離岸深水構(gòu)筑物的自動監(jiān)測新方法

喻志發(fā)，楊京方，解林博，朱耀庭

（中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津 300222）

0 引言

近年來水運工程建設(shè)飛速發(fā)展，海上施工項目的水深越來越大，距離陸地越來越遠(yuǎn)，施工時受地質(zhì)條件、氣象條件的影響也逐步加大。如何實時、準(zhǔn)確地獲得該類工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)，一直是水運行業(yè)關(guān)注的焦點。

在監(jiān)測項目實施過程中，會受到惡劣天氣和施工的影響。如在大風(fēng)浪、暴雨、雪、大霧等情況下，測量船不能及時到達測量位置并采集到現(xiàn)場數(shù)據(jù)，而惡劣天氣恰恰對工程的穩(wěn)定和安全極為不利，監(jiān)測數(shù)據(jù)的缺失可能會造成在關(guān)鍵時刻無法掌握結(jié)構(gòu)物的狀態(tài)，不能充分發(fā)揮監(jiān)測的重要作用。施工的干擾體現(xiàn)在施工船舶眾多，作業(yè)船有可能就位于測量儀器的位置，如果要測量則需要暫停施工，這勢必會影響到施工的進度。

傳統(tǒng)的海上工程監(jiān)測方式有兩種，一種是通過有線電纜直接測讀。在施工現(xiàn)場設(shè)大型浮標(biāo)或測量平臺，把電纜引到浮標(biāo)或測量平臺上，測量時用測量船到浮標(biāo)或測量平臺上采取；另一種是信號在空氣中傳播的無線傳輸，在浮標(biāo)或測量平臺上安設(shè)發(fā)射天線，通過天線發(fā)射信號到陸上。由于近年來施工位置距離陸地少則幾公里，多則數(shù)十公里，這兩種數(shù)據(jù)獲得方式的缺點也逐漸顯現(xiàn)：一是浮標(biāo)、電纜、測量平臺以及天線易被施工船舶或漁船破壞，還可能影響施工船舶的駐位；二是電纜從傳感器到浮標(biāo)或測量平臺間如果距離過大，電纜的保護相當(dāng)困難，一旦保護不到位，施工船舶在拋錨和起錨時極易掛斷；三是無線傳輸也受到距離的限制，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之外無法進行傳輸；四是耗費大量人力物力，而且由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，難以保證數(shù)據(jù)及時獲得。

本文所介紹的新監(jiān)測方法為我院獲得授權(quán)的專利技術(shù)——具有水下無線傳輸系統(tǒng)的海上構(gòu)筑物自動監(jiān)測技術(shù)方法[1]，該方法在離岸深水構(gòu)筑物的自動監(jiān)測中能很好地解決上述問題。

1 研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外專門針對離岸深水構(gòu)筑物自動監(jiān)測技術(shù)方面的研究很少。在國內(nèi)，高志義等人[2-3]于2007年發(fā)布了一個專利——水下地基原位自動監(jiān)測成套技術(shù)方法，包括以下幾個方面：多個固定測斜儀斷面地表沉降監(jiān)測法；多點液壓差地表沉降監(jiān)測法；土體分層沉降監(jiān)測法；孔隙水壓力監(jiān)測法；水平與垂直向位移監(jiān)測法；測控系統(tǒng)長期放在深水海底的自動監(jiān)測技術(shù)。該專利的特點為：不論距岸遠(yuǎn)近，均能順利而方便地進行水下地基原位監(jiān)測，不需要水上設(shè)立基點，不需海上架設(shè)平臺，不需穿過建筑物；在大風(fēng)浪、臺風(fēng)期間仍可連續(xù)不間斷地監(jiān)測；自動化監(jiān)測可節(jié)省監(jiān)測人員和時間，省去往返船機；監(jiān)測儀器全部在水下，對施工干擾小，減少儀器損壞率；做到準(zhǔn)時準(zhǔn)點測試，消除人為讀數(shù)誤差，準(zhǔn)確、快捷、精度高。但該專利技術(shù)的缺點是監(jiān)測數(shù)據(jù)都是事后傳輸，即不能在惡劣天氣和施工干擾時即時傳輸數(shù)據(jù)。

2 自動監(jiān)測新方法

從上述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，已有的離岸深水構(gòu)筑物的自動監(jiān)測技術(shù)存在著明顯的缺陷，而本文所述新研究的自動監(jiān)測新方法很好地彌補了這個缺陷。

該新方法的自動監(jiān)測系統(tǒng)包括4個部分：監(jiān)測傳感器；自動采集系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（PC機）。

自動采集系統(tǒng)將傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、存儲起來，再通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳到數(shù)據(jù)處理終端（PC機）。陸上傳輸?shù)姆绞接兄黠@的缺點，而水下無線傳輸系統(tǒng)具有不可比擬的優(yōu)點。

2.1 監(jiān)測傳感器

為了能在離岸遠(yuǎn)且水較深的水運工程中實施較長時間的施工期和使用期的水下自動監(jiān)測，監(jiān)測傳感器應(yīng)滿足以下原則：

1） 適合于距岸較遠(yuǎn)且水較深的情況下，進行水下實時自動監(jiān)測；

2）達到要求的精度；

3）儀器的長期穩(wěn)定性好；

4）適合于惡劣環(huán)境下使用，抗施工干擾能力強。

常用的海上構(gòu)筑物監(jiān)測傳感器包括：液體壓差式地表沉降觀測儀；土體分層沉降儀；孔隙水壓力計；深層水平位移等。

2.2 水下自動采集系統(tǒng)

根據(jù)不同的監(jiān)測傳感器類型以及現(xiàn)場條件，可選用不同的自動采集系統(tǒng)。與陸上自動采集系統(tǒng)不同的是，水下自動采集系統(tǒng)應(yīng)具有良好的水密性，能在海底數(shù)米甚至數(shù)十米深處正常工作。且?guī)в写笕萘看鎯ζ饕员愦鎯Σ杉臄?shù)據(jù)。圖1為某自動采集系統(tǒng)的組成圖。

為了在水下長期安全可靠地工作，需要采取多種防水措施。如采用高等級防水箱、并放置在內(nèi)外兩層密封缸里、導(dǎo)線穿越密封缸法蘭上蓋時，中間加灌環(huán)氧與硅膠，而后內(nèi)外都設(shè)置一對密封鎖頭、箱內(nèi)和內(nèi)外密封缸之間放防潮劑等。

圖1 某自動采集系統(tǒng)組成圖

2.3 水下無線傳輸系統(tǒng)

本技術(shù)中的水下無線傳輸系統(tǒng)（見圖2） 是基于水聲通信原理的一套半雙工通信系統(tǒng)，能夠接收自動采集系統(tǒng)傳來的不定時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用擴頻通信算法，將數(shù)據(jù)調(diào)制到擴頻信號，并發(fā)送到水聲信道中，由上位機接收信號并解調(diào)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主要由水下和水上兩部分組成，水下部分的作用主要是將自動采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲并轉(zhuǎn)發(fā)，水上部分為PC機、收發(fā)合置換能器以及包含相應(yīng)通信算法的上位機應(yīng)用軟件。利用該系統(tǒng)可以穩(wěn)定、準(zhǔn)確、方便地實現(xiàn)對海上構(gòu)筑物監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲和水下無線傳輸，而不需要人員船只出海將設(shè)備撈起，而且本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲功能可以在多日內(nèi)進行一次數(shù)據(jù)回收，避免海洋環(huán)境對于上位機回收海底環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。

圖2 水下無線傳輸系統(tǒng)圖

水下無線傳輸系統(tǒng)硬件平臺主要包括基于MSP430F5438（A）單片機的值班模擬調(diào)理電路、ARM數(shù)字信號處理電路等電路板，并通過底板實現(xiàn)板間的互聯(lián)，組合成一個完整的硬件平臺。軟件部分包括單片機中運行的喚醒信號識別算法（1 024點快速傅里葉變換等），ARM數(shù)字信號處理電路板中應(yīng)用程序以及相關(guān)底層驅(qū)動程序，上位機（PC機）中應(yīng)用軟件程序的編寫。

圖3為本系統(tǒng)中的基于MSP430F5438（A） 單片機的值班模擬調(diào)理電路結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 值班模擬電路結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)設(shè)計一款基于三星公司的S3C2440的ARM9數(shù)字控制電路，使用的操作系統(tǒng)為Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)。通過對操作系統(tǒng)的修改和編寫多串口、大容量SD卡（最高支持32G）、實時時鐘等底層驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)軟件的開機自運行、數(shù)據(jù)的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能。存儲控制電路系統(tǒng)見圖4。

2.4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

圖4 存儲控制電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

只需購買合適的PC機或筆記本電腦即可滿足使用要求。

3 工程實例

南海某工程防波堤位置自然水深18～26 m，采用人工塊體護面拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)。防波堤泥面下分布淤泥和淤泥質(zhì)黏土，軟土層平均厚度26 m，最大厚度32 m。防波堤內(nèi)外坡度1∶1.5，堤頂高程7.5 m。軟基處理采用開挖置換方式，挖泥深度20 m左右，底部高程-38.0～-43.0 m，挖泥底寬100～160 m，開挖邊坡1∶3。開挖底面上首先回填2 m砂墊層、1 m碎石墊層，然后拋填堤心石。

為避免防波堤施工造成堤體失穩(wěn)，要求堤心石分層拋填。

根據(jù)設(shè)計單位提出的監(jiān)測技術(shù)要求，在本工程中，設(shè)置地表沉降、深層土體水平位移、孔隙水壓力三方面的監(jiān)測內(nèi)容。該工程的監(jiān)測系統(tǒng)如圖5所示。現(xiàn)場實施照片見圖6～圖7。

圖5 現(xiàn)場實施的自動監(jiān)測系統(tǒng)簡圖

圖6 自動采集系統(tǒng)水下無線傳輸發(fā)射機

圖7 實時數(shù)據(jù)采集

根據(jù)采集數(shù)據(jù)繪制的曲線見圖8。

圖8 地表沉降監(jiān)測曲線

從監(jiān)測曲線可以看出，監(jiān)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場工況對應(yīng)，達到了監(jiān)測的目的。

4 新自動監(jiān)測方法的特點

1）監(jiān)測、施工相互干擾少。數(shù)據(jù)采集和傳輸都不需要測量船只到施工位置，避免了監(jiān)測、施工的相互干擾，機械船舶不會因為監(jiān)測而停滯，從而為整個工程節(jié)約了時間。

2）自動監(jiān)測可以節(jié)省費用，安全也更有保障。相比傳統(tǒng)方法，可以節(jié)省測量船、潛水班組和測量人員等費用，且測量過程中人員、設(shè)備的安全更有保障。

3）采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠、連續(xù)性好，不受惡劣天氣的影響?？梢栽诖a頭上或者靠近碼頭的測量船上完成數(shù)據(jù)的采集，基本不受惡劣天氣的影響，且由于自動采集系統(tǒng)和水下無線傳輸系統(tǒng)均具有長時間存儲功能，采集的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、可靠，連續(xù)性也更好。

4）系統(tǒng)自身的安全更有保障。采用水下無線傳輸方式，不需要在監(jiān)測位置留下醒目的標(biāo)識，也不需要專門建造測量平臺，不但節(jié)省了平臺制作、安裝費，而且系統(tǒng)自身的安全也更有保障。

5）數(shù)據(jù)傳輸不受網(wǎng)絡(luò)信號的影響。當(dāng)傳統(tǒng)監(jiān)測方法采用陸上無線傳輸方式時，如果離陸地太遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)信號沒有覆蓋，傳輸時會出現(xiàn)丟包，或不能聯(lián)通的情況。而本監(jiān)測方法采用以水為信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)，避免了這個問題。

6）能實時或定時采集監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過控制水下無線傳輸系統(tǒng)，可以根據(jù)工程需要采用實時或定時傳輸?shù)姆绞?，隨時掌握工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，真正做到信息化施工。設(shè)計單位也可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時進行設(shè)計優(yōu)化。

5 結(jié)語

本文介紹的離岸深水構(gòu)筑物自動監(jiān)測新方法包括了監(jiān)測傳感器、自動采集系統(tǒng)、水下無線傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4個部分，該方法具有與施工相互干擾少、節(jié)省費用、安全有保障、不受網(wǎng)絡(luò)信號及惡劣天氣影響、能實時或定時采集等優(yōu)點，保證了數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性、準(zhǔn)確性、可靠性。

[1]中交天津港灣工程研究院有限公司.具有水下無線傳輸系統(tǒng)的海上構(gòu)筑物自動監(jiān)測技術(shù)方法：中國，ZL201010149403.4[P].2011-07-27.

[2]天津港灣工程研究所.水下地基原位自動監(jiān)測成套技術(shù)方法：中國，101037864[P].2007-09-19.

[3] 高志義，苗中海.水下地基形態(tài)自動監(jiān)測控制系統(tǒng)[J].中國港灣建設(shè)，2007（5）：42-44，67.