CN107620341A - 一种用于绞吸式挖泥船的浚测一体化水深测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于绞吸式挖泥船的浚测一体化水深测量系统，用于解决传统测量方法带来的海况限制、测量数据时效性差、成本高的问题。本发明充分利用绞吸式挖泥船的施工特性，在船舶施工过程中完成相应施工区域水下地形的扫测，实现对施工区域的浚前、浚中、浚后的水深测量。本发明提供一种用于绞吸式挖泥船的浚测一体化水深测量系统，其包括：多波束测深子系统、升降平台机构子系统、全自动电控子系统、网络传输子系统和数据处理与显示子系统。本发明可在五级海况以下进行测量工作，测量精度及覆盖范围满足施工测量要求，实现施工过程同步测量。因此，本发明提升了疏浚的施工效率和质量，节省了测量工作的运营成本。

Description

一种用于绞吸式挖泥船的浚测一体化水深测量系统

技术领域

本发明涉及一种水深测量系统，具体为用于绞吸式挖泥船进行航道疏浚施工时的浚测一体化同步测量。

背景技术

航道疏浚指用挖泥船或其他工具在航道中清除水下泥沙的作业。航道疏浚是开发航道，增加和维护航道尺度的主要手段之一。水深是航道疏浚施工的主要技术指标，同时也是航道疏浚工程规划的主要依据之一。

绞吸式挖泥船是在疏滩工程中运用较广泛的一种船舶，该船利用吸泥管前端装设旋转绞刀装置，将河/海床泥沙进行切割和搅动，再经吸泥管将绞起的泥沙物料，借助强大的泵力，输送到指定抛泥区。

在绞吸式挖泥船疏浚施工开始前，需要进行浚前测量，采用测量船对疏浚区域及其边坡线一定范围内的水深和地形进行测量，测量结果是工程规划的主要依据；在施工过程中，为了控制疏浚施工质量、提高施工效率，需要进行浚中测量，测量船根据工程进展对施工区域的水深和地形进行及时测量；施工完成后，还需进行浚后测量，用测量船对疏浚区域及其边坡线进行全面的水深和地形测量，以验证本次疏浚施工的工程质量是否满足合同要求。

传统疏浚施工测量方法的问题在于：一、需要为疏浚施工配备专用的测量船艇和测量人员，在疏浚施工过程中均需频繁调用测量船艇进行施工水域水深测量，测量成本高；二、测量船受到自身条件所限，一般只能在二级海况以下才能进行测量工作，在多数情况下，需要等待海况满足测量要求。测量工作往往因为等待海况而难以进行，影响施工进度；三、施工过程中，海况不满足测量要求时，测量船将无法及时测量施工区域的水深，从而造成测量数据时效性差，影响工程质量和进度控制。

为了避免传统测量方法带来的海况限制、测量数据时效性差、成本高的问题，提升疏浚施工效率，充分发挥绞吸式挖泥船左右横移的施工特性，在绞吸式挖泥船上配备浚测一体化系统，采用边疏浚施工、边测量的浚测一体化方法实现施工同步水深测量。

发明内容

本发明提供了一种用于绞吸式挖泥船的浚测一体化水深测量系统，用于解决传统测量方法带来的海况限制、测量数据时效性差、成本高的问题。本发明充分利用绞吸式挖泥船的施工特性，提供一种边疏浚施工、边测量的浚测一体化系统，在船舶施工过程中完成相应施工区域水下地形的扫测，从而实现施工区域的水深测量。本发明有效提升浚前、浚中、浚后测量的时效性，通过实时测量引导绞吸式挖泥船及时扫浅，从而提升了疏浚的施工效率和质量，节省测量工作的运营成本。

具体的，本发明提供一种用于绞吸式挖泥船的浚测一体化水深测量系统，其包括：多波束测深子系统、升降平台机构子系统、全自动电控子系统、网络传输子系统和数据处理与显示子系统。

所述多波束测深子系统包括多波束测量主机及2套多波束换能器。

所述多波束换能器集成声呐发射阵、声呐接收阵、表面声速仪、航向与姿态修正单元等。

所述升降平台机构子系统包括升降绞车总成、船舱围井、导轨、升降平台、拖链总成和液压系统等。

所述的升降绞车总成位于船舱围井上部，包括升降绞车以及升降绞车底座，升降绞车安装于升降绞车底座上，通过钢丝绳与升降平台相连。

所述的船舱围井为船体结构的组成部分，从主甲板或主甲板以上甲板直通船底。

所述的导轨安装于船舱围井内部，用于升降平台平滑升降。

所述升降平台用于安装多波束测量子系统的集成换能器，在导轨的约束下作上下运动并可通过锁紧装置进行锁紧固定。

所述液压系统包括液压动力泵站总成、液压马达、液压油缸等。

所述全自动电控子系统包括压力传感器、行程传感器、限位传感器、中央控制单元以及电控子系统软件模块。

所述中央控制单元包括中央处理器、开关量采集模块、模拟量采集模块和电机驱动模块等。

所述网络传输子系统包括以太网交换机、通信线缆及通信模块等。

所述数据处理与显示子系统包括上位机、驾驶台控制面板以及浚测一体化软件等。

所述浚测一体化软件部署于上位机内，包括测量系统控制模块、测量数据采集模块、多元数据融合显示模块、测量数据成图模块和施工辅助管理模块等。

所述测量系统控制模块支持自动控制和人工控制，用于控制测量机构的下放、回收以及开始和停止测量等动作并处理各类异常报警。

所述测量数据采集模块用于实时采集多波束测深子系统的测量数据，进行数据的转换、计算、多维修正、自动清洗，实时获得被测区域的测量数据。

所述多元数据融合显示模块用于将获取的测量数据和施工管理数据融合，并采用多种方式进行显示。

所述测量数据成图模块用于根据处理后的测量数据按照约定规则自动成图，根据测量网格中的水深计算数据对于浅点予以标示，引导船舶完成扫浅工作。

所述施工辅助管理模块用于帮助施工人员直观观测数据，辅助疏浚施工，提高施工效率和质量。

优选地，所述多波束测深子系统中，在绞吸式挖泥船桥架开档部位左右两舷处，于水下分别布置左右多波束换能器，多波束换能器接收阵轴线与船舶纵舯轴线平行，多波束换能器接收阵面相对垂直断面向外倾斜一定角度，即左舷处向左倾斜，右舷处向右倾斜，形成纵向V型阵布置。

优选地，所述升降平台机构子系统用于容纳多波束测深子系统中的换能器，可在测量前将换能器下放至水线以下并固定，保证测量稳定性，测量完成后可将测量设备提升至水线以上并固定，便于设备维护保养，提升设备使用寿命。

优选地，所述全自动电控子系统根据控制命令，结合传感器的状态及采集数据，实现对升降平台机构子系统升降的控制，以及多波束测深子系统测量运行的控制。

优选地，所述网络传输子系统用于通过网络将多波束测深子系统、全自动电控子系统、数据处理与显示子系统等相互连接，形成安全可靠的船舶测量信息局域网。网络传输子系统将换能器的实时海量测量数据传输至测量主机，并将测量主机处理后的数据传输至上位机，将上位机发出的控制命令传输至中央控制单元，将上位机发出的测量命令传输至测量主机，实现测量数据的实时上传，以及控制命令的实时下达。

优选地，所述数据处理与显示子系统用于发送各种控制命令至全自动电控子系统，接收多波束测深子系统采集到的各类数据，通过处理后进行展示。处理方法包括：将测量区域划分为多个测量网格，网格大小可设置，原始测量数据以网格为逻辑记录单元进行存储。测量断面随着船舶的左右横移形成测量扇区，测量扇区完全覆盖绞刀头当前施工区域。可根据处理后的测量数据按照约定规则自动成图，成图数据支持导出为通用测深文件格式。根据测量网格中的水深计算数据对于浅点予以标示，引导船舶完成扫浅工作。

本发明的优点如下所述：

本发明可在五级海况以下进行测量工作，测量精度及覆盖范围满足施工测量要求，实现施工过程同步测量，节省测量工作的运营成本。

本发明对施工区域测量网格化，网格数据多维存储，采用人工智能算法对多维数据进行处理，获得施工区域的浚前、浚中、浚后测量数据。

本发明通过疏浚测量一体化操作，实时获取施工区域水深信息，增强施工测量的时效性，提升施工效率和质量，从而获得良好的经济效益。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1绞吸式挖泥船浚测一体化系统总体结构图

图2多波束测深子系统结构图

图3升降平台机构子系统结构图

图4全自动电控子系统结构图

图5网络传输子系统结构图

图6多数据处理与显示子系统结构图

附图中序号含义解释如下：

1-多波束测深子系统；2-升降平台机构子系统；3-全自动电控子系统；4-网络传输子系统；5-数据处理与显示子系统；

101-多波束测量主机；102-多波束换能器；1021-声呐发射阵；1022-声呐接收阵；1023-表面声速仪；1024-航向与姿态修正单元；

201-升降绞车总成；202-船舱围井；203-导轨；204-升降平台；205-拖链总成；206-液压系统；

301-压力传感器；302-行程传感器；303-限位传感器；304-中央控制单元；305-电控子系统软件；

401-以太网交换机；402-通信线缆；403-通信模块；

501-上位机；502-驾驶台控制面板；503-浚测一体化软件；5031-测量系统控制模块；5032-测量数据采集模块；5033-多元数据融合显示模块；5034-测量数据成图模块；5035-施工辅助管理模块；

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施示例对本发明的结构及工作原理做进一步解释：

本发明提供一种用于绞吸式挖泥船的浚测一体化水深测量系统，其包括：多波束测深子系统1、升降平台机构子系统2、全自动电控子系统3、网络传输子系统4和数据处理与显示子系统5。

所述多波束测深子系统1包括多波束测量主机101及2套多波束换能器102。用于在船舶施工过程中对船舶下方河床地形进行扫测，单次扫测宽度大于挖槽宽度，覆盖绞刀头施工范围。

在绞吸式挖泥船桥架开档部位左右两舷处，于水下分别布置左右多波束换能器102，多波束换能器102的接收阵轴线与船舶纵舯轴线平行，多波束换能器102接收阵面相对垂直断面向外倾斜一定角度，即左舷处向左倾斜，右舷处向右倾斜，形成纵向V型阵布置，确保单次扫测宽度大于挖槽宽度。

所述多波束换能器102集成声呐发射阵1021、声呐接收阵1022、表面声速仪1023、航向与姿态修正单元1024等。声呐发射阵1021、声呐接收阵1022按照设计时序交替工作，通过多波束声呐回波叠加计算水深。表面声速仪1023用于检测换能器所处水断面的声速。航向与姿态修正单元1024高速实时计算换能器的航向角度、俯仰角度、横摇角度，用于修正船舶施工时测量航向角度变化、纵横摇摆对水深测量数据的影响，保证测量精度。

所述升降平台机构子系统2包括升降绞车总成201、船舱围井202、导轨203、升降平台204和拖链总成205等。用于容纳多波束测深子系统1中的换能器102，可在测量前将换能器102下放至水线以下并固定，保证测量稳定性，测量完成后可将换能器102提升至水线以上并固定，便于设备维护保养，提升设备使用寿命。

所述的升降绞车总成201位于船舱围井202上部，包括升降绞车以及升降绞车底座，升降绞车安装于升降绞车底座上，通过钢丝绳与升降平台204相连。

所述的船舱围井202为船体结构的组成部分，从主甲板直通船底，用于安装导轨203，并通过上下油缸锁紧升降平台204。

所述的导轨203安装于船舱围井202内部，用于升降平台204平滑升降。

所述升降平台204用于安装多波束测深子系统1的多波束换能器102，在导轨203的约束下作上下运动并可通过锁紧装置进行锁紧固定。

所述液压系统206包括液压动力泵站总成、液压马达和液压油缸。液压动力泵站总成用于提供液压马达和液压油缸的驱动动力，液压马达用于驱动升降绞车，液压油缸用于升降平台的锁紧。

所述全自动电控子系统3包括压力传感器301、行程传感器302、限位传感器303、中央控制单元304以及电控子系统软件305模块。用于控制升降平台204，并通过感知升降平台204的各种状态对控制行为进行调整。根据控制命令，结合传感器的状态及采集数据，实现对升降平台机构子系统2升降的控制，以及多波束测深子系统1测量运行的控制。

所述中央控制单元304包括中央处理器、开关量采集模块、模拟量采集模块和电机驱动模块等。用于采集各种传感信息，通过电控子系统软件305运算处理后形成驱动指令，驱动升降平台机构子系统2运行。

所述网络传输子系统4包括以太网交换机401以及通信线缆402、通信模块403等。用于连接多波束测深子系统1、全自动电控子系统3和数据处理与显示子系统5。网络传输子系统4将换能器102的实时海量测量数据传输至测量主机101，并将测量主机101处理后的数据传输至上位机501，将上位机501发出的控制命令传输至中央控制单元304，将上位机501发出的测量命令传输至测量主机101，实现测量数据的实时上传，以及控制命令的实时下达。

所述数据处理与显示子系统5包括上位机501、驾驶台控制面板502以及浚测一体化软件503等。用于提供水深测量实时分析功能，水深图像展示功能以及相关系统控制功能。

所述浚测一体化软件503部署于上位机501内，包括测量系统控制模块5031、测量数据采集模块5032、多元数据融合显示模块5033、测量数据成图模块5034和施工辅助管理模块5035等。

所述测量系统控制模块5031用于控制测量机构的下放、回收以及开始和停止测量等动作并处理各类异常报警。系统支持自动控制和人工控制，自动控制包含浚前、浚中、浚后三种模式。将测量区域划分为多个测量网格，网格大小可设置；原始测量数据以网格为逻辑记录单元进行存储，记录内容包括时间、空间坐标、水深测量数据、船舶施工状态信息、绞刀头施工轨迹等。

所述测量数据采集模块5032用于实时获取当前位置多波束原始测量数据，包含每个波束的声程数据、能量数据、波束角数据以及水下基阵的实时航向、俯仰、横摇等数据。测量断面随着船舶的左右横移形成测量扇区，测量区域宽度大于挖槽宽度，完全覆盖绞刀头当前施工区域，其中：当前挖槽内绞刀头前方待挖区域的测量数据为浚前数据，当前绞刀施工轨迹区域的测量数据为浚中数据，当前挖槽内绞刀施工后的区域测量数据为浚后数据。

所述多元数据融合显示模块5033用于将获取的测量数据和施工管理数据融合，并采用多种方式进行显示。多元数据包括：施工设计图、浚前测量数据、船舶CAD模型、施工动态数据、施工计划线、施工轨迹线、实时扫测数据、历史扫测数据等。显示方式包括：回波图显示、测深点文字显示、色块图显示、等深线显示、三维DEM、三维点云显示等。实时测量数据采用文字冒泡模式等多种方式直观显示，便于施工人员观测。支持测量数据实时构建DEM网格并利用三维技术显示，将浚前和浚后数据叠加显示，可以让施工人员直观观测到最近施工后的水下地形情况以及最近的施工质量，对于浅点区域重点标识。

所述测量数据成图模块5034用于根据处理后的测量数据按照约定规则自动成图，成图数据支持导出为通用测深文件格式。成图规则包括时间约束、空间约束、比例尺范围、抽析规则等。成图数据支持多种通用标准格式，成图数据多种方式呈现，如：平面水深图、点云图、三维DEM图等。根据测量网格中的水深计算数据对于浅点予以标示，引导船舶完成扫浅工作。

所述施工辅助管理模块5035提供各类基于测量数据的施工辅助功能，如：施工计划线和测量计划线设定、施工质量分析、施工质量预警、浅点智能搜寻和标识、指定水深区域标识、自动深度过滤等。帮助施工人员直观观测数据，辅助疏浚施工，提高施工效率和质量。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种用于绞吸式挖泥船的浚测一体化水深测量系统，其特征在于：包括多波束测深子系统、升降平台机构子系统、全自动电控子系统、网络传输子系统和数据处理与显示子系统。

所述多波束测深子系统包括多波束测量主机及2套多波束换能器。

所述多波束换能器集成声呐发射阵、声呐接收阵、表面声速仪、航向与姿态修正单元等。

所述升降平台机构子系统包括升降绞车总成、船舱围井、导轨、升降平台、拖链总成和液压系统等。

所述的升降绞车总成位于船舱围井上部，包括升降绞车以及升降绞车底座，升降绞车安装于升降绞车底座上，通过钢丝绳与升降平台相连。

所述的船舱围井为船体结构的组成部分，从主甲板或主甲板以上甲板直通船底。

所述的导轨安装于船舱围井内部，用于升降平台平滑升降。

所述升降平台用于安装多波束测量子系统的集成换能器，在导轨的约束下作上下运动并可通过锁紧装置进行锁紧固定。

所述液压系统包括液压动力泵站总成、液压马达、液压油缸等。

所述全自动电控子系统包括压力传感器、行程传感器、限位传感器、中央控制单元以及电控子系统软件模块。

所述中央控制单元包括中央处理器、开关量采集模块、模拟量采集模块和电机驱动模块等。

所述网络传输子系统包括以太网交换机、通信线缆及通信模块等。

所述数据处理与显示子系统包括上位机、驾驶台控制面板以及浚测一体化软件等。

所述浚测一体化软件部署于上位机内，包括测量系统控制模块、测量数据采集模块、多元数据融合显示模块、测量数据成图模块和施工辅助管理模块等。

所述测量系统控制模块支持自动控制和人工控制，用于控制测量机构的下放、回收以及开始和停止测量等动作并处理各类异常报警。

所述测量数据采集模块用于实时采集多波束测深子系统的测量数据，进行数据的转换、计算、多维修正、自动清洗，实时获得被测区域的测量数据。

所述多元数据融合显示模块用于将获取的测量数据和施工管理数据融合，并采用多种方式进行显示。

所述测量数据成图模块用于根据处理后的测量数据按照约定规则自动成图，根据测量网格中的水深计算数据对于浅点予以标示，引导船舶完成扫浅工作。

所述施工辅助管理模块用于帮助施工人员直观观测数据，辅助疏浚施工，提高施工效率和质量。

2.根据权利要求1所述的用于绞吸式挖泥船的浚测一体化水深测量系统，其特征在于：所述多波束测深子系统中，在绞吸式挖泥船桥架开档部位左右两舷处，于水下分别布置左右多波束换能器，多波束换能器接收阵轴线与船舶纵舯轴线平行，多波束换能器接收阵面相对垂直断面向外倾斜一定角度，即左舷处向左倾斜，右舷处向右倾斜，形成纵向V型阵布置，确保单次扫测宽度大于挖槽宽度，覆盖绞刀头施工范围。

3.根据权利要求1所述的用于绞吸式挖泥船的浚测一体化水深测量系统，其特征在于：所述升降平台机构子系统用于容纳多波束测深子系统中的换能器，可在测量前将换能器下放至水线以下并固定，保证测量稳定性，测量完成后可将测量设备提升至水线以上并固定，便于设备维护保养，提升设备使用寿命。

4.根据权利要求1所述的用于绞吸式挖泥船的浚测一体化水深测量系统，其特征在于：所述全自动电控子系统根据控制命令，结合传感器的状态及采集数据，实现对升降平台机构子系统升降的控制，以及多波束测深子系统测量运行的控制。

5.根据权利要求1所述的用于绞吸式挖泥船的浚测一体化水深测量系统，其特征在于：所述网络传输子系统用于通过网络将多波束测深子系统、全自动电控子系统、数据处理与显示子系统等相互连接，形成安全可靠的船舶测量信息局域网。网络传输子系统将换能器的实时海量测量数据传输至测量主机，并将测量主机处理后的数据传输至上位机，将上位机发出的控制命令传输至中央控制单元，将上位机发出的测量命令传输至测量主机，实现测量数据的实时上传，以及控制命令的实时下达。

6.根据权利要求1所述的用于绞吸式挖泥船的浚测一体化水深测量系统，其特征在于：所述数据处理与显示子系统用于发送各种控制命令至全自动电控子系统，接收多波束测深子系统采集到的各类数据，通过处理后进行展示。处理方法包括：将测量区域划分为多个测量网格，网格大小可设置，原始测量数据以网格为逻辑记录单元进行存储。测量断面随着船舶的左右横移形成测量扇区，测量扇区完全覆盖绞刀头当前施工区域。可根据处理后的测量数据按照约定规则自动成图，成图数据支持导出为通用测深文件格式。根据测量网格中的水深计算数据对于浅点予以标示，引导船舶完成扫浅工作。