CN114993251A - 一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统及其方法，包括水箱、设于所述水箱内部的抛泥盒和用于抛泥盒在水箱中上下运动的升降机构，还包括用于对泥沙进行测量的测量机构、用于上下调节的垂直调节机构、用于基于水平面进行平面调节的平面调节机构、用于控制和测量机构信号接收处理的上位机测量软件。本发明的微地形测量系统不仅能够实现疏浚船的实验室抛泥试验模拟操作，同时可快速安装微地形测量系统，针对抛泥形成的水下泥沙堆积体，进行快速和准确的测量工作；有利于在室内试验场地进行可视化全程监控试验。

Description

一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统及其方法

技术领域

本发明涉及水利工程物理模型试验设备技术领域，特别是一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统及其方法。

背景技术

疏浚船是我国的利器之一，在吹填造地中起着决定性的作用，疏浚船是专门从事海底泥沙沉积物挖掘工作的大型工程船只，它可以通过强力的吸附装置，从海底将泥沙沉积物吸到水面，再通过船上的喷洒装置，将泥沙喷入事先搭建好的框架之中，疏浚船的吹填造地分为艏吹、艏喷和底抛三种形式，本发明针对底抛作业方式。

在疏浚船底抛泥沙过程中，由于现场水文和水深条件复杂，因此，入水泥沙在海底的形态对吹填效率具有较大的影响，目前关于底抛泥沙在海底的形态问题，由于现场试验成本太高，因此实验室研究是较好的手段，同时抛泥试验研究者较少，导致该类试验装置相对较少，又因为需求量少，现阶段还没有相应的设备针对疏浚船底抛泥沙进行实验记录测试，多靠手工加工，基于此，发明了本装置对疏浚船抛泥进行物理性试验。

发明内容

鉴于上述现有的水利工程物理模型试验设备中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明其中的一个目的是提供一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统，该试验的微地形测量系统不仅能够实现疏浚船的实验室抛泥试验模拟操作，同时可快速安装微地形测量系统，针对抛泥形成的水下泥沙堆积体进行快速和准确的测量。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括水箱、设于所述水箱内部的抛泥盒和用于抛泥盒在水箱中上下运动的升降机构；

还包括用于对落入所述水箱底部泥沙进行测量的测量机构、用于所述测量机构上下调节的垂直调节机构、用于所述测量机构基于水平面进行平面调节的平面调节机构、用于所述平面调节机构控制和所述测量机构信号接收处理的上位机测量软件；其中，所述测量机构和平面调节机构均连接上位机测量软件，上位机测量软件控制平面调节机构，使得测量机构在水箱的顶部平面上进行调节后，移动到指定测量位置，通过垂直调节机构调节测量机构接触到水下泥沙堆积体表面，测量机构获得测量数据，并将平面调节机构位置与测针的测量值反馈给上位机测量软件，上位机测量软件通过控制平面调节机构重复测量机构接触到水下泥沙堆积体表面的操作，完成整个微地形的测量，通过地形测量数据绘制出水下泥沙堆积体的三维形态。

作为本发明的一种优选方案，其中：所述升降机构包括第一支撑架、第二支撑架、旋转环和滑丝杆，所述旋转环与所述滑丝杆螺纹连接，所述第一支撑架搭设在水箱顶部，所述旋转环呈对称状安装在所述第一支撑架上，且旋转环与第一支撑架活动连接，所述滑丝杆的底端穿过所述第一支撑架延伸至水箱的内腔中，且滑丝杆的底端活动连接第二支撑架，所述第二支撑架上设有抛泥盒，所述第一支撑架和第二支撑架在水箱上保持平行并竖直设置，且所述第一支撑架的长度大于第二支撑架。由此可知，通过升降机构可实现对第二支撑架上的抛泥盒的上下移动，将抛泥盒固定至要求高度后开始微地形测量。

作为本发明的一种优选方案，其中：所述平面调节机构包括两个呈对称状的安装在所述水箱顶部的钢轨道、安装在所述钢轨道上的滑轨小车、安装在所述滑轨小车之间的地形仪支撑杆和安装在所述地形仪支撑杆上的测针小车；所述钢轨道与地形仪支撑杆整体呈H型设置，所述滑轨小车采用电机驱动车轮在所述钢轨道上移动，所述测针小车采用滑动摩擦导轨在所述地形仪支撑杆上移动。基于上述，平面调节机构可使测量机构中的测针在水箱内进行移动调节，并且同步记录滑轨小车与测针小车的位置，反馈给上位机测量软件，完成数据的统计。

作为本发明的一种优选方案，其中：所述测量机构包括标尺和安装在所述标尺底部的测针，所述标尺的顶部穿过所述测针小车并安装有激光反射板；所述垂直调节机构包括旋转套，所述标尺为圆柱形设置，通过旋转套连接测针，所述旋转套上安装有激光器。可知，通过激光器可获取标尺的高度信息，且激光器发射信号至激光反射板上后获得读数，经由电源与信号接口将标尺测量值反馈给上位机测量软件。

作为本发明的一种优选方案，其中：所述水箱的顶部边缘外部上缠绕并紧固有水箱箍筋，所述钢轨道呈内嵌式的安装在所述水箱的内腔顶部。钢轨道安装水平且位置合理。

作为本发明的一种优选方案，其中：所述钢轨道的长度小于所述水箱的内长，钢轨道的两端均开设有螺纹孔，且通过螺纹孔安装有旋转连接的定位杆，所述定位杆的末端安装有防滑抵接块。通过定位杆和防滑抵接块的设置，可快速的安装或拆除此平面调节机构，完成抛泥试验装置与微地形测量系统的互换。

作为本发明的一种优选方案，其中：所述水箱为透明材质设置，所述水箱的前壁上呈垂直状的安装有水平和竖直的刻度尺，且水箱的后壁上安装有供所述微地形测量系统运行的电源与信号接口。其中刻度尺以便于工作人员旋转旋转环固定抛泥盒至要求高度，以及其他的观察作业。

作为本发明的一种优选方案，其中：所述上位机测量软件获得的数据信息包括滑轨小车步长、测针小车步长、滑轨小车正反向运动、测针小车正反向运动以及滑轨小车是否同步行走；且上位机测量软件还包括通讯检测模块，所述通讯检测模块对滑轨小车、测针小车和激光器的输入信号进行通讯检测。基于上述，上位机测量软件不仅可实现对滑轨小车、测针小车和激光器的输入信号的通讯检测、处理和显示，同时可控制滑轨小车和测针小车的正反向运动，进一步地，上位机测量软件通过数据的传输，可通过地形测量数据绘制出水下泥沙堆积体的三维形态。

一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统的方法，包括在水箱中进行抛泥试验形成水下泥沙堆积体，基于水下泥沙堆积体进行微地形测量；

所述抛泥试验进一步地，在水箱中注入预设高度的清水，将泥沙装入抛泥盒，放置在第二支撑架上，通过刻度尺确定要求高度，转动安装在滑丝杆上的旋转环将抛泥盒固定至要求高度，开始抛泥试验，在一段时间后形成水下泥沙堆积体；

所述微地形测量进一步地，微地形测量系统通过外部电源以及信号接口，为测针小车的电机、滑轨小车的电机和激光器供电，通过上位机测量软件测试测针小车的电机、滑轨小车的电机和激光器的通讯信号，在通讯信号联通的条件下，开始微地形测量，通过上位机测量软件控制测针小车和滑轨小车供电，在相应的地形仪支撑杆与钢轨道上进行平面控制调节，直至测针小车到指定测量位置，此时，转动旋转螺母使得标尺上的测针针头向下运动直至测针针头接触到水下泥沙堆积体表面，同时激光器发射信号至激光反射板后获得读数，经由电源与信号接口将测针小车的电机位置、滑轨小车的电机位置和激光器的测量值反馈给上位机测量软件，上位机测量软件通过控制平面调节机构重复测量机构接触到水下泥沙堆积体表面的操作，完成整个微地形的测量，通过地形测量数据绘制出水下泥沙堆积体的三维形态。

本发明的有益效果：本发明的疏浚船试验的微地形测量系统不仅能够实现疏浚船的实验室抛泥试验模拟操作，同时可快速安装微地形测量系统，针对抛泥形成的水下泥沙堆积体，进行快速和准确的测量工作，有利于在室内试验场地进行可视化全程监控试验，进而填补了现阶段缺少疏浚船抛泥进行物理性试验相关设备的缺点，对疏浚船底抛泥沙进行实验记录测试具有很好的试验记录效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明实施例中疏浚船抛泥试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中微地形测量系统的结构示意图；

图3为本发明实施例中钢轨道、滑轨小车和地形仪支撑杆的结构示意图；

图4为本发明实施例中上位机测量软件的显示界面示意图；

图5为本发明实施例中疏浚船抛泥试验装置与微地形测量系统的工作原理图；

图6为本发明实施例中通过地形测量数据绘制的堆积体三维形态示意图。

图中标号：1、钢轨道；2、水箱箍筋；3、刻度尺；4、激光器；5、电源与信号接口；6、标尺滑套；7、旋转螺母；8、滑轨小车；9、车轮；10、地形仪支撑杆；11、测针小车；12、标尺；13、激光反射板；14、测针；15、旋转环；16、滑丝杆；17、第一支撑架；18、抛泥盒；19、第二支撑架。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。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。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于现阶段缺少一种抛泥试验装置与对抛泥沙进行测量记录的系统，介于此，本实施例提供一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统及其方法。下面通过实施例并结合附图对本方案做进一步具体说明。

请参考图1，为本发明的一实施例，为疏浚船抛泥试验装置，包括水箱、设于水箱内部的抛泥盒18和用于抛泥盒18在水箱中上下运动的升降机构；具体地，升降机构包括第一支撑架17、第二支撑架19、旋转环15和与旋转环15螺纹连接的滑丝杆16，第一支撑架17搭设在水箱顶部，旋转环15呈对称状安装在第一支撑架17上，且旋转环15与第一支撑架17活动连接，滑丝杆16的底端穿过第一支撑架17延伸至水箱的内腔中，其底端活动连接第二支撑架19，第二支撑架19上设有抛泥盒18，第一支撑架17和第二支撑架19在水箱上保持平行并竖直设置，且第一支撑架17的长度大于第二支撑架19。

请参考图2，为本发明的一实施例，为微地形测量系统，其包括用于对落入水箱底部泥沙进行测量的测量机构、用于测量机构上下调节的垂直调节机构、用于测量机构基于水平面进行平面调节的平面调节机构、用于平面调节机构控制和测量机构信号接收处理的上位机测量软件；其中，所述测量机构和平面调节机构分别对应的连接上位机测量软件，上位机测量软件控制平面调节机构，使得测量机构在水箱的顶部平面上进行调节后，移动到指定测量位置，通过垂直调节机构调节测量机构接触到水下泥沙堆积体表面，测量机构获得测量数据，并将平面调节机构位置与测针14的测量值反馈给上位机测量软件，上位机测量软件通过控制平面调节机构重复测量机构接触到水下泥沙堆积体表面的操作，完成整个微地形的测量，通过地形测量数据绘制出水下泥沙堆积体的三维形态。

请参考图2和图3，为本发明的一实施例，平面调节机构包括两个呈对称状的安装在水箱顶部的钢轨道1、安装在钢轨道1上的滑轨小车8、安装在滑轨小车8之间的地形仪支撑杆10和安装在地形仪支撑杆10上的测针小车11；钢轨道1与地形仪支撑杆10整体呈H型设置，滑轨小车8采用电机驱动的车轮9在钢轨道1上移动，测针小车11采用滑动摩擦导轨在地形仪支撑杆10上移动；基于上述，平面调节机构可使测量机构中的测针14在水箱内进行移动调节，并且同步记录滑轨小车8与测针小车11的位置，反馈给上位机测量软件，完成数据的统计。

本实施例的测量机构包括标尺12和安装在标尺12底部的测针14，标尺12的顶部穿过测针小车11并安装有激光反射板13；垂直调节机构包括旋转套及旋转螺母7，标尺12为圆柱形设置，且安装有标尺滑套6，通过旋转螺母7连接测针14，旋转螺母7上安装有激光器4。可知，通过激光器4可获取标尺12的高度信息，且激光器4发射信号至激光反射板13后获得读数，经由电源与信号接口5将标尺12测量值反馈给上位机测量软件。

此外本实施例水箱的顶部边缘外部上缠绕并紧固有水箱箍筋2，钢轨道1呈内嵌式的安装在水箱的内腔顶部。钢轨道1安装水平且位置合理。

进一步地，钢轨道1的长度小于水箱的内长，钢轨道1两端均开设有螺纹孔，且通过螺纹孔安装有旋转连接的定位杆，定位杆的末端安装有防滑抵接块。通过定位杆和防滑抵接块的设置，可快速的安装或拆除此平面调节机构，完成抛泥试验装置与微地形测量系统的互换。

优选地，本实施例的水箱为透明材质设置，水箱的前壁上呈垂直状的安装有水平和竖直的刻度尺3，且水箱的后壁上安装有供微地形测量系统运行的电源与信号接口5。其中刻度尺3便于工作人员旋转旋转环15固定抛泥盒18至要求高度，以及其他的观察作业。

请参考图4，为上位机测量软件的显示界面示意，本实施例的上位机测量软件获得的数据信息包括滑轨小车8步长、测针小车11步长、滑轨小车8正反向运动、测针小车11正反向运动以及滑轨小车8是否同步行走；且上位机测量软件还包括通讯检测模块，通讯检测模块对滑轨小车8、测针小车11和激光器4的输入信号进行通讯检测。上位机测量软件不仅可实现对滑轨小车8、测针小车11和激光器4的输入信号的通讯检测、处理和显示，同时可控制滑轨小车8和测针小车11的正反向运动，进一步地，上位机测量软件通过数据的传输，可通过地形测量数据绘制出水下泥沙堆积体的三维形态。

一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统的方法，具体如下：

步骤1、在水箱中注入一定高度的清水；

步骤2、将试验泥沙装入抛泥盒18中，放置在第二支撑架19上，旋转第一支撑架17上的旋转环15，通过水箱上的刻度尺3确认，使得抛泥盒的底部没入水体表面；

步骤3、打开抛泥盒18底部，使得盒中泥沙落入水中；

步骤4、取下抛泥装置，安装微地形测量系统；

步骤5、地形测量系统供电，通过测量软件测验测针小车11、滑轨小车8与激光器4的通讯，在通讯联通的条件下，准备地形测量；

步骤6：打开上位机测量软件，输入滑轨小车8步长和测针小车11的步长数值，滑轨小车8和测针小车11通过电机控制，当上位机测量软件输入的步长数值通过信号线传输给电机后，电机驱动转轴使得电机驱动的车轮9向指定方向运动步长数值，重复上述操作，使得测针小车11达到指定测量位置；

步骤7、当小车到达指定测量位置后，转动旋转螺母7使得测针14接触到泥沙堆积体表面，此时激光器4向标尺12上部激光反射板13发出测量信号，测距通过信号线返回上位机测量软件，并记录；

通过步骤6和步骤7，即完成了泥沙堆积体的微地形的点测量，重复步骤6和步骤7可完成泥沙堆积体的面测量；

步骤8、计算微地形绝对高程，设激光器4测量的水箱底部测距为H1，测量的泥沙堆积体某点的测距为H2，测改点的绝对高程为Hx=H1-H2，进而依据计算的各个堆积体的绝对高程，可计算堆积体的各个参数，上位机测量软件通过控制平面调节机构重复测量机构接触到水下泥沙堆积体表面的操作，完成整个微地形的测量，通过地形测量数据绘制出水下泥沙堆积体的三维形态，泥沙堆积体的三维形态如图6所示。

综上所述，本发明的发明点主要体现在疏浚船抛泥试验装置和微地形测量系统均基于同一水箱进行试验工作，在工作时，不仅安装和拆卸简单便捷，易于换装对应的抛泥试验装置和微地形测量系统，同时根据相应的调节设备，便于试验人员对抛泥试验装置和微地形测量系统中的机构进行调节使用。此外，采用本装置测量系统，针对抛泥形成的水下泥沙堆积体快速和准确的测量工作，有利于在室内试验场地进行可视化全程监控试验，进而填补了现阶段缺少疏浚船抛泥进行物理性试验相关设备的缺点，对疏浚船底抛泥沙进行实验记录测试具有很好的试验记录效果。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统，其特征在于，包括水箱、设于所述水箱内部的抛泥盒（18）和用于抛泥盒（18）在水箱中上下运动的升降机构；

还包括用于对落入所述水箱底部泥沙进行测量的测量机构、用于所述测量机构上下调节的垂直调节机构、用于所述测量机构基于水平面进行平面调节的平面调节机构、用于所述平面调节机构控制和所述测量机构信号接收处理的上位机测量软件；所述平面调节机构包括两个呈对称状的安装在所述水箱顶部的钢轨道（1）、安装在所述钢轨道（1）上的滑轨小车（8）、安装在所述滑轨小车（8）之间的地形仪支撑杆（10）和安装在所述地形仪支撑杆（10）上的测针小车（11）；

其中，所述测量机构和平面调节机构均连接上位机测量软件，上位机测量软件控制平面调节机构，使得测量机构在水箱的顶部平面上进行调节后，移动到指定测量位置，通过垂直调节机构调节测量机构接触到水下泥沙堆积体表面，测量机构获得测量数据，并将平面调节机构位置与测针（14）的测量值反馈给上位机测量软件，上位机测量软件通过控制平面调节机构重复测量机构接触到水下泥沙堆积体表面的操作，完成整个微地形的测量，通过地形测量数据绘制出水下泥沙堆积体的三维形态。

2.如权利要求1所述的一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统，其特征在于，所述升降机构包括第一支撑架（17）、第二支撑架（19）、旋转环（15）和滑丝杆（16），旋转环（15）与滑丝杆（16）螺纹连接，所述第一支撑架（17）搭设在水箱顶部，所述旋转环（15）呈对称状安装在所述第一支撑架（17）上，且旋转环（15）与第一支撑架（17）活动连接，所述滑丝杆（16）的底端穿过所述第一支撑架（17）延伸至水箱的内腔中，且滑丝杆（16）的底端活动连接第二支撑架（19），所述第二支撑架（19）上设有抛泥盒（18），所述第一支撑架（17）和第二支撑架（19）在水箱上保持平行并竖直设置，且所述第一支撑架（17）的长度大于第二支撑架（19）。

3.如权利要求1所述的一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统，其特征在于，所述钢轨道（1）与地形仪支撑杆（10）整体呈H型设置，所述滑轨小车（8）采用电机驱动车轮（9）在所述钢轨道（1）上移动，所述测针小车（11）采用滑动摩擦导轨在所述地形仪支撑杆（10）上移动。

4.如权利要求2所述的一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统，其特征在于，所述测量机构包括标尺（12）和安装在所述标尺（12）底部的测针（14），所述标尺（12）的顶部穿过所述测针小车（11）并安装有激光反射板（13）；

所述垂直调节机构包括旋转套，所述标尺（12）为圆柱形设置，通过旋转套连接测针（14），所述旋转套上安装有激光器（4）。

5.如权利要求1所述的一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统，其特征在于，所述水箱的顶部边缘外部上缠绕并紧固有水箱箍筋（2），所述钢轨道（1）呈内嵌式的安装在所述水箱的内腔顶部。

6.如权利要求5所述的一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统，其特征在于，所述钢轨道（1）的长度小于所述水箱的内长，钢轨道（1）的两端均开设有螺纹孔，且通过螺纹孔安装有旋转连接的定位杆，所述定位杆的末端安装有防滑抵接块。

7.如权利要求4所述的一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统，其特征在于，所述水箱为透明材质设置，所述水箱的前壁上呈垂直状的安装有水平和竖直的刻度尺（3），且水箱的后壁上安装有供所述微地形测量系统运行的电源与信号接口（5）。

8.如权利要求4所述的一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统，其特征在于，所述上位机测量软件获得的数据信息包括滑轨小车（8）步长、测针小车（11）步长、滑轨小车（8）正反向运动、测针小车（11）正反向运动以及滑轨小车（8）是否同步行走；

上位机测量软件还包括通讯检测模块，所述通讯检测模块对滑轨小车（8）、测针小车（11）和激光器（4）的输入信号进行通讯检测。

9.基于权利要求7所述的一种基于疏浚船抛泥试验的微地形测量系统的方法，其特征在于，包括在水箱中进行抛泥试验形成水下泥沙堆积体，基于水下泥沙堆积体进行微地形测量；

所述抛泥试验进一步地，在水箱中注入预设高度的清水，将泥沙装入抛泥盒（18），放置在第二支撑架（19）上，通过刻度尺（3）确定要求高度，转动安装在滑丝杆（16）上的旋转环（15）将抛泥盒（18）固定至要求高度，开始抛泥试验，在一段时间后形成水下泥沙堆积体；

所述微地形测量进一步地，微地形测量系统通过外部电源以及信号接口（5），为测针小车（11）的电机、滑轨小车（8）的电机和激光器（4）供电，通过上位机测量软件测试测针小车（11）的电机、滑轨小车（8）的电机和激光器（4）的通讯信号，在通讯信号联通的条件下，开始微地形测量，通过上位机测量软件控制测针小车（11）和滑轨小车（8）供电，在相应的地形仪支撑杆（10）与钢轨道（1）上进行平面控制调节，直至测针小车（11）到指定测量位置，此时，转动旋转套使得标尺（12）上的测针（14）针头向下运动，直至测针（14）针头接触到水下泥沙堆积体表面，同时激光器（4）发射信号至激光反射板（13）后获得读数，经由电源与信号接口（5）将测针小车（11）的电机位置、滑轨小车（8）的电机位置和激光器（4）的测量值反馈给上位机测量软件，上位机测量软件通过控制平面调节机构重复测量机构接触到水下泥沙堆积体表面的操作，完成整个微地形的测量，通过地形测量数据绘制出水下泥沙堆积体的三维形态。

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