1.本发明涉及水利工程测量技术领域，尤其涉及一种水利工程水下安全隐患排查方法。
背景技术：2.很多水利工程的堤岸(或坝体)经常在汛期之后存在被洪水损坏淘空的现象，由于损坏淘空区域被洪水浸泡、遮盖，水利工程管理部门无法准确掌握具体的损坏淘空情况。例如，广东省枫树坝水电站大坝下游约250米区域内，由于常年泄洪、发电等原因，枫树坝水电站大坝下游两岸水下部分经常年累月的水流冲刷，大坝尾水护坡基础部分位置已出现淘空现象，为给电站管理部门提供精准的维修技术方案，需对堤岸基础进行全面水下隐患排查测量，进一步确认两岸堤坝冲刷和损坏情况。
3.目前传统的做法有：派蛙人潜水到水下进行摸排了解情况，也有采用单波束测量或传统多波束测量的方法。由于单波束测量是单点测量，其并不能胜任对三维淘空区域的施测(如图1)，传统多波束测量也因受测量覆盖范围的限制只能测得部分淘空区域(如图2)。以上几种方法均无法准确测出堤岸损坏淘空的具体位置，更测不出具体损坏淘空的土方量大小，这可能导致由于未对已存在的安全隐患及时采取准确有效的维修措施，最终发生堤岸坍塌的安全事故。
技术实现要素：4.针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提出一种水利工程水下安全隐患排查方法，可快速判断水利工程堤岸存在安全隐患的具体情况，属于淤积还是淘空，并可快速排查出淘空区域的具体位置和精准测算淘空的土方量，可为相关管理部门对水利工程险工险段的具体决策提供可靠的技术参考，为堤岸的保护和修缮制定准确有效的解决方案，解决了传统作业方法无法全面详细地排查水利工程水下安全隐患的技术难题，有助于减少水利工程安全事故的发生。
5.本发明上述目的通过以下技术方案实现：
6.一种水利工程水下安全隐患排查方法，利用搭载多波束测深装置的无人船沿测深线航行，进行水下地形测量；
7.所述多波束测深装置包括分别与地面工作站通信连接的多波束测深仪、航姿测量系统和定位系统，其中，航姿测量系统用于采集无人船航行姿态数据并传至工作站，以便通过内置算法消除因无人船姿态变化引起的测量误差，定位系统用于保证无人船按照测深线方向航行；
8.测量实施步骤包括：
9.s1、在无人船上进行设备的安装与调试；
10.s2、无人船进行“跑8字”姿态校正，消除内部系统误差；
11.s3、通过工作站完成各设备参数的设置和校准；
12.s4、通过工作站布置测深线，该测深线平行于水利工程堤岸且距离堤岸水边线固定距离d；
13.s5、无人船沿测深线行驶，多波束测深装置进行水下地形测量，工作站获取实时测量数据并根据内置算法判断堤岸位于水下部分是否有异常，及识别异常情况下的安全隐患类型：堤岸淤积或堤岸淘空，若为堤岸淘空，则控制多波束测深仪换能器向堤岸一侧旋转90
°
，使其测量范围完全覆盖堤岸水下部分，直至识别不存在淘空时，控制多波束测深仪换能器回转90
°
，依此作业，直至无人船沿测深线走完全程，工作站根据测量数据及内置算法获得淘空区域的大小、形状。
14.优选的，所述多波束测深仪至堤岸的水平距离为d
mn
，其中，m表示多波束测深仪换能器的某一次声波发射，n表示某次发射的多波束中的某一个波束，m、n均为自然数，则无人船行驶过程中，
15.若所有d
mn
满足d
mn
＝d，则堤岸正常；
16.若存在d
mn
≠d，则堤岸异常；其中，
17.若存在连续的多个d
mn
值均小于d，则堤岸有淤积；
18.若存在连续的多个d
mn
值均大于d，则堤岸有淘空，以上“连续”是指m、n分别取连续的自然数。
19.优选的，步骤s5中，淘空区域的大小即淘空土方量，其算法为：
[0020][0021]
其中，x∈[a，b]，a表示淘空区域靠近无人船一侧的起始面的位置，b表示淘空区域远离无人船一侧的终止面的位置，起始面和终止面为相互平行的垂直面，x表示淘空区域内某一剖面的位置，该某一剖面的面积为s(x)，v为淘空土方量。
[0022]
优选的，所述多波束测深仪换能器的波束发射角α＝120
°
～150
°
，所述d＝1～3米。
[0023]
优选的，所述多波束测深仪换能器安装于无人船船底龙骨上，所述航姿测量系统集成于多波束测深仪换能器中。
[0024]
优选的，所述工作站为安装有专业测深软件的笔记本电脑。
[0025]
优选的，所述定位系统为gnss接收机。
[0026]
优选的，所述多波束测深仪、航姿测量系统及定位系统均与工作站无线通信连接。
[0027]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0028]
本发明利用搭载多波束测深装置的无人船沿测深线航行进行水下地形测量，可快速判断水利工程堤岸是否存在异常情况，并可判断险工险段存在安全隐患的具体情况(是淤积还是淘空)；通过控制多波束测深仪换能器向存在淘空隐患的堤岸一侧旋转90
°
，测量范围完全覆盖堤岸水下部分，可快速排查出淘空区域的具体位置和精准测算淘空的土方量，可为相关管理部门对水利工程险工险段的具体决策提供可靠的技术参考，为堤岸的保护和修缮制定准确有效的解决方案，解决了传统作业方法无法全面详细地排查水利工程水下安全隐患的技术难题，有助于减少水利工程安全事故的发生；该方法操作简单、方便快捷、测量准确、效果明显。
[0029]
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0030]
图1现有技术中单波束测量示意图；
[0031]
图2现有技术中多波束测量示意图；
[0032]
图3本发明中堤岸正常状态示意图；
[0033]
图4本发明中堤岸淤积状态示意图(亦为多波束测深仪换能器初始测量状态示意图)；
[0034]
图5本发明中堤岸淘空状态示意图(亦为多波束测深仪换能器对着淘空堤岸旋转90
°
后示意图)；
[0035]
图6本发明中无人船“跑8字”姿态校正示意图；
[0036]
图中：无人船1、测深线2、gnss接收机3、笔记本电脑4、多波束测深仪换能器5。
具体实施方式
[0037]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0038]
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
[0039]
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；
[0040]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0041]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0042]
本发明的水利工程水下安全隐患排查方法，利用搭载多波束测深装置的无人船1沿布置好的测深线2航行，进行水下地形测量。如图3-图5所示，在一实施例中，多波束测深装置包括分别与地面工作站无线通信连接的多波束测深仪、航姿测量系统及gnss接收机3。可选的，工作站为安装有专业测深等软件程序的笔记本电脑4，便于携带和移动，方便作业人员在岸边通过笔记本电脑进行设备参数的设置和校准及对整个作业过程进行遥控。可以理解的，航姿测量系统集成有三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等传感器，用于实时采集无人船航行过程中的姿态数据并传至笔记本电脑，以便通过内置的程序算法消除因无人船航行过程中不可避免的晃动(比如受风浪影响)而引起的测量误差，确保多波束测深仪的测量数据稳定可靠；gnss接收机的功能主要是进行定位，以使无人船按照布置好的测深线方向行驶。进一步地，多波束测深仪换能器5安装于无人船船底龙骨上，航姿测量系统集成于多波束测深仪换能器中，gnss接收机安装于无人船上方。该多波束测深仪换能器的波束发射角α＝120
°
～150
°
，本实施例中，α＝120
°
即可满足测量需求。
[0043]
测量实施步骤包括：
[0044]
s1、在无人船上进行设备的安装与调试，各连接线与串口确保正确连接；
[0045]
s2、完成设备安装与调试后作业前，无人船进行“跑8字”姿态校正(如图6所示)，以消除内部存在的系统误差；
[0046]
s3、完成姿态校正后，在笔记本电脑打开相关测深软件进行设备参数的设置和校准，如：横摇偏差、纵摇偏差和艏摇偏差等。
[0047]
s4、根据现场水深情况、多波束扫宽及全覆盖要求，通过笔记本电脑中的测深软件布置测深线，该测深线平行于水利工程堤岸且距离堤岸水边线固定距离d，可选的，该固定距离d为1～3米，结合适宜的波束发射角α，确保堤岸水下隐患排查全面。
[0048]
s5、无人船沿布置好的测深线行驶，多波束测深装置以初始测量状态(如图4所示测量方向)开始进行水下地形测量，通过笔记本电脑获取实时测量数据并根据内置算法判断堤岸位于水下部分是否有异常，及识别异常情况下的安全隐患类型：堤岸淤积或堤岸淘空，若为堤岸淘空，则控制多波束测深仪换能器向堤岸一侧旋转90
°
(如图5所示)，使其测量范围完全覆盖堤岸水下部分，直至识别不存在淘空时(表明无人船已驶过该淘空区域所对应的测深线航程)，控制多波束测深仪换能器回转90
°
至初始测量状态，继续水下地形测量，依此作业，直至无人船沿测深线走完全程，通过笔记本电脑根据测量数据及内置算法获得淘空区域的大小、形状。需说明的是，多波束测深仪的换能器可通过远程控制而自动旋转一定角度属于现有技术，在此不作详述，图5中多波束测深仪换能器虽然旋转了90
°
，但由于测深仪用于在水面以下施测，因此，旋转90
°
后，其多波束测量覆盖范围向上覆盖至堤岸水边线处，此时测量范围的实际有效开角小于120
°
；另外，对于水利工程而言，水下安全隐患除了可能存在于堤岸部分，还可能存在于船底下方的河床部分(冲刷或淤积)，故本发明设置当识别到堤岸存在淘空隐患时，才控制多波束测深仪换能器旋转90
°
，这样，可尽可能地兼顾到河床部分和堤岸部分，避免漏测。
[0049]
上述步骤s5中，判断识别的算法具体如下：
[0050]
所述多波束测深仪至堤岸的水平距离为d
mn
，其中，m表示多波束测深仪换能器的某一次声波发射，n表示某次发射的多波束中的某一个波束，m、n均为自然数，则无人船行驶过程中，
[0051]
若所有d
mn
满足d
mn
＝d，则堤岸正常(如图3所示)；
[0052]
若存在d
mn
≠d，则堤岸异常；其中，
[0053]
若存在连续的多个d
mn
值均小于d，则堤岸有淤积(如图4所示)，相关管理部门需制定清淤清障方案，及时进行清淤处理；
[0054]
若存在连续的多个d
mn
值均大于d，则堤岸有淘空(如图5所示)，以上“连续”是指m、n分别取连续的自然数(连续多次声波发射中的连续多个波束对应的d
mn
值)。根据测算的淘空土方量，相关管理部门可制定除险加固方案，及时对淘空区域进行精准的填充加固。
[0055]
其中，淘空土方量(即淘空区域的体积大小)算法如下：
[0056][0057]
其中，x∈[a，b]，a表示淘空区域靠近无人船一侧的起始面的位置，b表示淘空区域远离无人船一侧的终止面的位置，起始面和终止面为相互平行的垂直面，x表示淘空区域内某一剖面的位置，该某一剖面的面积为s(x)，v为淘空土方量。
[0058]
以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
