)、體積小、功能模塊集成等優(yōu)點(diǎn)，將其用于內(nèi)河水文監(jiān)測(cè)中，能夠精確、實(shí)施獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。諸多學(xué)者在水文監(jiān)測(cè)中研究無人船應(yīng)用措施，王魏堃等人[1]考慮洪水、河流斷面監(jiān)測(cè)安全隱患較多，研究傷害華測(cè)導(dǎo)航股份有限公司華微4號(hào)無人船，簡(jiǎn)要闡述智能無人船設(shè)計(jì)思路、技術(shù)原理等，解決了數(shù)據(jù)連接兼容、內(nèi)置定向板卡外接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)難題，并以大壩及其岸邊區(qū)域水上水下環(huán)境測(cè)量為例，明確其可有效測(cè)量水下地形數(shù)據(jù)。丁海山等人[2]提出了無人船搭載聲學(xué)測(cè)流設(shè)備方法，以上海奉賢區(qū)金匯港南閘為例，根據(jù)要求在2種不同排水工況下開展測(cè)驗(yàn)，表明無人船走航測(cè)量精度較高，滿足項(xiàng)目要求。基于上述學(xué)者的研究成果，本文采取案例分析法，探究實(shí)際項(xiàng)目中無人船測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用措施，以搭載響應(yīng)傳感器的方式，提高監(jiān)測(cè)質(zhì)量。

1 無人船測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

以某流域?yàn)槔?，全長(zhǎng)248 km，集水面積10 463 m2，主要河道徑流來源是自然降水，水資源持續(xù)利用與非汛期降水減少導(dǎo)致水量不斷降低，部分時(shí)期甚至零流量，汛期到來流量則迅速增加。由于該河流水文變化較快，采取無人船測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)流量、水位、水質(zhì)、深度等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)。

1.2 優(yōu)化監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

在以往水文監(jiān)測(cè)中，按照一定距離間隔，網(wǎng)格化采集水域參數(shù)，存在監(jiān)測(cè)點(diǎn)代表性不足情況，需要對(duì)其科學(xué)規(guī)劃，舍棄低價(jià)值、冗余節(jié)點(diǎn)。以動(dòng)態(tài)貼近度法，能夠獲得不同監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、多個(gè)時(shí)間段監(jiān)測(cè)因子貼近度，充分考慮空間分布、時(shí)間氣候影響節(jié)點(diǎn)情況?？紤]無人船監(jiān)測(cè)中，節(jié)點(diǎn)選取還要考慮相對(duì)關(guān)系，加長(zhǎng)巡航距離、減少監(jiān)測(cè)成本，將遺傳算法與動(dòng)態(tài)貼近度法相結(jié)合，將各節(jié)點(diǎn)路徑編碼為個(gè)體，進(jìn)而組成種群[3]。設(shè)定節(jié)點(diǎn)變異、交叉規(guī)則，按照子路徑成功度，對(duì)種群篩選演化，獲得最佳路徑組合。之后，以貼近度分類法，準(zhǔn)確劃分M組節(jié)點(diǎn)，以描述問題，即從每組中選擇代表成員1個(gè)，將M個(gè)成員組合，構(gòu)成1個(gè)集合，進(jìn)而解決集合中旅行商問題（Travelling salesman problem，TSP）。設(shè)計(jì)以遺傳算法解決巡航距離問題，確定最佳監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，具體步驟如下：（1）監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)數(shù)編碼，對(duì)種群隨機(jī)初始化，保證每組節(jié)點(diǎn)種群均覆蓋M節(jié)點(diǎn)；（2）觀察節(jié)點(diǎn)種群是否滿足動(dòng)態(tài)貼近度分類要求；（3）以適應(yīng)度函數(shù)作為節(jié)點(diǎn)種群全部節(jié)點(diǎn)最短路徑；（4）各節(jié)點(diǎn)種群對(duì)應(yīng)最短路徑，以輪盤賭方式，選擇優(yōu)良節(jié)點(diǎn)；（5）種群節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)變異、交叉，或不滿足條件或重復(fù)節(jié)點(diǎn)，以部分映射方式將其替換。引入逆轉(zhuǎn)優(yōu)化方式，對(duì)1組種群不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)調(diào)順序，保留良好適應(yīng)度個(gè)體；（6）不斷循環(huán)，滿足預(yù)設(shè)要求，獲得最佳監(jiān)測(cè)距離與最優(yōu)節(jié)點(diǎn)組合。

該項(xiàng)目對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)循環(huán)迭代優(yōu)化后，能夠避免以往中心監(jiān)測(cè)多、其余監(jiān)測(cè)少的問題，準(zhǔn)確反映水質(zhì)分布，如圖1所示。

1.3合理路徑規(guī)劃

在水文監(jiān)測(cè)中，繪制電子水域信息由面、線、點(diǎn)等圖形構(gòu)成，采取二值化法構(gòu)建環(huán)境模型，簡(jiǎn)化特征物標(biāo)，選取航行路徑提取、處理物標(biāo)信息[4]。障礙物信息包括礁石、島嶼、陸地等，1單位地形圖寬度相當(dāng)于實(shí)際100 m寬度。無人船測(cè)量系統(tǒng)需要按照一定路徑航行，利用障礙物與目標(biāo)點(diǎn)構(gòu)建人工勢(shì)場(chǎng)，引導(dǎo)隨機(jī)數(shù)搜索，確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)增長(zhǎng)量受斥力場(chǎng)、引力場(chǎng)合力影響，便于搜索中直接避開障礙物，精準(zhǔn)規(guī)劃路徑。節(jié)點(diǎn)向量疊加表達(dá)式如[A4] 下。

式（1）中：為新節(jié)點(diǎn)；是步長(zhǎng)；為隨機(jī)采樣點(diǎn)；為距離最近節(jié)點(diǎn)；為復(fù)合勢(shì)場(chǎng)施加的合力。碰撞檢測(cè)中，以黑色代表障礙物，判斷、之間障礙物情況，于二者之間均勻選擇測(cè)試點(diǎn)，均處于障礙物空間外，表明節(jié)點(diǎn)有效，相反則無效。隨機(jī)樹生長(zhǎng)與障礙物相距較近，以斥力決定勢(shì)場(chǎng)分量方向，減小隨機(jī)數(shù)面向障礙物的步長(zhǎng)。而隨機(jī)樹與障礙物相距較遠(yuǎn)，降低斥力影響，由引力確定勢(shì)場(chǎng)分量方向，進(jìn)而增加隨機(jī)樹面向目標(biāo)點(diǎn)步長(zhǎng)。之后，設(shè)定可變化采樣概率，考慮目標(biāo)點(diǎn)為采樣點(diǎn)概率P值不變，面對(duì)狹窄環(huán)境與接近障礙時(shí)，將出現(xiàn)諸多冗余節(jié)點(diǎn)，對(duì)規(guī)劃時(shí)間造成影響。因此，改變采樣點(diǎn)概率P值，采樣點(diǎn)無效，則P=0，促使隨機(jī)數(shù)不斷擴(kuò)展，增加擴(kuò)展次數(shù)n，P值隨之增大，繼續(xù)以目標(biāo)點(diǎn)為主規(guī)劃。P值變化公式如下。

式（2）中：為平衡系數(shù)；為最大隨機(jī)數(shù)采樣次數(shù)，接近，k=P。路徑規(guī)劃時(shí)間1.22 s，路徑長(zhǎng)度11.8 m，規(guī)劃成功率100%，如圖2所示。

1.4水文參數(shù)監(jiān)測(cè)

1.4.1目標(biāo)區(qū)域巡航

根據(jù)目標(biāo)水域要求，利用地面無人船平臺(tái)登錄監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)建水域地圖信息，標(biāo)記任務(wù)目標(biāo)區(qū)，進(jìn)而保存地圖內(nèi)容，完成區(qū)域設(shè)定[5]。之后，打開水域地圖，編輯無人船測(cè)量系統(tǒng)任務(wù)，調(diào)用衛(wèi)星圖選擇優(yōu)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)定規(guī)劃路徑、任務(wù)點(diǎn)等（采樣任務(wù)與監(jiān)測(cè)任務(wù)可設(shè)計(jì)相同任務(wù)點(diǎn)），保存后即可運(yùn)行任務(wù)。開始運(yùn)行任務(wù)，點(diǎn)擊開始鍵，使無人船能夠自主前往任務(wù)點(diǎn)，其具有聲波避障功能，配合規(guī)劃路徑，能夠躲避水域障礙物。最后，以無人船測(cè)量系統(tǒng)，將傳感天線采集的數(shù)據(jù)傳輸至控制平臺(tái)，按照任務(wù)日期儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)查找、調(diào)用效率，也可直接將其以Excel表格方式導(dǎo)出。

1.4.2水體采樣監(jiān)測(cè)

針對(duì)水體湖泊應(yīng)急監(jiān)測(cè)水體指標(biāo)，搭載各類傳感器，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)[A5] pH值、溫度、溶解氧、葉綠素a、電導(dǎo)率、水深等數(shù)據(jù)?？紤]水質(zhì)監(jiān)測(cè)中，總磷與總氮監(jiān)測(cè)傳感器成本較高，資金有限，利用無人船將水樣采集后，送入實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。并且，在無人船測(cè)量過程中，搭載15個(gè)采樣瓶，采樣后及時(shí)取出水樣，對(duì)其進(jìn)行清洗，便于后續(xù)開展采樣工作，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

2 無人船測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用效果

無人船測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)水文各項(xiàng)參數(shù)后，需要利用NB-IoT與電信基站相配合，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)打包，通過串口發(fā)送至云數(shù)據(jù)庫，便于用戶利用以太網(wǎng)對(duì)無人船測(cè)量數(shù)據(jù)隨時(shí)訪問，遠(yuǎn)程展示數(shù)據(jù)信息。該項(xiàng)目中，無人船在岸邊1側(cè)下水，橫穿水域至岸另一側(cè)返回，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每秒上報(bào)數(shù)據(jù)1次，持續(xù)開展10 min實(shí)驗(yàn)，每天在不同天氣、時(shí)段監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。根據(jù)對(duì)比可知，天氣影響通信質(zhì)量較為嚴(yán)重，不同階段丟包率不同，主要是用戶訪問網(wǎng)絡(luò)數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、占用信道情況不同，流量越大、數(shù)據(jù)越容易漏報(bào)。

3 結(jié)語

綜上所述，在社會(huì)發(fā)展下，人類活動(dòng)造成氣候巨變，頻發(fā)水災(zāi)對(duì)人民財(cái)產(chǎn)、生命安全造成影響，必須提高應(yīng)急反應(yīng)能力，制訂應(yīng)急方案。而水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，合理應(yīng)用無人船測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水體采樣、水域深度、堤壩異常等數(shù)據(jù)，有效克服以往監(jiān)測(cè)難題，提高監(jiān)測(cè)質(zhì)量，為水災(zāi)應(yīng)急提供助力。

參考文獻(xiàn)

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