新型测深智能设备在水下测量中创新融合

新型测深智能设备在水下测量中创新融合

李玉生

荆州市长江河道管理局测量队  湖北荆州  434000

摘要：当前，工程的建设，人为改变了河道原有的发展演化规则，进而对河道的水文趋势，河道形态等造成各种长期而巨大的负面影响。主要阐述新型测深系统的工作机理，及其在工程建造过程和后期工作环境中的运用，以研究影响其检测准确度的主要原因和改进对策，并预测其未来发展趋势。本文阐述了传统的新型测深系统基本原理、工作方法，以及缺点。使用无线局域网技术取代了传统的多传感器设备有线联网技术，进行了新型海深测量系统多传感器的无线连接通讯试验，并总结了新型海深测量系统无线通讯技术的优点。

关键词：测深智能设备；水下测量；创新融合

1 引言

水下地形的检测技术和测深技术的工艺基础主要是电子信息技术和计算机科学技术，再加上一定的材料工艺基础技术，能够形成一种新型的测深智能设备制造，并且在施工当中有所运用，促进水利行业的高速和蓬勃发展。无论是中小型多波束测深体系或是重式新型测深体系，都必须将多个信号装置相互连接，才能实现信息交流，最后实现测深的目的。在信息线互相联系的进程中，因为信息线数量众多、信息线外形相似等因素，使得新型测深体系在测试过程中，极易产生信息线交错现象突出、仪器连线不简便等现象。所以，探讨怎样利用新型无线通信技术替代多传感器设备有线互联，就变得非常有必要[7]。

2 新型测深系统原理及工作方式

2.1新型测深系统工作原理

新型测深系统的工作原理和传统单回波信号海深测量仪的工作原理相同，都是利用声音的发送方式来实现探测目标的。但和单回波信号海深测量仪不同的是，新型测深系统的声音发送与接收都是由n个成一定夹角布置的相对向性正交的二组换能器来实现的。发送阵水平于船舶横纵（龙骨）布置，并呈二侧对称性向正下方发送扇形脉动声音。接受阵沿船侧向（垂直龙骨）布置。在垂直于测试船航向的角方位上，我们能够利用波束产生技术从多少个预成波束角的方位上产生多少个波束，再根据各个夹角声波能量达到的时刻和相位就能够依次测定出各个角回波的对应位置的水深测值，多少个测定周期结合在一起就能够构成了一个以测试船痕迹为中心点的带形水深测图[1]。如图1所示。

图1 多波束测深图

新型海洋测深系统一般可认为是由新型声响控制系统、新数据收集系统、信息处理网络系统及其外层辅佐感应器设备等所构成的，包括：新型声响控制系统（MBES）是指换能器，一般进行声波束的发出与接收工作；多波束新数据收集系统进行波束的统计；外层辅佐感应器设备主要是指位置传感器设备、姿态传感器设备、音速剖面仪及其陀螺罗经等，进行对监测船只瞬时定位、航向、状态的监测和对海洋中声速传递特征的检测；信息处理控制系统则以新型声音控制系统的操作站为典型代表，通过综合声音检测、位置、姿势、声速断面和潮位等信号，测算声波束脚印的位置和深浅，从而测绘海底平面图或三维图。目前，一个完善的新型海深监测系统具体包含了新型测深装置（声呐换能器模块、数据处理器模块）、姿势感应器装置、艏向感应器装置、定位系统装置和数据收集处理工作站等[8-9]。

2.2新型测深装置工作模式的创新

2.2.1连接繁琐，容易出错

不论是重式新型海深测量系统，或是小巧便携式的新型海深监测系统，在水利工程施工过程的实际应用当中，新型测深设备信息传输电缆比较长，辅助外围传感器所需要用到的电源线也比较长，并且他们之间的连线十分复杂，因此测深所需要的感应器设备就要综合处理输入和输出的接口信息，具体包括：在一个线路上进行供给情况数据信息的输入和接触在一个线路上，进行供给艏向数据信息的接接入和接触，在另外一个线路上进行位置数据信息的接入和接出。而位置感应器设备则需输入输出三路接口数据信息：第一路输入输出接口供给位置数据；第二路输入输出接口供给时间标记数据；第三路输入输出接口供给同步脉冲数据信息。而声速剖面仪与表层声速检测仪设备均需输入输出一路接口数据信息。这些接口设备全部都必须采用与RS232，RS485和RS422等通信协短标准不一的电源线和设置线路，共计需通信电缆十六条，在船舶工作平台的狭窄空间区域内连线设计相当复杂，也很容易由于数据线形状相似造成人为接头设计出错，而发生系统损毁的情形。

2.2.2线路连接杂乱，信号易受传导干扰

在船舶作业平台的狭窄空间区域里，以232接口，RS485和RS422通信协议为最基本的通讯电缆、各装置之间的电源线彼此交错，相互纠缠，线路混乱，易于产生传导干扰。在电源的干扰方面，因系统中突然停电所产生的空气或电气扰动，使通讯线路上产生高反应。在信号线引入的干扰方面，信息线若收到外部信号线所产生的空间电子磁辐射反应的影响，将会导致I/O信息的反常，检测准确度也会下降，更严重时将会损坏元器件。在接地系统混乱时的干扰方面，通过电子设备进行接地来使得电子设备的电磁兼容性能获得一个十分有效的改善。通过选择适当合理的电子设备接地方式能够有效的抑制电磁辐射为施工人员所带来的危害，也能够在一定程度上对于电子设备向外界发射的干扰进行抑制。但是如果各个装置之间的接地或者连接方式存在错误，则很容易对于外界以及施工现场的人员产生非常严重的干扰信号

[10]。

2.2.3短距离无线通信数据延迟

受无线网络通信协议和TCP/IP报文发送协议的限制，在无线通信的发出与最后收到之间出现了一个延时，每次无线网络都会受到延迟的干扰，最少延时为一ms，最高延时几百毫秒。如何采用改善无线频率或通道、增加和更换专用的无线适配器固件等手段，来降低数据通信延误率成为当前新型测深系统无线通信发展的关键点所在[2]。

2.2.4短距离无线通信丢包

由于无线通信的技术问题、网络适配器的设计问题等因素，导致了短距离无线通信的丢包情况很严重。如何采取提高效率、更新技术内容、完善算法和更新硬件的手段，来减少中短距离无线通信丢包总量，正是多波束测深系统无线通信设计的关键点所在。

2.3影响新型测深系统检测准确度的原因分析

基于目前国内的科研现状，并紧密结合新型测深系统的实际操作使用，我们将发现自己所获取的水下地形与地貌测量的准确度和品质将受许多因素的影响，影响新型系统测量品质和准确度的最重要因素包括。

2.3.1设备因素

新型测深系统是综合仪器设备，每一种仪器设备的本身准确度以及系统安装准确度都会对最后的结果准确度产生一定的影响。因为新型换能器放置在了导航机上，这就会造成传感器的定位不能够完全水平，并且在测量过程中受风、涌、海浪等各种因素作用，新换能器与真实水平面位置总会产生偏离，因此人们一般将换能器与船舶水准面纵向角度的偏离叫做纵摇偏离，而换能器与船舶水平面垂直角度的偏离为横摇偏离。任何一种的横摇角和纵摇角都包括同一种的移动分量和静止分量。移动矢量可以使用姿态计进行校准；静止矢量由于仪器放置在导航上的，称为横摇赤纬和纵摇偏角。罗经定位的方向和船艏方向会出现偏离，人们把这种偏离叫做艏方向偏离；由于定位和测深装置不一致，导致海深测量点发生移动，造成测到的河底位置出现变化，这些影响一般叫做定位的时间偏差[11]。

针对上述影响原因，通常在技术条件许可下选择比较精确的位置仪器，而对于仪器装配时产生的横摇误差，纵摇偏移，定位时间延误差和艏向误差，则必须在实际检测之前，先选取正确的已知地形并做好外业数据收集与内业数值运算的校准步骤，有效提升检测准确度[3]。

2.3.2环境因素

新型测深技术在实际检测过程中，受当地影响，也会对检测精度造成相应的不良影响，其原因包括海面的风力，突波，行船，水底地形的高度复杂化等，并且这些之间有互相关系，会影响导航船舶的稳定性包括海面风力太大引起突波增大、行船太快，使得收到的返波信息降低包括水底地形的高度复杂化、行船太快。为了降低这些环境因素造成的不良效果，在实际检查中，一般会选取一些气候好，海浪较小时间段，保证船舶稳定慢速前进，适度加大检测回次从而尽可能增加检查准确率。

3 新型测深系统在水利建设中的运用策略

系统分析、认识、评估和处理工程建设项目对河道的环境影响，以便达到水利和河道流域的和谐发展，推动经济社会可持续发展。水底地貌测深系统是认识、把握江河水底地貌变化规律，克服水工建设造成的不良影响的有效工具之一。目前，运用新型测深系统测定水底地貌已成为广泛使用的主要技术手段，国外利用新型测深系统开展水底地貌的测定的原理与方法都已完善。

3.1水库淤积及冲刷测量

中国的大江河流大多泥沙浓度都很大，在河道以上兴建水电厂，使得河道的水位上升，流量减小，必然会导致大量泥沙淤积。在大型水库建设的上下游，随着发电尾水的冲刷和汛期泄洪，将对河床和河底环境产生相当大的影响，进而危及水电站建设的运行安全和效益。利用新的测深系统，通过探测水下地形的变化，可以为水电站上下游疏浚施工和大型水库上下游河道防护工程提供更准确的数据和信息资源，从而降低成本和工作效率。利用无人船对荆州太湖港水库上下游段清淤前后的水下地形进行了探测，全面反映了清淤前后水下地形的变化，并对清淤量进行了准确的核算和统计[12]。

3.2航道水下地形测量

海运成为交通的重要方式之中，由于工程的建设，很大地改善了河流自身的水位变化，包括河流形状，冲淤方式变化等，水库上游水位逐渐提高，原有的急流险滩也可由于水位升高而被完全淹没，航道水量增多，河道等级增加，而下游水量降低，河流形态也出现了很大变化，下游的海运力量明显减弱，也因此对整个河道的海运条件产生了一定程度的影响改变。这种改变大大增加了航道运营的安全隐患，如果及时，正确的了解这种改变，并作出相应的变更就可有效减少安全风险，同时使用新型测水深系统能够更正确清晰的认识、熟悉水底地貌，对水深，水下暗礁，浅滩等危害海运的各种因素正确了解，从而进一步提高海运安全性。使用ResonSeaBat T20-P多波束测深仪多年度观测了监利观音洲高程沿程变化过程线。对测量结果的分析表明，新观测的平均水深数据能够较好地反映水下微地形，分析局部沉积物的运动趋势，具有传统的单回波信号难以与水深观测系统相比的优点，如图2所示；其他学者使用新型海洋深度监测系统，如resonseabat7125，对丹东大东港航线进行了水下地形测定，并与单波束观测的平均水深数值加以对比，并运用于航线检测上是很有效的手段，其海深监测精度已完全能够适应航线管理和航标保护的需要

[4]。

3.3水流场模拟

工程的建设，彻底改变了原有河道的自然环境，特别是由于水流速度的变化，使得部分水生生物的生活环境出现了变化，因此想要认识生态环境变化及其对水生生物的危害，从而减轻其对水生生物的危害，模拟水流速度变化就十分必要。而收集大量

图2 监利观音洲监测控制导线高程沿程变化过程线

水底地貌数据也是实现仿真的前提条件，通过使用新型测深系统，就能够迅速、有效获取精确的水底地貌数值。使用ResonSeaBat T20-P多波束测深仪等新型测水深系统，获取了荆江重点河道及水下地质数据，并通过FLOW3D得到了三维的实体河道模型，再结合走航式声学领域多普勒流速仪（ADCP），最后使用FLOW3D数据仿真，获得了荆江生境下鱼类对流量变化的适应性曲线。

4 关键技术的融合

4.1无线局域网技术原理

无线局域网（WirelessLocalAreaNetworks,WLAN）是采用射频（RadioFrequency,RF）科技，代替由双绞铜线所组成的局域网，让无线介质的局域网系统可以通过简易的资料存取系统让使用者通过它，以实现资料随身化的完美目标。无线局域网的传输方式分为802.11a，802.11b，802.11g，802.11n等，现在又以802.11n较为普遍，整个无线局域网有九种业务，其中五种业务属于分配网络的业务、另外四种业务属于网络任务，具备了灵活性、多样性、便捷性，以及容易实现网络设计与调度，便于故障定位，并且便于扩展使用等的特征[13]。

4.2新型测深系统无线通信技术

针对当前新测深系统主流产品的发展特点，根据当前市场变化和实际应用要求，新测深系统外围辅助设备、新水深监测设备甲板单元、数据采集处理工作站之间的数据通信方式，改变数据交换机和声速剖面仪，构建无线通信连接，实现设备与监测船在狭小空间内的无线网络传输，提高新测深系统的效率和水深监测的精度。在新型海深观测系统短距离无线通信技术实施之前，还需要通过对定位装置、时间同步装置、姿态感应器、艏向感应器、音速剖面装置、表层声速装置、数据信息收集处理作业站装置和先进海深观测装置甲板单元等进行装置的通信改造[15]，使系统各装置相互之间均可以同时完成无线网络（例如WiFi）和有线互联网数据信息的传输与收集功能，使系统外界装置、作业站装置、甲板单元相互之间均可以形成弹性的业务局域网路，以交换机为中心区域，完成中央区内数据信息之间的无线或有线互联网数据传输，无丢失、无延迟；搭建灵活的数据分析、采集和处理工作站，完成新声纳、外围设备、数据分析、采集和处理工作站等内部数据之间的信息资源共享，使设施的联网操作更加简单，终端软件更容易收集数据分析信息，终端搭载的设备使用也更加灵活性多元化[5]。

4.3新型测深设备无线通信的能力特点

（1）所有外围设备、新测深设备甲板单元和数据交换机均采用无线网络传输。

（2）极大地改善了外部传输电缆数量和软件的通信接口设置。

（3）在外面搭载的监测装置，可能是最常用的支援无线能力的任一智能电子产品[14]。

（4）它通过无线网络和数据交换机与外部检测设备进行通信，可以获取任何外围设备数据。

（5）外部检测装置能够在无线网络区域内自由移动，不受时间和空域影响[6]。

5 结语

本文所述的新型测深系统是一种基于传统单波束式海深测量仪基础之上进行技术的革新而进一步研制出来的系统，不用于以往单点测量技术的应用，新型测深系统能够运用线式检测的工艺方式，并能够进行三维立体图，水下地貌测量技术将进一步发展到一个新的高度。新的测深系统将是一种高分辨率、高稳定性和全覆盖的水下地形设备，可以更快速、更准确地描绘水下地形，从而大大减少用户的测量时间和成本。它是测深和水下地形探测领域最先进的探测设备，将是水下地形探测的重要过程。当前，我国在探测深度方面所进行的作业大多在系统上选择多回波信号技术和海深探测系统，他们所应用的通信技术都是以数据线链接作为基础技术，外围的设备使用大量的电缆，移动终端之间的连接操作复杂，安装繁琐，且设备灵敏度不够。但是经过新型测深智能系统在行业当中的广泛应用，能够促进该系统具备各个硬件之间连接简单、安装便捷、与系统信息网络共享等优点，从而使得深信息的监测与收集工作不受空间距离与终端承载规模的影响。

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作者简介：李玉生（1985-），男，高级工程师，本科，研究方向为河道测量.