实时声呐检测技术在水下软体排铺设质量检测中的应用
金剑
摘 要：为解决长江下游感潮河段涨落潮水位变化大、水流动力条件复杂、水下护底软体排铺设质量检测难的问题。在长江南京以下12.5 m深水航道二期工程口岸直I标段中，应用并实施了实时声呐检测技术对水下护底软体排检测的方案，实施过程中控制了软体排整体铺设质量，满足了工程需要。
关键词：护底软体排；实时声呐；检测
中图分类号：U665.2 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）1-0055-02
长江南京以下12.5米深水航道二期工程位于长江下游南通天生港区至南京新生圩港区河段，全长约88km，由鳗鱼沙河段和落成洲河段组成，本标段整治区域为鳗鱼沙河段，主要施工内容包括：①护滩堤1道，长度为10.4km；②护滩带11条，总长度为4.445km。本工程工期短，工程强度大，软体排铺设总工程量约246万㎡。
1 护底软体排技术方案的比选和研究内容
收集参考目前国内现有水下检测方法，结合本工程实际，分析传统的浮标倒垂法、潜水探摸法、旁扫声呐法、实时声呐法等4种护底软体排检测方案，比较分析了各种方法在护底软体排检测中操作方便性、经济合理性、精确程度等方面的优劣程度，最终选定新型的检测手段“实时声呐”作为本工程的护底软体排检测方法。
2 实时声呐的总体设计
2.1 硬件设计
2.1.1 总体设计
把沉排施工过程水下监测系统分为水下检测部分和水面工作站两部分。二者实现双向通讯。水下检测部分主要装置有：飞鱼、侧扫声呐、回声测深仪和电缆。
水面工作站主要装置有：高精度RTK-GPS、相对位置传感器和工作站。
2.1.2 水下检测部分研制
（1）侧扫声呐。侧扫声呐是水下搜索、水下考察的重要有力工具，不会受水下能见度的影响，能迅速看清水底情况。侧扫声呐向水下发射信号，信号遇到物体反射回来形成影像。 系统采用美国双频侧扫声呐Klein3900。
（2）回声测探仪及终端设计。水深遥测遥报终端由751w太阳能板、100Ah蓄电池、太阳能充电器、电源模块、遥测遥报终端、水深测量终端、超声波换能器等组成。
2.1.3 水面工作站研制
（1）高精度RTK-GPS定位系统。高精度的RTK-GPS定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。
（2）相对位置传感器。在铺排施工过程中，铺排船的定位是根据船上两台RTK-GPS进行定位定向的，进行侧扫控制时安装GPS不是很方便。为此，我们根据侧扫声呐在铺排船上的相对位置，然后根据船的定位信息，推算出侧扫的实际坐标，通过对高精度RTK-GPS与相对位置传感器的数据融合，侧扫声呐就能够实现定位。
2.2 软件设计
2.2.1 软件需求分析
本系统通过无线网络传输和解析水深、排边坐标、声纳成像等数据，再把数据进行各种操作和处理，故本系统包括：数据收集、数据分析处理、数据存储、数据查询。
2.2.2 软件的功能和实现
本系统主要功能包括排体实时检测、数据仿真、数据检测回放、排体图像查看、排体边界识别和系统管理。
该管理系统主要实现以下功能：①排体及其搭接的成像实时显示，搭接宽度数字化显示，排边坐标实时显示。②正常铺排成像控制。③搭接区域识别及数字化。④排体搭接小于最小搭接阈值和超过最大搭接阈值的报警提示。⑤铺排船全球定位系统，侧扫声呐及搭接阈值的系统配置与修正。⑥排边坐标及侧扫声呐成像的存储。⑦侧扫声呐历史成像数据播放，单张排体排边坐标数据打印。
2.2.3 软件详细设计
（1）数据收集系统设计。数据收集过程中要收集软体排铺设时的实时水深、排边坐标和声纳数据，将收集的数据整合到同一软件界面上，形成简单化的可视界面，便于现场指导施工。
（2）数据传输系统设计。数据采集完成后，系统将数据文件以一定格式发送给发射模块，当前无线网络技术非常的成熟可靠，价格也不是很昂贵，传输相当的快捷。
（3）数据处理系统设计。数据处理是沉排施工过程中能否得到准确数据的关键环节，系统将收集的数据处理后反馈形成可视化的水下沉排影像，从而及时指导铺排施工。
2.3 系统实现
本系统运行环境在PC机上安装Windows 7系统和ACCESS数据库，需要使用Intel 酷睿i5 及以上类似CPU处理器，内存2G以上，推荐使用独立显卡，要求500G以上的硬盘。
在Microsoft Visual C++ 6.0打开dsw工程文件，运行进入系统主界面。系统主界面的左边是功能栏，功能栏分别由沉排检测模块、数据回放模块、搭界分析模块和系统管理模块构成。
3 实时检测技术实施方案
3.1 沉排实时检测工作流程图
3.2 实施声呐操作要点
（1）安装声呐前，收集铺排船铺排方向、施工水域流速、施工水域水深、施工水域水的流向等相关信息，以便确定声呐的安装位置和声呐调节指标。
（2）支架安装完毕后，对支架必须进行检查，支架或线缆不得干扰探头的扫描过程，对所有安装环节检查确认无误后，对声呐进行检查调试，保证声呐工作处于正常状态。
（3）铺排过程中密切关注声呐设备扫测情况，为铺排施工提供监控信息。根据水下的实际情况，及时修改声呐各项采集参数，确保采集到高质量的检测数据。
3.3 技术成果处理
实时声呐在检测过程严格遵守相关技术规范，做到有据可依，如发现软体排铺设过程中出现质量问题，系统将报警信息反馈给施工技术人员，施工人员根据数据信息及時调整铺排船的位置，通过收放锚缆来调整排体位置，避免后续更大的质量问题。
（1）資料记录。扫描过程中应通过调节增益、扫描速度、扫描角度、扫描半径得到清晰的扫描图像，同时对同一点根据需要增加声呐扫测次数，以获取准确数据。严密监视记录图像和各项采集参数，发现水底障碍物或特殊物件异常情况时，要及时记录，以备对异常图像进行解释和准确度评估使用。记录的数据应包括数据记录的时间、施工水域的流速、施工水域的水深、检测排体编号、检测排体长宽、检测排体所在里程号、检测排体搭接宽度等信息，将这些信息分文件夹保存，为后期数据的筛选分析提供方便。
（2）软体排铺设情况判断。应先根据声呐原图数据进行甄别，然后对数据进行处理，删除数据假点后再进行搭接宽度的量取。①相邻两排体脱开。在上下排体之间会出现明显的一条阴影区域，量取阴影区域宽度即得到排体脱开的宽度。②两排体没有脱开，排体有搭接，则可以通过两种方式量取搭接宽度，分别为：直接法，确定上下排体的边缘，直接量取两排边之间的距离，就是搭接宽度；间接法，确定上排体排边，然后通过量取下排体较远的边到上排体排边的距离，再用排布的总宽度减去这个距离，得到的即为搭接宽度。
（3）施工指导。图像声呐实时检测能够在铺排施工的同时，在工人绑系砼块的间隙，对排体的搭接情况进行实时检测量测某断面处的搭接宽度，反映铺排的质量。每次使用图像声呐进行扫描后，将排体的搭接情况进行记录的同时，将实际搭接宽度反馈给施工现场。当搭接宽度合格时，可以继续沿之前的轨迹向后铺排。根据该通条前面几次的检测结果，和声呐图像显示的下排体排边的轨迹，也可以判断该通条施工过程中整体搭接情况的变化趋势，以推断后续可能出现情况，早作准备。
4 主要技术成果
实时声呐检测技术实现了护底软体排搭接宽度的快速检测，缩短了护底软体排的铺设周期，提高了护底软体排的搭接精度，补排率降低到1%，保证了工程质量，提升了工程的经济效益。
5 结语
依托长江南京以下12.5 m深水航道二期工程口岸直水道I标段，研究建立的实时声呐检测技术在工程中的成功应用，有效满足了工程质量、进度、安全等方面的要求，具有一定的经济效益和社会效益，具有一定的推广价值。
参考文献：
[1] 唐晓峰，付桂，李为华.高浊度河口复杂条件下护底软体排检测技术探讨. 水运工程[J]， 2013（3）：81-85
[2] 张才俊，郭素明，李才俊. 水下软体排铺设质量检测技术对比[J]，2016（2）：10-14
摘 要：为解决长江下游感潮河段涨落潮水位变化大、水流动力条件复杂、水下护底软体排铺设质量检测难的问题。在长江南京以下12.5 m深水航道二期工程口岸直I标段中，应用并实施了实时声呐检测技术对水下护底软体排检测的方案，实施过程中控制了软体排整体铺设质量，满足了工程需要。
关键词：护底软体排；实时声呐；检测
中图分类号：U665.2 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）1-0055-02
长江南京以下12.5米深水航道二期工程位于长江下游南通天生港区至南京新生圩港区河段，全长约88km，由鳗鱼沙河段和落成洲河段组成，本标段整治区域为鳗鱼沙河段，主要施工内容包括：①护滩堤1道，长度为10.4km；②护滩带11条，总长度为4.445km。本工程工期短，工程强度大，软体排铺设总工程量约246万㎡。
1 护底软体排技术方案的比选和研究内容
收集参考目前国内现有水下检测方法，结合本工程实际，分析传统的浮标倒垂法、潜水探摸法、旁扫声呐法、实时声呐法等4种护底软体排检测方案，比较分析了各种方法在护底软体排检测中操作方便性、经济合理性、精确程度等方面的优劣程度，最终选定新型的检测手段“实时声呐”作为本工程的护底软体排检测方法。
2 实时声呐的总体设计
2.1 硬件设计
2.1.1 总体设计
把沉排施工过程水下监测系统分为水下检测部分和水面工作站两部分。二者实现双向通讯。水下检测部分主要装置有：飞鱼、侧扫声呐、回声测深仪和电缆。
水面工作站主要装置有：高精度RTK-GPS、相对位置传感器和工作站。
2.1.2 水下检测部分研制
（1）侧扫声呐。侧扫声呐是水下搜索、水下考察的重要有力工具，不会受水下能见度的影响，能迅速看清水底情况。侧扫声呐向水下发射信号，信号遇到物体反射回来形成影像。 系统采用美国双频侧扫声呐Klein3900。
（2）回声测探仪及终端设计。水深遥测遥报终端由751w太阳能板、100Ah蓄电池、太阳能充电器、电源模块、遥测遥报终端、水深测量终端、超声波换能器等组成。
2.1.3 水面工作站研制
（1）高精度RTK-GPS定位系统。高精度的RTK-GPS定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。
（2）相对位置传感器。在铺排施工过程中，铺排船的定位是根据船上两台RTK-GPS进行定位定向的，进行侧扫控制时安装GPS不是很方便。为此，我们根据侧扫声呐在铺排船上的相对位置，然后根据船的定位信息，推算出侧扫的实际坐标，通过对高精度RTK-GPS与相对位置传感器的数据融合，侧扫声呐就能够实现定位。
2.2 软件设计
2.2.1 软件需求分析
本系统通过无线网络传输和解析水深、排边坐标、声纳成像等数据，再把数据进行各种操作和处理，故本系统包括：数据收集、数据分析处理、数据存储、数据查询。
2.2.2 软件的功能和实现
本系统主要功能包括排体实时检测、数据仿真、数据检测回放、排体图像查看、排体边界识别和系统管理。
该管理系统主要实现以下功能：①排体及其搭接的成像实时显示，搭接宽度数字化显示，排边坐标实时显示。②正常铺排成像控制。③搭接区域识别及数字化。④排体搭接小于最小搭接阈值和超过最大搭接阈值的报警提示。⑤铺排船全球定位系统，侧扫声呐及搭接阈值的系统配置与修正。⑥排边坐标及侧扫声呐成像的存储。⑦侧扫声呐历史成像数据播放，单张排体排边坐标数据打印。
2.2.3 软件详细设计
（1）数据收集系统设计。数据收集过程中要收集软体排铺设时的实时水深、排边坐标和声纳数据，将收集的数据整合到同一软件界面上，形成简单化的可视界面，便于现场指导施工。
（2）数据传输系统设计。数据采集完成后，系统将数据文件以一定格式发送给发射模块，当前无线网络技术非常的成熟可靠，价格也不是很昂贵，传输相当的快捷。
（3）数据处理系统设计。数据处理是沉排施工过程中能否得到准确数据的关键环节，系统将收集的数据处理后反馈形成可视化的水下沉排影像，从而及时指导铺排施工。
2.3 系统实现
本系统运行环境在PC机上安装Windows 7系统和ACCESS数据库，需要使用Intel 酷睿i5 及以上类似CPU处理器，内存2G以上，推荐使用独立显卡，要求500G以上的硬盘。
在Microsoft Visual C++ 6.0打开dsw工程文件，运行进入系统主界面。系统主界面的左边是功能栏，功能栏分别由沉排检测模块、数据回放模块、搭界分析模块和系统管理模块构成。
3 实时检测技术实施方案
3.1 沉排实时检测工作流程图
3.2 实施声呐操作要点
（1）安装声呐前，收集铺排船铺排方向、施工水域流速、施工水域水深、施工水域水的流向等相关信息，以便确定声呐的安装位置和声呐调节指标。
（2）支架安装完毕后，对支架必须进行检查，支架或线缆不得干扰探头的扫描过程，对所有安装环节检查确认无误后，对声呐进行检查调试，保证声呐工作处于正常状态。
（3）铺排过程中密切关注声呐设备扫测情况，为铺排施工提供监控信息。根据水下的实际情况，及时修改声呐各项采集参数，确保采集到高质量的检测数据。
3.3 技术成果处理
实时声呐在检测过程严格遵守相关技术规范，做到有据可依，如发现软体排铺设过程中出现质量问题，系统将报警信息反馈给施工技术人员，施工人员根据数据信息及時调整铺排船的位置，通过收放锚缆来调整排体位置，避免后续更大的质量问题。
（1）資料记录。扫描过程中应通过调节增益、扫描速度、扫描角度、扫描半径得到清晰的扫描图像，同时对同一点根据需要增加声呐扫测次数，以获取准确数据。严密监视记录图像和各项采集参数，发现水底障碍物或特殊物件异常情况时，要及时记录，以备对异常图像进行解释和准确度评估使用。记录的数据应包括数据记录的时间、施工水域的流速、施工水域的水深、检测排体编号、检测排体长宽、检测排体所在里程号、检测排体搭接宽度等信息，将这些信息分文件夹保存，为后期数据的筛选分析提供方便。
（2）软体排铺设情况判断。应先根据声呐原图数据进行甄别，然后对数据进行处理，删除数据假点后再进行搭接宽度的量取。①相邻两排体脱开。在上下排体之间会出现明显的一条阴影区域，量取阴影区域宽度即得到排体脱开的宽度。②两排体没有脱开，排体有搭接，则可以通过两种方式量取搭接宽度，分别为：直接法，确定上下排体的边缘，直接量取两排边之间的距离，就是搭接宽度；间接法，确定上排体排边，然后通过量取下排体较远的边到上排体排边的距离，再用排布的总宽度减去这个距离，得到的即为搭接宽度。
（3）施工指导。图像声呐实时检测能够在铺排施工的同时，在工人绑系砼块的间隙，对排体的搭接情况进行实时检测量测某断面处的搭接宽度，反映铺排的质量。每次使用图像声呐进行扫描后，将排体的搭接情况进行记录的同时，将实际搭接宽度反馈给施工现场。当搭接宽度合格时，可以继续沿之前的轨迹向后铺排。根据该通条前面几次的检测结果，和声呐图像显示的下排体排边的轨迹，也可以判断该通条施工过程中整体搭接情况的变化趋势，以推断后续可能出现情况，早作准备。
4 主要技术成果
实时声呐检测技术实现了护底软体排搭接宽度的快速检测，缩短了护底软体排的铺设周期，提高了护底软体排的搭接精度，补排率降低到1%，保证了工程质量，提升了工程的经济效益。
5 结语
依托长江南京以下12.5 m深水航道二期工程口岸直水道I标段，研究建立的实时声呐检测技术在工程中的成功应用，有效满足了工程质量、进度、安全等方面的要求，具有一定的经济效益和社会效益，具有一定的推广价值。
参考文献：
[1] 唐晓峰，付桂，李为华.高浊度河口复杂条件下护底软体排检测技术探讨. 水运工程[J]， 2013（3）：81-85
[2] 张才俊，郭素明，李才俊. 水下软体排铺设质量检测技术对比[J]，2016（2）：10-14
