无人船系统在富春江水库及其回水区的水文应用
第2期总第216期2018年3月浙江水利科技
Zhejiang Hydrotechnics
No.2 Total No.216
March2018
无人船系统在富春江水库及其回水区的水文应用
江波，樊稳州，孙瑜，谢石建
(浙江省河海测绘院，浙江杭州310008)
摘要：简单介绍对无人船系统的发展及无人船测量作业流程。通过其对富春江水库及回水区水文测验的成 功应用，进一步论述无人船系统测量水下地形和流量的作业过程。本次水下测量，无人船累计航行30 h,总航行 里程约24 km，对6条河流计120个水下地形断面及6条流量断面进行施测，并对实际应用效果进行分析。结果 表明，无人船系统搭载相关仪器能够满足水下测量数据准确度的要求，与人工测量相比，更好地满足了调查区域 复杂水域情况，从而大大提升工作效率及安全系数。
关键词：无人船；作业流程；水下地形测量
中图分类号：P335 文献标识码：B文章编号：1008-701X(2018)02-0034-03
DOI：10. 13641/https://www.wendangku.net/doc/2e7222613.html,ki.33 - 1162/tv.2018. 02. 010
1问题的提出
无人驾驶船（Unmanned surface vehicles或 Autonomous surface vehicles)，简称无人船（USV或 ASV)，一般是 以有动力的船体为平台，搭载通讯设备、控制设备和特殊 功能设备，开展某项特殊工作。近年来，计算机应用技术、无线蜂窝通信技术和高离性能传感器技术等的技术突 破，无人船的技术也随之日益发展与成熟，当前无人船的 研究主要集中在军事领域，随着人类对环境的不断探索，无人船也逐渐用于科学研究或商业中。军事上，二战期间 无人船用于扫雷等任务[2]。此外，无人船反潜、监视、搜 索等方面作用显露出来，包括美国的“OwlMKII” [3] “斯 巴达侦察兵” [4]、模块化三体无人快速侦察艇“X-2”号[5]、以色列的“Stingary”号无人艇[6]。
在民用方面，2008年，国内新光公司研发的“天象1号”无人艇在奥帆赛期间作为气象应急装备提供气象保障 服务[7];河道、海洋测绘领域无人船也得到了成功应用，如麻省理工研制的“SCOUT”号可用于水声通讯中继任务[8],?英国普利茅斯大学研制的“Springer”号可用于环境 侦查2014年，云州智能科技研制的“领航者”号配备 北斗导航系统，实现全自动导航和海上作业[1(>]。
2无人船系统原理
本次应用的无人船系统是以北京南风科创研发的
作者简介：江波（1986 -),男，工程师，大学本科，主要从 事河海测绘工作。
通讯作者：樊稳州（1988 -),男，助理工程师，大学本科，主 要从事河海测验工作。USV- 11650型为母本的改良型号，经浙江省河海测绘院多 次野外测试。单体船设计，采用含碳纤维材料、防弹布髙 强度玻璃钢材质，具有耐腐蚀、船体轻、耐碰撞等特点。该无人船系统由岸基控制子系统和遥控船体子系统组成（见 图1和图2)。
图1岸基操控子系统图
?34*图2
遥控船体子系统图
江波，等：无人船系统在富春江水库及其回水区的水文应用
岸基子系统分为笔记本电脑、通讯天线和操控台3部 体内部供电系统、信号传输系统、船体控制系统、运动推分，依托陆地对无人船进行命令发射、船体前行和信息接 进系统、信息采集系统和视频监控系统。该无人船相关参受，通过无线进行实时数据传输；船体子系统主要包括船 数见表1。
表1无人船系统参数表
船体物理量数值参数测深仪物理量数值参数A D C P物理量数值参数船体质量30 kg测深频率200 kH z仪器型号600 kH z 船体最大荷载25 kg分辨率0.01 m流速精度0.25 cm/s 船体长度180 cm测深范围0.5 ?100.0 m流速分辨率0.10 cm/s 船体宽度80 cm流向精度0.5°
吃水深度30 cm盲区0.25 m
3无人船在水下测量的应用分析
本次利用无人船进行水下测量的范围主要涉及富春江 水库及其回水区域，为保证测量的流量和水下地形数据具 有典型性和比较性，选定6个相关河流的控制水文站附近 断面为施测代表性断面，分别为分水江水文站、富春江坝 下、浦阳江诸暨站、新安江坝下、寿昌江源口、兰江兰溪 段（见图3)。施测期间无人船船速控制在0.0?1.5 m/s，以选定的流量断面为控制面，上游和下游各100 m河道范 围为地形测量区域，以富春江坝下为例加以分析（见图4)。
30.0° N
29.8° N
29.6° N
29.4° N
29.2° N
119.0° E119.5° E120.0° E120.5° E
图3各河流施测断面位置图
兰江兰溪
图4富春江坝下实测断面示意图
3.1水下地形测量
通过信息采集平台换装单频测深仪系统，通过岸基系 统无线连接后，启动测量软件，设置好坐标和投影参数。水下地形测量采用断面法施测，预先按技术要求做好断面 计划线，断面间距布设为l〇m，共计20条。按设定好的测 线间距进行测点定位，测深仪记录1次/2 m，共计采集数 据6 000余组，有效数据5 817组，有效率96.9%，完成对 富春江坝下区域的水下地形覆盖（见图5)。在剔除明显错 误的水深数据基础上，对缺测区域采用权重插值方法，获
图5无人船测量轨迹图
3.2水流流速流量测量
确定好流速测量断面，对多普勒流速剖面仪相关参数 设置完成后，通过岸基系统，对水流流速进行采集，I d进 行4次走航实测，共采集富春江坝下流量断面处数据1 096 组，有效数据1021组，有效率达93.2%。其相关计算结果 见图7。
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对6个流量监测断面数据进行统计分析，通过与断面 周围控制水文站相近时段流量结果比较（见表2)，除2个 断面同时段流量缺失无法比较外，河道流量，就数值来看，假定以水文站流量为真实值，无人船测流与水文站测流两者差值绝对值都在10%以内，基本能保证无人船数据可信, 稳定性高。差值产生原因除本身仪器误差外，还有一部分 原因是两者断面并未完全重合，且无法保证真正意义上的 同步测量。
表2无人船测流与水文站测流对比表
流量监测断面
无人船测流
流量 G / (m3/s)
水文站测流
流量込/ (m3/s)
两者误差率/%
分水江水文站4
富春江坝下20661 9237.4浦阳江诸暨站65718.5新安江坝下773781 1.0寿昌江源口6
兰江兰溪段783797 1.7
4结果分析
本次无人船水下测量，累计航行30 h,总航行里程约 24 km,对6条河流共计120个水下地形断面及6个流量断 面进行施测，共采集到有效地形水深数据18 300余个，有 效率94.5%;流量有效数据2 970余组，有效率93.7%。对 该无人船系统的可靠性和准确性进行分析，通过与相关水 文站等比较，表明无人船数据可满足测量要求。其测量系 统的自动化和智能化技术提升作业效率，且有效保障作业 人员人身安全，具有良好的工程测量应用价值。但还存在 一定问题，无人船存在一定的转弯半径，地形线施测断面 间距较小时，船头调转后会在岸边留下一段盲区；且本无 人船采用单波数测深仪，遇到水中有较大悬浮物会产生噪 点数据，遇到水底有大面积水草的情形测量成果很难反映 水底地形。但一定程度上填补了载人船在水下测量领域的 空白区域，真正做到自动化、高精度、高效益的单人（或 双人）工作模式，大大减少野外测绘工作量，提高工作效 率和质量。因此，无人测量船必将得到更广泛地应用，具 有良好的市场前景。
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(责任编辑 郎忘忧）
(上接第33页）雨洪水形成的原因，掌握水利工程科学调 度的过程是十分有益的，为今后适度提高工程防洪标准，防治暴雨洪水灾害的发生提供科学依据。参考文献：
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(责任编辑 姚小槐）