可回收式水下聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅 亮，彭 晨，冷建興

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2. 河南省水下智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450015；3. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

隨著現(xiàn)在社會(huì)的高速發(fā)展和各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的不斷革新，人類把目光逐漸從陸地轉(zhuǎn)移到了海洋，而開發(fā)海洋資源的前提是準(zhǔn)確而高效地獲取當(dāng)?shù)睾Ｑ蟓h(huán)境的各種狀態(tài)參數(shù)。近幾年來隨著我國綜合國力的增長(zhǎng)和國家發(fā)展戰(zhàn)略的需要，不同形式的水下環(huán)境監(jiān)測(cè)和信息采集裝置也不斷涌現(xiàn)，其中水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在一定范圍的水域內(nèi)通過預(yù)先布放的諸多傳感器節(jié)點(diǎn)來獲取一段時(shí)間內(nèi)的水文信息，并進(jìn)行聲學(xué)通信和組網(wǎng)，最終通過特定節(jié)點(diǎn)以無線電或有線的方式來將信息傳輸?shù)桨渡系慕K端系統(tǒng)。目前國內(nèi)對(duì)于水下網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的整套設(shè)計(jì)比較少，很多研究機(jī)構(gòu)或院校自主研究的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)還主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段。水下網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)目前面臨的主要問題是：1）現(xiàn)有的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及單個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境適應(yīng)能力較差；2）傳統(tǒng)的大型海洋監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的布放方式主要是借助于A型架和水下機(jī)器人相配合，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的布放、回收和錨固系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且可靠性不高；3）監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在水下工作時(shí)沒有電纜連接到外部供電設(shè)備，需要一種能夠滿足水下長(zhǎng)時(shí)間工作的節(jié)點(diǎn)供電方案。

針對(duì)以上問題本文研制了一種采用自由投放和自主上浮回收方式的水下聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，并結(jié)合節(jié)點(diǎn)的功能要求和實(shí)際供電模式對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中核心控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所在的可回收耐壓艙體可實(shí)現(xiàn)重復(fù)循環(huán)利用，可控分離裝置選用了導(dǎo)彈分離裝置中的電爆螺栓插頭來作為分離器。上述設(shè)計(jì)在滿足實(shí)際功能需求的同時(shí)，保證了單個(gè)節(jié)點(diǎn)的分離回收可靠性、環(huán)境適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，為后續(xù)水下環(huán)境監(jiān)測(cè)綜合系統(tǒng)的研究提供了一個(gè)較理想的試驗(yàn)搭載平臺(tái)。

1 水下聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

可回收式水下網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的研究重點(diǎn)在于研制1套可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)盡量緊湊并且環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)的多節(jié)點(diǎn)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。首先單個(gè)節(jié)點(diǎn)除了能在各種復(fù)雜惡劣的海底工作環(huán)境下都能穩(wěn)定可靠地工作外，節(jié)點(diǎn)還必須可以實(shí)現(xiàn)水面自由投放和水下自主供電，并能夠?qū)崿F(xiàn)自主分離回收。總的來說，海洋環(huán)境的區(qū)域性、多變性以及實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)需要發(fā)展具有寬覆蓋、快變跟蹤能力的新型監(jiān)測(cè)技術(shù)平臺(tái)。

1.1 單個(gè)水聲監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)工作流程

進(jìn)行海洋環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)，聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的單個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要依靠母船搭載相應(yīng)數(shù)量的水聲監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)來到達(dá)目標(biāo)海域，然后進(jìn)行聲學(xué)通訊組網(wǎng)和其他調(diào)試準(zhǔn)備工作。對(duì)單個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)來說整個(gè)工作過程主要由自由投放、組網(wǎng)通迅、海域環(huán)境監(jiān)測(cè)、釋放可回收艙體和搜救回收等部分組成。其中各個(gè)步驟的工作過程中，要求每一個(gè)功能模塊相對(duì)獨(dú)立，部分失效不影響全局，相互之間依靠數(shù)字通信接口來傳遞信息。節(jié)點(diǎn)綜合了傳感、通信、定位、信號(hào)處理于一體，能夠在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)高精度的自同步，保證流速估算的精確性。

1.2 單個(gè)水聲監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成

針對(duì)水下聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在通信、傳感、數(shù)據(jù)等方面所需的各種設(shè)備，以及水下長(zhǎng)時(shí)間工作的供電需求，對(duì)節(jié)點(diǎn)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。其空間布置形式如圖2和圖3所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)工作流程圖Fig. 1 Flow chart of node

圖2 節(jié)點(diǎn)架構(gòu)圖Fig. 2 Diagram of node architecture

整體結(jié)構(gòu)形式主要為了滿足實(shí)際使用需求中的自由投放、平穩(wěn)下落和具有可回收性等要求，自上而下單個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要包括了可回收艙體、脫開彈射機(jī)構(gòu)、底部支撐支架以及最底部的電源和配重。其中節(jié)點(diǎn)底部的電源模塊因?yàn)榭紤]到其所占體積較大且實(shí)際使用過程中回收困難，因此電池在短時(shí)間內(nèi)不回收并對(duì)電池采用混凝土配重包覆的設(shè)計(jì)方案，使得電池可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)與海水完全隔開，防止其被海水侵蝕污染環(huán)境。單個(gè)節(jié)點(diǎn)各組成部分的主要功能任務(wù)與控制模塊組件如表1所示。

2 水下網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)核心部件設(shè)計(jì)

圖3 節(jié)點(diǎn)整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Whole structure diagram of node

表1 各組成部分功能模塊組件表Tab. 1 Functional module components table of each component

對(duì)單個(gè)水聲監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)而言，在海底達(dá)到預(yù)定位置從開始海洋環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)到工作結(jié)束，控制模塊和通信模塊等電子設(shè)備均位于可回收艙體內(nèi)部，考慮到海底工作環(huán)境是高壓且其主要供電方式是利用三角支撐架底部的電源艙，釋放回收過程中必須跟電源艙接口快速可靠地脫離。本文對(duì)節(jié)點(diǎn)的電源管理模塊、耐壓艙體和分離回收機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，為后續(xù)水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證打下基礎(chǔ)。

2.1 可回收耐壓球體

首先需要對(duì)可回收艙體進(jìn)行材料選型，考慮到海底工作環(huán)境為高壓且艙體回收需要其形成的密閉空間能提供較大的正浮力，因此選擇強(qiáng)度高、密度小的增強(qiáng)型復(fù)合材料——玻璃鋼制品較為合適。其中上下法蘭需要考慮到其長(zhǎng)時(shí)間的海底工作環(huán)境，因此選用耐腐蝕性能較好的316L不銹鋼，且整個(gè)回收球體涂刷防海生物油漆，一方面防止海蠣子等生物附接在艙體表面影響其工作，另一方面方便其上浮后搜尋人員對(duì)其查找?？苫厥涨蝮w設(shè)計(jì)圖和加工成品如圖4所示。

對(duì)于玻璃鋼球體厚度的分析計(jì)算，本文采用無力矩理論進(jìn)行分析。由于殼體壁厚與直徑的比值很小，壁厚像薄膜一樣，即殼體外徑與內(nèi)徑之比≤1.2。其計(jì)算公式如下：

圖4 可回收球體結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Diagram of recoverable sphere structure

式中：P為外壓；R為薄殼球體的中徑；t為薄殼的厚度；σ為增強(qiáng)型玻璃鋼材料的極限強(qiáng)度，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)所處的可能最大水深200 m進(jìn)行強(qiáng)度校核。根據(jù)工程規(guī)定一般選取安全系數(shù)ns=2，那么可得計(jì)算許用應(yīng)力σ=167.5 MPa，進(jìn)而初步得到球殼厚度t=3.125 mm。

除此之外對(duì)于薄膜結(jié)構(gòu)而言失穩(wěn)現(xiàn)象也是必須考慮的，而且一般情況下穩(wěn)定性條件比材料強(qiáng)度失穩(wěn)條件更容易達(dá)到。本文主要利用經(jīng)典理論中耐壓殼體的失穩(wěn)臨界載荷來判定。計(jì)算薄膜球殼所能承受的最大外壓，其計(jì)算公式如下：

根據(jù)殼體所承受的外壓值為P=2 MPa，代入其他參數(shù)值并取2 mm余量，從而可以計(jì)算得到殼體的厚度應(yīng)為8 mm。

2.2 電控分離裝置

水下網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在完成長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集過程之后，搭載有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的可回收艙體部分需要被回收。在回收之前要求可回收艙體與三角支架的連接必須可靠穩(wěn)定；而回收時(shí)又要求其動(dòng)作快速同時(shí)不能與支架部件有任何干涉。本文選用導(dǎo)彈分離裝置中的電爆螺栓作為分離器，由于電爆螺栓的連接是單點(diǎn)固定，結(jié)構(gòu)上不太穩(wěn)定，故設(shè)計(jì)了3個(gè)定位球在球體的下法蘭和三腳架安裝法蘭面之間。進(jìn)而保證在電爆螺栓的螺紋預(yù)緊力作用下，3個(gè)接觸點(diǎn)可以使得兩者的連接更加穩(wěn)固，中間連接機(jī)構(gòu)布置方式如圖5所示。

在回收過程中當(dāng)電爆螺栓上電被引爆之后，位于中心的電爆螺栓拉緊力消失，壓縮的彈簧儲(chǔ)存的勢(shì)能被釋放，整個(gè)可回收密封浮球在彈簧推力的作用下和自我的浮力作用下上浮，上浮過程中，由于整個(gè)浮球的中心集中在原固定位置的上部（副電池安裝位置），故浮球會(huì)順著彈簧使其翻轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，在水中進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)，并伴隨著上浮。整個(gè)過程的示意圖如圖6和圖7所示。

圖5 中間連接機(jī)構(gòu)布置圖Fig. 5 Arrangement diagram of intermediate connection mechanism

圖6 分離前可回收艙體翻轉(zhuǎn)示意圖Fig. 6 Diagram of recovery capsule before separation

圖7 分離后浮球上浮姿態(tài)示意圖Fig. 7 Diagram of floating ball floating after separation

2.3 可脫開插頭

由于電池艙位于底部且起到配重平衡的作用，但是整個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的核心工作模塊都放置在可回收球體內(nèi)部。因此節(jié)點(diǎn)在水下正常工作的時(shí)候，電池需要連接到可回收艙體內(nèi)部進(jìn)行供電；但是到達(dá)預(yù)定工作時(shí)間后又需要將連接的插頭快速分開，實(shí)現(xiàn)主電池和副電池的供電切換?？擅撻_插頭就是實(shí)現(xiàn)上述功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主體由上安裝體、下安裝體和中間的銅芯組成，銅柱和銅帽之間的可靠接觸依靠上頂彈簧來保證。整個(gè)機(jī)構(gòu)在分離的時(shí)候需要克服徑向的密封圈的摩擦阻力和插頭所形成的壓差阻力，具體的可脫開插頭裝配組成如圖8所示。

圖8 可脫開插頭裝配圖Fig. 8 Assembly diagram of releasable plug

3 水下網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)海試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本項(xiàng)目的主要任務(wù)是通過搭建單個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)，并在一定海域范圍內(nèi)建立起水聲通訊拓?fù)渚W(wǎng)，最終由8個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的水下傳感網(wǎng)絡(luò)分布式測(cè)流系統(tǒng)可以使得科研人員對(duì)復(fù)雜海底環(huán)境的情況進(jìn)行全方位探測(cè)和數(shù)據(jù)收集。本文主要研究重點(diǎn)在于對(duì)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和功能部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，所以在進(jìn)行最后的組網(wǎng)通訊實(shí)驗(yàn)之前，需要在已確定深度的目標(biāo)海域?qū)蝹€(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐壓性、密封性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，保證結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。由于本次海試實(shí)驗(yàn)不涉及節(jié)點(diǎn)的分離回收模塊且實(shí)驗(yàn)時(shí)間初步確定為3天，所以并未對(duì)3個(gè)電池艙進(jìn)行表面鋼筋混凝土包覆處理，布放和回收方案也采用常用的纜繩浮球吊裝布放方式，其余各主要功能模塊機(jī)構(gòu)已經(jīng)全部安裝到位，海試實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)橹凵绞辛鶛M島附近海域，圖9和圖10分別為單個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部控制模塊和實(shí)際總裝實(shí)物圖。

圖9 內(nèi)部控制系統(tǒng)布置圖Fig. 9 Layout of internal control system

圖10 節(jié)點(diǎn)總裝實(shí)物圖Fig. 10 Total assembly drawing of node

在進(jìn)行吊放之前需要對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)同步性馴服，到達(dá)目標(biāo)試驗(yàn)海域后3個(gè)節(jié)點(diǎn)均按預(yù)定實(shí)驗(yàn)方案被成功下放到海域的指定位置，3個(gè)節(jié)點(diǎn)布置方式約為等邊三角形，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間相距1 km。在為期3天的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，整個(gè)3節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，水聲換能器的響應(yīng)、收發(fā)情況一切正常，未出現(xiàn)任何漏水等密封性問題。該海試實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了水下網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)可靠性以及通訊控制方面的技術(shù)可行性，后續(xù)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)就在于利用水下監(jiān)控測(cè)量設(shè)備對(duì)節(jié)點(diǎn)布放和分離回收功能進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié) 語

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)是進(jìn)行海洋環(huán)境保護(hù)的重要手段，關(guān)系到我國海洋環(huán)境保護(hù)事業(yè)的平穩(wěn)發(fā)展。本文提出的水下聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可在很大范圍內(nèi)收集和儲(chǔ)存目標(biāo)海域的各種海洋環(huán)境參數(shù)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，也是國際海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展方向和研究趨勢(shì)。

可回收式水下網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)是針對(duì)我國區(qū)域海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)和要求來設(shè)計(jì)研制的，是集聲學(xué)發(fā)送、接收和機(jī)械釋放裝置于一體的方案。該水下節(jié)點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)定沉底、具有分離釋放功能和水面北斗定位與無線通信功能，并詳細(xì)介紹單個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的工作方式、結(jié)構(gòu)形式和核心功能部件設(shè)計(jì)，并最終完成總裝和海試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為節(jié)點(diǎn)小型化提供了設(shè)計(jì)依據(jù)和參考。