CN114002683A - 防结晶水下地形探测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防结晶水下地形探测方法，包括均匀划分被测水面，得到大小相等的虚拟方形网络；将各虚拟方形网络中的实测数据组成水下地形高度实测矩阵，计算优化插值；将计算得到优化插值输入水下地形高度实测矩阵，生成优化测量显示矩阵；当局部水下地形发生变化时，对发生变化的局部区域重新测量，并更新水下地形高度实测矩阵。本发明还公开了一种基于防结晶水下探测方法的系统。本发明利用优化Shepard方法改善数据反馈的直观性；并将醋酸纤维素渗透膜分别包裹在发射换能器和回声探测仪外部，注入纯净水并通过增压泵加压，纯净水在渗透压力和增压泵加压共同作用下透过渗透膜，阻止晶核附着，从而避免探测器外部结晶影响测量。
Description
技术领域
本发明属于水下探测领域，具体涉及一种防结晶水下地形探测方法及系统。
背景技术
我国幅员辽阔，卤水矿产资源丰富，高效利用卤水资源对于巩固国防安全，改善民生经济意义显著。自然蒸发是工业采卤的重要手段，即通过日晒等方法加速溶液饱和从而使矿物盐析出沉积，进而直接捞取加工利用。对于工业盐田而言，准确探测水下矿物沉积分布情况有助于提升作业效率、降低生产成本。然而大型盐田占地几十甚至上百平方公里，引流路径、季节风向等因素均能导致不同区域矿物盐沉降速度存在差异，表现为沉积盐层厚度差异明显；对于局部区域而言，单日内日照强度变化也会改变矿物盐析出速度，盐层竖直方向上密度也存在区别，其中盐层底部受重力作用挤压密度相对较大，质地较硬，盐层上部平均密度相对较小且质地柔软。现阶段常用的滚轮式或探针式机械水深测量装置通常会陷入盐层一定距离，测量精度有限；非接触式测量手段诸如水深雷达或声波计在使用一段时间后通常会在设备表面结成盐壳，影响正常测量必须人工拆卸清理，势必增加人员工作量，延后生产进度。
目前有关含高浓度盐水体水下测量的科学研究及转化成果相对较少，诸如饱和卤水结晶等问题尚未得到通用解决方案，而物理层设备使用限制也制约了先进控制理论的推广应用。卤水矿产开采现场水下盐层厚度表征多采用二维平面显示方法，通常只作为定性参考依据，直观性差且无法直接作为采卤系统运行控制的直接依据，无法实时准确进行水下地形探测。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种防结晶水下地形探测方法，该方法能够精确对水下地形进行实时拟合，并直观反馈出来。本发明的目的之二在于还提供一种基于所述的防结晶水下地形探测方法的系统。
本发明提供的这种防结晶水下地形探测方法，包括如下步骤：
S1.均匀划分被测水面，得到大小相等的虚拟方形网络；
S2.将各虚拟方形网络中的实测数据组成水下地形高度实测矩阵，计算优化插值；
S3.将计算得到优化插值输入水下地形高度实测矩阵，生成优化测量显示矩阵；
S4.当局部水下地形发生变化时，按步骤S1中规定的网络，对发生变化的局部区域重新测量，并按照步骤S2-S3更新水下地形高度实测矩阵。
所述的步骤S1具体为以网格中心作为测量点，当测量船船体运行至网格中心点时，发送测量指令并完成一次测量，记录水深数据并备份。
所述的步骤S2，具体为，采用矩阵扩展方式计算测量点之间的地形高度；优化插值的计算方法为：
其中，f(x)表示测量点之间的优化插值；n表示最大虚拟方形网络数量；f(xi)表示第i个虚拟方形网络中的实测数据；Ki表示第i个虚拟方形网络的限制权重；μ表示拟合度系数；Pi表示第i个虚拟方形网络综合权重，具体为：
其中，n表示最大虚拟方形网络数量；θ表示求取点与相邻点的连线与x-y平面的夹角，即针对水下不同种类的矿产或泥沙引入料面坡度因素，坡度斜率越大则对应权重值越高，保证插值在斜面接近安息角的情况下具有足够的响应力度；Ki表示第i个虚拟方形网络的限制权重，具体为：
其中，Li表示求取电和相邻点的距离，R表示正交变换半径。
本发明还公开了一种基于所述的防结晶水下地形探测方法的系统，包括主支撑结构、控制装置、结晶抑制装置和探测装置；主支撑结构分别连接控制装置、结晶抑制装置和探测装置，并控制探测装置的位移运动；控制装置分别连接结晶抑制装置和探测装置，用于对水下的实测数据处理，得到水下地形；结晶抑制装置连接探测装置，并将纯净水缓慢流向外界高浓度水体，阻止晶核在水下测量设备表面附着；探测装置用于获取水下的实测数据。
基于所述的防结晶水下探测方法的系统，还包括压力检测装置，压力检测装置分别连接主支撑结构和控制装置，用于对主支撑结构的液压压力进行检测。
所述的主支撑结构包括船体、液压升降平台、主支架、主支架轴承、承重臂、万向球座、副支架和就地机座；液压升降平台固定于船体的表面，液压升降平台上安装有主支架和压力检测装置；主支架轴承安装到主支架上；承重臂的一端连接主支架轴承，另一端连接万向球座；副支架的上端连接万向球座，副支架的下端连接探测装置；液压升降平台控制防结晶水下地形探测系统在垂直方向上运动；承重臂以主支架轴承为端点现在轴承所处的平面内旋转；副支架通过万向球座为端点运动，并保持竖直状态；就地机座固定于船体的表面。
所述的控制装置包括无线网络模块、工控机和副支架姿态反馈变送器；工控机分别连接液压升降平台、无线网络模块和副支架姿态反馈变送器；工控机安装在就地基座中，用于数据处理；无线网络模块用于与外界通信；副支架姿态反馈变送器将副支架和承重臂实时角度偏差信息发送到工控机中，用于定位副支架的位置，并控制探测装置的位移；液压升降平台将液压升降平台当前高度信息发送到工控机中，并接收液压升降平台高度指令。
所述的探测装置包括发射换能器及回声探测仪支架、发射换能器、回声探测仪、法兰式固定盘、带孔多环支架底部支撑和带孔多环支架中心水平环；副支架的一端连接万向球座，副支架的另一端连接发射换能器及回声探测仪支架，发射换能器及回声探测仪支架上开有若干个通孔，用于固定螺栓和安装发射换能器或回声探测仪；用于发射换能器或回声探测仪的通孔与法兰式固定盘对应，法兰式固定盘上有若干个用于安装固定螺栓的螺栓孔，法兰式固定盘的中心有用于安装发射换能器或回声探测仪的安装孔；发射换能器连接工控机，并由工控机控制发送声波信号；回声探测仪连接工控机，并将声波脉冲回收时间信息上传到工控机；法兰式固定盘的中心安装孔在水平方向上投影形成的圆环区域中，有加压纯净水入口，加压纯净水入口为通孔，用于将纯净水加压输送到外界；发射换能器及回声探测仪支架的下方圆环空间内设有带孔多环支架；带孔多环支架包括水平设置的带孔多环支架中心水平环和垂直设置的带孔多汗支架底部支撑；带孔多环支架上开了若干小孔，用于保持带孔多环支架所处空间内各处纯净水压力相同。
所述的结晶抑制装置包括纯净水箱、防爆软管、增压泵、加长防爆软管和醋酸纤维素渗透膜；纯净水箱连接工控机，用于存储纯净水并将纯净水箱剩余水位信息发送到工控机中；纯净水箱通过防爆软管将纯净水发送到增压泵中，增压泵连接工控机，将增压泵机头压力信息发送到工控机中，并接收增压泵转速指令给纯净水的传输加压；加长防爆软管的一端连接增压泵，另一端连接加压纯净水入口，纯净水借由渗透压与增压泵压力，透过带孔多环支架中心水平环表面的醋酸纤维素渗透膜，缓慢流向外部高浓度水体，阻止晶核在水下测量设备表面附着；纯净水箱、防爆软管和增压泵安装到就地机柜中。
所述的压力检测装置包括压力装置连接顶座、连接杆、压力传感器、压力变送器和压力装置连接装置；压力装置连接顶座固定在承重臂上，压力装置连接顶座连接连接杆，连接杆连接压力装置连接装置，压力装置连接装置固定在液压升降平台上；压力传感器获取连接杆上的承重臂与液压升降平台之间的正压力信息，并通过压力变送器发送到工控机中。
本发明提供的这种防结晶水下地形探测方法及系统，利用优化Shepard方法改善数据反馈的直观性；并将醋酸纤维素渗透膜分别包裹在发射换能器和回声探测仪外部，渗透膜与发射换能器、回声探测仪间依靠带孔多环不锈钢架支撑，向支架所处空间注入纯净水并通过增压泵加压，纯净水在渗透压力和增压泵加压共同作用下透过渗透膜，阻止晶核附着，从而避免探测器外部结晶影响测量。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图。
图2为本发明系统的结构示意图。
图3为本发明系统的探测装置的俯视图。
图4为本发明系统的探测装置的中心线剖面图。
图5为本发明系统的探测装置的底部结构示意图。
具体实施方式
如图1为本发明方法的流程示意图：本发明提供的这种防结晶水下地形探测方法，包括如下步骤：
S1.均匀划分被测水面，得到大小相等的虚拟方形网络；
步骤S1具体为以网格中心作为测量点，当测量船船体运行至网格中心点时，发送测量指令并完成一次测量，记录水深数据并备份。
S2.将各虚拟方形网络中的实测数据组成水下地形高度实测矩阵，计算优化插值；
步骤S2具体为采用矩阵扩展方式计算测量点之间的地形高度；采用的优化插值算法为：
其中，f(x)表示测量点之间的优化插值；n表示最大虚拟方形网络数量；f(xi)表示第i个虚拟方形网络中的实测数据；Ki表示第i个虚拟方形网络的限制权重；μ表示拟合度系数；Pi表示第i个虚拟方形网络综合权重，具体为：
其中，n表示最大虚拟方形网络数量；θ表示求取点与相邻点的连线与x-y平面的夹角，即针对水下不同种类的矿产或泥沙引入料面坡度因素，坡度斜率越大则对应权重值越高，保证插值在斜面接近安息角的情况下具有足够的响应力度；Ki表示第i个虚拟方形网络的限制权重，具体为：
其中，Li表示求取电和相邻点的距离，R表示正交变换半径。
S3.将计算得到优化插值输入水下地形高度实测矩阵，生成优化测量显示矩阵；
S4.当局部水下地形发生变化时，按步骤S1中规定的网络，对发生变化的局部区域重新测量，并按照步骤S2-S3更新水下地形高度实测矩阵。
如图2为本发明系统的结构示意图。如图3为本发明系统的探测装置的俯视图，如图4为本发明系统的探测装置的中心线剖面图，如图5为本发明系统的探测装置的底部结构示意图。本发明系统包括两个如图3-5所示的探测装置。
本发明还提供了一种基于上述防结晶水下地形探测方法的系统，包括主支撑结构、控制装置、结晶抑制装置和探测装置；主支撑结构分别连接控制装置、结晶抑制装置和探测装置，并控制探测装置的位移运动；控制装置分别连接结晶抑制装置和探测装置，用于对水下的实测数据处理，得到水下地形；结晶抑制装置连接探测装置，并将纯净水缓慢流向外界高浓度水体，阻止晶核在水下测量设备表面附着；探测装置用于获取水下的实测数据。
所述的系统还包括压力检测装置，压力检测装置分别连接主支撑结构和控制装置，用于对主支撑结构的液压压力进行检测。
所述的主支撑结构包括船体1、液压升降平台2、主支架3、主支架轴承4、承重臂5、万向球座15、副支架16和就地机座30；液压升降平台2固定于船体1的表面，液压升降平台2上安装有主支架3和压力检测装置；主支架轴承4安装到主支架3上；承重臂5的一端连接主支架轴承4，另一端连接万向球座15；副支架16的上端连接万向球座，副支架16的下端连接探测装置；液压升降平台控制防结晶水下地形探测系统在垂直方向上运动；承重臂5以主支架轴承4为端点现在轴承所处的平面内360度自由旋转；副支架16通过万向球座15为端点运动，并保持竖直状态；就地机座30固定于船体1的表面。
所述的控制装置包括无线网络模块10、工控机11和副支架姿态反馈变送器28；工控机11分别连接液压升降平台2、无线网络模块10和副支架姿态反馈变送器28；工控机11安装在就地基座30中；工控机能够接收液压升降平台当前高度信息、承重臂与液压升降平台之间的正压力信息、纯净水箱剩余水位信息、增压泵机头压力信息、副支架和承重臂实时角度偏差信息和声波脉冲回收时间信息等，并输出液压升降平台高度指令、增压泵转速指令和发射换能器脉冲指令等。无线网络模块10用于与外界通信；副支架姿态反馈变送器28将副支架和承重臂实时角度偏差信息发送到工控机11中，用于定位副支架16的位置并控制探测装置的位移；液压升降平台2将液压升降平台当前高度信息发送到工控机11中，并接收液压升降平台高度指令。本实施例中的信号通信采用超七类网线20。
所述的探测装置包括发射换能器及回声探测仪支架24、发射换能器18、回声探测仪19、法兰式固定盘23、带孔多环支架底部支撑25和带孔多环支架中心水平环26；副支架16的一端连接万向球座15，副支架16的另一端连接发射换能器及回声探测仪支架24，发射换能器及回声探测仪支架24上开有若干个通孔，用于固定螺栓22和安装发射换能器或回声探测仪；用于发射换能器或回声探测仪的通孔与法兰式固定盘23对应，法兰式固定盘23上在靠近边沿处等距离开有8个用于安装固定螺栓22的螺栓孔，法兰式固定盘23的中心开有用于安装发射换能器18或回声探测仪19的安装孔，安装孔内绞有内螺纹27；发射换能器18连接工控机11，并由工控机11控制发出声波信号，即发射换能器18为本实施例的发射器；回声探测仪19连接工控机11，并将声波脉冲回收时间信息上传到工控机11，即回声探测仪为本实施例的接收器；法兰式固定盘23的中心安装孔直径小于发射换能器及回声探测仪支架24上用于安装发射换能器或回声探测仪的通孔，因此在水平方向上投影形成一个粗细均匀的圆环，圆环区域中开有加压纯净水入口21，加压纯净水入口21为通孔，用于将纯净水加压输送到外界；发射换能器及回声探测仪支架24的下方圆环空间内设有带孔多环支架；带孔多环支架包括水平设置的带孔多环支架中心水平环26和垂直设置的带孔多汗支架底部支撑25，其中带孔多汗支架底部支撑25与带孔多环支架中心水平环26在高度方向上均匀布置；带孔多环支架上开了若干小孔，以保证带孔多环支架所处空间内各处纯净水压力相同。
所述的结晶抑制装置包括纯净水箱12、防爆软管13、增压泵14、加长防爆软管17和醋酸纤维素渗透膜29；纯净水箱12连接工控机11，用于存储纯净水并将纯净水箱剩余水位信息发送到工控机11中；纯净水箱12通过防爆软管13将纯净水发送到增压泵14中，增压泵14连接工控机11，将增压泵机头压力信息发送到工控机11中，并接收增压泵转速指令给纯净水的传输加压；加长防爆软管17的一端连接增压泵14，另一端连接加压纯净水入口21，纯净水借由渗透压与增压泵压力，透过带孔多环支架中心水平环26表面的醋酸纤维素渗透膜29，缓慢流向外部高浓度水体，阻止晶核在水下测量设备表面附着进而解决结晶附着问题。纯净水箱12、防爆软管13和增压泵14安装到就地机柜30中。
所述的压力检测装置包括压力装置连接顶座6、连接杆7、压力传感器8、压力变送器9和压力装置连接装置31；压力装置连接顶座6固定在承重臂5上，压力装置连接顶座6连接连接杆7，连接杆7连接压力装置连接装置31，压力装置连接装置固定在液压升降平台2上；压力传感器8获取连接杆7上的承重臂与液压升降平台之间的正压力信息并通过压力变送器9发送到工控机11中。
在具体实施方式中，本发明提供了基于上述装置的系统优化监测策略，通过实时监控系统状态延长检修周期，从而降低人员劳动强度。具体包括以下步骤：
步骤一、系统启动，此时刻液压升降平台2为升起状态，增压泵14运行，向系统充水，同时开始计时。
步骤二、系统到达预设时间且压力变送器9反馈信号和纯净水箱12水位信号正常，则液压平台2下降，探测装置进入水面下方。发射换能器18和回声探测仪19进入工作状态。
1)从系统启动开始，若增压泵14机头压力信号偏大，则判断为纯净水管路堵塞；若达到预设时间后增压泵14机头压力信号偏小，则判断为醋酸纤维素渗透膜29破裂。发生上述条件向工控机11发送错误报警信号，同时执行步骤四。
2)从系统启动开始，若纯净水箱12水位信号低于预设值，需要补充防结晶纯净水。发生上述条件向工控机11发送错误报警信号，同时执行步骤四步骤。
步骤三、系统停机，若收到远程或就地停机指令，则停止发射换能器18和回声探测仪19工作。升起液压升降平台2，当液压升降平台2运动到指定位置，停止增压泵14，同时将停机状态信号反馈至工控机保存。若收到开机指令，重新执行步骤一。
步骤四、系统故障，若系统发生步骤1)或步骤2)所述故障，则立刻提升液压升降平台2，同时停止发射换能器18和回声探测仪19工作并关闭增压泵14，系统状态由工控机11记录并通过无线网络模块10向远端DCS发送报警信号请求人工维修处理。维修完成后，收到开机指令则重新执行步骤一。
本发明提高了系统反馈能力，从而提高了资源开采利用效率，降低了人员劳动强度。
在本实施例中以国内某盐湖化工企业为对象，在1平方公里区域以1000平面米方形区域作为最小网格，系统安装于水采船尾部。采用人工测量方式进行对比，水下地形高度实验实测矩阵维度为1000×1000矩阵，优化测量显示矩阵维度扩大为10000×10000矩阵，标幺化处理后与人工对比方差为0.18，小于20％预设要求，证实了发明的有效性和实用意义。
Claims (10)
1.一种防结晶水下地形探测方法，其特征在于包括如下步骤：
S1.均匀划分被测水面，得到大小相等的虚拟方形网络；
S2.将各虚拟方形网络中的实测数据组成水下地形高度实测矩阵，计算优化插值；
S3.将计算得到优化插值输入水下地形高度实测矩阵，生成优化测量显示矩阵；
S4.当局部水下地形发生变化时，按步骤S1中规定的网络，对发生变化的局部区域重新测量，并按照步骤S2-S3更新水下地形高度实测矩阵。
2.根据权利要求1所述的防结晶水下探测方法，其特征在于所述的步骤S1具体为以网格中心作为测量点，当测量船船体运行至网格中心点时，发送测量指令并完成一次测量，记录水深数据并备份。
3.根据权利要求2所述的防结晶水下探测方法，其特征在于所述的步骤S2，具体为，采用矩阵扩展方式计算测量点之间的地形高度；优化插值的计算方法为：
其中，f(x)表示测量点之间的优化插值；n表示最大虚拟方形网络数量；f(xi)表示第i个虚拟方形网络中的实测数据；Ki表示第i个虚拟方形网络的限制权重；μ表示拟合度系数；Pi表示第i个虚拟方形网络综合权重，具体为：
其中，n表示最大虚拟方形网络数量；θ表示求取点与相邻点的连线与x-y平面的夹角，即针对水下不同种类的矿产或泥沙引入料面坡度因素，坡度斜率越大则对应权重值越高，保证插值在斜面接近安息角的情况下具有足够的响应力度；Ki表示第i个虚拟方形网络的限制权重，具体为：
其中，Li表示求取电和相邻点的距离，R表示正交变换半径。
4.一种基于权利要求1～3之一所述的防结晶水下探测方法的系统，其特征在于包括主支撑结构、控制装置、结晶抑制装置和探测装置；主支撑结构分别连接控制装置、结晶抑制装置和探测装置，并控制探测装置的位移运动；控制装置分别连接结晶抑制装置和探测装置，用于对水下的实测数据处理，得到水下地形；结晶抑制装置连接探测装置，并将纯净水缓慢流向外界高浓度水体，阻止晶核在水下测量设备表面附着；探测装置用于获取水下的实测数据。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于本系统还包括压力检测装置，压力检测装置分别连接主支撑结构和控制装置，用于对主支撑结构的液压压力进行检测。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于所述的主支撑结构包括船体、液压升降平台、主支架、主支架轴承、承重臂、万向球座、副支架和就地机座；液压升降平台固定于船体的表面，液压升降平台上安装有主支架和压力检测装置；主支架轴承安装到主支架上；承重臂的一端连接主支架轴承，另一端连接万向球座；副支架的上端连接万向球座，副支架的下端连接探测装置；液压升降平台控制防结晶水下地形探测系统在垂直方向上运动；承重臂以主支架轴承为端点现在轴承所处的平面内旋转；副支架通过万向球座为端点运动，并保持竖直状态；就地机座固定于船体的表面。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于所述的控制装置包括无线网络模块、工控机和副支架姿态反馈变送器；工控机分别连接液压升降平台、无线网络模块和副支架姿态反馈变送器；工控机安装在就地基座中，用于数据处理；无线网络模块用于与外界通信；副支架姿态反馈变送器将副支架和承重臂实时角度偏差信息发送到工控机中，用于定位副支架的位置，并控制探测装置的位移；液压升降平台将液压升降平台当前高度信息发送到工控机中，并接收液压升降平台高度指令。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于所述的探测装置包括发射换能器及回声探测仪支架、发射换能器、回声探测仪、法兰式固定盘、带孔多环支架底部支撑和带孔多环支架中心水平环；副支架的一端连接万向球座，副支架的另一端连接发射换能器及回声探测仪支架，发射换能器及回声探测仪支架上开有若干个通孔，用于固定螺栓和安装发射换能器或回声探测仪；用于发射换能器或回声探测仪的通孔与法兰式固定盘对应，法兰式固定盘上有若干个用于安装固定螺栓的螺栓孔，法兰式固定盘的中心有用于安装发射换能器或回声探测仪的安装孔；发射换能器连接工控机，并由工控机控制发送声波信号；回声探测仪连接工控机，并将声波脉冲回收时间信息上传到工控机；法兰式固定盘的中心安装孔在水平方向上投影形成的圆环区域中，有加压纯净水入口，加压纯净水入口为通孔，用于将纯净水加压输送到外界；发射换能器及回声探测仪支架的下方圆环空间内设有带孔多环支架；带孔多环支架包括水平设置的带孔多环支架中心水平环和垂直设置的带孔多汗支架底部支撑；带孔多环支架上开了若干小孔，用于保持带孔多环支架所处空间内各处纯净水压力相同。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于所述的结晶抑制装置包括纯净水箱、防爆软管、增压泵、加长防爆软管和醋酸纤维素渗透膜；纯净水箱连接工控机，用于存储纯净水并将纯净水箱剩余水位信息发送到工控机中；纯净水箱通过防爆软管将纯净水发送到增压泵中，增压泵连接工控机，将增压泵机头压力信息发送到工控机中，并接收增压泵转速指令给纯净水的传输加压；加长防爆软管的一端连接增压泵，另一端连接加压纯净水入口，纯净水借由渗透压与增压泵压力，透过带孔多环支架中心水平环表面的醋酸纤维素渗透膜，缓慢流向外部高浓度水体，阻止晶核在水下测量设备表面附着；纯净水箱、防爆软管和增压泵安装到就地机柜中。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于所述的压力检测装置包括压力装置连接顶座、连接杆、压力传感器、压力变送器和压力装置连接装置；压力装置连接顶座固定在承重臂上，压力装置连接顶座连接连接杆，连接杆连接压力装置连接装置，压力装置连接装置固定在液压升降平台上；压力传感器获取连接杆上的承重臂与液压升降平台之间的正压力信息，并通过压力变送器发送到工控机中。
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