CN110118547A - 一种水库库容的无人船自动巡航测算系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水库库容的无人船自动巡航测算系统及方法。该系统包括前端探测模块与后端计算与控制模块；前端探测模块负责在指定水域采集并上传水深、经纬度、姿态角度等信息；为了提高测量数据的完成度，后端计算与控制模块对测量数据进行质量评估并生成补测路径，控制多艘无人船自动巡航补测；整合初探、补测数据后计算出库容量。本发明通过基于最小内角方差的三角网格划分方法最大程度地还原了水底地形，提高了库容测算的准确率；针对初探数据普遍质量不高的问题提出了网格质量评估与补测点生成方法，进一步提高测量数据的完成度及库容测算的准确率；根据补测点自动生成能耗均衡的巡航路径并控制多艘无人船自动巡航完成补测任务。

Description

一种水库库容的无人船自动巡航测算系统及方法

技术领域

本发明涉及水域库容量测算领域，具体涉及到一种基于无人船的水库库容量测算系统及方法。

背景技术

水库是我国水利工程体系的重要组成部分，具有防洪、灌溉、航运等功能。水库的蓄水量称为库容量，即水库蓄水位以下的容积，简称库容。水库库容的监测是保证库区安全、灾害预警、防洪防汛的重要环节，也能反映出水底泥沙淤积量的变化，是航道疏浚和航行安全的重要保障。

由于水库普遍面积较大，水底地形比较复杂，使得水库库容的测量比较困难，测算的精确度难以保障。传统的水库库容是通过水位-库容曲线插值得出的，但由于水库特征曲线更新周期长、水底淤积量变化频繁等原因往往会使结果偏差较大，由此造成的损失将难以估计。

水库地形的测量和库容计算方法是水库库容测算中最重要的两个部分。利用无人船在指定水域巡航，每隔一段距离通过GPS和声呐测量并记录该探测点处的经纬度、水深等信息。如果以水平面为平面坐标系，以垂直于水平面的方向为竖轴建立空间直角坐标系，则根据探测数据的经纬度可以在平面坐标系中标记无人船进行探测时的位置(即探测点坐标)，该点的水深值在竖轴上的偏移点为探测点对应的水底标记点，两者之间的距离即为该点处的水深。通过这种方式可以将测量得到的经纬度、水深数据映射到空间直角坐标系中，使用三维坐标来表示无人船的探测点及对应的水底标记点。当无人船在指定水域以一定的覆盖率完成初探后，可以得到以三维坐标表示的探测点及对应的水底标记点的集合。这些包含了经纬度、水深信息的探测点和水底标记点的集合可以作为水库的地形数据用于计算库容。

根据水库地形数据计算库容的方法主要有断面法、等高线法等。其中申请号为201710804843.0的专利中提出使用等高线容积法算出库容：将水体按水深划分为不同的梯形体，然后累加所有梯形体体积求得水库容积。这些计算方法只是简单的将水体以等高线或断面为界进行切分，利用积分计算切面间的体积然后累加得到水库库容。虽然这些方法的原理比较简单，但是却忽略了很多地形细节，使得计算结果的误差较大。如果以探测点为顶点，以最小内角方法为准则将水域划分为面积较小的三角网格，然后计算所有以网格为底面的三棱柱的体积之和得到库容测算结果，这种方法能够更加充分地利用已有的水库地形数据，使库容的测算结果更加准确。

水库地形数据的准确率与完成度对保证水库库容测算的准确度至关重要，但初探数据往往具有覆盖率低、准确率低、探测点密度不均匀等问题；通过在合适的位置进行补测将能够经济、有效地解决上述几个问题，并提高测量数据的完成度与库容计算的准确率。

由于无人船的续航能力有限，所以需要计算出能够经过所有补测点的最短巡航路径。但自上世纪60年代以来，针对遍历所有点的最短路径的问题，相关的精确算法并无进展，算法复杂度与点数呈指数关系；能够在较短时间内得出近似最优解的启发式算法成为这类问题首选的解决方案，如遗传算法、模拟退火算法等。但是在补测点较多的情景下，计算近似最优解所花费的时间和近似最优解与最优解之间的差距是一对互相冲突的指标，无法在减少计算时间的同时缩短与最优解之间的差距。

综上，在计算库容量时，基于最小内角方差的三角网格法比常见的断面法、等高线法的精准度更高；水库面积大、环境复杂是测量环节的难点，使用体积较小的无人船代替以往的大型探测船，在远程控制模块的指挥下能更加高效、灵活的完成探测任务；由于无人船的机动性和灵活性，补测任务可以使用较少成本进一步提高测量数据的完成度，使测算结果更加准确；但遍历所有补测点的算法复杂度较大，所以需要一个能够在短时间内算出更接近最优解的方法，而多艘无人船协同完成任务可以成倍地减少补测点的数量，从另一个角度解决了这个问题。所以本发明可以充分地利用无人船的优点，能够智能、高效、经济地完成测算，并提高测算结果的准确率。

发明内容

本发明的目的在于针对水库、湖泊等场景下的库容监测问题，提出一种水库库容的无人船自动巡航测算系统及方法，克服了传统水库库容测量方法操作难度大、效率低、准确率不足的缺点。

一种水库库容的无人船自动巡航测算系统，包括前端探测模块和后端计算与控制模块。后端计算与控制模块主要包括基于最小内角方差的三角网格划分单元、三角网格质量评估与补测点生成单元、补测巡航路径生成单元；前端无人船探测模块将探测数据上传至后端计算与控制模块后，基于最小内角方差的三角网格划分单元将水域平面划分为较为规则的三角网格；三角网格质量评估与补测点生成单元通过计算三维网格对角线体积偏差和内角方差来评估网格质量，在不满足要求的网格中重新生成补测点；补测巡航路径生成单元假设多艘无人船协同完成补测任务，在保证能耗均衡的条件下测算出每艘无人船的最短巡航路径，远程控制多艘无人船协同完成补测任务

进一步地，前端探测模块集成在无人船中，主要包含回声测深仪、GPS定位仪、移动通信单元、姿态传感器等；前端探测模块在指定水域完成探测任务后将数据通过移动通信单元发送给后端计算与控制模块，后端计算与控制模块进行数据处理并发送指令控制无人船工作。

进一步地，后端计算与控制模块远程控制无人船在指定水域进行巡航探测，每隔一段距离使用前端探测模块中的GPS定位仪、回声测距仪、姿态传感器测量并记录探测点处的经纬度、水深、姿态角度等信息。完成初探后无人船通过移动通信单元将所有探测数据上传至后端计算与控制模块。

后端计算与控制模块主要包含以下单元：基于最小内角方差的三角网格划分单元、三角网格质量评估与补测点生成单元、补测巡航路径生成单元。

基于最小内角方差的三角网格划分单元以探测点为顶点将探测区域划分为互不交叉的三角网格，并以最小内角方差为准则，划分出形状最接近正三角形的网格。三角网格质量评估与补测点生成单元通过评估由三角网格划分方法忽略的水深信息造成的体积计算偏差，以及初测数据点的密度、区域覆盖率等指标，合理地增加补测点，进一步提高测量数据的完成度及测算的准确率。补测巡航路径生成单元在考虑能耗均衡、总路径最短的条件下，计算出遍历所有补测点的多无人船自动巡航路径规划方案。

进一步地，所述的基于最小内角方差的三角网格划分单元的原理与工作方法阐述如下：

目前库容的计算方法基本都是基于微积分的相关原理，对于已有的探测数据，如果微分的网格或单元越小、形状越规则越能保留水底地形的细节，测算结果也更接近真实库容；由于三个不共线的点可以唯一确定一个平面，所以在探测点确定的情况下，基于最小内角方差的三角网格划分法比断面法、等高线法的测算准确率更高。为了保证划分后的网格形状最接近理想的正三角形，本发明以最小内角方差作为划分的准则：以探测点为顶点的凸四边形，以主对角线为分界线可以将凸四边形划分为两个三角形，若以副对角线为分界线则可以划分为另外两个三角形；分别计算两种划分方法所得到的三角形的内角方差，方差越小则网格的形状越接近于理想的正三角形。这种基于最小内角方差的三角网格划分方法可以将探测区域划分为尽可能规整且互不交叉的三角网格。

进一步地，所述的三角网格质量评估与补测点生成单元的原理与工作方法阐述如下：

如上述以四个探测点为顶点的凸四边形共有两种划分三角网格的方案，按照最小内角方差准则可以在水平面上划分出更接近正三角形的网格，分别计算主、副对角线两端的探测点的水深之和，再计算两者之间的差值，则两种划分方法所计算出的水体体积的偏差与上述差值及凸四边形的面积都呈正相关关系，我们将这种情况称为三维三角网格的对角线体积偏差，当这种体积偏差较大时会严重影响库容的测算精确度，必须在四个点的中心位置添加额外的补测点。并且，初探数据仍具有覆盖率小、探测点密度不均匀等问题，需要添加补测点以提高测量数据的完成度。所以该单元对保证测量数据的完成度及测算结果的准确率至关重要。

进一步地，所述的补测巡航路径生成单元的原理及工作方法阐述如下：

为了提高补测效率、降低无人船能耗并使多艘无人船的能耗均衡，考虑派遣k艘无人船协同完成补测任务。首先使用聚类算法将距离相近的点划分为k个点簇，在每个点簇中计算最短路径；由于无法保证每个点簇中的巡航路径长度大致相同，这会导致每艘无人船的巡航路径长度不同；可能会出现：当巡航路径较短的无人船完成补测后，巡航路径较长的无人船可能仍然没有完成补测任务，甚至因能源有限而无法完成补测任务。为了保证多艘无人船的能耗均衡，需要统计每个点簇的路径长度，按照点簇的最短路径长度排序并重新分配各个点簇边界上的点，使每个点簇中的最短巡航路径大致相同，从而保证每艘无人船的能耗均衡。

本发明提供的一种基于无人船的水库库容量自动巡航测算系统的测算方法，包括如下步骤：

⑴后端计算与控制模块指挥无人船以一定的覆盖率探测某一水域，完成初探后将所有探测数据上传至后端计算与控制模块；

⑵后端计算与控制模块过滤掉明显异常或船身姿态角度过大的探测点，将剩下的探测点使用最小内角方差准则来构建三角网格；

⑶使用内角方差和三维网格对角线体积偏差等指标评估三角网格的质量，对于不满足要求的网格内插若干补测点以提高测算的准确率；

⑷针对k(k＝1，2，3…)艘无人船，通过先k聚类、后计算最短路径、再调整边界上的补测点，最后得出k艘无人船能效均衡的最短巡航路径方案。后端计算与控制模块生成一份包含k＝1,2,3..的路径规划方案供操作人员选择，操作人员可以根据能耗或效率的角度选取最合适的方案，然后将巡航路径分别发送给对应的无人船，无人船按照设定的路径通过自动巡航的方式协同完成补测任务；

⑸完成补测任务后，无人船将补测数据发送给后端，后端整合初探和补测数据，以最小内角方差准则生成三角网格，计算所有网格对应的三棱柱体积之和，得出最终的水库库容量的测算结果。

与现有的技术相比，本发明具有以下优点：

⑴本发明利用基于最小内角方差的三角网格划分方法以计算库容量，比现有的断面法、等高线法等更能还原水底地形的细节，使水库库容的计算结果更加准确；

⑵以最小内角方差准则划分三角网格比以往的划分方法更强调网格形状的规则化；网格的质量评估并增加补测点能够进一步提升测量数据的完成度及测算的准确率；

⑶补测巡航路径生成单元不仅仅极大程度地降低了计算最短路径的复杂度，更是在保证能耗均衡的条件下成倍的加快了补测的速度。针对不同船只数量的情况，该单元生成多个路径规划方案供操作人员选择，可以按测量效率最高或测量成本最低等多角度选择合适的方案，无人船可以根据路径规划方案自动巡航完成测量任务，使测量操作环节更加智能、高效、快捷。

附图说明

图1是实施例中一种水库库容的无人船自动巡航测算系统及方法的系统结构图；

图2是实施例中三角网格划分方法示意图；

图3是实施例中三维三角网格对角线体积偏差示意图；

图4是实施例中补测点路径规划示意图；

图5是实施例中的库容计算原理示意图；

图6是实施例中一种水库库容的无人船自动巡航测算方法的流程图。

具体实施方式

为了更加清楚、明确的表达本发明的原理及工作方法，下面参照图例并结合实施例对本发明进一步说明。应当说明的是，所述实施例仅用来解释本发明，并非对本发明的限定。

如图1所示是本发明实施例的系统结构图，主要分为前端探测模块和后端计算与控制模块。在实施例中，前端探测模块实例化为无人船，后端计算与控制模块实例化为云服务器，两者通过第四代移动通信网路进行通信。前端探测模块主要集成了回声测深仪、GPS定位仪、姿态传感器、移动通信单元，后端计算与控制模块主要分为基于最小内角方差的三角网格划分单元、三角网格质量评估与补测点生成单元、补测巡航路径生成单元。无人船在指定水域航行并探测水深、经纬度、船姿角度等信息，完成初探后将数据通过移动通信单元上传到后端；后端负责数据处理并向无人船发送控制指令。

如图2所示是本发明基于最小内角方差的三角网格划分单元的工作原理图，以最小内角方差为准则将水域划分为尽可能规整且互不交叉的三角网格。首先初始化两个点集：未划分点集S₁与已划分点集S₂，起始状态时点集S₁中包含所有探测点，点集S₂为空；每次从点集S₁中随机选取一个探测点添加到点集S₂中，重新调整点集S₂中探测点的连接关系使之符合最小内角方差准则；循环上述过程直到点集S₁为空。现假设图中A、B、C、D、E、F是已经划分好的探测点，属于点集S₂，则实线围成的三角网格已经满足最小内角方差准则。现从点集S₁中选取一点G添加到点集S₂中，判断G落在ΔACE中，将G点与ΔACE的顶点连接，则G点的出现使四边形ABCG、GCDE、AGEF不一定满足最小内角方差准则。考虑四边形ABCG，原划分结果为ΔACG和ΔABC，设A_i为第i个内角的弧度，则内角方差为：

则另一种划分结果为ΔABG和ΔBCG，A′_i为新划分方式中第i个内角的弧度，则内角方差为：

经计算则说明第二种划分方式使网格的形状更加接近正三角形，应选择第二种划分方法对网格进行调整。循环上述过程直到点集S₁为空，最终得到形状最接近正三角形的三角网格。

如图3所示是三角网格质量评估与补测点生成单元中三维三角网格对角线体积偏差的示意图。假设图中A、B、C、D是四个已知的、相互独立的探测点，A′、B′、C′、D′为探测点对应的水底标记点，则探测点与对应的水底标记点之间的距离即为该点处的水深值。图中左右两部分表示两种三角网格划分方案，当四个探测点的水深值不完全相等时两种划分方案所计算出的体积并不相等。具体的，假设四边形ABCD两对角线交叉点记为O，探测点x处的水深为H_x，S_Δy表示三角形y的面积，V_i表示棱柱i的体积，则第一种划分方案的计算结果为：

同理第二种方案的计算结果为：

则两者的体积偏差为：

由上述公式可知：主对角线的端点为A、C，副对角线的端点为B、D，则两种划分方法计算的体积偏差与主、副对角线端点处探测点的水深之和的差值呈正相关关系，同时也与凸四边形的面积呈正相关关系。所以当网格的底面积较大或主、副对角线上的水深之和的差值较大时会产生较大的体积计算偏差，会严重影响库容测算的准确率。

如图4所示是补测巡航路径生成单元的工作原理图。图中有48个补测点，由于无人船依靠电池供电，续航时间有限，所以需要计算出经过所有补测点的最短巡航路径以节省能耗。但是计算最短路径的算法复杂度至少为O(n²×2ⁿ)(n为补测点数)，计算过程会耗费大量时间。现假设用k(k＝1,2,3..)艘无人船共同承担补测任务，每艘无人船大约负责个补测点，则计算复杂度最多可以降低倍。为此，首先需要对所有补测点进行k聚类，得到k个点簇及对应的中心坐标，然后分别对k个点簇计算最短巡航路径。但是现有的聚类算法很难一次性划分出最短路径长度大致相同的k个点簇，难以保证无人船的能耗均衡，所以我们仍需对点簇进行调整：路径长度小于平均长度的点簇从路径长度大于平均长度的点簇中按比例选取若干补测点，重新调整每个点簇中补测点的数量使各点簇的最短巡航路径长度大致相等。如图所示k＝3时，从左至右划分出3个点簇，计算3个点簇的最短路径长度分别为L₁、L₂、L₃，平均长度为L_avg，则点簇i应该调整的点数t_i为：

如果点簇i需要调整的点数为负，则应从结果为正的点簇中挑选t_i个距离点簇i最近的补测点。按上述方法计算各点簇需调整的点数分别为：t₁＝0，t₂＝3，t₃＝-3，则应该从“点簇2”中选取3个距离“点簇3”最近的点划分给“点簇3”，并重新计算最短路径使得3艘无人船巡航路径长度大致相等，达到能耗均衡的设计目的。

如图5所示是本发明库容计算单元的原理示意图。当探测数据通过三角网格质量评估后，需要根据探测数据构成的三角网格计算库容。图中左侧是基于最小内角方差的三角网格划分方法将探测水域划分为三角网格的示意图；图中右侧表示网格中的某一个三角形对应的水域示意图，其中ΔABC是三个探测点在水平面围成的三角形，ΔA′B′C′为对应的水底标记点围成的水底地面；水库中的水体被网格切分为若干个类似于图中右侧所示的棱柱。假设水库的水平面被划分为n个网格，第i个网格对应的棱柱体积为V_i,则库容的测算值V_总可通过以下公式得出：

如图6所示是本发明的工作流程图。具体步骤阐述如下：

⑴后端计算与控制模块指挥无人船以一定的覆盖率探测某一水域，完成初探后将探测数据上传至后端计算与控制模块；

⑵对探测数据进行预处理，结合先验知识和探测点的船姿角度过滤掉不符合要求的探测点；

⑶以最小内角方差准则进行三角网格划分，将水域平面划分为以探测点为顶点的三角形网格，最小内角方差准则可以保证划分后的网格更加接近于理想的的正三角形；

⑷对三角网格进行质量评估，主要通过计算三维三角网格的对角线体积偏差和内角方差来判定网格的划分质量；

⑸如果网格质量评估没有达到预期，则在合适的位置生成若干补测点。假设有k(k＝1，2，3…)艘无人船，补测巡航路径生成模块通过先k聚类、后计算最短路径、再调整边界上的补测点的方法计算出路径长度最短、能效均衡的路径规划方案。操作人员根据方案列表选择合适的k值，k艘无人船以自动巡航的方式协同完成补测任务；

⑹回到第2步，直到顺利通过网格质量评估。最后以三角网格中的三角形为底，三顶点的水深为高，计算每个三棱柱的体积，通过累加三棱柱的体积得到水库库容量的测算值，输出测算结果。

Claims (7)

1.一种水库库容的无人船自动巡航测算系统，其特征在于包括前端无人船探测模块和后端计算与控制模块；后端计算与控制模块主要包括基于最小内角方差的三角网格划分单元、三角网格质量评估与补测点生成单元、补测巡航路径生成单元；前端无人船探测模块将探测数据上传至后端计算与控制模块后，基于最小内角方差的三角网格划分单元将水域平面划分为较为规则的三角网格；三角网格质量评估与补测点生成单元通过计算三维网格对角线体积偏差和内角方差来评估网格质量，在不满足要求的网格中重新生成补测点；补测巡航路径生成单元假设多艘无人船协同完成补测任务，在保证能耗均衡的条件下测算出每艘无人船的最短巡航路径，远程控制多艘无人船协同完成补测任务。

2.根据权利要求1所述的一种水库库容的无人船自动巡航测算系统，其特征在于基于最小内角方差的三角网格划分单元，考虑以探测点为顶点的凸四边形，分别以主、副对角线为分界线将其划分为两种不同的三角网格；分别计算两种划分方法得到的三角网格的内角方差，最后选择内角方差较小的划分方法；这种基于最小内角方差的三角网格划分方法能将探测区域划分为形状最接近于正三角形且互不交叉的三角网格。

3.根据权利要求1所述的一种水库库容的无人船自动巡航测算系统，其特征在于三角网格质量评估与补测点生成单元，网格质量评估的标准主要是三维三角网格的对角线体积偏差与内角方差；以四个探测点为顶点的凸四边形，分别以主、副对角线为分界线将其划分为两种不同的三角网格；分别计算主、副对角线两端的探测点的水深之和，再计算两者之间的差值，则两种划分方法通过计算得出的体积的偏差与上述差值及凸四边形的面积都呈正相关关系，所以将其称作三维三角网格的对角线体积偏差，当这种偏差过大时无法保证测算结果的准确度，需要在四点中心添加补测点；而三角网格的内角方差则体现了网格的形状与最理想的正三角形之间的差距；通过这两个指标可以对三角网格的质量进行评估，识别出形状狭长的三角网格和体积计算偏差较大的三角网格。

4.根据权利要求3所述的一种水库库容的无人船自动巡航测算系统，其特征在于根据网格质量评估后生成的补测点集，补测巡航路径生成单元通过先聚类、然后计算最短路径、再按比例调整边界上的补测点的方法计算出总路径长度最短、能耗均衡的路径规划方案；该方案包含了不同船只数量下的情况，操作人员根据具体情况选择对应船只数量下的路径规划，发送控制指令指挥多艘无人船按巡航路径协同完成补测任务。

5.根据权利要求1所述的一种水库库容的无人船自动巡航测算系统，其特征在于所述前端探测模块集成在无人船中，包括回声测深仪、GPS定位仪、移动通信单元、姿态传感器。

6.根据权利要求1所述的一种水库库容的无人船自动巡航测算系统，其特征在于后端计算与控制模块远程控制无人船在指定水域进行巡航探测，每隔一段距离使用前端探测模块中的GPS定位仪、回声测距仪、姿态传感器测量并记录探测点处的经纬度、水深、姿态角度信息；完成初探后无人船通过移动通信单元将所有探测数据上传至后端计算与控制模块。

7.利用权利要求1所述一种基于无人船的水库库容量的自动巡航测算系统的测算方法，其特征在于包括如下步骤：

后端计算与控制模块指挥无人船以一定的覆盖率探测某一水域，完成初探后将探测数据上传至后端计算与控制模块；

后端计算与控制模块过滤掉明显异常或船身姿态角度过大的探测点，将剩下的探测点使用最小内角方差准则来构建三角网格；

使用内角方差和三维网格对角线体积偏差等指标评估三角网格的质量，对于不满足要求的网格内插若干补测点以提高测算的准确率；

针对k艘无人船，k为正整数，分别通过先k聚类、然后计算最短路径、再调整边界上的补测点，最后得出k艘无人船能耗均衡的最短巡航路径方案；后端计算与控制模块生成一份包含不同k的路径规划方案供操作人员选择，操作人员可以根据能耗或效率的角度选取最合适的方案，然后将巡航路径分别发送给对应的无人船，无人船按照设定的路径通过自动巡航的方式协同完成补测任务；

完成补测任务后，无人船将补测数据发送给后端，后端整合初探和补测数据，以最小内角方差准则生成三角网格；以网格中的三角形为底，三个顶点的水深值为高，计算每个三棱柱的体积，通过累加三棱柱的体积得到水库库容量的测算值。