(промерно–изыскательский) комплекс
В настоящее время при работе на внутренних водных путях основным инструментом русловой изыскательской партии является автоматизированный промерный (промерно– изыскательский) комплекс (АПИК), позволяющий автоматизировать проведение полного цикла мероприятий при производстве русловых изысканий на заданном участке водной акватории.
Автоматизированный промерный комплекс представляет собой объединенную в единую систему совокупность технических (аппаратных) и программных средств и предназначен для сбора, регистрации и обработки навигационно– гидрографической информации, геодезических данных при проведении съемок рельефа дна с целью создания и обновления электронных карт внутренних водных путей, а также для обеспечения дноуглубительных, выправительных и других путевых работ, контроля состояния судовых ходов и их навигационного ограждения.
В состав применяемых автоматизированных промерных комплексов, как правило, входят два набора оборудования – береговой сегмент для проведения топогеодезической съемки и судовой сегмент для проведения непосредственно промерных работ (см. рисунок 1.5). Чаще всего комплексы, применяемые на водных путях, имеют в своем составе геодезическое оборудование и именуются производителями АПИК, поэтому далее по разделу будем использовать именно эту формулировку.
Рисунок 1.5 – Структурная схема АПИК и виды передаваемой
информации
Береговой сегмент включает в себя следующий перечень аппаратно–программных средств:
– GPS/ГЛОНАСС приемник (приемники) геодезического класса;
– спутниковый приемник GPS/ГЛОНАСС с устройством накопления данных (дата–логгер);
– радиостанция УКВ;
– набор специализированного программного обеспечения для сбора и обработки полученной информации;
– комплект технической документации.
Судовой сегмент включает в себя следующий перечень аппаратно–программных средств:
– гидрографический эхолот;
– навигационный GPS/ГЛОНАСС приемник (приемники) с функцией приема дифференциальных поправок;
– локальная контрольно–корректирующая станция;
– радиостанции УКВ;
– бортовой компьютер;
– гидролокатор бокового обзора;
– судовые датчики информации: лаг, компас, измеритель скорости звука в воде, измеритель параметров качки и т.д.;
– модем для передачи данных;
– автономный источник питания;
– набор специализированного программного обеспечения для сбора и обработки навигационно–гидрографической информации;
– комплект технической документации.
На практике в качестве аппаратного блока для обработки данных жлательно использовать ноутбук или планшет в защищенном исполнении с классом защиты не ниже IP65, что обусловлено областью его применения. Приемник дифференциальных поправок обычно встроен непосредственно в спутниковый навигационный приемник.
Автоматизированный промерный комплекс размещается на промерном судне и обслуживается инженером русловой изыскательской партии (оператором АПИК). Ответственный исполнитель – начальник (старший инженер) русловой изыскательской партии осуществляет непосредственное руководство процессом производства промерных работ.
Все работы по съемке рельефа дна с помощью АПИК производятся строго в соответствии с требованиями технического задания, утвержденным начальником района водных путей, и контролируются прорабом путевых работ.
Использование автоматизированного промерного комплекса в процессе съемки рельефа дна включает следующие основные элементы:
– планомерное обследование района по намеченной системе съемочных галсов с непрерывным или дискретным измерением глубин;
– определение координат носителей съемочной аппаратуры с дискретностью и точностью, соответствующей назначению съемки;
– контроль и поддержание заданного режима работы всей измерительной аппаратуры;
– сбор и обработку информации об источниках погрешностей с целью определения поправок к измеряемым параметрам;
– документирование результатов измерений в журналах (в электронном виде) и создание с помощью технических средств отчетных файлов в едином формате для всех систем и приборов;
– проложение галсов, обработка и отображение результатов съемки на отчетных рабочих планшетах;
– непрерывное управление промерным судном с целью удержания на заданных галсах и обеспечения навигационной безопасности;
– анализ результатов съемки.
При монтаже АПИК на промерном судне необходимо учитывать, что антенна спутникового навигационного приемника промерного комплекса должна быть закреплена над рубкой промерного судна, как правило, над шахтой, в которую погружен вибратор гидрографического эхолота. Расположение антенны может меняться в зависимости от конструктивных особенностей конкретного промерного судна, в то же время для сохранения характеристик точности производства промерных работ необходимо, чтобы программное обеспечение имело функцию пересчета координат относительно точки расположения вибратора гидрографического эхолота.
Время регистрации сигнала эхолота программным обеспечением АПИК должно быть синхронизировано с моментом фиксации местоположения промерного судна. Для этого необходимо обеспечивать вычисление точных координат в момент генерации эхолотом каждой отметки глубины потока.
Перед началом работы в соответствующем меню программного обеспечения АПИК («Размерения») должны задаваться координаты (X и Y) точки выноса антенны относительно оси шахты, в которую погружен вибратор.
Вибратор гидрографического эхолота должен быть надежно закреплен в шахте, в случае ее отсутствия вибратор крепится к борту промерного судна (катера) с помощью забортного устройства на расстоянии и глубине, обеспечивающих отсутствие влияния вихревого потока от движителя судна.
Бортовой компьютер АПИК должен иметь защищенное исполнение от внешних воздействий и штатные места крепления для его монтажа на промерном судне. Аппаратная часть компьютера должна иметь характеристики, достаточные для работы с установленным программным обеспечением, без «зависаний», которые могут привести как к замедлению, так и к серьезным ошибкам в работе промерного отряда.
Подключение навигационного и гидрографического оборудования к бортовому компьютеру следует проводить последовательно, согласно руководству пользователя. Эхолот и навигационный приемник должны быть оборудованы разъемами, обеспечивающими возможность подключения к бортовому компьютеру.
Для повышения точности определения судна на промерных галсах при выполнении крупномасштабных съемок следует применять дифференциальную коррекцию навигационных измерений с использованием поправок от стационарных (региональных) контрольно– корректирующих станций (ККС) или локальных (мобильных) корректирующих станций (ЛКС).
Точность определений координат судна по сигналам стационарных (региональных) ККС не должна превышать 3–5 м на удалениях от контрольно– корректирующих станций до 500 км.
Локальные корректирующие станции обеспечивают точность определений места в пределах 0,3–0,8 м на расстояниях до 15–25 км. В этом случае координаты ЛКС должны быть определены с геодезической точностью, учитывая, что точность, получаемая в результате дифференциальной коррекции, напрямую зависит от точности координат ЛКС.
ЛКС должна располагаться непосредственно в районе работ для обеспечения возможности одновременного отслеживания одних и тех же ГЛОНАСС/GPS спутников.
При работе методом дифференциальной коррекции в реальном времени, приемник ЛКС вычисляет и передает (посредством радиосвязи) поправки в формате в соответствии с рекомендациями RTCM SC–104 для уточнения определяемого места судна на галсе. Эти скорректированные координаты места также сохраняются в файл на судовом накопителе данных.
Для определения места с использованием приемников СНС ГЛОНАСС/GPS могут применяться два метода выполнения дифференциальной коррекции: в реальном времени и в постобработке.
При работе методом дифференциальной коррекции в постобработке, ЛКС записывает данные каждого спутника в компьютерный файл. Судовой приемник СНС ГЛОНАСС/GPS также записывает свои данные в компьютерный файл. Недостатком метода следует считать возможность получения точных координат судна только на этапе обработки данных в камеральных условиях, где файлы могут быть совместно обработаны с помощью специального программного обеспечения для получения дифференциально скорректированного файла данных судового приемника СНС ГЛОНАСС/GPS.
Выбор способа определений и пределов его применения в каждом конкретном случае производится на основе расчета средней квадратической погрешности определения места, величина которой должна быть не более 1,5 мм в масштабе отчетного планшета (для промера – не более 0,15 значений междугалсового расстояния).
В случае, когда условия проведения работ и технические средства позволяют получить определение места с большей точностью без увеличения затрат, то эти возможности должны быть реализованы.
АПК функционирует в одном из трех режимов:
– планирование;
– съемка;
– обработка данных и получение отчетных материалов съемки.
В настоящее время на ВВП России наибольшее распространение приобрели АПИК производства АО «Кронштадт Технологии» (рис. 1.6).
Рисунок 1.6 – Автоматизированный промерно–изыскательский комплекс производства АО «Кронштадт Технологии»
АПИК функционирует на базе программного комплекса «Дельта–П». Данный программный комплекс решает следующие основные задачи:
– управление режимом работы АПИК;
– графическое и табличное представление предварительного плана изыскательских работ на средствах отображения комплекса;
– автоматический прием и регистрация информации от судовых датчиков;
– контроль правильности работы комплекса в процессе работы;
– отображение ЭНК ВВП на экране монитора;
– передача накопленных данных для дальнейшей обработки в береговом картографическом комплексе;
– автоматизированная обработка результатов съемки с отображением на электронной карте объектов, ввода различных поправок в значения глубин, построение изобат;
– создание графических моделей и их цифровых аналогов в масштабах, системе координат и проекциях, заданных оператором;
– перевод планшета русловой съемки в формат S–57, jpg, ACKII и AutoCAD;
– создание объемной цифровой (3D) модели рельефа дна по результатам окончательной обработки данных съемки;
– просмотр и экспорт данных в геоцентрических, геодезических, государственных и местных плановых системах координат;
– подготовка цифровых данных для изготовления и корректуры ЭНК в стандарте S–57 в соответствии с РД–152–012–01.
В таблице 1.1 представлены основные технические характеристики АПИК производства АО «Кронштадт технологии».
Таблица 1.1 – Основные технические характеристики АПИК производства АО «Кронштадт технологии»
| Параметр | Значение |
| ГНСС | ГЛОНАСС/GPS |
| Прием диффпоправок | От контрольно– корректирующих станций УКВ– диапазона |
| Наличие СНС–компаса | Опционально, по требованию заказчика |
| Среднеквадратическая погрешность определения координат | 1,5 метра |
| Частота эхолота | 220кГц 50кГц – по требованию заказчика |
| Диапазон измеряемых глубин | От 0,4м до 50м По требованию заказчика может быть увеличен до 200м |
| Точность измерения глубин | ± 0,5% от глубины |
| Инструментальная погрешность | 10 мм |
| Степень защиты | IP65, по требованию заказчика |
| Диагональ дисплея ноутбука | 15 дюймов |
| Питание | От 10V до 30V — постоянный ток, 220V — переменный ток 50Гц |
Таким образом, автоматизированный промерно– изыскательский комплекс позволяет в значительной мере автоматизировать проведение русловых изысканий, но требует достаточной высокой квалификации сотрудников, работающих с ним, чтобы полноценно реализовать все заложенные в него функции.
Акустический доплеровский ADCP – профилограф
В последние годы в мировой практике гидрологических исследований на реках широкое распространение получили измерительные комплексы, основанные на использовании акустических допплеровских датчиков измерения скорости течения с движущегося промерного судна. Такое оборудование называется ADCP – Acoustic Doppler Current Profiler.
Основными поставщиками измерительных комплексов в настоящее время являются:
– RD Instruments, Inc. (RDI), homepage www.rdinstruments.com,
– SonTek/YSI, homepage www.sontek.com,
– NorTek as homepage www.nortek–as.com,
– Aanderaa Instruments homepage www.aanderaa.com.
В течение последних 10 лет техника ADCP стремительно совершенствовалась, и на практике появилось множество вариантов комплектации оборудования для различных условий применения. Метрологические и технические характеристики профилографов модификации «Stream Pro», «Rio Grande 1200 kHz» и «Rio Grande 600 kHz» представлены в табл. 1.2.
Таблица 1.2 – Основные характеристики ADCP - профилографов
| Наименование параметра | «Stream Pro» | «Rio Grande 1200 kHz» | «Rio Grande 600 kHz» | |||
| Значение параметра | Пределы допускаемой относительной погрешности, % | Значение параметра | Пределы допускаемой относительной погрешности, % | Значение параметра | Пределы допускаемой относительной погрешности, % | |
| Максимальная глубина, м | До 4,0 | ±0,5 | До 21,0 | ±0,25 | До 75,0 | ±0,1 |
| Диапазон измерений скорости потока, м/с | От -5,0 до -0,03 включ. От +0,03 до +5,0 включ. | ±5 | От -5,0 до -0,03 включ. От +0,03 до +5,0 включ. | ±5 | От -5,0 до -0,03 включ. От +0,03 до +5,0 включ. | ±5 |
| Количество «ячеек глубины», шт | От 1 до 20 | – | От 1 до 128 | – | От 1 до 128 | – |
| Минимальный размер «ячейки глубины», м | 0,01 | – | 0,05 | – | 0,1 | – |
| Рабочая частота датчика, МГц | 2,0 | – | 1,2 | – | 0,6 | – |
| Число лучей датчика, шт. | 4 | – | 4 | – | 4 | – |
Минимальная измеряемая глубина считается от нижней точки заглубления головы измерительного устройства. В соответствии с рекомендациями Рд 52.08.767-2012 при стандартной комплектации профилограф «Stream Pro» обеспечивает выполнение измерений на малых и средних водотоках с глубинами до 4 м и скоростями потока течения в пределах ±2,0 м/с.
Профилограф «Stream Pro» допускается для использования на крупных реках со скоростями течения более ±2,0 м/с с глубинами до 21.0/75.0 метров .
Общий вид датчика профилографа Рио Гранде ADCP показан на рисунке 1.7.
Рисунок 1.7 – Общий вид измерительного датчика профилографа.
Масса– 7.0 кг, диаметр– 22.8 см, высота– 20.1 см
В корпусе устройства размещена электроника, часы, термометр, а также магнитный компас, которые предназначены для сбора дополнительной информации, и, в конечном итоге, служат для повышения качества измерения. В нижней части датчика расположены 4 ультразвуковых керамических диска – излучателя (Transducer). В верхней части датчика присоединяются кабели питания (10.5– 18.0 В постоянного тока) и разъем PC/– портативного компьютера с установленным программным обеспечением Windows/ WinRiver.
В процессе измерения вычисляются три основных параметра:
– глубина потока;
– скорость движения промерного судна;
– распределение скоростей течения в векторной форме.
Частные расходы воды в створе реки измеряются для фрагментов по глубине потока, имеющих постоянную высоту и постоянную ширину, и суммируются при вычислении общей величины расхода воды в реке.
Измерение расхода воды производят при движении судна от одного берега к другому. При этом промерный галс может иметь произвольную траекториию. Важным ограничением при производстве измерений является скорость движения промерного судна, которая не должна быть существенно больше величины скорости течения.
Общий вид спциализированного промерного судна Федерального института гидрологии (Кобленц, ФРГ) и состав применяемого судового оборудования показаны на рисунках 1.8–1.9.
Рисунок 1.8 – Общий вид промерного судна, оснащенного
ADCP – профилографом Рио Гранде
Рисунок 1.9 – Судовой комплект аппаратуры ADCP– профилографа
ADCP передает результаты измерений к присоединенному PC/порта–тивному компьютеру. Они сохраняются на жестком диске и обрабатываются в режиме реального времени с использованием программы WinRiver.
Подпрограмма Velocity рассчитывает распределение скорости течения и расхода воды по глубине потока и по длине промерного галса. В качестве примера, ниже приведены результаты обработки одного измерения. Для данного конкретного измерения относительная доля поверхностного расхода воды составила 172.1 м3/с (6%), расход в основной области потока – 2613.2 м3/с (87%), расход в придонной области – 224.6 м3/с (7%), расход в левой прибрежной области – 1.17 м3/с (0%), расход в правой прибрежной области течения – 0.05 м3/с (0%). Полный расход воды в реке составил – 3011.12 м3/с (100%).
Из приведенных данных следует, что измеренная доля полного расхода воды в реке составила 87.0%. Остальная часть расхода воды, составляющая величину 13%, суммарно пропускается в поверхностной, придонной и прибрежной областях потока. Она определяется расчетным путем, т.к. эти области течения не были охвачены непосредственными измерениями в силу особенностей применяемой технологии.
На рис. 1.10 показана эпюра распределения скорости течения в живом сечении по результатам выполненного измерения.
Рисунок 1.10 – Распределение скорости течения в живом сечении реки по результатам измерения ADCP– профилографом
Возможности программы позволяют графически показать траекторию движения судна в ходе измерения и векторы средних на вертикалях скоростей течения воды. Эти данные показаны на рис. 1.11.
Рисунок 1.11 – Плановая траектория движения промерного судна
с векторами средних на вертикалях скоростей течения воды
Кроме этого программа обработки дает возможность получить большой объем материалов измерений в табличном виде, в том числе:
– величина расхода воды нарастающим итогом от начальной точки до актуальной позиции промерного судна,
– распределение скоростей течения на вертикалях,
– скорость движения и курс промерного судна,
– длина пройденного пути и кратчайшее расстояние между начальной точкой и актуальной позицией промерного судна,
– температура воды и др.
Программное обеспечение ADCP WinRiver позволяет по требованию подключать до 3 внешних устройств. К ним могут относиться такие приборы, как внешний компас (External Heading), гирокомпас и эхолот. При необходимости может применяться глобальная система позиционирования DGPS.
Пример графического представления результатов измерений ADCP – профилографом показан на рис. 1.12.
Рисунок 1.12 – Графическое представление результатов измерений
ADCP – профилографом
Используемое оборудование предъявляет определенные требования к материалу, из которого изготовлено плавсредство. При этом необходимо учитывать следующие особенности.
Наличие в комплекте ADCP магнитного компаса требует исключить влияние металлических конструкций при создании промерного судна и при транспортировке оборудования. Поэтому при выборе конструкций необходимо отдавать предпочтение плавательным средствам из пластмассы или алюминия. Особое внимание следует уделять также вопросу размещения измерительного оборудования в шахте и величине его заглубления относительно днища судна.
На рис. 1.13 показан пример транспортировки промерного судна на трейлере (а) и фрагмент установки (б) измерительного устройства в днище судна.
а)
б)
Рисунок 1.13 – Промерное судно, оснащенное
ADCP – профилографом Рио Гранде:
а). Вариант транспортировки промерного судна на автомобильном трейлере;
б). Фрагмент установки измерительного устройства в днище промерного судна
В практической деятельности для решения задач обработки материалов измерений дополнительно может применяться программное обеспечение StreamPro в сочетании с SEBA– Bluetoothmodul.
Эти программные продукты значительно расширяют возможности пользователя при обработке и анализе результатов измерений и согласуются с головной программой WinRiver в части экспорта/ импорта измеренных и обработанных данных.
Дата: 2019-02-02, просмотров: 804.
