走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

姜海雨

（上海勞雷儀器系統(tǒng)有限公司，上海 200120）

由于季節(jié)變化及24h 內(nèi)日照的變化，海洋數(shù)據(jù)參數(shù)隨著時(shí)間和海域的不同也相應(yīng)變化的。但是在一定的海區(qū)，海洋數(shù)據(jù)參數(shù)的變化具有一定的規(guī)律。為了摸清溫、鹽、深的變化規(guī)律，水文工作者需要經(jīng)常出海進(jìn)行水文測(cè)量。以往的測(cè)量方法是測(cè)量船在海上定點(diǎn)拋錨，停船狀態(tài)下投放測(cè)量?jī)x進(jìn)行剖面測(cè)量。為了提高測(cè)量效率，本文提出了一種走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括收放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、絞車(chē)裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制設(shè)計(jì)等，該系統(tǒng)在測(cè)量船行進(jìn)過(guò)程中重復(fù)拋投、回收探測(cè)拖體，進(jìn)行連續(xù)的垂直剖面測(cè)量，不需要停航拋投，而且全部作業(yè)都是自動(dòng)進(jìn)行，并進(jìn)行了相關(guān)的航行試驗(yàn)。

1 走航式剖面測(cè)量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)允許通訊電纜連接的拖體進(jìn)行自由下墜，下墜過(guò)程中采集水體垂直剖面原始數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)調(diào)制后生成的遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)經(jīng)通訊電纜發(fā)送回測(cè)量船，遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)解調(diào)為原始數(shù)據(jù)后，上位機(jī)可獲得拋投點(diǎn)的綜合水體垂直剖面圖。采用上位機(jī)控制收放系統(tǒng)執(zhí)行拖體布放，通過(guò)判斷拖體下墜深度終止布放，并回收拖體到海面的拖曳位置，拖曳位置設(shè)定為海面下3 ～5m。系統(tǒng)通過(guò)執(zhí)行布放條件，在測(cè)量船航行狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)拖體的連續(xù)布放。走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)隨著船速的增加測(cè)量深度減小，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)12 節(jié)航速時(shí)測(cè)量水深可達(dá)300m；停航時(shí)測(cè)量水深可達(dá)4000m。

走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)由測(cè)量拖體、高強(qiáng)度通訊電纜、收放系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)等組成。投放的測(cè)量拖體內(nèi)含傳感器及遠(yuǎn)程數(shù)傳系統(tǒng)，可根據(jù)需求配用多種參數(shù)傳感器，標(biāo)準(zhǔn)配置為測(cè)量CTD 數(shù)據(jù)；投放通訊纜連接測(cè)量拖體與收放系統(tǒng)，能滿足承受設(shè)定載荷和通訊需求；收放系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)測(cè)量拖體的

自由下墜投放、一般控速投放、控速回收，具有緩沖制動(dòng)功能，配置回轉(zhuǎn)伸縮臂用于將測(cè)量拖體自甲板運(yùn)送至舷外投放及自舷外回收后送回甲板。上位機(jī)系統(tǒng)收集各項(xiàng)收放系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)并對(duì)收放系統(tǒng)下達(dá)各項(xiàng)動(dòng)作執(zhí)行指令，采集從測(cè)量拖體傳來(lái)的傳感器數(shù)據(jù)并綜合母船狀態(tài)數(shù)據(jù)、水體數(shù)據(jù)和其它相關(guān)數(shù)據(jù)留作科學(xué)分析之用。

1.1 收放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能

收放系統(tǒng)是由外導(dǎo)向輪、投放臂、內(nèi)導(dǎo)向輪、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、排纜機(jī)構(gòu)、卷?xiàng)钕到y(tǒng)、盤(pán)式制動(dòng)器、液壓?jiǎn)卧?、電控柜等組成，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量拖體的自由投放及控速下放和回收。

外導(dǎo)向輪用于最外端的出纜導(dǎo)向，安裝機(jī)械式感應(yīng)開(kāi)關(guān)，用于布放過(guò)程中的拖體位置控制判斷。投放臂由液壓油缸驅(qū)動(dòng)，可將投放臂從舷內(nèi)伸到舷外，投放臂可承受額定載荷垂向和橫向的彎矩。內(nèi)導(dǎo)向輪用于排纜機(jī)構(gòu)到投放臂的出纜導(dǎo)向，安裝機(jī)械式感應(yīng)開(kāi)關(guān)，用于收纜防沖頂及放纜余纜保護(hù)判斷；安裝測(cè)力銷(xiāo)，用于纜繩張力測(cè)量功能；安裝編碼器，可實(shí)現(xiàn)計(jì)米、計(jì)速功能。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)使投放臂旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度350°，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可承受額定載荷的彎矩和扭矩。排纜機(jī)構(gòu)由導(dǎo)桿、絲桿、排纜框組成，根據(jù)卷筒的轉(zhuǎn)速移動(dòng)排纜框，使卷筒上排纜整齊。絲桿由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，絲桿上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，用于排纜位置計(jì)算。卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)由液壓自由輪馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可執(zhí)行拖體的自由下墜及控速下放和回收。卷筒安裝編碼器，用于測(cè)量卷筒的轉(zhuǎn)速。卷筒法蘭側(cè)安裝盤(pán)式制動(dòng)裝置，可實(shí)現(xiàn)自由下放時(shí)的緩沖制動(dòng)，盤(pán)式剎車(chē)由制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)頭組成，制動(dòng)頭為碟簧松閘，液壓上閘，可實(shí)現(xiàn)自由下放時(shí)的緩沖制動(dòng)。液壓?jiǎn)卧獮槭辗畔到y(tǒng)提供動(dòng)力，配置不銹鋼油箱及液壓附件。電控柜可實(shí)現(xiàn)收放系統(tǒng)的本地控制功能，并執(zhí)行上位機(jī)的控制指令。

1.2 絞車(chē)裝置液壓原理設(shè)計(jì)

絞車(chē)裝置的基本液壓原理如圖1 所示。閉式電比例液壓泵2 是用于向收放系統(tǒng)的卷筒提供動(dòng)力的單元。閉式電比例液壓泵2 驅(qū)動(dòng)帶自由輪功能的馬達(dá)1 旋轉(zhuǎn)，閉式液壓泵2 和自由輪馬達(dá)1 構(gòu)成了閉式回路液壓系統(tǒng)，卷筒的正反轉(zhuǎn)可通過(guò)液壓泵的電比例換向閥實(shí)現(xiàn)。通過(guò)自由輪先導(dǎo)閥5 可控制自由輪閥3 的閥芯工作位置。當(dāng)自由輪先導(dǎo)閥5 失電時(shí)，自由輪馬達(dá)1 處于正?；剞D(zhuǎn)工況，液壓泵2 驅(qū)動(dòng)自由輪馬達(dá)的回轉(zhuǎn)；當(dāng)自由輪閥5 得電時(shí)，自由輪馬達(dá)1 處于自由輪工況。自由輪馬達(dá)1 的柱塞依靠?jī)?nèi)部的彈簧結(jié)構(gòu)縮回，使自由輪馬達(dá)1 的柱塞工作行程為零，馬達(dá)輸出軸在拖體的作用下處于自由回轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖1 收放系統(tǒng)液壓原理圖

1.3 自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)完成整個(gè)走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)的通訊與控制，主要包括收放系統(tǒng)電控柜、工控機(jī)、上位機(jī)。收放系統(tǒng)電控柜與工控機(jī)通過(guò)一根多芯電纜經(jīng)分線盒進(jìn)行通訊，包括收放系統(tǒng)的控制、拖體傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)通訊、緊?？刂?、接地?？刂品桨溉鐖D2 所示。

圖2 控制方案圖

上位機(jī)既控制軟件系統(tǒng)，該軟件利用C#實(shí)現(xiàn)走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，人機(jī)交互界面如圖3 所示。軟件利用硬件平臺(tái)提供的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖體傳感器的多通道數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示，并可記錄原始數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)對(duì)收放系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制、監(jiān)測(cè)收放系統(tǒng)的數(shù)據(jù)狀態(tài)，控制收放系統(tǒng)進(jìn)入自由輪工作模式后，通過(guò)判斷測(cè)量拖體的入水深度、放纜長(zhǎng)度、測(cè)量拖體距海底的深度進(jìn)行盤(pán)式緩沖制動(dòng)，制動(dòng)后開(kāi)始收纜，將通訊電纜收到測(cè)量拖體的拖曳位置。通過(guò)系統(tǒng)配置界面設(shè)定投放間隔時(shí)間、投放次數(shù)、投放深度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)拖體進(jìn)行連續(xù)多次投放。

圖3 人機(jī)交互界面

2 航行試驗(yàn)

在水深大于300m 的海區(qū)、停航狀態(tài)下，掛上配置CTD傳感器的托體，操作控制柜上的本地控制面板，將拖體投放至水面以下5m 的投放起始位置。

將控制權(quán)切換至上位機(jī)，在上位機(jī)控制下，進(jìn)入定深投放模式，設(shè)定投放深度160m，時(shí)間間隔1min，循環(huán)自由投放3 次，船速4 節(jié)，記錄實(shí)際投放深度、放纜長(zhǎng)度，投放時(shí)間；設(shè)定投放深度75m，時(shí)間間隔1min，循環(huán)自由投放3 次，船速8 節(jié)，記錄實(shí)際投放深度、放纜長(zhǎng)度，投放時(shí)間；設(shè)定投放深度30m，時(shí)間間隔1min，循環(huán)自由投放3 次，船速12節(jié)，記錄實(shí)際投放深度、放纜長(zhǎng)度，投放循環(huán)時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)可采集多種水體垂直剖面信息，滿足科學(xué)家對(duì)水體調(diào)查的日益增長(zhǎng)的需求。

（2）測(cè)量船不同的航速，拖體的工作深度也是不一樣的。低航速時(shí)，拖體的投放深度可以到達(dá)較大的深度；而高航速時(shí)，受水阻力增大、通訊電纜強(qiáng)度、收放系統(tǒng)功率等因素限制，拖體投放深度也相應(yīng)減小。因此需要預(yù)置不同航速下的相應(yīng)投放深度值，上位機(jī)根據(jù)測(cè)量船GPS 裝置的船速來(lái)調(diào)整拖體的最大投放深度。

（3）進(jìn)行航行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)使用要求，驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，可為后續(xù)設(shè)備的研制提供較高的參考價(jià)值。