萬仕平

中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

精確測量水下地形是油氣管道水域穿越工程的重點和難點,是油氣管道建設的重要數(shù)據(jù)支撐,在工程設計、施工和運維工作中十分重要[1-2]。傳統(tǒng)依靠人力和載人船具輔助測深桿、測深錘、測深儀等方法采集水下地形數(shù)據(jù),面臨諸多問題:通航水域過往船具流量大,租賃船具作業(yè)窗口期短,效率低下;局部水域生態(tài)保護,禁止載人船具通行,實施水下地形測量困難;采用常規(guī)測深桿、測深錘測量水下地形點密度較低,精度難以保障;多波束等專業(yè)測深儀操作程序復雜,且涉及大型船具,作業(yè)條件要求較高;作業(yè)人員涉水,存在安全隱患。近年來,無人測量船(以下簡稱無人船)發(fā)展快速,憑借其便捷、高效、全面、安全的數(shù)據(jù)采集方式,能夠全面反映水域深度和水下地形情況,在工程建設中得到了廣泛應用[3-7]。本文介紹了無人船的工作原理、技術特點和作業(yè)流程,并結合某LNG管道大型河流穿越工程案例,總結無人船在油氣管道水域穿越工程應用中的相關作業(yè)方法和工作內(nèi)容,最后與傳統(tǒng)水域測量的成果精度、工作效率和經(jīng)濟效益進行對比分析。

1 無人船工作流程

1.1 工作原理

無人船集成了測深、定位、導航、視頻監(jiān)控等設備,裝載有多重傳感器,可按設定任務全自動完成水域地形測量工作[8-9]。無人船的測深系統(tǒng)采用自身攜帶全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)實時動態(tài)相對定位(Global Navigation Satellite System Real Time Kinematic Relative Positioning,GNSS RTK)和單波束測深儀相結合的方式對水體單元位置和深度進行計算[10]。工作原理具體表現(xiàn)為:利用換能器往水底發(fā)射聲波,當聲波遇到障礙物(即到達水底)時會反射回換能器,根據(jù)聲波往返時間和所測水域中聲波傳播的速度,可計算換能器和水底的距離,加以改正后得到深度;同時通過GNSS RTK接收信號,對無人船進行實時動態(tài)定位,通過對測深點相對船體位置改正、吃水改正和測深數(shù)據(jù),實時獲得水域定位點的坐標和深度[11],從而實現(xiàn)水下地形數(shù)據(jù)的獲取,見圖1。

圖1 無人船工作原理示意圖

在測量過程中,首先測得GNSS RTK天線幾何中心坐標及高程,減去GNSS RTK天線到水面的垂直距離,即可得到水面高程;其次根據(jù)換能器底部到水面的距離(吃水改正),加上換能器到水底的距離,得到水深;最后由水面高程減去水深,得到水下測量點的高程,GNSS RTK天線垂直投影水面點的坐標即為換能器和水下測量點的坐標[12-13]。

水面高程計算公式為:

H1=H0-h1

(1)

水深計算公式為:

h=h2+h3

(2)

水下測量點高程計算公式為:

H=H1-h

(3)

1.2 技術特點

近年來,無人船研發(fā)邁入了新階段,智能化應用趨勢顯著。在水下地形測量工作中,與傳統(tǒng)測量方法相比,無人船具有機動、靈活、安全性高的特點,可在環(huán)境復雜、工況惡劣的水域作業(yè)。

1)安全可靠,減少事故。無人船通過全自動駕駛和避障系統(tǒng),遙控采集水域地形數(shù)據(jù),杜絕了人員和載人船具因涉水而引發(fā)的傷亡事故,保障人民生命財產(chǎn)安全。

2)數(shù)據(jù)采集范圍和位置準確。自動導航和駕駛系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的測量范圍和航線設計,結合GNSS RTK技術可實施厘米級精度的導航和定位,保障測量范圍滿足設計需求,利用規(guī)劃的航線軌跡,可實施精確的水下地形斷面點采集。

3)適應范圍廣。無人船由于船體載重小,吃水淺,結合其避障系統(tǒng),可廣泛應用于通航、生態(tài)保護、淺灘、池塘等各種水域。

1.3 作業(yè)流程

利用無人船開展測量工作,首先利用既有圖紙和資料進行航線設計,并將設計航線導入控制系統(tǒng)(遙控手薄),待設備安裝連接、調(diào)試和參數(shù)設置完畢后,船體下水按設定航線自動或手動駕駛模式進行數(shù)據(jù)采集;其次在數(shù)據(jù)采集過程中,需根據(jù)具體水域情況調(diào)整回波質(zhì)量[14],采集完成后返航并下載數(shù)據(jù),經(jīng)內(nèi)業(yè)整理轉(zhuǎn)換后,輸出測深成果數(shù)據(jù)。無人船作業(yè)流程見圖2。

圖2 無人船作業(yè)流程圖

2 應用實例

2.1 工程概況

以某LNG管道大型河流穿越工程的水域地形測量為例,管道穿越位置附近的河流常年水面寬度約300 m,屬于非通航水域,項目要求按1∶1 000 比例尺精度施測,測量范圍為穿越軸線兩側(cè)各100 m。測量時為枯水期,平均水深6～8 m,最大水深約17 m,流速約 0.5 m/s,河流局部因采沙遺留沙坑、淺灘及孤島,水域地形復雜。

2.2 數(shù)據(jù)采集

2.2.1 設備情況

采用某品牌無人船實施該工程的水域測量工作,無人船主要參數(shù)見表1。

表1 無人船主要參數(shù)情況表

2.2.2 數(shù)據(jù)采集

測區(qū)水域情況復雜,采用全自動無人駕駛模式作業(yè)方式具有擱淺和遇障的風險,故采用手動控制方式,進行目視并輔助實時攝像視頻開展數(shù)據(jù)采集工作。參照穿越軸線兩側(cè)各100 m范圍間隔約每10 m實施1條航線[15],測點間距為5 m,設定航行速度為1～2 m/s,有效采集測深點1 067個,作業(yè)時間約2 h。針對淺灘、孤島和水草附近區(qū)域,盡量保證一定的安全距離,避免船體擱淺、碰撞或被纏繞。數(shù)據(jù)采集完成后,船具返航,并及時下載測深數(shù)據(jù)。無人船航行軌跡約5.1 km,有效測線長度約4.6 km。無人船航行軌跡見圖3。

圖3 無人船航行軌跡圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 數(shù)據(jù)檢查

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要通過無人船隨機軟件進行水深采樣,根據(jù)水深圖的回波記錄,在模擬回波和數(shù)字水深疊加數(shù)據(jù)上進行水深噪點數(shù)據(jù)的剔除[16],僅保留準確水深數(shù)據(jù),見圖4。

圖4 水深噪點剔除圖

2.3.2 數(shù)據(jù)改正

數(shù)據(jù)檢查完畢后,保存測深數(shù)據(jù),并進行水面高程改正,即RTK驗潮。具體方式為通過測線濾波,如水面高程基本不變,則說明測量期間無漲、落潮現(xiàn)象,水量和流速均較穩(wěn)定,可不進行水面高程改正;否則測線應根據(jù)實際情況,進行固定水位、單站水位或區(qū)域水位改正。確認水位改正后,即可輸出測深數(shù)據(jù)成果。

2.4 應用分析

2.4.1 精度分析

無人船測量完畢后,為檢驗水域地形精度情況和可靠性,現(xiàn)場采用測深桿對近岸和淺灘區(qū)的水域進行人工測量。獲取水域地形點76個,深度范圍為0.5～3 m。根據(jù)GB/T 50539—2017《油氣輸送管道工程測量規(guī)范》關于水域地形測量的精度要求,3°≤水底地形傾角<10°時,等高線插求點或數(shù)字高程模型格網(wǎng)點相對于鄰近控制點的高程中誤差,不應>2/3等高距(等高距為0.5 m)[17-18]。通過人工測量水域地形點與無人船測量水域地形點生成的數(shù)字高程格網(wǎng)同位置插求高程進行比較計算[19-20],高程中誤差為0.21 m,高程允許中誤差為0.33 m,無人船測量成果精度滿足規(guī)范要求。

2.4.2 作業(yè)效率

傳統(tǒng)管道大型河流穿越工程水下地形測量作業(yè)方式采用租賃載人船具,在船舷安裝測深儀器和GNSS RTK設備,測深設備外形較大、較重,安裝時間較長,測量前的準備工作及航行到測量區(qū)域用時較長,施測時主要靠人工導航方式進行水面測繪工作。該工程中,在與之類似的另外一條大型河流穿越工程水域測量工作中,采用了租賃載人船具搭載測深儀和GNSS RTK設備開展水域地形工作,船具?？啃柽x擇在穿越處下游2 km的碼頭,傳統(tǒng)測深設備安裝測試及船具往返時間約5 h,實際有效測量作業(yè)時間4 h,測量工作時間約9 h,加上前期船具協(xié)調(diào)時間約2 d,總體計劃和實施時間為3 d。在圖3所示河流穿越水域測量中,無人船現(xiàn)場組裝設備和連接下水時間15 min,航行及測量時間40 min,返航及拆卸時間15 min,總體時間可控制在2 h內(nèi)。經(jīng)統(tǒng)計,與傳統(tǒng)租賃船具測量相比,在本項目中無人船能夠有效提高作業(yè)效率500%～600%。

2.4.3 經(jīng)濟效益

無人船在某LNG管道大型河流穿越工程中的應用,克服了租賃船具的困難,不必因采用機動船具作為搭載平臺產(chǎn)生必要的燃油費,避免了噪聲污染及對部分大氣和水體等的排放性污染,較傳統(tǒng)租賃載人船測量方式更加環(huán)保和經(jīng)濟。通過輕量、精簡和高度集成化的設備,節(jié)約了人力、物力,一次作業(yè)即可減少因租賃機動船具而產(chǎn)生的數(shù)千或上萬元的租賃及相關人工成本費用。因此,從長期使用方面來看,無人船的應用具有較大的經(jīng)濟效益。

3 結論

無人船的發(fā)展和應用,為油氣管道水域測量作業(yè)帶來了一種全新的、自動化程度高的測量模式。在河流流速適中、深度適當?shù)那闆r下,無人船可作為首選水域測量方法。工程應用實例數(shù)據(jù)情況表明,較傳統(tǒng)水域地形測量方法而言,無人船水下地形測量方法在保障人身安全、作業(yè)效率和成果精度情況方面,均有極大的提升,可為油氣管道河流穿越設計工作提供準確的測繪成果,能夠有效縮短設計工期和提升設計成果質(zhì)量,并有效規(guī)避安全風險,具有較高的經(jīng)濟效益和社會效益。