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深水疏浚计算机辅助系统可行性研究报告

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）

项目基本信息表

项目名称

深水疏浚计算机辅助系统

所属专业

水利机械

项目类型

应用基础

社会公益

技术开发

技术引进

√

申请单位

xx局

邮政编码

xx

通讯地址

xx市

单位属性

□科研机构□设计单位□大专院校□企事业■其它

项目负责人

姓名

性别

出生年月

职务

职称

专业

身份证

联系电话

单位

手机

项目联系人

姓名

传真

联系电话

E-mail

手机

归口单位

协作单位

/

项目内容及

解决主要问题

新型气动式深水疏浚系统具有最大挖深120米、疏浚径向尺寸＜600mm的各种物料的能力。

通过配套实施该系统项目，能够全面掌握疏浚区域淤积物的分布情况，并在疏浚时实时监测疏浚位置的淤积厚度与准确识别周围障碍物目标，以提高整体疏浚效率和效益。

预期成果

在高精度全球定位系统的配合下，通过浅地层剖面系统勘察出有关疏浚区域淤积物的分布区域。

另外在疏浚过程中，应用浅地层剖面系统实时监测疏浚区域的淤积物厚度，再通过高分辨率侧扫声纳系统识别疏浚区域周围的障碍物目标的尺寸、形状和位置，提高工作效率。

引进内容

（国别、技术持有单位、型号、数量等）

1、美国，C&C公司，C-Nav1010卫星差分GPS定位系统，1套；2、德国，Innomar公司，SES-2000Light型参量阵浅地层剖面系统，1套；3、美国，L-3Klein公司，Klein3900型侧扫声纳系统，1套。

4、美国，Chesapeake公司，SonarWiz.MAP测扫和浅剖数据后处理软件系统。

引进

经费

204.00万元

出国培训

国家

德国美国

天数

经费

邀请外国专家

国籍

德国

美国

天数

经费

执行周期

示范地点或依托工程

总经费

其中

国拨经费

自筹经费

一、项目的必要性、先进性、解决的关键问题及目的意义

水库的严重淤积，不仅影响水库兴利效益的发挥，严重威胁水库的使用寿命，而且还造成一系列在水库规划时未充分估计到的环境问题。

江阴市水利机械施工工程有限公司自主设计、制造的“新型气动式深水疏浚系统”，具有作业水深大（≤120m）、清除杂物广（径向尺寸≤600mm）、能耗低、可运输性等特点，可广泛应用于我国长江、黄河、珠江、海河等各大流域的超大型、大中型水库库区的泥沙、砾卵石、块石等各种淤积物的清除。

采用该系统进行库区清淤时，必须做好两方面的工作，一是淤积物勘察，全面了解淤积物的组成、特性和分布情况，为清淤范围选择和清淤深度确定等决策提供科学依据；二是系统工作时能有效监测并识别水下障碍物并提前采取预防措施以避免降低设备工效。

其中主要的技术难点在：

（1）淤积物的种类繁多，大部分泥砂与石块、树枝、生活、工业垃圾等杂物掺杂在一起，大尺寸杂物会降低疏浚设备工作效率，甚至造成堵塞，因此需要分辨出潜在的大尺寸杂物，提前采取预防措施；

（2）尽可能降低清淤过程中对水下地形勘察的影响，并实时监测疏浚情况，提高疏浚效率。

由此，该监测工作的成功关键，就在于能否有效、及时地解决上述2个技术难点和尽量减小恶劣的疏浚水质对水下疏浚监测造成的阻碍。

本项目选择采用先进的侧扫声纳和浅地层剖面仪，结合高精度定位系统，实现准确的淤积物分布调查测量和实时水下疏浚监测，摒弃了传统的根据水深变化选择清淤点的不足，极大的提高了作业效率和工程效益。

深水疏浚计算机辅助决策系统主要由全球星站差分定位系统、参量阵浅地层剖面系统和高分辨率侧扫声纳系统组成。

系统结合亚米级卫星差分GPS定位系统，通过参量阵浅剖系统获得疏浚区的水底浅地层剖面图像，分辨出沉积物分布区域和沉积厚度。

如果掺杂了石块或轮胎等，从浅剖图中可以清晰看到。

从高分辨率侧扫声纳可以清晰识别出水底地貌及轮胎石块等障碍物，提高清淤工作效率。

传统的航道测量和疏浚作业通常采用高精度GPSRTK定位系统，但在长江流域进行长测线作业且高山地形起伏对RTK测量的限制非常大，此外，考虑到将来整体疏浚方案还将应用到沿海远距离作业时无法保证实时接收近岸信标差分信号，即使能接收到部分信号，也由于离基站距离较远，其定位精度将大大降低。

这些所有考虑因素都要求采用一种不受空间限制，海陆覆盖且保证测量精度的差分定位系统解决方案。

美国C&C公司作为全球领先，稳定可靠的高精度GPS定位系统服务商，依托其覆盖全球并稳定可靠的高精度差分定位网络StarFire，为海陆专业测量用户提供具体定位解决方案，最高精度可达厘米级。

在库区或航道上进行清淤和疏浚，其最主要的就是需要准确了解河床上淤积物的具体分布和淤积情况。

因此需要能够准确探测和分辨淤积物分布的剖面系统，并且需要尽可能了解泥淤积物的淤积厚度，以便了解具体项目的工作量和效益。

因此要求浅地层探测系统中的声呐换能器发射的频率足够低,具有很强的穿透性。

而且发射的波束角需要很小,具有很高的分辨率,才可以分辨海底浅部地层的详细情况。

另外系统声纳换能器体积小、重量轻,便于船舶安装和携带。

综合以上考虑因素，无疑参量阵浅地层探测技术是目前最为符合项目要求的技术应用手段，而德国Innomar公司作为全球领先的商业参量阵浅剖设备制造商，已生产提供近千台套设备广泛应用于全球各河道和海岸地层探测项目。

SES-2000系列浅地层剖面系统是目前该公司最新型的产品，在国外已有实际应用，效果良好。

L-3Klein公司是全球著名的侧扫声纳专业生产厂家。

其最近推出的Klein3900便携式高分辨率数字侧扫声纳配置了445kHz高频和900kHz超高频双频换能器，能够产生非常高分辨率的水下目标图像，为深水清淤项目提供准确可靠的水底目标真实图像，帮助用户进行障碍物目标识别和提供工作效率。

SonarWizMap系列软件是美国ChesapeakeTechnologyInc公司设计开发专用于实时采集和后处理侧扫声纳和浅地层剖面数据软件系统。

SonarWizMap系列软件可广泛适用于目前市场上主要的侧扫声纳和浅剖系统在河流、湖泊、海洋中进行实时采集数据，并且支持离线后处理数据，以得到最佳的水下地形扫测图像和浅地层剖面图像，并生成侧扫和浅剖图像叠加在一起的三维立体图形文件，这些数据图像都可向海洋资源调查和海域地理勘察等工程提供非常重要的地理参考数据。

二、国内外同类技术概况、水平及发展趋势

目前在国外主要深水清淤工程中，基本上都是在高精度全球定位系统的配合下，通过浅地层剖面系统勘察出有关库区水底淤积物的分布区域。

在疏浚过程中，应用浅地层剖面系统实时监测疏浚区域的淤积物沉积厚度，再通过高分辨率侧扫声纳系统识别疏浚区域周围的障碍物目标的尺寸、形状和位置，提高清淤工作效率。

而在国内大多深水清淤工程中，还主要是依靠有限的水文和航道水深资料，根据经验进行判断水底淤积面积，且无法准确识别水底的有关障碍物目标，造成整体疏浚工作效率低下。

目前国内的全球差分定位网络，侧扫声纳系统和浅地层剖面系统产品技术也都比较不成熟，几乎没有任何成功的工程应用范例。

而在国外，GPS全球卫星网络、侧扫声纳系统、浅地层剖面系统的开发、生产及其工程应用非常成熟和广泛。

全球覆盖的广域差分定位服务商主要有美国OmniSTAR公司和美国C&C公司。

作为全球最先开发广域差分信号定位系统的专业化服务商，美国OmniSTAR公司可向全球用户提供高精度（中国地区最高精度为亚米或分米）差分定位信号，但仅仅限于陆地工程测量应用，不能在近海岸或海上接收信号。

另外，该信号服务期按年进行订购，不能满足部分用户短期信号服务需求，且硬件设备和有关服务费用高昂。

美国C&C公司作为全球领先，稳定可靠的高精度GPS定位系统服务商，依托其覆盖全球并稳定可靠的高精度差分定位网络StarFire，为海陆专业测量用户提供具体定位解决方案，最高精度可达厘米级，其中C-Nav1010型为亚米级卫星差分GPS系统。

目前侧扫声纳系统制造商多达几十家，其中以美国L-3Klein、EdgeTech和Benthos三家最为著名，都有几十年的生产历史，具有行业技术领先性和产品功能完善性。

侧扫声纳的发展历史起源于二战时期，已经经历了几代产品更新。

从最初的模拟侧扫声纳到现代的数字侧扫声纳，从单波束到多波束动态聚焦技术，从传统的连续波技术到现代的线性调频技术，使侧扫声纳的换能器构造及电子电路向高度集成化和智能化发展。

采集的声学图像质量也产生了质的飞跃。

未来的侧扫声纳技术将向高速高分辨率和大量程方向发展。

浅地层剖面系统同样经历了从模拟到数字的发展历程。

按工作原理浅剖可以分成高能脉冲反射技术、线性调频技术和非线性差频技术，每种技术各有其特点。

高能脉冲反射浅剖也称Boomer，穿透力较强，但精度较差；线性调频技术浅剖的穿透力稍差，精度一般；差频技术国内早年也有产品推出，但许多年来其技术一直未进步，现在已经远远落后于国外同类产品。

目前世界上仅德国的Innomar公司在坚持开发差频浅剖技术，并成功应用于商业勘察项目。

差频浅剖具有多种工作频率可选、分辨率高和换能器轻便等特点，很适合船舷安装作业，大大提高了测量作业的灵活性。

总之，三者各有其特点,广泛应用于沙源探测、管线和路由调查、疏浚监测等行业。

过去，虽然有些单位引进过侧扫声纳系统和浅地层剖面系统，但均为单个引进，用于浅水作业。

本项目将全球差分定位网络，侧扫声纳系统和浅地层剖面系统一起引进，通过美国的专业软件，组成深水疏浚计算机辅助决策系统。

目前国内还没有专业的侧扫声纳和浅剖数据后处理软件，美国Chesapeake公司作为目前硬件兼容性最好、功能组件最多和价格最为经济的专业软件服务上，其旗舰产品SonarWizMap软件系统可实时采集和后处理市场上所有的侧扫声纳和浅剖系统数据，可通过各种功能模块，进行数据编辑、信号处理、增益补偿、误差修正、图形镶嵌、格式转换、报告生成等各种后处理操作，帮助用户得到最为完整和精确的高分辨率侧扫声纳和浅剖系统的3D视图。

三、项目主要内容（非引进项目可不填

（一）和

（二）项内容）

（一）引进内容

1、引进技术、设备、仪器、软件的名称、规格、型号、数量等，各技术产品持有方的国别和单位名称；

a.C-Nav1010型亚米级卫星差分GPS定位系统，1套，美国，C&C公司；

b.SES-2000Light型参量阵浅地层剖面系统，1套，德国，Innomar公司；

c.Klein3900型侧扫声纳系统，1套，美国，L-3Klein公司。

d.SonarWizMap测扫和浅剖数据后处理软件系统，1套，美国，Chesapeake公司

2、详细叙述各引进技术产品的先进性、技术指标及解决的关键问题。

C-Nav1010型亚米级卫星差分GPS定位系统：

a.C-Nav1010系统的技术优越性：

●依托全球范围内提供GPS差分信号服务广域差分系统StarFire网络，提供了独一无二的可靠性和亚米级定位精度，具备99.99%联机可靠性。

●系统包括16通道跟踪（14通道L1波段GPS+2通道SBAS）。

●平面定位无需差分电台，数据链稳定，作用距离不受限制，全球覆盖。

●彻底免去RTK架设基站和繁琐设置的麻烦。

全自动接收卫星广播的差分改正数，亚米级的定位精度为航道测量和疏浚提供了可靠的保证。

●结构紧凑，携带轻便，适合野外移动作业。

●可以接收外部RTCM改正数。

●输出率可设置，且数据时延最小。

●出色的干扰抑制和多路径拒绝。

●1PPS输出。

C-Nav1010星站差分系统与其它有关类似系统的技术优越性对比说明：

技术性能

C-Nav

星站差分系统

OmniSTAR

星站差分系统

NAVCOM

星站差分系统

卫星网络

StarFire网络

OmniSTAR网络

StarFire网络

网络覆盖区域

全球

全球

全球

信号支持区域

陆地和海洋

陆地

陆地

定位精度

亚米级

分米级

厘米级可选

亚米级

分米级

中国区厘米级不可用

亚米级

分米级

厘米级可选

硬件设备成本

低

高

中

信号服务费用

低

高

中

性价比

高

低

中

b.C-Nav1010定位精度：

水平定位精度：

<1米；垂直定位精度：

<1.5米

c.美国C&C公司作为全球领先，稳定可靠的高精度GPS定位系统服务商，依托其覆盖全球并稳定可靠的高精度差分定位网络StarFire，为海陆专业测量用户提供具体定位解决方案，最高精度可达厘米级，其中C-Nav1010型为亚米级卫星差分GPS系统。

SES-2000Light型参量阵浅地层剖面系统：

a、SES-2000系统的技术优越性：

●参量阵浅地层剖面技术原理先进性，利用差频信号的低频特性进行地层剖面测量；

●参量阵浅地层剖面系统性能先进性，精度高、波束定向、指向性好、分辨率高、独特的信号处理技术、系统定位准确、测量范围大、水深数据精度高、浑水工作能力强；

●SES-2000浅地层剖面系统与其它类型浅剖系统的技术优越性对比说明：

技术

性能

SES系列参量阵

浅地层剖面系统

Pinger声纳式

浅地层剖面系统

Chirp震源系列

浅地层剖面系统

Boomer拖放式

浅地层剖面系统

工作原理

非线性差频技术

3.5KHz声源反射

线性调频技术

高能脉冲反射

工作频率

主频：

100KHz

次频：

4-12KHz

3-10KHz

2-7KHz

50Hz～2kHz

300–500焦耳

声波波束角

±1.8°

80°

30°-45°

无

波束指向性

电子波束定向功能

无旁瓣波束

波束指向性差

旁瓣波束强

波束指向性差

旁瓣波束强

无

工作适应性

浑水工作能力强

差

差

中

分辨率

高

差

中

中

测量精度

高

差

中

中

穿透能力

中

中

中

高

测深数据

高精度测深数据

精度低

精度低

无

定位精度

高

高

中

低

体积重量

小巧轻便

20–30Kg

体积庞大笨重5080Kg

体积庞大笨重

80100Kg

系统组成多笨重80100Kg

操作安全性

船舷固定安装

简单、安全

船舷固定安装

简单、安全

不便于船舷固定

风险高、安全低

拖放式操作

风险高、安全低

系统完整性

系统高度集成

配置专业处理软件

需选配第三方

专业处理软件

需选配第三方

专业处理软件

需选配第三方

专业处理软件

系统兼容性

可进行不同配

置扩展和升级

无法硬件升级

无法硬件升级

无法硬件升级

系统成本

中

低

高

高

性价比

高

中

低

中

b、系统关键技术指标：

●换能器:

非线型发射器,线型接收器,波束角：

±1.8º

●发射频率100KHz;第二频率5,6,8,10,12,15KHz;功率:

大于12KW

●脉宽:

66µs...500µs；脉冲速率:

可达30/s,取决于工作范围和深度

●工作水深:

1米-400米；穿透深度:

可达50米,取决于介质及频率选择

●分辨率:

多目标分辨率＞5cm,取决于频率和记录范围

●精度:

100KHz:

0.02m+0.02%;10KHz:

0.04m+0.02%

C、在库区或航道上进行清淤和疏浚，其最主要的就是需要准确了解河床上淤积物的具体分布和淤积情况。

因此需要能够准确探测和分辨淤积物分布的剖面系统，并且需要尽可能了解淤积物的厚度，以便了解具体项目的工作量和效益。

因此要求浅地层探测系统中的声呐换能器发射的频率足够低,具有很强的穿透性。

而且发射的波束角需要很小,具有很高的分辨率,才可以分辨海底浅部地层的详细情况。

另外系统声纳换能器体积小、重量轻,便于船舶安装和携带。

综合以上考虑因素，无疑参量阵浅地层探测技术是目前最为符合项目要求的技术应用手段，而德国Innomar公司作为全球领先的商业参量阵浅剖设备制造商，已生产提供近千台套设备广泛应用于全球各河道和海岸地层探测项目。

SES-2000系列浅地层剖面系统是目前该公司最新型的产品，在国外已有实际应用，效果良好。

Klein3900型侧扫声纳系统：

a.Klein3900系统的技术优越性：

●先进的信号和图像处理技术，行业领先的换能器制造工艺，卓越的图像质量。

不同于传统单波束模拟侧扫系统采用的模拟延迟线、移相器或乘法和加法器，Klein3900采用最为先进数字信号处理和CW连续波束形成技术，使侧扫声纳对于微小目标具有非常高的分辨率。

●系统性价比高，成本经济，适用广泛，符合各种海洋水文工程项目要求。

●工业级工作站平台，预装专业数据采集后处理软件，系统功能全面强大。

●设备结构轻便紧凑，便于单人水上布放和操作，系统维护成本低。

●数据满足IHO测量规范要求，在10节船速下扫测数据依然满足指标。

●Klein3900侧扫声纳系统与其它类似声纳系统的先进性对比说明：

技术指标

Klein3900

（超高频配置）

Benthos1600

（高频配置）

EdgeTech4200

（超高频配置）

工作原理

CW连续波

高频高分辨率

Chirp线性调频技术

Chirp线性调频技术

工作频率

（频率越高，图像分辨率越高）

高频：

445kHz

超高频：

900kHz

低频：

100kHz

高频：

400kHz

（无超高频率可选）

高频：

300kHz

超高频：

600kHz

最大量程

（频率越高，量程越短）

150m

500m

230m

最大工作深度

200m

1750m

300m

垂直航迹方向分辨率

2cm

4cm

1.5-3cm

沿航迹方向分辨率

35cm

150cm

45-100cm

垂直波束宽度

40°

55°

50°

水平波束宽度

0.21

0.5

0.3

艏向精度

0.5°

1°

1.5°

艏向分辨率

0.1°

0.1°

0.1°

纵横摇角度精度

±0.2°

±0.2°

±0.4°

纵横摇角度分辨率

0.1°

0.1°

0.1°

采集后处理

软件

免费随机提供SonarPro专业数据采集和后处理软件，包括实时采集、显示，斜距改正等功能；也兼容第三方专业数据采集和后处理软件。

需要选购第三方专业数据采集和后处理软件，

诸如：

SonarWiz.Map或TritonISIS软件或OICGeoDAS软件

免费随机提供Discover数据采集和后处理软件，包括实时采集、显示，斜距改正等功能；也兼容第三方专业数据采集和后处理软件。

系统集成度

系统高度集成、结构紧凑、适于单人操作

系统组成多、线缆繁多、不适于单人操作

系统组成多、线缆繁多、不适于单人操作

重量

29kg（空气中）

34kg（空气中）

48kg（空气中）

系统硬件成本

低

高

高

性价比

高

中

中

b.系统关键技术指标：

拖鱼

工作频率：

445KHz，900KHz，双频同时工作

波束：

水平0.21度@445KHz，0.21度@900KHz；垂直40度

波束俯仰角：

5，10，15，20，25度可调

扫测档位：

10–200米，12个量程档位

最大扫测量程：

150米@445KHz，50米@900KHz

工作水深：

200米

拖鱼结构材料：

不锈钢

拖鱼尺寸：

长122cm，直径8.9cm

重量：

空气中29Kg

标准传感器：

内置Roll/Pitch/Heading姿态传感器

功能扩展：

压力传感器等

甲板单元（收发处理单元）

操作系统：

VxWorks标准系统

基本硬件：

支架式结构，VME总线架构

数据输出：

100Base-Tx,以太网接口

导航数据输入：

NMEA0183

电源：

交流120－240VAC输入，50－60Hz,120W

接口：

可连接所有品牌声纳数据采集处理器

声纳工作站

基本操作系统：

工业级PC工作站，17寸液晶显示，配置键盘、鼠标，预装正版WindowsXP软件和专业第三方侧扫声纳采集后处理软件系统

数据格式：

SDF或XTF或两者兼容

数据存储：

内置大容量硬盘和CD/DVD-RW

拖鱼拖缆

10米长甲板通讯电缆

轻便型同轴拖缆，50米长

其他:

全套操作和维护手册

c.L-3Klein公司是全球著名的侧扫声纳专业制造商。

其最近推出的Klein3900便携式高分辨率数字侧扫声纳配置了445kHz高频和900kHz超高频双频换能器，能够产生非常高分辨率的水下目标图像，为深水清淤项目提供准确可靠的水底目标真实图像，帮助用户进行障碍物判断和提供工作效率。

SonarWizMap测扫和浅剖数据后处理软件系统：

●支持绝大多数的侧扫声纳数据格式和浅地层剖面数据格式；

●创建测量项目并导入有关基础地图文件，导入声纳文件并在屏回放；

●支持外部定标和注释功能，具备自动或手动底部跟踪模式；

●具备目标测量和标注，可连接任意外部打印机或模拟记录器；

●信号处理和增益修正功能，包括波束角度校正、滤波、TVG、AGC等；

●导航数据和测量轨迹修正，拖鱼姿态偏移修正；

●目标物捕捉和特征物数字量化功能；

●可输出GeoTiff（TIF/TFW）格式的高分辨率镶嵌图形文件；

●可将浅剖数据转化为2D直观图像，进行图形移动、变化，分割、图像增强等图形编辑；

●可导入有关浅剖和侧扫图像，通过3D软件进行三维空间图形浏览；

●提供等厚线和分层工具，便于用户自定义或自动进行剖面沉积物分层；

●可叠加有关测深或磁力仪数据，生成等深线或磁力分布线；

●可将用户标注和数字化数据生成输出为AutoCADDXF/ESRI格式文件；

●生成项目或目标物说明报告文件，多种文件格式可选。

3、引进方式（如贸易购买、合作研究等）：

贸易购买

（二）消化吸收内容

1、通过全球星站差分系统与常规GPS单机定位技术的测量精度对比和测量方法的论证，学习和掌握整套星站差分系统的安装、调试和操作方法，并最大程度的简化工作流程，提高工作效率，保证测量工作的稳定和可靠；

2、学习和掌握参量阵浅剖系统的设备安装、调试和系统操作方法，以及如何根据具体水底地质沉积物分类情况（诸如淤泥、淤泥质土、粘土、泥沙、细沙、粉沙、钢沙、岩石等），逐一进行对比勘测，得到不同沉积物的实际声学剖面图像，通过对比能够准确判断和分析得到有关泥沙淤积分布范围和厚度；

3、学习和掌握侧扫声纳系统的设备安装、调试和操作方法，以及如何根据某些特定水底目标（锚、沉船、块石、礁石等）的扫测图像，进行有关具体目标的识别和判断训练，另外根据具体目标扫测图像的背景阴影尺寸大小，推算出具体目标物的大小、高度等物理参数；

4、学习和掌握测扫和浅剖图像数据后处理软件的应用，能够完成增益修正、斜距修正、拖鱼姿态修正、等编辑处理步骤，得到真实可靠的高分辨率的侧扫和浅剖图像数据，并生成有关整个测量项目报告。

（三）研究创新内容

1、通过学习和使用全球星站定位系统的差分计算模型，研究进一步提高差分测量精度的可行性，以及在实际测量