确定限水区水力发电与水利工程结构之间的最小安全距离探测.docx

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1、确定限水区水力发电与水利工程结构之间的最小平安距离探抽象使用小型无人船进行的测深测量越来越多地用于沿海地区和水文摩托艇难以进入的地区。它们的几何尺寸，机动参数，低劳动 强度和测量执行本钱使无人测量船（USV）成为公认的测量平台。它配备了导航系统，用于定位，维护路线或测量线，确定空 间方向以及测量深度。全球导航卫星系统（GNSS）在沿海水域的运行区使得能够在陆基测量和移动物体（例如包括探测船）中 进行大地测量定位。在困难的观测条件下，定位受到上半球模糊的限制，即卫星的能见度和高场建筑物的反射。这对在距离水 力工程结构很远的地方作业的小型船只构成了威胁，。根据在码头进行的研究，本文根据USV在良好

2、探测条件下的尺寸确定了计 划测量线到码头的最小平安距离。其中包括GNSS接收器的低速和恒定速度以及良好的观测条件。该分析是在垂直于码头的测 量线上进行的，该测量线在1-5 m的距离内进行了两次接近，间隔为0.5 m。为了 USV航行的平安和测深测量期间地理空间数 据提供的连续性，已经确定了测量线末端和码头之间1米的距离。关键字:USV;定位;测量线;生产线保持;交叉轨道错误1.引言现代地理空间调查，即无人机（UAV）的摄影测量测量1, 2, 3, 4, 5, 6, 7和无人测量船（USV）的深海测量8, 9, 10, 11, 12, 13,越来越多地使用无人船进行。作为动态单元，它们沿着固定的

3、轨迹移动，从而确保以适合该方法的方式覆盖 区域的数据，即照片或地理空间数据。获取宽色板时，覆盖率可以是100%、200%或400% 14, 15, 16, 17, 18, 19, 2021, 22, 23, 24o旨在获取有关底部形状信息的测深测量使用水声设备：单束回声测深仪（SBES）和多波束回声测深仪（MBES） o无人 水面舰艇（USV）的使用越来越多，特别是在沿海地区和海港盆地。它们在船体设计和推进系统方面有所不同，包括装有螺旋 桨的单壳和双壳船，或者没有螺旋桨。USV最重要的作用之一是水文测量：港口盆地，湖泊，河流和小型水库，其目的是以适当的精度测量海底起伏。此外， USV越来越多地

4、用于与支持导航过程相关的任务25,水下摄影测量26或地质工程27。MBES的广泛应用并没有将水文SBES推向市场28, 29, 30。使用SBES探测时，深度测量在回声测深仪下方垂直进 行，并且要求测量线之间保持适当的距离，通常不超过确定的距离。这就是为什么USV维护调查线至关重要的原因。这可以通 过操作员在手动模式下的体验或自动模式下的转向算法（自动驾驶仪）来确保。无人船在开放二空间条件下的航行平安性很高。在未开发和非森林地区作业的飞行器和在开阔水域作业的船只都可以平安 地开展测量活动。当无人机在城市化地区，建筑物之间，桥梁或高架桥下进行调查时，船舶的平安性会降低（甚至受到危害）。 确定GN

5、SS位置坐标的观测条件很困难31, 32, 33,降低了定位精度。高昂的港口结构阻碍了使用单（GPS-全球定位系统）或双系统（GPS/GLONASS-globalnaja nawigacionnaja sputnikowaja sistiema） GNSS接收器的定位，从而危及深海探测34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44.阻碍在受限水域进行测 深调查的其他因素包括码头，防波堤，系泊船只（在港口和造船厂）和码头的浮动平台。无人机和USV都有在与另一个物体碰 撞时被摧毁的风险。测深（探测）测量是为航行平安目的而进行的水文工作的基本类型，主要用于海洋制

6、图，即地图编辑和航海出版物。根据 详细程度，区分了以下探测工作类型：系统探测和检查探测。在系统探测过程中，被测量的水区被一个由基本和控制测量线组 成的系统（网络）覆盖，并具有预先设定的测量频率和精度。这是用于导航平安目的的基本探空工作类型。详细程度和所需准495495time of survey |$|3.54,5m5time of survey $图8.在地面COG上的路线和地面SOG的速度，距离码头5米，4.5米和4米。到码头的距离为3525米在到码头米的距离范围内，可以观察到当USV进入下一个测量线时，环流半径增加（图9）。一方面，USV进 入探测区域极限，从而确保将地理空间数据调查到线

7、路的末端。图9.USV的轨迹在3.5米，3米和2.5米到码头的距离。另一方面，移出探测区域对USV的航行平安构成威胁。除了一条线上的XTE之外，在转弯到下一条测量线上时，最重 要的参数是与码头的距离，作为1-2和3-4路段的XTE相对值。表4提供了 USV的交叉轨道误差XTE和地面速度SOG,图10中提供了图形形式的地面SOG和速度过地SOG。time of survey $图10.地面SOG的航线和地面SOG的速度，距离码头3.5米，3米和2.5米。表4.交叉轨道误差XTE和地面SOG速度在距离码头3.5米，3米和2.5米处。33到码头的距离为2-1米在距水利工程结构的最短距离内，应确保最大

8、的航行平安性（防止USV与码头碰撞的危险）。可以假设USV沿着低XTE 值的测量线移动，并且在其结束之前或穿过它之后，它会在现场进行第一个90。转弯。到达下一条测量线后，它又转动了 90。 事实上，操纵参数、转向系统和外部因素并不能保证USV的线路保持能力（图11）。图11.USV的轨迹在2米，1.5米和1米到码头的距离。虽然在较长的距离（2米和1.5米）上没有超过探测区域限制，但对于最靠近码头（1米）的线路，USV与码头接触。不 断增加的循环半径是这条线与其他物体接壤的物体的另一个威胁。表5提供了 USV的交叉轨误差XTE和速度过地SOG,图12中以图形形式提供了跨地SOG和速度过地SOG。

9、time of survey $图12.地面SOG的航线和地面SOG的速度，距离码头2米，1.5米和1米。表5,交叉轨道误差XTE和地面SOG速度，距离码头2米，1.5米和1米。4 .讨论为了满足对测深测量的要求并获得DBSM的最高可靠性，有必要将USV保持在测量线上。这并不等同于保持航向，因为 船只会受到外部和内部干扰。小型船只容易受到电流和风的影响，从而导致偏离线路，即XTEo当自动驾驶仪调节器设置选择 不正确时，特别是当设置了太大的不敏感区（也称为偏航区）时，也会发生偏差。为了获得对（USV）转向系统的控制，应用了一个控制系统，该系统将确定干扰信号e （t）对输出信号u Ct）的影响，

10、并且基于输入信号e （力和输出信号u （力的比拟，将确定一个决定。为了控制船舶，最常使用适配型调节器。它们的动态特 性通过自动适应物体的运行条件而得到优化。这里的适应是指调节器参数的调整，该调节器包含作为受控物体的容器的可变参 数的适应路径。船舶的运动由许多数量决定，包括舵铺设角度，螺旋桨转速，风和波浪。在没有舵的船只中，运动由两个发动 机决定。PID型调节装置60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69满足这些要求，即具有以下等式的调节装置：u (t) =pfLI I I 6 (t) + 订呻&Ct)dt-hlVde (t) dtJill.(4)在等式（4）中

11、，PID调节器的输入信号影响加权和，其中比例元件的权重由P系数决定，积分元件由PT我系数和微分 元素pTD,其中P是调节器的体积，了我是集成的时间和丁。是分化的时间。在海试期间，P、/和。系数的调谐是自动影响的70, 71, 72或手动73。它们分别涉及比例项、积分项和导数项的放大。自主执行任务的无人水面车辆的导航方式应使其能够在最短的时间内到达下一个航点。然而，这种方法与水文测量所需的方法 不同，后者包括USV应尽可能接近计划的探测剖面。该研究记录了安装在USV上的GNSS天线的位置坐标以及航向和速度。XTE是根据与调查配置文件相关的位置坐标确 定的。根据USV的轨迹，通过图形方法确定环流半

12、径。基于这种关系（3），计算了匝数率（ROT）的最小值和最大值（表6）。表6.循环半径和转动速率-腐烂。在调查期间，USV保持恒定的速度。当USV转向另一条测量线并且环流半径不同时，它发生了变化。在距离码头很远的 地方，半径很小，保证了平安转弯。接近码头（探测线更长，更接近码头），环流半径增加，USV超过探测区域（XTE的负值）。当环流半径小且线速度的平均值恒定时，到达高转弯率。应在自动驾驶仪的参数中搜索实现探测的风险。5 .结论在受限制水域地区，例如在港口、造船厂盆地、码头和沿海地区，使用USV进行测深调查。它们的优点包括体积小，机 动性高和无人驾驶。劳动密集度最低、耗时最短的操作模式是自动

13、导航，预计这将确保探测船的航线保持。在属于国际水文组 织（IHO）特别或排他令的水利工程结构领域，对整体定位和探测精度的要求最高。使用在结构附近水面上移动的车辆执行测量 并不容易，并且增加与结构的测量距离会导致地理空间数据丧失。使用精度为1-2厘米（p=0.95）的大地测量定位方法为测量线的致密化（减少它们之间的距离）和码头，防波堤或其他 港口设施附近的机动提供了可能性。限制包括：USV的大小和GNSS天线的位置;在观测条件困难的水域中定位的准确性;操纵 参数（循环直径和容器的管线保持（XTE - 0）。将GNSS天线定位在距船头和船尾约0.5米的距离，预计将确保测深测量与 结构之间的距离稍长

14、。在恶劣的观测条件下，定位精度较低，影响数据精度（可靠性）和USV的航行平安性。当环流直径较大，并且探测区域已经穿过时，增加与码头的距离并在与其平行的测量线上进行调查是合理的。它们的数量 由垂直于码头的线的距离决定。该方法在长而不受限制的码头上表现良好。然而，这在角落和水文复杂的水域变得更加复杂， 例如在码头。在浮动平台（Y型吊杆）之间机动对USV来说是危险的，并且沿着平台附近的码头进行调查是不可能的。对于每 艘探测船，应在不同的观测和水文气象条件下验证导航（定位和操纵）能力。对于用于测量（水文测量）的1 m长的USV,没 有风和电流作为破坏性外部因素，并且在RTN模式下进行定位，可以在码头和

15、测量线的末端之间建立1 m的平安距离。确度根据调查的水区类别14, 15, 16, 17, 18确定。检查测深也沿着指定的测量线网络进行，其详细程度与系统探测不同， 目的是检查先前执行的系统探测的可靠性或初步确定水区测深中发生的变化程度19, 20o工程的主要阶段包括按照采用的方法，以固定格式和指定频率在计划的测量线（点）上测量和记录测量的参数（相应位置 的深度和所有伴随元素）。测量线的布置根据水区和水声装置的类型进行规划，以进行深度测量或底部清洁度调查。对于SBES、 MBES和SSS （侧扫声纳）测量，测量线的计划有所不同。本文重点介绍SBES的使用（USV用于Puck码头的测深调查所 配

16、备的SBES）。使用配备SBES的USV进行深海探测，其排列方式为平行测量线，彼此之间以指定距离进行，平行或垂直于水力工程结 构45, 46o第一次勘测应在距结构的最短距离处进行。由于GNSS接收器天线安装在USV的几何中心（水平方向，左侧和右 侧之间，船头和船尾之间），第一次测量将在平行于结构的测量线的排列中进行超过其宽度的一半。在垂直于结构的布置中， 第一次测量的距离将超过长度的一半（或GNSS天线与船头之间的距离）。此外，还需要考虑GNSS接收器确定的坐标误差以 及机动参数和水文气象条件。因此，重要的是将USV精确地保持在距离码头很短的距离线上。在路线导航期间确定的导航参数之一（在沿线导

17、航期间的水文学中）是交叉轨道误差XTE 47, 48, 49, 500它是在水 文系统中根据测量线起点和终点的坐标以及GNSS天线的当前位置（作为点与直线之间的距离）确定的。它也用于使用自动驾 驶仪的自动导航过程。得益于自动驾驶仪、其最正确选择的参数以及从外部传感器获取的数据，USV有望以最正确方式沿着测量线 移动，即具有预定的速度和最小XTE值。本文源于在不同GNSS观测条件下在难以到达（受限）水域进行水文测量所获得的经验：良好（开放的上半球和卫星的 良好能见度）和坚硬（具有高基础设施和靠近船只的区域，卫星和信号反射的能见度有限）。本文的结构如下。第2局部介绍了调查的水区和研究中使用的测量船

18、。它还表征了 USV在改变测量线和自动驾驶仪时的 环流半径，作为自动导航模式下的转向系统。第3局部展示了 USV在垂直于码头的四条测量线上的轨迹，其与码头的距离从5 米减少到1米，间隔为0.5米。分析了以下导航参数：XTE,路线和从码头转向下一个测量线的速度。第4局部给出了 USV的 解析几何环流半径和角速度。分析是根据码头的接近和环流半径大小进行的。2.材料和方法研究领域帕克港位于波兰卡苏比沿海地区帕克湾的西海岸。它包括两个海港盆地：一个渔盆和一个码头盆地。帕克的码头可容纳船 体长度达20米，吃水深度达2.8米的船只。码头的两侧是一个190米长的码头，从西部到180米长的东部防波堤。码头有一

19、个 30米宽的入口。进近时深度为米，盆地深度为073.5米。在南部盆地对USV在受限水域的平安机动极限进行了调查, 如图1所示，并根据ENCPL5PPUCK进行了准备。ss80S333340033360033380018s2440ME18,2450,E1825X)T18a2510 E i00ZZ909NbosNbNWs;图1.帕克港与研究领域。22限制水域调查的规划方法在沿海水域地区，基本测量线的设计垂直于底部浮雕路线，等压线的大致方向或海岸线。控制线设计垂直于基本线。在海 洋水力工程结构中，基本管线与水力工程结构的路线平行设计19, 20o减小探测船的尺寸（用USV取代水文摩托艇）可以在非常

20、有限的水域进行测深测量。由于具有更高的机动性，探空的性 能变得更加容易，这使得在水力工程结构附近开始和结束生产线成为可能。测量的进行速度更快，这使得测量剖面图能够致密 化（使用水文摩托艇进行探空的线间距从5-10 m减少到2 m,或者对于使用USV进行探空甚至将线之间的距离减少到1 m）51, 52, 53 o调查平台一USV海洋阿尔法SL20OceanAlpha SL20 USV （图2）是一种水文船，配备了 SBES回声记录仪和内部GPS接收器，通常用大地测量GNSS接收器代替。它由两个（喷水推进）发动机提供动力，没有方向舵。图2.0ceanAlpha USV SL20在Puck码头的测深

21、调查期间。在测深测量期间，它以2-5 kn的速度移动，从而实现线保持和转向。数据通过频率为2.4 GHz的无线电链路传输。允许两个发动机单独控制的机械手用于手动转向。USV的基本参数见表1。表 1.0ceanAlphaUSVSL20 的技术规格。Topcon HiPer II GPS/GLONASS接收器用于定位目的。为了确保精确的水平定位，使用了 TPI NET pro网络，该网络 具有专用于两个卫星系统的NET_RTCM3校正流，水平坐标确定精度为3厘米（p=0.95）。用于在受码头限制的水区进行研 究的Topcon HiPe川接收器的参数如表2所示。由于探测区域小，测量线短，在调查期间使

22、用了实时网络（RTN）模式。在长 测量线和RTN模式的情况下，虚拟参考站可以移动，导致缺乏用于自动导航和收集空间数据确实定坐标。表2.Topcon HiPer II接收器的基本参数HYPACK （HYPACK,康涅狄格州米德尔敦，美国）软件用于在测深探测期间记录地理空间数据。24规划测量线以确定到码头的最小距离为了确定水利工程结构区域内等深浅区域（浅层区域）的一般路线，测量线被设计成与南部码头平行的布置,并且彼此之 间的距离为2 mo测量线的起点位于距离西码头60米处，以便USV在进入线后可以稳定其航向。线路的末端计划在5米的距 离上，然后每次减少0.5米。进入第一条线后，USV接近码头，然后

23、转向另一条线。然后，在进入第三条测量线后，它再次接 近码头，同时在预定的距离处转弯。因此，USV在距离码头的预设距离处转弯了两次。下一次测试是在距离前一次平安导航极 限短0.5米的距离上进行的。确定USV线路保持质量的参数是XTE。对于水文测量，规划的线是单独的局部，最重要的是获得最小的XTE值。在开 阔水域，当手动控制探空器时，有足够的空间转向下一条线。在受限水域，每条线路通常从开口侧开始，并在水力工程结构附 近结束。在自动控制USV的地方，测量线排列成一条虚线，USV通过连接前一行的末端和下一行的起点的局部移动到下一行。 90。转弯两次，进入下一行的精度会影响水利工程结构区域内的探测质量。

24、为了评估在水利工程结构区域内沿着测量线引导探空船的质量54, 55, 56, 57, 58, 59,使用XTE应用了以下方法：在到线的末端距离长于线之间的距离时，XTE被确定为当前线；在距线路末端的距离短于线路之间的距离时，XTE确定当前线路与线路之间的连接;如果到连接器的距离短于到线路的距离，那么确定XTE到连接器和下一条线路;如果到下一条线路的距离短于到连接器的距离，那么XTE被确定为下一条线路。确定XTE至线路的阶段如图3所示。图3.XTE测定阶段：1和2 (a) ;3和4 (b)。测量线(一条全线)的主要排列及其在距离码头1-5 m的范围内每0.5 m的限制(一条断线)如图4所示。0

25、2 40 2 4821620z=zbmbb Metres图4.测量线（一条全线）的主要排列及其局限性。25改变线路时USV循环半径确实定在改变线路期间，USV转弯了 180。，这可以被认为是循环的一局部。在确定容器的操纵参数时，将区分以下循环阶段：第1阶段：循环的开始铺设方向舵的时刻。当船舶到达全速并且舵铺设到所需位置（35。或15。）时，可以观察到 以下现象：产生流体动力，这扰乱了机动开始之前存在的平衡条件;有一个反作用的航向惯性力，这导致船只的偏转 与铺设的方向舵相反;或者血管不改变航向，但其初始速度降低（高达10%） o该阶段的持续时间由容器的大小（0.5-1 分钟）决定。第2阶段：当船

26、只开始改变航向时开始。容器的对称线偏离由重心路径的切线到曲率确定的方向，形成增加的漂移箱。容器的速度继续降低，转弯的角速度增加，初始螺旋曲率半径减小。第3阶段：固定循环一静液压力到达平衡的时刻。漂移角、角速度、线速度和曲率角是恒定的。当容器进入开始操 作的同一航道时，到达循环的终点-船程的变化在360。以内。环流半径与线速度成正比;因此，容器的速度越大，环流越大，环流直径与角速度成反比（图5）。转弯的角速度越大， 环流越小。固定循环直径DU用于表示由固定循环阶段的容器重心决定的圆的直径。船舶的机动性速率（K）为与L的 比率。K 二 DUL(1)图5.容器的循环。由于导致转弯的流体动力的影响，容

27、器的对称线偏离了由路径曲率的切线确定的方向。相同的偏差方向导致船首在循环路 径的内侧移动而船尾在外侧移动的现象。路径曲率的切线与容器的对称线之间的角度称为漂移角度6c.在实践中，容器的线速 度vS表示容器所覆盖距离的比率dS到时间兀(2)ROT=MsRc RcMsROT(3)其中：3一容器的角速度rad/s, de通过角/ad的度量，dt机动时间s, ds圆曲率弧的长度m, v产生的 纵向速度m/s, r圆的曲率半径m, /S容器的速度w, RC-船舶沿圆运动轨迹的曲率半径Mm, ROT转弯 率一船舶的角速度/min, LKR航向变化幅度, 丁一机动持续时间min。图6显示了测量线更换操作期间

28、的USV循环。图6.USV在调查线变化过程中的循环。3.结果研究结果分为三组：距离为5 m, 4.5 m和4 m （第3.1节）；距离码头3.5米、3米和2.5米（第3.2段），以及2米、1.5米和1米（第3.3段）。与码头的最短距离取决于USV的尺寸以及GNSS天线相对于侧面，船头和船尾的位置。当试图在 距离码头0.5米的距离处转弯时，其中GNSS天线与船头的距离为52厘米，USV与码头接触的可能性非常高。因此，调查仅 在距离码头1米处进行。根据当前USV的位置，XTE被确定为在环流第1阶段测量1号线，在第2和第3阶段连接到连接1号线和2号线，以 及在第4阶段测量3号线。在水利工程结构区域内

29、的下一个转弯处应用了相同的方法，即3号线和4号线（图3）。从2号线 切换到3号线时没有检查环流，因为它是在开放水域进行的。3.1,到码头的距离为5-4米在与码头距离的这个范围内，USV保持了与探测区域极限的最小（0.2米）距离，以确保平安航行。耒超出发声区域限制（图7）。可以注意到，虽然离开测量线（1和3）是动态的，但进入下一个测量线（2和4）是保守的，因为USV顺利进入线, 这使得初始阶段的XTE值最高。图7.USV的轨迹在5米，4.5米和4米到码头的距离。根据45和所提出的研究，可以观察到USVSL20在保持N-S （南北）线的同时，倾向于与E-W （东西）方向上的测量线 显着（1-1.5米）偏差（XTE） o路线波动是转弯的结果，而速度那么根据其执行条件进行调整：转弯时减小，完成后增加（表3） oXTE的负值意味着USV位于探测线的左侧;声线右侧的正值表示。表3,交又轨道误差XTE和地面SOG速度在距离码头5米，4.5米和4米处。循环直径小于线之间的距离。可以注意到，USV在下一个测量线上躺下，同时进行半个循环并在高达180。的范围内改变 航向。图8显示了距码头5米、4.5米和4米的地面SOG航线和地面SOG速度。