一种通航隧洞船舶航行特性观测方法与流程

1.本发明涉及工程测量技术领域，具体而言，涉及一种通航隧洞船舶航行特性观测方法。


背景技术：

2.运河穿过山岭的一段地下航道。通常采用单线航行。断面形状有圆形、椭圆形和马蹄形等，决定于地质条件、航运要求和施工技术与方法等。其宽度、水深和水上净空与船舶尺寸、船舶过洞方式和曳引设备等有关。在隧洞的一侧或两侧设有曳引道，两端设有引航道和导航、靠船建筑物。隧洞一般采用直线，洞底多呈水平。为运河穿越高山峦岭而开凿的通航建筑物。其轴线一般均为直线，在其两端设引航道与主航道相接，并设导航建筑物和靠船建筑物供航行船舶等待通过。为加速船舶通过。在其一侧或两侧设置曳引设备曳引船舶行驶。其横断面形状有椭圆形、马蹄形和圆形等，根据当地的地质、水文条件以及施工技术和方法等选定。隧洞的水深、宽度和通航净空等均应满足通航要求，一般按单线航道设计。隧洞内设有通风、照明、通信联络等设备。开凿隧洞可以缩短船舶航行的里程，但工程费用大，技术复杂，需要进行充分的技术经济分析论证而确定。
3.在整治完成后的航道、新建成的通航建筑物实船试验中，需要观测船舶的航行特性，具体参数主要包括船舶的航速、航向角、航迹线、横摇角、纵倾角、漂角等。目前船舶航行特性观测主要采用较为先进的惯性导航测试系统，一般由gps定位系统和陀螺仪等组合而成，将测试仪器布置于船舶上，通过测试和后期计算处理，获得船舶航行特性各个参数。然而，惯性导航测试系统有其不足之处，如在通航隧洞内，布置在船舶上的仪器接收不到gps信号，或在通航建筑物(升船机塔楼)内部或有陡峭边坡的引航道内，gps信号不佳时，惯性导航测试系统无法正常工作，主要是无法获取船舶的位置坐标，导致船舶的航迹线、航速、航向角、漂角等参数均无法获得。
4.近年来，随着内河水运的快速发展，在干支航道畅通延伸、跨水系运河建设、通航建筑物扩能升级方面需要修建通航隧洞，未来通航隧洞将是内河水运的一种常见的形式。目前，乌江构皮滩水电站升船机第一级中间渠道通航隧洞已建成试通航，已有的测试手段无法满足船舶在通航隧洞内的航行特性测试要求，影响了国内首座建成的通航隧洞运行效果评估，迫切需要提出一种适用于通航隧洞船舶航行特性测试的新方法；因此我们对此做出改进，提出一种通航隧洞船舶航行特性观测方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：针对已有的测试手段无法满足船舶在通航隧洞内的航行特性测试要求，影响了国内首座建成的通航隧洞运行效果评估的问题。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
7.通航隧洞船舶航行特性观测方法，以改善上述问题。
8.本技术具体是这样的：
9.一种通航隧洞船舶航行特性观测方法，包括如下现场测试实施步骤：
10.步骤一，在测试开始前，在通航隧洞的进口和出口分别架设1台自动跟踪式的远端测站激光测距仪和近端测站激光测距仪；
11.步骤二，手持1支测量棱镜，分别放置于通航隧洞进口和出口两个断面的两侧，共4个标定点位，用远端测站激光测距仪和近端测站激光测距仪测量标定点位的坐标，获得整个通航隧洞水域的范围；
12.步骤三，在试验船舶上布置前后2个测点，测点布置在船首和船尾的中间，位于试验船舶的中轴线上，每个测点安装1个360
°
棱镜；
13.步骤四，实船试验过程中，试验船舶从隧洞的一端驶入，布置于远端的远端测站激光测距仪观测船首的船首测点棱镜，布置于近端的近端测站激光测距仪观测船尾的船尾测点棱镜。
14.作为本技术优选的技术方案，在步骤一中，激光测距仪的测量距离大于1000m，且激光测距仪测量范围覆盖隧洞全程。
15.作为本技术优选的技术方案，在步骤二实行的同时，利用同一侧的2个点位进行线定向，将隧洞中心线方向定为y向，横河向为x向，远端测站激光测距仪和近端测站激光测距仪建立完全相同的测量坐标系。
16.作为本技术优选的技术方案，在步骤三中，船首为船首测量棱镜，船尾为船尾测量棱镜，首尾2个测点连线的中点认定为试验船舶的位置坐标。
17.作为本技术优选的技术方案，包括如下现场测试实施步骤：
18.步骤一，两台自动跟踪式远端测站激光测距仪和近端测站激光测距仪设置时间同步，采集频率相同；
19.步骤二，试验船舶上两个测点棱镜船首测量棱镜和船尾测量棱镜的安装固定可靠，试验过程中与船舶无相对位移，无明显晃动；
20.步骤三，本工程隧洞的长度没有超过激光测距仪的测量范围，不需要在中间增加测站进行衔接过渡。
21.作为本技术优选的技术方案，利用每个时刻获得的船首和船尾的坐标数据，计算船舶航行特性参数方法如下：
22.步骤一，在试验船舶航行过程中的任一时刻，例如40s+0.1s时，激光测距仪的采样周期为0.1s，即取δt＝0.1s，船首的坐标为(1，90)，船尾的坐标为(0.5，40)，则船舶中心的坐标按下式计算：
23.x0t+δt＝(1+0.5)/2＝0.75
24.y0t+δt＝(90+40)/2＝65
25.则获得此时船舶中心坐标为(0.75，65)；
26.步骤二，若船舶航行过程中任一相邻的两个时刻，分别为40s和40s+0.1s，则两个时刻的船舶中心坐标分别(0.9，64.8)和(0.75，65)，则船舶航行速度按下式计算：
[0027][0028]
则获得该时刻船舶航速为2.5m/s；
[0029]
步骤三，船舶航行方向与通航隧洞中心线的夹角可认为是航向角，40s和40.1s相邻的两个时刻，航向角按下式计算：
[0030]
α
40.1
＝tan-1
|(0.75-0.9)/(65-64.8)|＝36.87
°
[0031]
计算获得该时刻的航向角为36.87
°
，由于x040.1《x040，说明航向偏左于隧洞中心线，角度偏左取负、偏右取正，则该时刻航向角为-36.87
°
；
[0032]
步骤四，在40s+0.1s时刻，船首和船尾测点坐标分别为(1，90)和(0.5，40)，船舶的中轴线与通航隧洞中心线的夹角按下式计算：
[0033]
β
40.1
＝tan-1
|(1-0.5)/(90-40)|＝0.57
°
[0034]
计算获得该时刻船舶中轴线与通航隧洞中心线夹角为0.57
°
，由于x140.1＞x240.1，可以确定夹角偏右于通航隧洞中心线，则夹角为正，即0.57
°
。
[0035]
步骤五，在40s+0.1s时刻，船舶的漂角按下式计算：
[0036]
θ
40.1
＝-36.87
°‑
0.57
°
＝-37.44
°
[0037]
则获得了该时刻船舶漂角为37.44
°
，偏向左。
[0038]
作为本技术优选的技术方案，根据步骤一可获得整个过程的船舶中心坐标，即可在坐标系中绘制出船舶航迹线。
[0039]
作为本技术优选的技术方案，根据步骤二可以计算获得全程每个时刻的船舶航速，绘制航速与时间的关系曲线。
[0040]
作为本技术优选的技术方案，根据步骤三可以获得全程每个时刻的船舶航向角，绘制航向角与时间的关系曲线。
[0041]
作为本技术优选的技术方案，根据步骤四可以计算获得全程每个时刻的船舶漂角，绘制漂角与时间的关系曲线。
[0042]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0043]
在本技术的方案中：
[0044]
通过在通航隧洞的两端布置至少2台自动跟踪式激光测距仪，建立完全相同的测试坐标系，在试验船舶的首部和尾部中轴线上分别布置1支360
°
测量棱镜，同步测量获得船舶通过隧洞过程船舶上两个测点的坐标；利用测量获得的船舶首尾测点坐标序列，计算船舶航迹线、航速、航向角、漂角变化过程线，不仅解决了通航隧洞内没有gps信号而无法获得船舶航行特性参数问题，还大幅提高了测试精度。
附图说明
[0045]
图1为通航隧洞船舶航行特性测试方法的船舶通过通航隧洞航行特性测试平面布置图；
[0046]
图2为通航隧洞船舶航行特性测试方法的船舶通过通航隧洞航行特性测试纵剖面图；
[0047]
图3为通航隧洞船舶航行特性测试方法的某一时刻船舶航行特性部分参数计算示意图；
[0048]
图4为通航隧洞船舶航行特性测试方法的相邻时刻船舶航行特性部分参数计算示意图。
[0049]
图中标示：
[0050]
1、试验船舶；2、通航隧洞；3、远端测站激光测距仪；4、近端测站激光测距仪；5、船首测量棱镜；6、船尾测量棱镜；7、标定点位。
具体实施方式
[0051]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0052]
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围，需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。
[0053]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0054]
如下实施例以乌江构皮滩水电站升船机第一级中间渠道通航隧洞2对船舶在该通航隧洞2内的航行特性测试为例：
[0055]
乌江构皮滩水电站升船机第一级中间渠道中有一段长424m的通航隧洞2，为直线布置，隧洞宽度为16m，水深为3m，通航500吨级船舶。在通航隧洞2实船试验过程中，因为隧洞内无法接收到gps信号，船舶在隧洞内的航行特性测试遇到了很大的困难，采用了本发明的一种适用于通航隧洞2船舶航行特性测试方法，解决了该问题，得到了很好的应用。
[0056]
如图1-4所示，本实施方式提出一种通航隧洞2船舶航行特性观测方法，包括如下现场测试实施步骤：
[0057]
步骤一，在测试开始前，在通航隧洞2的进口和出口分别架设1台自动跟踪式的远端测站激光测距仪3和近端测站激光测距仪4，激光测距仪的测量距离大于1000m，因此，激光测距仪测量范围能够覆盖隧洞全程；
[0058]
步骤二，手持1支测量棱镜，分别放置于通航隧洞2进口和出口两个断面的两侧，共4个标定点位7，用远端测站激光测距仪3和近端测站激光测距仪4测量标定点位7的坐标，获得整个通航隧洞2水域的范围，同时利用同一侧的2个点位进行线定向，将隧洞中心线方向定为y向，横河向为x向，远端测站激光测距仪3和近端测站激光测距仪4建立完全相同的测量坐标系；
[0059]
步骤三，在试验船舶1上布置前后2个测点，测点布置在船首和船尾的中间，位于试验船舶1的中轴线上，每个测点安装1个360
°
棱镜，船首为船首测量棱镜5，船尾为船尾测量棱镜6，首尾2个测点连线的中点认定为试验船舶1的位置坐标；
[0060]
步骤四，实船试验过程中，试验船舶1从隧洞的一端驶入，布置于远端的远端测站激光测距仪3观测船首的船首测点棱镜，布置于近端的近端测站激光测距仪4观测船尾的船尾测点棱镜。
[0061]
包括如下现场测试实施步骤：
[0062]
步骤一，两台自动跟踪式远端测站激光测距仪3和近端测站激光测距仪4设置时间同步，采集频率相同；
[0063]
步骤二，试验船舶1上两个测点棱镜船首测量棱镜5和船尾测量棱镜6的安装固定可靠，试验过程中与船舶无相对位移，无明显晃动；
[0064]
步骤三，本工程隧洞的长度没有超过激光测距仪的测量范围，不需要在中间增加测站进行衔接过渡。
[0065]
利用每个时刻获得的船首和船尾的坐标数据，计算船舶航行特性参数方法如下：
[0066]
步骤一，在试验船舶1航行过程中的任一时刻，例如40s+0.1s时，激光测距仪的采样周期为0.1s，即取δt＝0.1s，船首的坐标为(1，90)，船尾的坐标为(0.5，40)，则船舶中心的坐标按下式计算：
[0067]
x0t+δt＝(1+0.5)/2＝0.75
[0068]
y0t+δt＝(90+40)/2＝65
[0069]
则获得此时船舶中心坐标为(0.75，65)，可获得整个过程的船舶中心坐标，即可在坐标系中绘制出船舶航迹线；
[0070]
步骤二，若船舶航行过程中任一相邻的两个时刻，分别为40s和40s+0.1s，则两个时刻的船舶中心坐标分别(0.9，64.8)和(0.75，65)，则船舶航行速度按下式计算：
[0071][0072]
则获得该时刻船舶航速为2.5m/s，可以计算获得全程每个时刻的船舶航速，绘制航速与时间的关系曲线；
[0073]
步骤三，船舶航行方向与通航隧洞2中心线的夹角可认为是航向角，40s和40.1s相邻的两个时刻，航向角按下式计算：
[0074]
α
40.1
＝tan-1
|(0.75-0.9)/(65-64.8)|＝36.87
°
[0075]
计算获得该时刻的航向角为36.87
°
，由于x040.1《x040，说明航向偏左于隧洞中心线，角度偏左取负、偏右取正，则该时刻航向角为-36.87
°
，可以获得全程每个时刻的船舶航向角，绘制航向角与时间的关系曲线；
[0076]
步骤四，在40s+0.1s时刻，船首和船尾测点坐标分别为(1，90)和(0.5，40)，船舶的中轴线与通航隧洞2中心线的夹角按下式计算：
[0077]
β
40.1
＝tan-1
|(1-0.5)/(90-40)|＝0.57
°
[0078]
计算获得该时刻船舶中轴线与通航隧洞2中心线夹角为0.57
°
，由于x140.1＞x240.1，可以确定夹角偏右于通航隧洞2中心线，则夹角为正，即0.57
°
。
[0079]
步骤五，在40s+0.1s时刻，船舶的漂角按下式计算：
[0080]
θ
40.1
＝-36.87
°‑
0.57
°
＝-37.44
°
[0081]
则获得了该时刻船舶漂角为37.44
°
，偏向左，可以计算获得全程每个时刻的船舶漂角，绘制漂角与时间的关系曲线。
[0082]
本技术在使用时：本发明通过在通航隧洞2的两端布置至少2台自动跟踪式激光测距仪，建立完全相同的测试坐标系，在试验船舶1的首部和尾部中轴线上分别布置1支360
°
测量棱镜，同步测量获得船舶通过隧洞过程船舶上两个测点的坐标；利用测量获得的船舶首尾测点坐标序列，计算船舶航迹线、航速、航向角、漂角变化过程线，不仅解决了通航隧洞2内没有gps信号而无法获得船舶航行特性参数问题，还大幅提高了测试精度，本方法还可以用于其他没有gps信号的航道或通航建筑物实船试验测试。
[0083]
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种通航隧洞船舶航行特性观测方法，其特征在于：包括如下现场测试实施步骤：步骤一，在测试开始前，在通航隧洞(2)的进口和出口分别架设1台自动跟踪式的远端测站激光测距仪(3)和近端测站激光测距仪(4)；步骤二，手持1支测量棱镜，分别放置于通航隧洞(2)进口和出口两个断面的两侧，共4个标定点位(7)，用远端测站激光测距仪(3)和近端测站激光测距仪(4)测量标定点位(7)的坐标，获得整个通航隧洞(2)水域的范围；步骤三，在试验船舶(1)上布置前后2个测点，测点布置在船首和船尾的中间，位于试验船舶(1)的中轴线上，每个测点安装1个360
°
棱镜；步骤四，实船试验过程中，试验船舶(1)从隧洞的一端驶入，布置于远端的远端测站激光测距仪(3)观测船首的船首测点棱镜，布置于近端的近端测站激光测距仪(4)观测船尾的船尾测点棱镜。2.根据权利要求1所述的一种通航隧洞船舶航行特性观测方法，其特征在于，在步骤一中，激光测距仪的测量距离大于1000m，且激光测距仪测量范围覆盖隧洞全程。3.根据权利要求2所述的一种通航隧洞船舶航行特性观测方法，其特征在于，在步骤二实行的同时，利用同一侧的2个点位进行线定向，将隧洞中心线方向定为y向，横河向为x向，远端测站激光测距仪(3)和近端测站激光测距仪(4)建立完全相同的测量坐标系。4.根据权利要求3所述的一种通航隧洞船舶航行特性观测方法，其特征在于，在步骤三中，船首为船首测量棱镜(5)，船尾为船尾测量棱镜(6)，首尾2个测点连线的中点认定为试验船舶(1)的位置坐标。5.根据权利要求4所述的一种通航隧洞船舶航行特性观测方法，其特征在于，包括如下现场测试实施步骤：步骤一，两台自动跟踪式远端测站激光测距仪(3)和近端测站激光测距仪(4)设置时间同步，采集频率相同；步骤二，试验船舶(1)上两个测点棱镜船首测量棱镜(5)和船尾测量棱镜(6)的安装固定可靠，试验过程中与船舶无相对位移，无明显晃动；步骤三，本工程隧洞的长度没有超过激光测距仪的测量范围，不需要在中间增加测站进行衔接过渡。6.根据权利要求5所述的一种通航隧洞船舶航行特性观测方法，其特征在于，利用每个时刻获得的船首和船尾的坐标数据，计算船舶航行特性参数方法如下：步骤一，在试验船舶(1)航行过程中的任一时刻，例如40s+0.1s时，激光测距仪的采样周期为0.1s，即取δt＝0.1s，船首的坐标为(1，90)，船尾的坐标为(0.5，40)，则船舶中心的坐标按下式计算：x0t+δt＝(1+0.5)/2＝0.75y0t+δt＝(90+40)/2＝65则获得此时船舶中心坐标为(0.75，65)；步骤二，若船舶航行过程中任一相邻的两个时刻，分别为40s和40s+0.1s，则两个时刻的船舶中心坐标分别(0.9，64.8)和(0.75，65)，则船舶航行速度按下式计算：
则获得该时刻船舶航速为2.5m/s；步骤三，船舶航行方向与通航隧洞(2)中心线的夹角可认为是航向角，40s和40.1s相邻的两个时刻，航向角按下式计算：α
40.1
＝tan-1
|(0.75-0.9)/(65-64.8)|＝36.87
°
计算获得该时刻的航向角为36.87
°
，由于x040.1<x040，说明航向偏左于隧洞中心线，角度偏左取负、偏右取正，则该时刻航向角为-36.87
°
；步骤四，在40s+0.1s时刻，船首和船尾测点坐标分别为(1，90)和(0.5，40)，船舶的中轴线与通航隧洞(2)中心线的夹角按下式计算：β
40.1
＝tan-1
|(1-0.5)/(90-40)|＝0.57
°
计算获得该时刻船舶中轴线与通航隧洞(2)中心线夹角为0.57
°
，由于x140.1＞x240.1，可以确定夹角偏右于通航隧洞(2)中心线，则夹角为正，即0.57
°
。步骤五，在40s+0.1s时刻，船舶的漂角按下式计算：θ
40.1
＝-36.87
°‑
0.57
°
＝-37.44
°
则获得了该时刻船舶漂角为37.44
°
，偏向左。7.根据权利要求6所述的一种通航隧洞船舶航行特性观测方法，其特征在于，根据步骤一可获得整个过程的船舶中心坐标，即可在坐标系中绘制出船舶航迹线。8.根据权利要求6所述的一种通航隧洞船舶航行特性观测方法，其特征在于，根据步骤二可以计算获得全程每个时刻的船舶航速，绘制航速与时间的关系曲线。9.根据权利要求6所述的一种通航隧洞船舶航行特性观测方法，其特征在于，根据步骤三可以获得全程每个时刻的船舶航向角，绘制航向角与时间的关系曲线。10.根据权利要求6所述的一种通航隧洞船舶航行特性观测方法，其特征在于，根据步骤四可以计算获得全程每个时刻的船舶漂角，绘制漂角与时间的关系曲线。

技术总结
本申请提供了一种通航隧洞船舶航行特性观测方法，包括如下现场测试实施步骤：步骤一，在测试开始前，在通航隧洞的进口和出口分别架设1台自动跟踪式的远端测站激光测距仪和近端测站激光测距仪；步骤二，手持1支测量棱镜，分别放置于通航隧洞进口和出口两个断面的两侧，共4个标定点位，用远端测站激光测距仪和近端测站激光测距仪测量标定点位的坐标，获得整个通航隧洞水域的范围；步骤三，在试验船舶上布置前后2个测点，测点布置在船首和船尾的中间，位于试验船舶的中轴线上，每个测点安装1个360


技术研发人员：王新 向阳 湛伟杰 李中华 黄金根 左邦祥 高柯 王曾兰
受保护的技术使用者：杭州国电机械设计研究院有限公司 贵州乌江水电开发有限责任公司
技术研发日：2022.12.09
技术公布日：2023/3/28