CN111578929A - 一种水下三桩式吸力桩监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下三桩式吸力桩监控系统，水下测控中心与水下声学通信机、供电模块、高度计、方向角检测模块、倾角检测模块、内压力检测模块、外压力检测模块和水下显示模块分别连接，对方向角检测模块和倾角检测模块采集到的pitch角、roll角、heading角、高度计采集到的吸力桩距离海底的高度、内压力检测模块和外压力检测模块采集到的吸力桩内外压力进行处理，并通过水下声学通信机将处理后的信息发送给声学通信机。本发明实时反馈的吸力桩倾斜角度、方向角、离底高度以及内外压力差等数据，对吸力桩进行调节，从而达到防止吸力桩角度偏移和沉贯入泥速度过快影响稳定性。

Description

一种水下三桩式吸力桩监控系统

技术领域

本发明属于海洋监控领域，涉及一种水下三桩式吸力桩监控系统。

背景技术

近年来，随着国家对海洋领域的不断探索与开发，水下吸力桩平台是被应用于海洋工程有较好的发展前景的基础形式，它可以作为海洋平台等建筑物的基础结构，因为其施工简便，使用过程中安全可靠。

实际工程应用中吸力桩采用一种上端封闭、下端开口的钢制桶形结构，桩筒顶盖留有抽水孔连接抽水管线。吸力桩工作时，首先在自重作用下春如海底一定深度，然后借助泵系统向外抽吸桩筒内的水，在封闭的筒体内形成负压，从而产生向下的推理，并将桩体压入土中预定的深度。吸力桩回收时泵系统反向工作，向桩筒内注水，使筒内部压力大于外部压力，利用内外的正压力差将桩体顶出泥面。

水下三桩式吸力桩即是将三个吸力桩组合使用，使其更加稳固，调节精度更高。水下三桩式吸力桩监控系统工作步骤分为6步：

(1)将三桩式吸力桩平台下放入水，通过实时监控系统实现实时监控该平台角度。

(2)调整方位，使三桩式吸力桩平台处于监控系统地点正上方，再缓缓下放，使其自重沉贯入泥。

(3)三桩式吸力桩入泥结束后，通过ROV泵开始沉贯作业，三个吸力桩筒在桩顶内外压差的作用下贯入海底土壤。

(4)分别细微调整三个桩筒的入泥深度，使三桩式吸力桩平台实现整体调平。

但由于海况的高度复杂性和不可预测性，水下三桩式吸力桩平台在监控系统过程中将处于一种非稳定环境，水下三桩式吸力桩平台的角度发生偏移将导致该平台安全性降低。传统的机械式姿态测量仪因体积大、响应速度慢、成本高等缺点,不利于水下三桩式吸力桩平台中各吸力桩角度测量的实时性和精确性要求。同时，在沉贯入泥过程中，水下三桩式吸力桩平台中三个吸力桩的入泥速度过快或者过慢和三个吸力桩的离底入泥深度相差较大会严重影响整个平台平稳度，吸力桩内外压差过大会也会导致整个吸力桩平台安全性降低。所以实时监控水下三桩式吸力桩平台的角度、内外压力以及沉贯过程中离底高度等信息很重要。

发明内容

为解决上述问题，本发明的技术方案为：一种水下三桩式吸力桩监控系统，包括水下部和甲板部，其中，

所述水下部包括水下测控中心、水下声学通信机、供电模块、高度计、方向角检测模块、倾角检测模块、内压力检测模块、外压力检测模块和水下显示模块；所述甲板部包括工控机、甲板通信机、接口模块和声学通信机；

所述水下测控中心与水下声学通信机、供电模块、高度计、方向角检测模块、倾角检测模块、内压力检测模块、外压力检测模块和水下显示模块分别连接，对方向角检测模块和倾角检测模块采集到的pitch角、roll角、heading角、高度计采集到的吸力桩距离还低的高度、内压力检测模块和外压力检测模块采集到的吸力桩内外压力进行处理，并通过水下声学通信机将处理后的信息发送给声学通信机，水下显示模块对采集后经处理的信息进行显示；所述声学通信机、接口模块、甲板通信机和工控机依次连接。

优选地，所述倾角检测模块包括倾角传感器。

优选地，所述方向角检测模块包括电子罗盘。

优选地，所述水下显示模块包括若干个LED点阵屏和若干个为LED点阵屏供电的LED屏驱动。

优选地，所述水下测控中心包括STM32F103和与STM32F103连接的SD卡和RTC时钟。

优选地，所述水下显示模块还包括STM32F407。

优选地，所述LED屏驱动包括WS2811芯片。

优选地，所述供电模块包括MOSFET，作为开关。

优选地，所述高度计采用VA500型号海底高度计。

优选地，所述供电模块包括锂电池。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明在水下三桩式吸力桩台监控系统过程中，实时监控其状态，根据水下测控中心实时反馈的沉桩平台倾斜角度、方向角、平台离底高度以及内外的压力差等数据，对沉桩平台进行调节，从而达到防止沉桩平台角度偏移和沉贯入泥速度过快影响稳定性。

附图说明

图1为本发明具体实施例的水下三桩式吸力桩监控系统的结构框图；

图2为本发明具体实施例的水下三桩式吸力桩监控系统的水下部结构框图；

图3为本发明具体实施例的水下三桩式吸力桩监控系统的LED屏驱动电路原理图；

图4为应用本发明具体实施例的水下三桩式吸力桩监控系统的结构示意图；

图5为应用本发明具体实施例的水下三桩式吸力桩监控系统的又一结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

参见图1-3，包括水下部10和甲板部20，其中，水下部10包括水下测控中心11、水下声学通信机12、供电模块13、高度计14、方向角检测模块15、倾角检测模块16、内压力检测模块17、外压力检测模块18和水下显示模块19；甲板部20包括工控机21、甲板通信机22、接口模块23和声学通信机24；

水下测控中心11与水下声学通信机12、供电模块13、高度计14、方向角检测模块15、倾角检测模块16、内压力检测模块17、外压力检测模块18和水下显示模块19分别连接，对方向角检测模块15和倾角检测模块16采集到的pitch角、roll角、heading角、高度计14采集到的吸力桩距离还低的高度、内压力检测模块17和外压力检测模块18采集到的吸力桩内外压力进行处理，并通过水下声学通信机12将处理后的信息发送给声学通信机24，水下显示模块19对采集后经处理的信息进行显示；声学通信机24、接口模块23、甲板通信机22和工控机21依次连接。

为了保证在水深1000米条件下，系统正常工作，需将测控系统和LED屏分别放置于电子舱1以及带有压力补偿的管内，起到保护系统，并且提高系统耐压的作用。其中电子舱1中包括水下测控中心11、供电模块13、高度计14、方向角检测模块15、倾角检测模块16、内压力检测模块17、外压力检测模块18和LED屏驱动192。

通过上述设置，水下系统由水下部10组成，实现对三个吸力桩监控系统过程的实时监控。水下部10中的倾角检测模块16和方位角检测模块分别通过倾角传感器161和电子罗盘151来测量水下沉桩平台的pitch角、roll角和heading角；水下沉桩平台的内外压力检测模块18包括四个高精度压力传感器171，分别测量三个吸力桩内部和外部四组压力值；高度计14测量沉桩平台距离海底的高度。水下部10包括三部分功能，一是采集内外压力传感器171、倾角传感器161和电子罗盘151，高度计14的数据；二是将传感器数据进行处理，并通过水下测控中心11中的通信模块将信息发送给水下声学通信机12，通过水下声学通信机12发送到甲板部20；三是将各传感器数据经过处理通过通信模块将信息发送给水下显示模块19，实现水下数据显示功能。甲板通信机22用来接收水下部10传输的信息，工控机21和甲板机软件将吸力桩平台信息通过图像坐标和数字的形式实时显示。

具体实施例中倾角检测模块16包括倾角传感器161，方向角检测模块15包括电子罗盘151。倾角检测模块16采用双轴倾角检测方法，且考虑到模拟输出和采集存在零漂、偏移等问题，采用数字输出方式。选择被广泛应用于精度激光平台设备、基于倾斜监测、卫星太阳能天线定位、云台调平、船舶航行姿态测量以及各种工程机械角度控制的倾角传感器161和电子罗盘151，电子罗盘151技术指标参见下表。

表1 电子罗盘151技术指标

倾角传感器161内部集成24位ARM高端系统，分辨率为4秒，响应速率高达100Hz。内部采用高分辨力差分数模转换器，内置自动补偿和滤波算法，最大程度减小了环境变化引起的误差。把静态重力场的变化转换成倾角变化，通过数字方式直接输出当前的横滚角和俯仰角。令UR,UL分别为摆锤左极板和右极板与其各自对应电极间的电压，当倾角传感器161倾斜时，UR和UL会按照一定规律变化，所以z(UR,UL)时关于倾角α的函数：α＝z(UR,UL)。

内压力检测模块17和外压力检测模块18目的是得到沉桩平台内侧和外侧的压力差以及通过监测压力值来控制声学通信机24的工作状态，防止其在使用中误打开，对通信机造成损坏。目前国内外高精度的压差传感器量程无法达到20Mpa，本系统采用两个量程为20Mpa的高精度压力传感器171分别测量水下平台上油管两侧的压力，对两侧的压力相减得到压力差。考虑到模拟量采集存在漂移误差，选择具有数字输出的高精度压力传感器171，对压力的测量进行计算，其中Press1表示平台外压力，Press2表示平台上油管内压力，单位为Kpa公式如下：

ΔPress＝Press1-Press2；

为方便对压差数值比较，对压力差换算单位为PSI，公式如下：

ΔPSI＝ΔPress×0.1450377。

水下通信一般采用比较成熟的ROV缆通信方案，但对于本系统而言，由于ROV缆的使用，会导致回收困难，且成本高，光缆铺设周期长等缺点。考虑到本系统传输数据量小的特点，因此水下通信采用声学无线通信方式。其传输量包括倾角角度、方向角度、水下沉桩平台承受的压力差、高度计14数据以及电源参数等数据信息。本系统的工作水深达1300m，设计采用水下声学通信模块，采用铝合金结构该模块的最大工作深度能够达到2000m，工作频带为18-34kHz，数据传输速率最高可达13.9kbit/s，能够满足该系统需求，另外其主机接口可配置为以太网或串口通信方式，其具体参数参见表2：

表2 水下声学通信机12技术指标

考虑到水下沉桩平台高度小于100m，在平台沉贯入泥过程中，通过高精度的高度计14获取的离底高度，可以准确计算出入泥速度，所以高度计14采用了适用于水下平台，测量精度为1mm，量程为0.1m～100m,工作带宽为500khz，通信方式采用RS232方式，工作在宽电压范围9V～28V的VA500海底高度计14，该高度计14无需问询指令，上电后按照自定义的发送速率自动发送高度数据。

水下测控中心11是整个水下部10乃至整个系统的核心，主要包括传感器开关控制、声学通信机24自动启动、水下数据显示的内容和格式控制、数据采集、数据处理、数据存储和获取当前时间等功能，采用基于STM32F1为核心处理器的嵌入式系统，系统电路设计时对各个传感器的数字量采集、模拟量采集、数字量输出和主控系统等采用模块化设计。另外，水下测控中心11还需与声学通信机24、水下显示模块19进行通信，其连接结构参见图2，水下测控中心11包括STM32F103 111和与STM32F103 111连接的SD卡112和RTC时钟113，供电模块13包括电源监测电路131，与STM32F103 111连接。

水下显示模块19包括若干个LED点阵屏191和若干个为LED点阵屏191供电的LED屏驱动192为系统提供了水下数据实时显示倾角、高度、压力差等数据的功能，防止因为水下声学通信机12出现延时导致对水下部10数据监控的实时性受到影响。水下显示模块19主要包括控制点阵屏显示的格式、数据接收以及数据显示等功能。考虑水下显示模块19显示的数据长度和字体大小的需求以及LED灯PWM驱动方式，选择集成度较高的基于WS2811的8*32全彩点阵屏幕。WS2811是将PWM控制电路与RGB芯片集成在一起的三通道LED恒流驱动控制专用电路，对其编程控制可实现256级亮度和16777216种颜色全彩显示，扫描频率不低于400Hz/s。数据协议采用电线归零码的通讯方式，级联方式参见图3。同时，因为WS2811在高速模式下工作时，数据发送速度为800Kbps，高低电平翻转速度为ns级别，因此在软件设计中需要实现ns级的延时，所以采用基于速度更快的STM32F4的嵌入式系统。

供电模块13为电池供电，根据各传感器、水下测控中心11和水下显示模块19供电需求，输入电压为3.7-4.1V的七片锂电池组成，输出电压为25.9V～28.7V。系统工作时，对电池的电压、电流进行实时监控，将数据实时传输给水下测控中心11，当电池输出电流和输出电压过大时，方便对其及时采取保护措施，如警报提醒，切断电源等。

本系统采用低功耗设计，根据不同指令改变其工作模式，起到降低功耗的作用。采用低功耗的MOSFET作为切换开关，当系统处于待机模式时，将各个传感器的电源切断，仅有MCU和水下声学通信机12工作，且MCU和水下声学通信机12在超低功耗模式下还可以进入休眠模式；当工作模式切换至正常工作模式时，将各个传感器提前2s工作，以保证系统工作稳定。

具体实施例中，进一步地，采用导通电阻较小的NMOSFET作为模式切换开关，当系统处于待机模式时，将水下显示模块19以及所有外部传感器的电源切断，仅有水下测控中心11和水下声学通信机12工作；当系统处于工作模式时，将各个传感器电源开关提前4s打开，以保证传感器稳定工作；当系统处于休眠模式时，将水下声学通信机12电源开关断开，系统停止工作，等待系统根据压力水下压力值达到指定压力数值时，再次将水下声学通信机12电源开关打开，继续工作。

对系统低功耗模式控制方式有两种，一种是由操作人员主动下达命令，将系统工作功率调至待机模式或休眠模式，第二种是水下测控中心11自动实时检测数据传输状态，如果长时间没有数据通信或者请求命令，则系统自动进入休眠模式。

甲板部20还包括甲板机软件，接收水下测控中心11的数据，对数据进行解码，以直观图像、图表、数字等形式呈现在界面上，让操控人员直观地监测水下设备的状态，并提供必要的操控按钮，实现远程遥控功能。在实现基础功能的基础上，上位机实现对水下监测节点的智能化分析，提供必要的警示、警告功能。工控机21和甲板通信机22均建立了稳定的网络连接，水下测控中心11的数据通过甲板通信机22以UDP的方式广播至网络上，数据可以直接通过UDP的方式读取，也可以转换为串口通信。另外，采用多线程方式，以保证系统的流程性和操控的响应程度。

参见图4-5为应用本发明实施例的结构示意图，三个吸力桩2之间通过连接杆件31固定连接，三个吸力桩2上设置结构物支撑平台3，每个吸力桩2上表面设置ROV抽水泵注水口4和油管接口41，电子舱1的一端也设置油管接口41，高度计14在机械机构上可以设置在水下部10的外侧。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下三桩式吸力桩监控系统，其特征在于，包括水下部和甲板部，其中，

所述水下部包括水下测控中心、水下声学通信机、供电模块、高度计、方向角检测模块、倾角检测模块、内压力检测模块、外压力检测模块和水下显示模块；所述甲板部包括工控机、甲板通信机、接口模块和声学通信机；

所述水下测控中心与水下声学通信机、供电模块、高度计、方向角检测模块、倾角检测模块、内压力检测模块、外压力检测模块和水下显示模块分别连接，对方向角检测模块和倾角检测模块采集到的pitch角、roll角、heading角、高度计采集到的吸力桩距离海底的高度、内压力检测模块和外压力检测模块采集到的吸力桩内外压力进行处理，并通过水下声学通信机将处理后的信息发送给声学通信机，水下显示模块对采集后经处理的信息进行显示；所述声学通信机、接口模块、甲板通信机和工控机依次连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述倾角检测模块包括倾角传感器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述方向角检测模块包括电子罗盘。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水下显示模块包括若干个LED点阵屏和若干个为LED点阵屏供电的LED屏驱动。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水下测控中心包括STM32F103和与STM32F103连接的SD卡和RTC时钟。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水下显示模块还包括STM32F407。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述LED屏驱动包括WS2811芯片。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述供电模块包括MOSFET，作为开关。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高度计采用VA500型号海底高度计。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述供电模块包括锂电池。

Images