CN117452417A - 集群式水下地形测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种集群式水下地形测量系统和方法。所述集群式水下地形测量系统包括：集群指挥子系统和N个地形测量单元，N为大于1的整数；集群指挥子系统，用于基于目标水域的地形测量任务和所述N个地形测量单元的测量能力信息，将所述地形测量任务拆分为所述N个地形测量单元对应的测量子任务并下发给所述N个地形测量单元；地形测量单元，用于向所述集群指挥子系统上报自己的实时状态信息，以及执行接收到的测量子任务以得到地形测量信息，将所述地形测量信息上报至所述集群指挥子系统；所述集群指挥子系统，还用于基于所述N个地形测量单元上报的地形测量信息和实时状态信息，对所述N个地形测量单元对应的测量子任务进行调整后重新下发。

Description

集群式水下地形测量系统和方法

技术领域

本申请涉及水域探测领域，尤其涉及一种集群式水下地形测量系统和方法。

背景技术

多波束测深声纳是一种高效率、高精度和高分辨率的海底地形测量设备，其利用发射换能器阵列向海底发射宽扇面覆盖的声波，通过接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，利用波束指向的正交性，形成水域（比如海域、河域）地形的照射脚印，进而对这些照射脚印内的反向散射信号进行到达时间（Time of Arrival，TOA）和到达方向（Direction ofArrival，DOA）的估计，就能得到对应的水深值。多波束测深声纳在海洋勘探、海底施工等领域应用广泛。

在大面积水下地形测量作业时，由于海洋等水域环境变化快，施工期短等情况，如果提高测量效率，以期更快完成测绘作业，仍需要更有力的解决方案。

发明内容

本申请实施例的目的提供一种集群式水下地形测量系统和方法，用于快速完成测深作业，提高水下地形测量速率，保证快速、高效地完成测绘项目作业。

为了实现上述目的，本申请实施例采用下述技术方案：

第一方面，本申请实施例提供一种集群式水下地形测量系统，包括：集群指挥子系统和N个地形测量单元，N为大于1的整数；

所述集群指挥子系统，用于基于目标水域的地形测量任务和所述N个地形测量单元的测量能力信息，将所述地形测量任务拆分为所述N个地形测量单元对应的测量子任务并下发给所述N个地形测量单元；

所述地形测量单元，用于向所述集群指挥子系统上报自己的实时状态信息，以及执行接收到的测量子任务以得到地形测量信息，将所述地形测量信息上报至所述集群指挥子系统；

所述集群指挥子系统，还用于基于所述N个地形测量单元上报的地形测量信息和实时状态信息，对所述N个地形测量单元对应的测量子任务进行调整后重新下发。

第二方面，本申请实施例提供一种集群式水下地形测量方法，包括：

基于目标水域的地形测量任务和N个地形测量单元的测量能力信息，将所述地形测量任务拆分为所述N个地形测量单元对应的测量子任务并下发给所述N个地形测量单元；

接收所述N个地形测量单元上报的实时状态信息和地形测量信息，所述地形测量信息是所对应的地形测量单元执行测量子任务得到的；

基于所述N个地形测量单元上报的实时状态信息和地形测量信息，对所述N个地形测量单元对应的测量子任务进行调整后重新下发。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

在每个地形测量单元中设置单个多波束测深声纳，采用集群指挥子系统将N（N为大于1的整数）个地形测量单元进行系统融合，基于对目标水域的地形测量任务为每个地形测量单元分配相应的测量子任务，并基于N个地形测量单元上报的地形测量信息和实时状态信息对N个地形测量单元对应的测量子任务进行动态调整，使得N个地形测量单元为同一地形测量任务服务，相互协作，最终实现快速、高效地完成对目标水域的地形测量任务。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请的一个实施例提供的一种集群式水下地形测量系统的结构示意图；

图2为本申请的另一个实施例提供的一种集群式水下地形测量系统的结构示意图；

图3为本申请的又一个实施例提供的一种集群指挥子系统与任一地形测量单元之间的通信过程的示意图；

图4为本申请的一个实施例提供的一种基于集群式水下地形测量系统进行地形测量的流程示意图；

图5为本申请的一个实施例提供的一种集群指挥子系统调整测量子任务的流程示意图；

图6为本申请的一个实施例提供的一种集群指挥子系统的工作流程示意图；

图7为本申请的一个实施例提供的一种地形测量单元的工作流程示意图；

图8为本申请的一个实施例提供的一种集群式水下地形测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应理解，这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本说明书和权利要求书中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

为了提高水下地形测量速率，保证快速、高效地完成测绘项目作业，本申请实施例提供一种集群式水下地形测量方案，在每个地形测量单元中设置单个多波束测深声纳，采用集群指挥子系统将N（N为大于1的整数）个地形测量单元进行系统融合，基于对目标水域的地形测量任务为每个地形测量单元分配相应的测量子任务，并基于N个地形测量单元上报的地形测量信息和实时状态信息对N个地形测量单元对应的测量子任务进行动态调整，使得N个地形测量单元为同一地形测量任务服务，相互协作，最终实现快速、高效地完成对目标水域的地形测量任务。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

请参见图1，为本申请的一个实施例提供的一种集群式水下地形测量系统的结构示意图，该系统包括集群指挥子系统和N个地形测量单元，N为大于1的整数。N个地形测量单元与集群指挥子系统通信连接，这里的通信连接可以采用本领域常用的各种有线或无线等通行方式连接。

地形测量单元具有地形测量及定位功能，不仅能够基于集群指挥子系统分配的任务进行水下地形测量操作以得到相应的地形测量信息，还可以实时采集自身的位置。集群指挥子系统负责对目标水域进行任务规划、对N个地形测量单元进行任务分配及调整等，从而将N个地形测量单元进行系统融合，为同一地形测量任务服务，相互协作，最终实现快速、高效地完成对目标水域的地形测量任务。

本申请实施例中，各个地形测量单元可具有任意适当的结构，具体可根据实际需要进行设置，本申请实施例对此不作限定。作为一种示例，如图2所示，地形测量单元包括搭载平台、辅助测量组件、多波束测深声纳以及控制器。

其中，搭载平台是地形测量单元中其他组件的固定平台，可以例如包括但不限于水面舰船、无人艇、智能水下机器人（Autonomous Underwater Vehicles，AUV）、遥控水下机器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）等平台，辅助测量组件、多波束测深声纳以及控制器等部署于搭载平台。

辅助测量组件用于采集所属地形测量单元的辅助测量信息，例如包括但不限于位置（比如GNSS信息）、姿态信息、航向信息、声速、秒脉冲（Pulse Per Second，PPS）等。辅助测量组件可以包括但不限于声速仪、组合惯性导航单元等。声速仪用于测量水下声速，组合惯性导航单元用于采集所属地形测量单元的姿态信息、航向信息、卫星导航信息、PPS等。

多波束测深声纳负责发射多波束信号和接收多波束信号被反射后形成的回波信号。

控制器主要负责基于多波束测深声纳发射的多波束信号和接收的回波信号、组合惯性导航单元采集的信息以及辅助测量组件采集的信息进行计算和处理，得到测量地形信息及实时状态信息并上报给集群指挥子系统。

作为另一种示例，地形测量单元还可以包括数据存储组件，主要负责存储多波束测深声纳的工作参数和接收的声学回波、组合惯性导航单元采集的信息、辅助测量组件采集的信息、处理所得的测量地形信息及实时状态信息等。

本申请实施例中，集群指挥子系统可具有任意适当的结构，具体可根据实际需要进行设置，本申请实施例对此不作限定。作为一种示例，如图2所示，集群指挥子系统包括集群控制单元、集群导航单元和集群数据库。其中，集群控制单元主要负责基于地形测量任务分配、调整各地形测量单元的测量子任务，并下发测量子任务及相关指令到相应的地形测量单元。集群导航单元主要负责接收、保存、显示各地形测量单元上传的信息，比如地形测量信息及实时状态信息等。集群数据库主要负责存储各地形测量单元上报的地形测量信息、实时状态信息等信息。

实际应用中，集群指挥子系统一般安装于测量指挥船或者陆地指挥中心，可采用固定安装方式。为了保证通信畅通，集群指挥子系统一般处于或邻近待测量的目标水域。

本申请的另一个实施例中，为了保证集群指挥子系统与N个地形测量单元之间通信的可靠性和稳定性，如图2所示，上述集群式水下地形测量系统还可以包括通信子系统，通信子系统负责N个地形测量单元与集群指挥子系统之间的数据通信，不限于有线或者无线等通信方式。

通信子系统可采用任意具有通信功能的元件，具体可根据实际需要进行选择，本申请实施例对此不作限定。作为一种示例，通信子系统包括系统通信单元和N个平台通信单元，N个平台通信单元与N个地形测量单元一一对应。实际应用中，系统通信单元可部署于指挥子系统中，每个平台通信单元部署于所对应的地形测量单元中，比如所对应的地形测量单元的搭载平台上。

基于通信子系统，图3示出了集群指挥子系统与任一地形测量单元之间的通信过程如下。其中，Sn1~Sn11分别表示第n个地形测量单元在作业过程中的不同数据信息，具体如下：

Sn1上行数据：系统通信单元发送至集群控制单元的数据，包括地形测量单元的实时状态信息，由地形测量单元中的控制器通过通信子系统发送至集群控制单元。

Sn1下行数据：集群控制单元发送至系统通信单元的数据，包括指挥地形测量单元工作的相关指令，例如休眠指令、任务确认指令、唤醒指令、测量指令等，由集群控制单元通过通信子系统发送至地形测量单元中的控制器。

Sn2上行数据：系统通信单元发送至集群导航单元的数据，包括地形测量单元的地形测量信息，由地形测量单元中的控制器通过通信子系统发送至集群导航单元。

Sn2下行数据：集群导航单元发送至系统通信单元的数据，包括与地形测量相关的参数，由集群导航单元通过通信系统发送至地形测量单元。

Sn3数据：关键测量信息，比如地形测量信息，由集群控制单元取自集群数据库。

Sn4数据：测量相关信息（包括关键测量信息），由集群导航单元存储至集群数据库。

Sn5上行数据：平台通信单元发送至系统通信单元的数据，同Sn6上行数据。

Sn5下行数据：系统通信单元发送至平台通信单元的数据，同Sn6下行数据。

Sn6上行数据：控制器发送至平台通信单元的数据，包括地形测量单元的地形测量信息和实时状态信息，其中，地形测量信息由控制器通过通信子系统发送至集群导航单元，实时状态信息由控制器通过通信子系统发送至集群控制单元。

Sn6下行数据：平台通信单元发送至控制器的数据，包括指挥地形测量单元工作的相关指令、与地形测量相关的参数等，其中，相关指令由集群控制单元通过通信子系统发送至地形测量单元中的控制器，与地形测量相关的参数由集群导航单元通过通信子系统发送至地形测量单元中的控制器。

Sn7数据：包括时间信息、PPS、位置、姿态信息、航向信息，由组合惯性导航单元发送至控制器。

Sn8数据：搭载平台的状态信息、经过数据处理的地形测量信息，由控制器存储至数据存储组件。

Sn9上行数据：包括多波束测深声纳的状态信息和带有时间戳的传感器信息。其中，状态信息包括休眠信息、故障信息等，传感器信息包括声学数据、协调世界时间（Coordinated Universal Time，UTC）、位置信息、姿态信息、航向信息、声速信息等，由多波束测深声纳发射至控制器。

Sn9下行数据：包括声速信息、时间信息、位置信息、姿态信息、航向信息和PPS等，由控制器发送至多波束测深声纳。

Sn10数据：包括声速信息，由声速仪发送至控制器。

Sn11上行数据：包括搭载平台各部分的状态信息，由搭载平台发送至控制器。

Sn11下行数据：用于控制搭载平台的控制信号，由控制器发送至搭载平台。

基于上述集群式水下地形测量系统的结构，下面结合作业过程对本申请实施例的集群式水下地形测量系统进行详细说明。

具体而言，结合图4，集群指挥子系统用于基于目标水域的地形测量任务和N个地形测量单元的测量能力信息，将地形测量任务拆分为N个地形测量单元对应的测量子任务并下发给N个地形测量单元。

每个地形测量单元用于向集群指挥子系统上报自己的实时状态信息，以及执行接收到的测量子任务以得到地形测量信息，将地形测量信息上报至集群指挥子系统。

集群指挥子系统还用于基于N个地形测量单元上报的地形测量信息和实时状态信息，对N个地形测量单元对应的测量子任务进行调整后重新下发。

更为具体地，基于上述图2所示的集群式水下地形测量系统的结构，在集群指挥子系统中，集群控制单元基于目标水域的地形测量任务和N个地形测量单元的测量能力信息，将地形测量任务拆分为N个地形测量单元对应的测量子任务并下发给N个地形测量单元，以及基于N个地形测量单元上报的地形测量信息和实时状态信息，对N个地形测量单元对应的测量子任务进行调整后重新下发。集群导航单元接收N个地形测量单元上报的地形测量信息和实时状态信息并存储至集群数据库中。

在任一个地形测量单元中，搭载平台在控制器的控制下移动。辅助测量组件在搭载平台的移动过程中，获取当前位置的辅助测量信息。多波束测深声纳在搭载平台的移动过程中向水下发射多波束信号，并接收多波束信号被发射后形成的回波信号。控制器基于所属地形测量单元对应的测量子任务控制搭载平台移动，以及基于辅助测量信息、多波束信号以及回波信号，输出地形测量信息。

本申请实施例提供的集群式水下地形测量系统，通过采用N（N为大于1的整数）个地形测量单元组成集群，采用集群指挥子系统将N个地形测量单元进行系统融合，基于对目标水域的地形测量任务为每个地形测量单元分配相应的测量子任务，并基于N个地形测量单元上报的地形测量信息和实时状态信息对N个地形测量单元对应的测量子任务进行动态调整，使得N个地形测量单元为同一地形测量任务服务，相互协作，最终实现快速、高效地完成对目标水域的地形测量任务。

本申请实施例中，目标水域是指待测量的水域，可以例如包括但不限于海洋、江河、湖泊、运河、水库等。地形测量任务用于测量目标水域的水下地形。地形测量任务可以例如包括但不限于目标水域的大小及范围、拟投入到地形测量任务的地形测量单元的数量、预期测量时长等。地形测量单元对应的测量子任务可以例如包括但不限于该地形测量单元所测量的区域的大小及范围、该地形测量单元的航行线路及航行速度等。

地形测量单元的测量能力信息用于描述地形测量单元进行地形测量的能力，具体可以例如包括但不限于地形测量单元的航行速度、发射波束参数、接收波束参数等。

本申请实施例中，集群指挥子系统可通过各种方式将地形测量任务拆分为N个测量单元对应的测量子任务。

在一实施方式中，可从N个地形测量单元中选取部分或全部地形测量单元投入到地形测量中，基于投入到地形测量的地形测量单元数量，将目标水域划分为相同数量的多个区域；进一步，针对每个区域，基于该区域的区域信息（如大小、范围及位置等）和投入的地形测量单元的测量能力信息，确定负责测量该区域的地形测量单元、该区域内的航行路线及航行速度等，进而得到该区域的测量子任务并分配给负责测量该区域的地形测量单元。

例如，若某个区域较大、位置较远，则将该区域分配给航行速度较快的地形测量单元，并基于该地形测量单元的航行速度、发射波束参数以及接收波束等测量能力信息，确定该地形测量单元在该区域内的航行路线和航行速度等。

若某个区域较小、位置较近，则将该区域分配给航行速度较慢的地形测量单元，并基于该地形测量单元的航行速度、发射波束参数以及接收波束等测量能力信息，确定该地形测量单元在该区域内的航行路线和航行速度等。

实际应用中，可将N个地形测量单元均投入到地形测量任务中，在此情况下，地形测量任务被拆分为N个测量子任务，N个地形测量子任务与N个地形测量单元一一对应。或者，也可从N个地形测量单元中选取M个测量能力强的前M（1＜M＜N）个地形测量单元投入到地形测量任务中，在此情况下，地形测量任务被拆分为M个测量子任务，M个地形测量子任务与M个地形测量单元一一对应。

上文仅示出了对地形测量任务进行拆分的一种具体实施方式。当然，应理解，对地形测量任务的拆分还可通过其他方式实施，本申请实施例在此不作限定。

本申请实施例中，地形测量单元的实时状态信息用于表示地形测量单元的实时状态，具体可以例如包括但不限于地形测量单元的状态值和位置等。其中，状态值用于表示地形测量单元的工作状态是否正常，例如状态值为0则表示地形测量单元的工作状态异常，状态值为1则表示地形测量单元的工作状态正常。

地形测量单元在接收到测量子任务之后，可对测量子任务进行解析，得到所负责测量的区域的区域信息（如大小、范围及位置等）、该区域的测量起点、航行路线及航行速度等；然后，地形测量单元基于该区域的位置航行至该区域的测量起点，并按照航行路线和航行速度在该区域内航行，在航行过程中进行水下地形测量操作，得到地形测量信息并上报给集群指挥子系统。

本申请实施例中，集群指挥子系统可通过各种方式对N个地形测量单元的测量任务进行调整。

在一实施方式中，如图4所示，集群指挥子系统对N个地形测量单元的测量任务进行调整，具体包括如下步骤：基于N个地形测量单元上报的地形测量信息，确定N个地形测量单元的任务进度信息；基于各个地形测量单元的任务进度信息和实时状态信息，确定地形测量任务的调整系数；若调整系数大于预设系数阈值，则对N个地形测量单元对应的测量子任务进行调整后重新下发。

在上述实施方式中，任务进度信息用于表示测量子任务的执行进度，具体可以例如包括但不限于如下信息中的至少一种：已完成任务量、已测量区域的地形、未完成任务量、剩余完成时长等。其中，已完成任务量可以用已测量区域的大小与所负责测量的区域的大小之间的比值来表示，未完成任务量可以用未测量区域的大小与所负责测量的区域的大小之间的比值来表示，剩余完成时长是指对未测量区域进行地形测量所需的时长。

作为一种示例，针对每个地形测量单元，该地形测量单元上报的地形测量信息包括该地形测量单元已测量的区域、该区域的水深信息、实际航行速度等。集群指挥子系统基于该地形测量单元已测量的区域确定出未测量区域、已完成任务量和未完成任务量，基于该区域的水深数据确定出已测量区域的地形，以及基于实际航行速度和未完成任务量进行预测分析，得到剩余完成时长，等等。

在上述实施方式中，地形测量任务的调整系数用于表示地形测量任务能够按时完成的可能性大小，进而可用于表示是否需要对拆分得到的测量子任务进行调整，以使N个地形测量单元更好地相互协作，共同完成该地形测量任务。调整系数越大，则表明地形测量任务能够被按时完成的可能性较小，若调整系数大于预设系数阈值，则确定需要对拆分得到的测量子任务进行调整；调整系数越小，则表明地形测量任务能够被按时完成的可能性较大，若调整系数小于或等于预设系数阈值，则确定无需对拆分得到的测量子任务进行调整，在此情况下，N个地形测量单元继续执行接收到的测量子任务。

调整系数可通过各种方式确定，具体可根据实际需要进行设置，本申请实施例对此不作限定。作为一种示例，集群指挥子系统可通过如下方式确定地形测量任务的调整系数：基于N个地形测量单元的已完成任务量进行标准差计算，得到第一标准差；基于N个地形测量单元的剩余完成时长进行标准差计算，得到第二标准差；基于N个地形测量单元的状态值进行标准差计算，得到第三标准差；对第一标准差、第二标准差和第三标准差进行加权求和，得到地形测量任务的调整系数。

其中，第一标准差用于表示N个地形测量单元的已完成任务量的分布情况，第二标准差用于表示N个地形测量单元的剩余完成时长的分布情况，第三标准差用于表示N个地形测量单元的状态值的分布情况。第一标准差的权重、第二标准差的权重以及第三标准差的权重可以根据实际需要进行设置，本申请实施例对此不作限定。

例如，地形测量任务的调整系数可通过如下公式（1）计算得到：

（1）

其中，表示地形测量任务的调整系数，/>表示第一标准差，/>表示第一标准差的权重，/>表示第二标准差，/>表示第二标准差的权重，/>表示第三标准差，/>表示第三标准差的权重。

可以理解的是，从各个地形测量单元的已完成任务量、剩余完成时长以及状态值这三个维度计算地形测量任务的调整系数，使得调整系数可以更准确、客观地反映地形测量任务是否能够被按时完成，从而更准确地对相应地形测量单元的测量子任务进行动态调整，使得N个地形测量单元更好地相互协作，共同完成该地形测量任务，提供测量效率，确保地形测量任务能够被按时完成。

上文仅示出了调整系数的一种确定方式。当然，应理解，调整系数还可通过其他方式确定。例如，将第一预测标准差、第二预设标准差以及第三预测标准差中的一者作为调整系数；或者，对各个地形测量单元的已完成任务量进行求和，地形测量任务的总任务量与求和结果之差作为调整系数，等等。

在另一实施方式中，结合图5，集群指挥子系统对N个地形测量单元的测量子任务进行调整，具体包括如下步骤：基于N个地形测量单元上报的地形测量信息和状态值，从N个地形测量单元中确定满足第一预设调整条件的地形测量单元，作为弱势测量单元；基于弱势测量单元所测量的区域以及其他地形测量单元上报的地形测量信息和实时状态信息，从其他地形测量单元中确定满足第二预设调整条件的测量单元，作为强势测量单元，其中，其他地形测量单元为N个地形测量单元中除弱势测量单元以外的地形测量单元；对弱势测量单元对应的测量子任务和强势测量单元对应的测量子任务进行调整。

实际应用中，第一预设调整条件和第二预设调整条件均可以根据实际需要进行设置，本申请实施例对此不作限定。作为一种示例，第一预设调整条件包括：状态值表示的工作状态为异常，或者，任务完成量小于预设完成量且与预设完成量之间的差值小于预设差值，或者，剩余完成时长大于预设时长。第二预设调整条件包括：状态值表示的工作状态为正常，且任务完成量大于或等于预设完成量，且位置距离弱势测量单元所测量的区域小于或等于预设距离。

例如，以N=6为例，即上述集群式水下地形测量系统包括1#地形测量单元~6#地形测量单元。若1#地形测量单元的状态值为异常，2#地形测量单元的任务完成量小于预设完成量，3#地形测量单元的剩余完成时长大于预设时长，其他地形测量单元的状态值均为正常、任务完成量大于预设完成量且剩余完成时长小于预设时长，则将1#地形测量单元~3#地形测量单元确定为弱势测量单元。

进一步，若4#地形测量单元与1#地形测量单元所测量区域之间的距离小于预设距离，则将4#地形测量单元确定为1#地形测量单元对应的强势测量单元，从1#地形测量单元的未测量区域中划分出部分区域给4#地形测量单元，进而基于该部分区域分别对1#地形测量单元的测量子任务和4#地形测量单元的测量子任务进行更新。

若5#地形测量单元与2#地形测量单元所测量区域之间的距离小于预设距离，则将5#地形测量单元确定为2#地形测量单元对应的强势测量单元，从2#地形测量单元的为测量区域中划分出部分区域给5#地形测量测量单元，进而基于该部分区域分别对2#地形测量单元的测量子任务和5#地形测量单元的测量子任务进行更新。

若6#地形测量单元与3#地形测量单元所测量区域之间的距离小于预设距离，则将6#地形测量单元确定为3#地形测量单元对应的强势测量单元，从3#地形测量单元的为测量区域中划分出部分区域给6#地形测量测量单元，进而基于该部分区域分别对3#地形测量单元的测量子任务和6#地形测量单元的测量子任务进行更新。

值得说明的是，在确定从弱势测量单元的未测量区域中划分出的区域时，可采用本领域常用的各种优化算法，将使地形测量任务的调整系数小于或等于预设系数阈值作为目标进行寻优，从而确定出上述划分出的区域。

可以理解的是，基于N个地形测量单元的任务完成量、剩余完成时长以及状态值，确定出弱势测量单元和强势测量单元，对二者的测量子任务进行调整，可以充分利用强势测量单元的测量能力，使其分担更多的任务压力，可以保证地形测量任务整体上按时完成。

本申请的另一个实施例中，结合图6，集群指挥子系统还用于在将N个地形测量单元对应的测量子任务下发给N个地形测量单元指挥，向N个地形测量单元分别发送任务确认指令，以及在接收到任一地形测量单元上报的确认响应消息的情况下，向该地形测量单元发送测量指令。其中，任务确认指令用于指示地形测量单元确认是否可开始执行测量子任务。

相应地，结合图7，地形测量单元还用于在接收到任务确认指令的情况下，监控当前位置是否位于所对应的测量子任务指示的区域内，若否，则基于所对应的测量子任务指示的航行路线移动至该区域内，在当前位置位于该区域内的情况下，向集群指挥子系统上报确认响应消息，以及在接收到所述测量指令的情况下，执行接收到的测量子任务。

例如，1#地形测量单元所负责测量的区域为目标水域的1#区域，1#地形测量单元在接收到集群指挥子系统下发的任务确认指令之后，若监控到当前位置位于1#区域外，则控制自身的搭载平台航行至1#区域内；在达到1#区域内以后，向集群指挥子系统发送确认响应消息，以告知集群指挥子系统可以开始执行测量子任务。集群指挥子系统接收到该确认响应消息之后，向1#地形测量单元发送测量指令，以指示1#地形测量单元开始执行测量子任务。

可以理解的是，在地形测量单元开始执行测量子任务之前，先由集群指挥子系统通过下发任务确认指令的方式确定地形测量单元是否可开始作业，并在确认可开始作业的情况下指示地形测量单元开始作业，可以确保各个测量子任务的正常执行，以便及时发现异常的地形测量单元，及时动态调整相应地形测量单元的测量子任务，从而确保地形测量任务总体上能够按时完成。

本申请的另一个实施例中，结合图6，集群指挥子系统在接收到任一地形测量单元上报的确认响应消息的情况下，在该地形测量单元发送测量指令之前，还向该地形测量单元发送唤醒指令，以及在接收该地形测量单元上报的唤醒响应消息的情况下，向该地形测量单元发送唤醒指令。其中，任务确认指令用于指示地形测量单元唤醒执行测量子任务所需的组件，比如多波束测深声纳等。

相应地，结合图7，地形测量单元还用于在接收到唤醒指令的情况下，对用于执行测量子任务所需的组件执行唤醒操作，以及在该组件被唤醒后，向集群指挥子系统上报唤醒响应消息，以告知集群指挥子系统可以相关组件已被唤醒。

例如，仍以上述1#地形测量单元为例，集群指挥子系统接收到1#地形测量单元上报的确认响应消息之后，还向1#地形测量单元下发唤醒指令，以指示1#将执行测量子任务的组件唤醒。1#地形测量单元在接收到唤醒指令之后，将执行测量子任务所需的多波束测深声纳等组件唤醒，在该组件被唤醒之后，向集群指挥子系统发送唤醒响应消息。集群指挥子系统接收到该唤醒响应消息之后，向1#地形测量单元发送测量指令，以指示1#地形测量单元开始执行测量子任务。

可以理解的是，地形测量单元中用于执行测量子任务的组件通常处于休眠状态，以节省计算资源。在地形测量单元开始执行测量子任务之前，还先由集群指挥子系统通过下发唤醒指令的方式，指示地形测量单元唤醒执行测量子任务所需的组件；进一步，在该组件被唤醒的情况下指示地形测量单元开始作业，可以确保地形测量单元准备就绪，进而确保测量子任务的正常执行。

值得说明的是，在本申请实施例提供的集群式水下地形测量系统中，涉及的数据按处理程度可分为如下三类：基础数据、预处理后数据、实时成果数据。其中，基础数据包括具有时间特征的声学信息、UTC、位置信息、声速信息、姿态信息、航向信息以及实时状态信息等，这类数据存储于地形测量单元本地，比如存储于地形测量单元的数据存储组件中。预处理后数据是指经过地形测量单元中的控制器处理后并上传至集群指挥子系统的数据，可以例如包括但不限于水深信息、波束信息等，这类数据存储于集群数据库中。实时成果数据是指经过集群导航单元处理后的数据，包括地形图信息、目标信息、航迹信息等，这列信息存储于集群数据库中。

其次，针对不同类型的数据，可采用不同的方式进行存储。作为一种示例，基础数据采用文件存储方式，存储于地形测量单元本地，比如地形测量单元的数据存储组件中。预处理后数据采用数据库存储方式，存储于集群数据库中。实时成果数据采用数据库存储方式，存储于集群数据库中。

基于同样的发明构思，本申请实施例还提供一种集群式水下地形测量方法，该方法应用于上述集群式水下地形测量系统中的集群指挥子系统。请参见图8，为本申请的一个实施例提供的一种集群式水下地形测量方法的流程示意图，该方法可以包括如下步骤：

S802，基于目标水域的地形测量任务和N个地形测量单元的测量能力信息，将地形测量任务拆分为N个地形测量单元对应的测量子任务并下发给N个地形测量单元。

S804，接收N个地形测量单元上报的实时状态信息和地形测量信息。

地形测量信息是所对应的地形测量单元执行测量子任务得到的。

S806，基于N个地形测量单元上报的实时状态信息和地形测量信息，对N个地形测量单元对应的测量子任务进行调整后重新下发。

在一实施方式中，上述S806包括如下步骤：基于N个地形测量单元上报的地形测量信息，确定N个地形测量单元的任务进度信息；基于各个地形测量单元的任务进度信息和实时状态信息，确定地形测量任务的调整系数；若调整系数大于预设系数阈值，则对N个地形测量单元对应的测量子任务进行调整后重新下发。

作为一种示例，所述任务进度信息包括已完成任务量和剩余完成时长，所述实时状态信息包括状态值，所述状态值表示所对应的地形测量单元的工作状态是否正常。基于各个地形测量单元的任务进度信息和实时状态信息，确定地形测量任务的调整系数，包括：基于所述N个地形测量单元的已完成任务量进行标准差计算，得到第一标准差；基于所述N个地形测量单元的剩余完成时长进行标准差计算，得到第二标准差；基于所述N个地形测量单元的状态值进行标准差计算，得到第三标准差；对所述第一标准差、所述第二标准差和所述第三标准差进行加权求和，得到所述调整系数。

作为一种示例，对N个地形测量单元对应的测量子任务进行调整，包括：基于所述N个地形测量单元上报的地形测量信息和状态值，从所述N个地形测量单元中确定满足第一预设调整条件的地形测量单元，作为弱势测量单元；基于所述弱势测量单元所测量的区域以及其他地形测量单元上报的地形测量信息和实时状态信息，从所述其他地形测量单元中确定满足第二预设调整条件的测量单元，作为强势测量单元，其中，所述其他地形测量单元为所述N个地形测量单元中除所述弱势测量单元以外的地形测量单元；对所述弱势测量单元对应的测量子任务和所述强势测量单元对应的测量子任务进行调整。

作为一种示例，所述第一预设调整条件包括：状态值表示的工作状态为异常，或者，任务完成量小于预设完成量且与所述预设完成量之间的差值小于预设差值，或者，剩余完成时长大于预设时长；所述第二预设调整条件包括：状态值表示的工作状态为正常，且任务完成量大于或等于所述预设完成量，且位置距离所述弱势测量单元所测量的区域小于或等于预设距离；

其中，各个地形测量单元的任务完成量和剩余完成时长为基于该地形测量单元上报的地形测量信息确定的。

本申请的另一个实施例中，在将所述N个地形测量单元对应的测量子任务下发给所述N个地形测量单元之后，上述方法还包括：向所述N个地形测量单元分别发送任务确认指令，以及在接收到任一地形测量单元上报的确认响应消息的情况下，向该地形测量单元发送测量指令。

本申请的另一个实施例中，上述方法还包括：在接收到任一地形测量单元上报的确认响应消息的情况下，向所述任一地形测量单元发送唤醒指令，以及在接收到所述任一地形测量单元上报的唤醒响应消息的情况下，向所述任一地形测量单元发送所述测量指令。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

总之，以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (10)

1.一种集群式水下地形测量系统，其特征在于，包括：集群指挥子系统和N个地形测量单元，N为大于1的整数；

所述集群指挥子系统，用于基于目标水域的地形测量任务和所述N个地形测量单元的测量能力信息，将所述地形测量任务拆分为所述N个地形测量单元对应的测量子任务并下发给所述N个地形测量单元；

所述地形测量单元，用于向所述集群指挥子系统上报自己的实时状态信息，以及执行接收到的测量子任务以得到地形测量信息，将所述地形测量信息上报至所述集群指挥子系统；

所述集群指挥子系统，还用于基于所述N个地形测量单元上报的地形测量信息和实时状态信息，对所述N个地形测量单元对应的测量子任务进行调整后重新下发。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述集群指挥子系统具体用于：

基于所述N个地形测量单元上报的地形测量信息，确定所述N个地形测量单元的任务进度信息；

基于各个地形测量单元的任务进度信息和实时状态信息，确定所述地形测量任务的调整系数；

若所述调整系数大于预设系数阈值，则对所述N个地形测量单元对应的测量子任务进行调整后重新下发。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述任务进度信息包括已完成任务量和剩余完成时长，所述实时状态信息包括状态值，所述状态值表示所对应的地形测量单元的工作状态是否正常；

所述集群指挥子系统通过如下方式确定所述地形测量任务的调整系数：

基于所述N个地形测量单元的已完成任务量进行标准差计算，得到第一标准差；

基于所述N个地形测量单元的剩余完成时长进行标准差计算，得到第二标准差；

基于所述N个地形测量单元的状态值进行标准差计算，得到第三标准差；

对所述第一标准差、所述第二标准差和所述第三标准差进行加权求和，得到所述调整系数。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测量子任务包括所述目标水域中地形测量单元测量所测量的区域，所述实时状态信息包括状态值和位置，所述状态值表示所对应的地形测量单元的工作状态是否正常；

所述集群指挥子系统通过如下方式对所述N个地形测量单元对应的测量子任务进行调整：

基于所述N个地形测量单元上报的地形测量信息和状态值，从所述N个地形测量单元中确定满足第一预设调整条件的地形测量单元，作为弱势测量单元；

基于所述弱势测量单元所测量的区域以及其他地形测量单元上报的地形测量信息和实时状态信息，从所述其他地形测量单元中确定满足第二预设调整条件的测量单元，作为强势测量单元，其中，所述其他地形测量单元为所述N个地形测量单元中除所述弱势测量单元以外的地形测量单元；

对所述弱势测量单元对应的测量子任务和所述强势测量单元对应的测量子任务进行调整。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一预设调整条件包括：状态值表示的工作状态为异常，或者，任务完成量小于预设完成量且与所述预设完成量之间的差值小于预设差值，或者，剩余完成时长大于预设时长；

所述第二预设调整条件包括：状态值表示的工作状态为正常，且任务完成量大于或等于所述预设完成量，且位置距离所述弱势测量单元所测量的区域小于或等于预设距离；

其中，各个地形测量单元的任务完成量和剩余完成时长为基于该地形测量单元上报的地形测量信息确定的。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述集群指挥子系统，还用于在将所述N个地形测量单元对应的测量子任务下发给所述N个地形测量单元之后，向所述N个地形测量单元分别发送任务确认指令，以及在接收到任一地形测量单元上报的确认响应消息的情况下，向该地形测量单元发送测量指令；

所述地形测量单元，还用于在接收到所述任务确认指令的情况下，监控当前位置是否位于所对应的测量子任务指示的区域内，若否，则基于所对应的测量子任务指示的航行路线移动至该区域内，在当前位置位于该区域内的情况下，向所述集群指挥子系统上报确认响应消息，以及在接收到所述测量指令的情况下，执行接收到的测量子任务。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述集群指挥子系统用于：在接收到任一地形测量单元上报的确认响应消息的情况下，向所述任一地形测量单元发送唤醒指令，以及在接收到所述任一地形测量单元上报的唤醒响应消息的情况下，向所述任一地形测量单元发送所述测量指令；

所述地形测量单元，还用于在接收到所述唤醒指令的情况下，对用于执行测量子任务所需的组件执行唤醒操作，以及在所述组件被唤醒后，向所述集群指挥子系统上报唤醒响应消息。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其特征在于，所述地形测量单元包括搭载平台、辅助测量组件、多波束测深声纳以及控制器，所述辅助测量组件、所述多波束测深声纳以及所述控制器部署于所述搭载平台；

所述搭载平台，用于在所述控制器的控制下移动；

所述辅助测量组件，用于在所述搭载平台的移动过程中，获取当前位置的辅助测量信息；

所述多波束测深声纳，用于在所述搭载平台的移动过程中，向水下发射多波束信号，并接收所述多波束信号被发射后形成的回波信号；

所述控制器，用于基于所属地形测量单元对应的测量子任务控制所述搭载平台移动，以及基于所述辅助测量信息、所述多波束信号以及所述回波信号，输出地形测量信息。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其特征在于，所述集群指挥子系统包括：集群控制单元、集群导航单元和集群数据库；

所述集群控制单元，用于基于目标水域的地形测量任务和所述N个地形测量单元的测量能力信息，将所述地形测量任务拆分为所述N个地形测量单元对应的测量子任务并下发给所述N个地形测量单元，以及基于所述N个地形测量单元上报的地形测量信息和实时状态信息，对所述N个地形测量单元对应的测量子任务进行调整后重新下发；

所述集群导航单元，用于接收所述N个地形测量单元上报的地形测量信息和实时状态信息并存储至所述集群数据库中。

10.一种集群式水下地形测量方法，其特征在于，包括：

基于目标水域的地形测量任务和N个地形测量单元的测量能力信息，将所述地形测量任务拆分为所述N个地形测量单元对应的测量子任务并下发给所述N个地形测量单元；

接收所述N个地形测量单元上报的实时状态信息和地形测量信息，所述地形测量信息是所对应的地形测量单元执行测量子任务得到的；

基于所述N个地形测量单元上报的实时状态信息和地形测量信息，对所述N个地形测量单元对应的测量子任务进行调整后重新下发。