多波束定點實時沖刷監測系統構建及應用

李最森，章 琪，魏榮灝，張芝永，吳智敏

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020； 2.浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州 310020； 3.富陽區農業農村局，浙江 杭州 311400； 4.浙江樹人學院，浙江 杭州 310015)

隨著沿海地區經濟的快速發展，河口、海灣區域大型橋梁不斷涌現，迄今為止，我國已建成的5 km 以上橋梁約45 座（截至2020 年）[1]，約占世界總數的40%，主要分布在我國東部和東南沿海，是沿海交通生命線、經濟大動脈的關鍵節點。在河口、海灣地區，跨海大橋所處的水域環境遠比單向河流復雜，尤其是錢塘江、椒江、甌江、飛云江等強潮河口，為了保證橋梁的安全運行，對橋墩局部沖刷過程的實時監測顯得尤為重要。海塘是沿海地區防御風暴潮災害、保障經濟社會發展和人民群眾生命財產安全的重要基礎設施，是防御風暴潮災害的第一道防線，我國已建成海塘約1.45 萬km。近年來極端天氣頻發，我國沿海臺風暴潮呈多發、頻發、連發態勢，海塘安全風險日益加劇。因此，塘腳沖刷過程的實時動態監測也日益提上日程。

基于上述應用場景，為保證涉水建筑物基礎在復雜水動力、地質條件下和整個服役期內的安全運行，開展局部沖刷定點實時監測技術研究，融合多波束測深、導航定位、姿態改正、數據無線傳輸、水下伺服云臺、數據處理及實時成圖等技術，達到在極端情況下也能夠實時監測局部沖刷演化過程，獲取現場時間序列全覆蓋水下地形數據的目的，以期為相關沖刷機理研究及防災減災提供基礎數據。

1 國內外研究進展

近年來隨著信息化技術的進步和智能化感知設備的發展，局部沖刷監測技術發展極快，各有優缺點。但在水下地形全覆蓋實時監測領域仍然存在亟待解決的問題：一是缺乏連續、實時、適用于高含沙水流環境的局部沖刷動態監測技術；二是缺乏擁有自主知識產權的監測系統。

1.1 點式沖刷監測技術

點式沖刷監測技術方法多樣、發展成熟，固定安裝于結構物測量單點水下地形的沖淤變化。浮力驅動式、壓力水深式、電導率式、聲吶監測裝置、光纖布拉格光柵（FBG）傳感器等[2-5]較為常用。如Briaud 等[6]開發了浮力式驅動監測裝置，應用于美國的Guadalupe River Bridge；壓力水深式監測技術應用于蘇通大橋、臺灣雙園大橋等[7-8]；2020 年，Maroni 等[9]首次將電導率式智能探頭應用于新庫姆諾克（蘇格蘭西南部）的A76-200 號大橋上，獲取了近2 年的連續沖刷數據。張芝永等[10]則率先在金塘大橋采用基于聲吶的監測裝置，監測橋墩單點的沖刷變化，獲取了近5 年的連續監測數據。單點式沖刷監測技術發展成熟，但普遍局限于單點地形沖淤變化的測量，由于河床沖淤的隨機性，單點的地形沖刷規律與局部范圍可能不一致。

1.2 線式或面式監測技術

多點布置單點式沖刷監測裝置，可實現低分辨率的線式或面式沖刷監測，但此方法工作量大、造價高，且必須依靠結構物布置，難以覆蓋局部沖刷的對象區域。在實際工程中，常用方法仍然是利用超聲波測深技術[11-12]實現線式或面式水下局部地形沖刷的監測。利用商用走航式單波束或多波束測深系統[13]對整個測量范圍進行掃測[14]。限于設備運行條件和人力物力，此種方法采集的數據后處理時間一般為1 個月，最短也需3～4 h，無法實現實時監測，導致局部沖刷最深值[15-16]難以捕捉，影響局部沖刷規律的研究和涉水工程沖刷安全的精準評估。但此類方法可得到分辨率達0.5 m 的較高精度局部沖刷地形圖，沖刷坑形態反演較好。因此，改進或研發線式或面式的監測技術，以實現一定范圍水下地形沖淤變化的實時監測，成為目前局部沖刷監測領域的研究熱點。

1.2.1 傳統走航式單波束測深技術（線式監測技術） 單波束測深技術通過檢測換能器往海底發射的超聲波的雙程傳播時間，再結合聲速計算水深，結合潮位改正后可以得到相對于選定基面的水深或高程值。走航式單波束測深技術主要使用GNSS 設備進行平面或三維定位和授時，利用聲吶進行單點測深。測船通過走航可以獲取航跡線上多個測點的數據，從而獲取水深斷面數據，匯聚多條測線形成水下地形測圖。

1.2.2 走航式多波束測深技術（面式監測技術） 單波束測深獲取單點的數據，采用等時或等距的方式記錄數據，導致可能缺失局部范圍最深或最淺點的信息，難以再精確插補；測船航行時受潮流、潮位等影響也會因偏航導致無法獲取對應測線及測線之間的水深數據。為此，在20 世紀60 年代研發了多波束測深系統，通過條帶測量的方式由線成面實現了水下地形的全覆蓋測量?，F有的多波束測深系統基本由3 個子系統構成：（1）多波束聲學子系統，包括發射、接收換能器基陣和信號控制系統，負責發射和接收多波束信號，與外圍輔助設備系統之間數據和指令的交互傳輸等；（2）多波束外圍輔助設備子系統，主要包括導航定位系統、姿態傳感器、羅經、表面聲速計和聲速剖面儀等，用于確定各波束腳印的位置及水深；（3）數據采集處理子系統，主要包括對各類數據進行采集與后處理的軟、硬件系統。

多波束測深系統在河道、航道及海洋水下地形掃測，涉水建筑物水下沖淤、橋墩、風電樁基礎沖刷監測，水下管網檢測等方面發揮了重要作用，獲取了全覆蓋高精度的水下地形數據[14-19]。

2 多波束定點實時沖刷監測系統構建

多波束測深系統可獲取條帶水深數據，通過走航的方式實現面狀全覆蓋測量。但定點實時監測要求監測頻率較高，常規的走航作業無法滿足需求；采用固定安裝的聲吶探頭也僅能獲取條帶數據，無法較好反饋監測區域的水下地形變化，因此本文研發了基于伺服云臺的定點實時監測系統。

2.1 系統架構

本文所述定點實時監測系統主要由多波束測深子系統、伺服云臺、本地存儲及控制終端、無線傳輸、云端存儲等部分構成，功能主要包含定位、姿態改正、數據解析、數據處理和成果出圖等。關鍵構成部分是多波束測深子系統改造及伺服云臺控制。根據大橋、海塘沖刷等不同工況定向開發測深系統功能，并根據常見實時監測需求定制了伺服云臺，通過云臺旋轉帶動多波束測深系統實現面狀測量，結合非走航姿態改正技術，改進了常規多波束測深系統固定安裝時僅能對某一固定剖面進行觀測的不足，擴大了設備的應用場景。系統的具體架構如圖1 所示。

圖1 系統架構Fig.1 System architecture

2.2 關鍵技術

多波束定點監測系統的關鍵技術在于多波束定點監測系統的標定和測深數據處理。為準確歸算多波束測深數據，伺服云臺系統與多波束測深系統集成后需要標定，解算出多波束測深系統與伺服云臺系統的姿態相對關系。將多波束聲吶探頭與云臺及伺服系統進行剛性連接，按照傳統多波束測深系統標定的方式標定，即選擇平坦的海底區域進行往返測量求取橫搖參數，在具有特征的海底區域分別使用往返測量和同向測量求解縱搖和航偏角。同時，由于本系統具備時間同步功能，因此無需進行時間延遲測量。伺服系統通過云臺帶動多波束聲吶探頭旋轉，為了提高系統觀測精度，分別對云臺旋轉0°、90°、180°和270°的橫搖、縱搖和航偏角進行標定。

如果定點監測系統應用于橋梁基礎沖刷監測，則通常固定安裝于橋梁承臺附近，受橋面遮擋一般無法通過GNSS 系統進行準確定位，可以通過采用全站儀觀測的方式測量系統安裝位置，得到準確的位置。多波束聲吶探頭通過云臺的旋轉進行測量。伺服云臺旋轉360°后，系統可以獲得以旋轉中心為圓心，測深條帶長度為直徑的圓形測區水下地形數據。圖2 為伺服云臺及水下地形掃描示意圖。

圖2 伺服云臺及水下地形掃描示意Fig.2 Schematic diagram of servo platform and underwater terrain scanning

實時定點監測設備一般與觀測區域呈正交，即垂直于海底安裝，因此定義北方向為X軸，東方向為Y軸，Z軸垂直向下。觀測時云臺圍繞Z軸進行旋轉，則多波束測深系統觀測的數據疊加了云臺旋轉γ，采用歐拉角可表示為：

對于傾斜安裝的云臺，假定與X、Y和Z軸的角度分別為α、 β 和γ，則可采用歐拉角疊加了云臺姿態的多波束測深數據：

通過式（2）的改正，可以解決伺服云臺垂向安裝的問題，根據監測工作的需要靈活選取所需的安裝傾角，實現對象區域的定點實時監測。

對多波束定點監測設備采集的數據，主要通過程序進行數據預處理和人工后處理兩個步驟。定點監測數據屬于時空連續監測，其觀測區域和觀測間隔較為一致，可以根據觀測對象定義閾值進行自動預處理。以橋梁橋墩局部沖刷觀測為例，橋墩水下結構的觀測數據及跳點屬于典型的噪聲信號需要濾除。首先從初始觀測中提取出橋墩水下部分的數據，然后結合觀測誤差建立橋墩數據緩沖區間，對后續采集的橋墩信號進行自動濾除。同時，對于時空序列的數據中孤立的局部觀測數據，如最淺點和最深點等進行自動標記。人工處理主要判別預處理的結果，對標記的異常點進行審核篩選，并檢驗核定是否存在其他異常數據。

2.3 工作流程

基于伺服云臺驅動的多波束實時定點監測數據采集的主要流程為：首先將多波束定點監測設備與云臺進行剛性連接，然后采用傳統多波束校準的方法求取多波束定點監測設備與云臺的初始安裝參數，如橫搖、縱搖和艏向等。進而對云臺進行初始化，從正北（定義為0°）開始旋轉云臺，將編碼器讀取的角度與姿態傳感器進行融合，記錄多波束測深的位置、姿態、航向、水深和時間信息用于后續解算。

3 監測系統應用及成果示例

3.1 監測成果

為研究沖刷規律、監測沖刷過程，選取某大橋的特征橋墩為例利用定點實時監測系統進行觀測。根據橋墩局部沖刷觀測的既有成果選取沖刷深度富余量較小的目標橋墩安裝多波束定點實時沖刷監測系統?；诙嗖ㄊ鴾y深的數據量大，在本地存儲觀測數據的基礎上，將數據傳輸至控制中心，利用改進后的采集軟件對上傳數據進行初步濾波，過濾跳點和明顯不符合實際規律的數據后進行處理和分析，從而獲取實時沖刷數據。初步清洗后的觀測數據經過各項改正后，系統根據設置的預警值進行自動判別，對超限的數據依據相關基礎資料和有關理論，進行準確性評價，并基于實時監測數據進行實時預報。

某橋墩的實時地形數據如圖3 所示，表征的是2 個不同時刻的水下地形渲染圖，這2 個時刻可以是系統采樣的時間間隔，也可以是時間序列數據中抽取的2 個典型水下地形變化的時刻。根據對比分析，可發現往復流作用下，水流流向與流速隨時間呈周期性變化，群樁基礎上下游均為沖深明顯區，迎流側、背流側、沖刷坑無明顯差異，沖刷形狀較為對稱。群樁中泥沙淤積形狀也趨于對稱。在水流往復作用下更多易起動的泥沙被帶起并隨著水流運動，當流速減緩，水流挾沙能力降低，泥沙更易落淤。因此群樁間形成了四周深、中間淺的沖刷坑，與單向流作用下迎流區有較大的泥沙淤積不同，往復流作用下沖刷坑外淤積幅度較小。

圖3 多波束定點實時監測成果Fig.3 Real-time monitoring results by multi-beam sounding system at a fixed point

橋墩局部沖刷主要受阻流尺度影響外，還受潮流動力與泥沙特性的影響。目前國際上最為常用的橋墩沖刷公式為HEC-18 公式：

式中：hb為橋墩局部沖刷深度；hp為一般沖刷后水深；K1、K2和K3分別為墩形修正系數（圓柱為1.0）、水流攻角系數和河床條件修正系數；B為橋墩有效阻流尺度，群樁的B=K4Bt，其中Bt為橋墩群樁投影寬度，本示例取7.1 m，K4為樁距因子，K4=1?4/3(1?a/Bt)[(1?(a/L)?0.6]，其中a為樁徑，L為間距；Fr為傅汝德數，Fr=v/(ghp)0.5，其中v為墩前行進流速，g為重力加速度。以上公式中并未含泥沙特性的參數，而根據實測資料發現橋墩局部沖刷深度與潮流流速、泥沙起動流速具有較好的相關性。結合某大橋橋墩沖刷實時監測數據，擬合得到可用于預測往復潮流下黏性土橋墩局部沖刷計算式，該式計算結果與實測值誤差在20%以內（見圖4），預測精度明顯高于HEC-18 公式。

圖4 各公式計算結果與實測值對比Fig.4 Comparison of calculated results with measured values by different formulas

式中：vc為泥沙起動流速。

3.2 精度驗證

為了驗證多波束定點實時監測系統的精度，對監測區域采用同步多波束走航測量獲取地形數據驗證定點實時監測系統所采集的數據，比對結果表明1 mm 范圍內高程校差在水深為[0, 0.1] m、(0.1, 0.2] m、(0.2,0.3] m 及大于0.3 m 時的點數（占比）分別為273 個（74.9%）、61 個（16.8%）、30 個（8.3%）及0 個（0%）。共比對檢驗364 個點，其差值≤0.3 m 為364 點，占總比對點數100%，定點監測設備的測量精度符合水深測量規范的要求。

4 結 語

多波束測深系統作為一種高效的水下地形測量手段，已得到廣泛應用，但由于傳統走航式測量無法在諸如洪水、臺風暴潮等惡劣工況下實施，開發了一種定點實時監測系統，通過伺服云臺的旋轉帶動多波束聲吶探頭旋轉，實現局部區域水下地形的沖刷實時監測，所構建的基于多波束測深儀的定點實時監測系統，能較好完成指定范圍的沖刷實時水下地形監測工作，獲取的時間序列地形數據測量精度符合水深測量規范要求，且滿足沖刷監測需要。

多波束定點實時監測設備當前需要固定場所如碼頭、橋墩等涉水建筑物才能安裝，作業要求較高，下一步可研究基于浮動平臺的監測方案；同時，在數據智能濾波、快捷處理，精度評估和提升等方面深入研究，以便在更多應用場景中實施水下地形變化過程定點實時監測。