桥梁水下基础附近瞬时冲淤地形数据自动获取智能系统研制

2022-08-06陈亚东张清丁兵

中国水运 2022年7期

陈亚东，张清，丁兵

（1.江苏航运职业技术学院，江苏南通 226000；2.南通龙琳水利科技有限公司，江苏南通 226000）

随着我国经济社会的快速发展，跨水域桥梁等涉水工程大量兴建。针对涉水工程的健康监测与安全评价在工程技术领域受到人们越来越多的重视，桥梁等涉水工程的病害诊断和防灾减灾也成为一个应运而生的新研究领域。桥梁由于特殊的服役环境极易受到水下基础冲刷，水下基础冲刷导致的桥梁移位变形乃至坍塌水毁均具有突然性，会造成人民生命财产的重大损失。为了保证桥梁的正常运营和过往船舶的通航安全，开发桥梁水下基础冲刷险情监测预警系统是当前全世界范围内的普遍做法。但是，模型验证和原型应用均表明，已有的桥梁水下基础冲刷地形测绘装备均有使用局限和适用范围，还不能实现动态冲刷地形的实时监测和局部冲刷险情的适时预警。基于上述考虑，本文研制了桥梁水下基础附近瞬时冲淤地形数据自动获取智能系统，此方法不仅实现了桥梁水下基础周围地形的无线远程监控和动态地形数据的实时获取，也不再需要施测现场的人为操作，大幅减小了冲刷监测的中间环节，削减了监测成本，缩短了监测时间，提高了监测的精度，具有重要的现实意义和较大的工程应用价值。

1 智能系统及测绘方法

1.1 智能系统研制

为解决现有桥梁水下基础附近冲淤地形测绘装备和测绘作业方法的弊端，研制设计出了一种能够自动获取桥梁水下基础附近瞬时冲淤地形数据的智能系统，并开发了适用于上述智能系统的测绘方法，该系统的整体布置如图1所示。

图1 桥梁水下基础附近瞬时冲淤地形数据自动获取智能系统整体布置图

支撑平台主要对整个系统起到重力支撑作用，由四根矩形空心型钢、螺栓和螺母构成，如图2所示。

图2 支撑平台结构图

操作平台能够为传动装置安装、测绘装置空间位置调整、系统构建、检修维护等工作提供操作空间，由外挑式水平钢板、接头钢板、紧固螺栓等部件构成，如图3所示。

图3 操作平台结构图

传动装置包括铝合金圆管、丝扣管件、同心轴承、长直钢轴、步进电机、联轴器、横向转轴等构件，如图4所示。

测绘装置包括三通圆管、同心轴承、内置圆管、封堵盖板、同心涡轮、超声换能器、条带状孔洞等部分，如图4所示。

图4 瞬时冲淤地形数据自动获取智能系统传动装置结构图

升降机构由伺服电机、转轮、吊架、吊环、吊索、套环、固定铰支座等构件组成，如图5所示。

图5 升降机构结构图

桥梁水下基础附近瞬时冲淤地形数据自动获取智能系统研制的原理是：远程终端计算机发出指令，令步进电机按设定步进角旋转，步进电机带动长直钢轴转动，长直钢轴通过蜗杆和同心涡轮传动，带动内置圆管转动，固定于内置圆管侧壁上的超声换能器对三维水下地形进行扫描，然后将超声换能器采集到的三维地形数据无线传输至远程终端计算机，再利用软件平台绘制出桥梁水下基础周围冲淤发展过程中任一瞬时的三维地形。

控制装置主要包括电缆、电机自动控制模块、串口模块、GPRS 模块、终端计算机、数据采集存储模块、数据线和软件平台，电缆一端与步进电机相连，另一端与电机自动控制模块相连，电机自动控制模块通过串口模块和GPRS 模块相连，数据线一端与单波束微型超声换能器相连，另一端与数据采集存储模块相连，水下地形数据的采集及存储模块也通过串口模块与GPRS 模块连接，然后GPRS 模块再通过无线网络与终端计算机通讯，基于上述连接，终端计算机能够发出指令，令步进电机按照预先设定好的步进角度旋转并带动丝杆转动，丝杆上的丝杆套按一定速度带动单波束微型超声换能器移动，进而实现对三维水下地形的扫描，然后将超声换能器采集到的三维地形数据无线传输至终端计算机，软件平台可绘制出三维地形图。

1.2 测绘实施方式

为了进一步阐述桥梁水下基础附近瞬时冲淤地形数据自动获取智能系统的构成要素、结构特点及应用效果，结合图1至图5对智能系统测绘瞬时水下地形的具体实施方式进行论述。

桥梁水下基础附近瞬时冲淤地形实时测绘开始之后，即为河流某一洪水事件开始之时，终端计算机发出指令，让步进电机带动内置圆管正传，超声换能器从起始位置处的测点向远离水下基础的各位置处扫描，并将采集到的瞬时冲淤地形数据无线传输给终端计算机，当超声换能器到达远端极限处，该处与桥梁水下基础侧面之间的水平距离为1.5 倍水下基础宽度，即完成一次地形扫描；让步进电机带动内置圆管反传，内置圆管带动超声换能器向靠近水下基础方向运动，并将采集到的瞬时冲淤地形数据无线传输给终端计算机，当到达近端极限处（初始位置处的测点），完成又一次扫描；不断重复上述步骤，直至洪水事件结束，瞬时冲淤地形数据自动获取智能系统完成桥梁水下基础周围动态冲淤全过程地形图的绘制。