臧 彤，田 蜜

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074)

三峽水庫實(shí)際運(yùn)行后，與論證期間相比，水庫調(diào)度方式、水沙條件發(fā)生變化，新的水沙條件下入庫推移質(zhì)大幅減少，水庫淤積平衡時(shí)間延長[1]。初步分析三峽變動(dòng)回水區(qū)原型觀測(cè)數(shù)據(jù)得知：三峽水庫175 m蓄水后，盡管三峽入庫的卵礫石推移質(zhì)少，但消落期在枯水航槽集中輸移，極易出現(xiàn)卵礫石沙波運(yùn)動(dòng)礙航和航槽淤積礙航，三峽變動(dòng)回水區(qū)面臨著卵礫石輸移導(dǎo)致的礙航問題[2]。為解決這一難題，重慶交通大學(xué)研發(fā)了卵礫石輸移壓力與音頻實(shí)時(shí)觀測(cè)設(shè)備(GPVS)。

MATLAB是一種高效的工程計(jì)算語言，其中設(shè)備控制箱提供對(duì)RS-232/RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)的串口通信支持[3]，不僅具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能，還能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及界面的設(shè)計(jì)和開發(fā)。現(xiàn)將串口通信技術(shù)應(yīng)用于卵礫石運(yùn)動(dòng)原型觀測(cè)，利用MATLAB自帶的圖形界面開發(fā)環(huán)境GUIDE設(shè)計(jì)GUI，通過設(shè)備工具箱，實(shí)現(xiàn)RS485通訊完成傳感器壓力信號(hào)的采集，并在GUI上完成數(shù)據(jù)歸一化處理[4]。

本文基于MATLAB平臺(tái)GUI設(shè)計(jì)串口通訊網(wǎng)絡(luò)，配合觀測(cè)設(shè)備GPVS，開發(fā)卵礫石輸移壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用于原型觀測(cè)中，可實(shí)時(shí)獲取水下壓力數(shù)據(jù)變化，觀測(cè)人員能實(shí)時(shí)了解水下卵石運(yùn)動(dòng)情況，大大提高推移質(zhì)輸移觀測(cè)精度和時(shí)效性。

1 基于水下壓力傳感器的GPVS

1.1 觀測(cè)設(shè)備GPVS結(jié)構(gòu)

GPVS設(shè)備主體由上下兩塊鋼板及鋼制保護(hù)罩組成，整體高度為11 cm左右，上鋼板尺寸為60 cm×60 cm，是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的主要接觸面，下鋼板尺寸為60 cm×60 cm。整個(gè)設(shè)備重量約為80 kg，自重保持設(shè)備在水下穩(wěn)定而不被沖走。圖1為GPVS設(shè)備透視示意，設(shè)備核心部分是位于上方鋼板下面的水下壓力傳感器，壓力傳感器長×寬×高為170 mm×35 mm×45 mm，傳感器均采用防水技術(shù)水密處理，4個(gè)傳感器傳輸線匯聚成1根由防護(hù)罩側(cè)面預(yù)留孔穿出，傳輸線在儀器外部的部分套有金屬軟管保護(hù)。水下壓力傳感器共有4個(gè)，分布在儀器的四角為1#、2#、3#、4#，與鋼板直接接觸，傳感器頂部用螺絲與頂板連接，壓頭放置于底板的凹槽內(nèi)，壓力傳感器支撐起整個(gè)結(jié)構(gòu)，1#～4#傳感器的壓力總和即為GPVS壓力數(shù)據(jù)。鋼制保護(hù)罩起防止卵石沖擊設(shè)備內(nèi)部的作用，其下方與下鋼板用螺絲固定，上方與上鋼板之間留有1～3 mm左右的縫隙，保證壓力傳感器能上下自由活動(dòng)，縫隙四周貼有透明膠皮，膠皮可以防止細(xì)小泥沙顆粒進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部影響壓力數(shù)據(jù)。

圖1 GPVS透視示意

1.2 水下壓力傳感器關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1傳感器通訊方式

GPVS采用的水下壓力傳感器為GXBDW-ADSS型號(hào)，因在水下幾十米使用，傳感器采用全激光焊接，有效避免水流的侵蝕。壓力傳感器采用RS485方式通訊，可實(shí)現(xiàn)長達(dá)1 000 m的有線通訊。

1.2.2協(xié)議指令及解析

GPVS儀器內(nèi)部的1#～4#傳感器擁有獨(dú)立的地址為01～04，傳感器發(fā)送協(xié)議指令采用 “幀頭+主機(jī)命令+地址+內(nèi)容”方式，發(fā)送數(shù)據(jù)為主機(jī)命令，即從PC機(jī)傳輸至傳感器，需傳感器執(zhí)行的命令；傳感器接收協(xié)議指令采用“幀頭+應(yīng)答命令+地址+內(nèi)容”方式，接收的數(shù)據(jù)為模塊應(yīng)答，即傳感器響應(yīng)主機(jī)命令，返回給主機(jī)的指令。

GPVS實(shí)際壓力數(shù)據(jù)為4個(gè)傳感器之和，由于單個(gè)讀取傳感器重量數(shù)據(jù)步驟繁雜且不能實(shí)時(shí)得到壓力數(shù)據(jù)，因此，重量讀取采用同步報(bào)數(shù)的方法。同步報(bào)數(shù)指令主機(jī)發(fā)送“11+幀頭(27)+主機(jī)命令+開始地址+結(jié)束地址”，傳感器收到指令，首先將自身重量放入緩沖區(qū)待發(fā)，然后從開始地址的傳感器開始各自發(fā)送自身重量，每個(gè)傳感器會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)送傳感器的地址，當(dāng)輪到自己發(fā)送時(shí)及時(shí)發(fā)送緩沖區(qū)重量，這樣可以便捷快速的得到傳感器壓力數(shù)據(jù)總和，為下一步的計(jì)算提供保證。

由于在傳感器計(jì)算過程中，接收的初步生成壓力信號(hào)為單精度浮點(diǎn)數(shù)形式數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)無法讓用戶直觀了解壓力變化狀況，因此，本系統(tǒng)設(shè)置了進(jìn)一步換算功能。計(jì)算遵循IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)將單精度浮點(diǎn)數(shù)形式的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的數(shù)據(jù)，最后乘以內(nèi)部協(xié)議的換算系數(shù)得到單位為kg的重量數(shù)據(jù)，用戶最終得到的數(shù)據(jù)單位為kg(見圖2)，如此即可實(shí)現(xiàn)壓力值實(shí)時(shí)直觀顯示。

圖2 壓力數(shù)據(jù)解析過程示意

2 卵礫石輸移壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在現(xiàn)有卵礫石輸移觀測(cè)設(shè)備GPVS的基礎(chǔ)上，提出了卵礫石輸移壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。以1臺(tái)GPVS、1套供電系統(tǒng)以及PC機(jī)為例，供電系統(tǒng)由裝有蓄電池的供電箱以及3塊太陽能采集板組成，是為觀測(cè)設(shè)備GPVS以及PC機(jī)提供電力輸出；GPVS采集的壓力數(shù)據(jù)信號(hào)通過串口網(wǎng)絡(luò)通訊沿傳輸線發(fā)送到PC機(jī)緩沖區(qū)，保存在物理上分布的存儲(chǔ)系統(tǒng)中，通過更換存儲(chǔ)設(shè)備，觀測(cè)人員可獲得已采集的卵礫石輸移壓力數(shù)據(jù)。

圖3 卵礫石輸移壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2 網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)

卵礫石輸移壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可視化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)是基于MATLAB平臺(tái)GUI串口通訊功能，如圖4所示，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊分為兩個(gè)階段：即系統(tǒng)對(duì)觀測(cè)設(shè)備GPVS壓力數(shù)據(jù)的初步獲取階段以及在MATLAB的GUI上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理并實(shí)時(shí)顯示階段。GPVS內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)采集原理為傳感器工作的壓力信號(hào)通過AD轉(zhuǎn)換傳送給下位機(jī)，下位機(jī)采用MSP430F247，通過RS485串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)的緩沖區(qū)[5]，GUI界面利用MATLAB的串口通訊實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的壓力信號(hào)獲取。

圖4 基于MATLAB平臺(tái)GUI的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊架構(gòu)示意

觀測(cè)人員可根據(jù)傳感器地址發(fā)送相應(yīng)指令獲取壓力數(shù)據(jù)，同時(shí)利用MATLAB GUI的繪圖功能繪制高質(zhì)量的曲線圖，實(shí)時(shí)顯示壓力數(shù)據(jù)變化曲線。

3 原型觀測(cè)及分析

目前重慶交通大學(xué)已在寸灘水文站投放GPVS觀測(cè)設(shè)備6套，下一步將在三峽庫尾變動(dòng)回水區(qū)典型灘險(xiǎn)進(jìn)行GPVS設(shè)備的投放，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，選取胡家灘、三角磧、朱兒磧、廣陽壩，洛磧、碼頭磧6處典型灘險(xiǎn)投放GPVS設(shè)備。以胡家灘現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，分析卵礫石輸移壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

胡家灘河段礙航主要是消落期水流條件造成卵石輸移變化導(dǎo)致的，從近幾年收集的資料以及現(xiàn)場(chǎng)壓力數(shù)據(jù)看，卵石輸移主要發(fā)生在4月，選取4月變化有代表性的幾日，通過現(xiàn)場(chǎng)獲取壓力數(shù)據(jù)推測(cè)其卵石輸移狀態(tài)(僅分析GPVS總變化值)。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)壓力數(shù)據(jù)

1) 壓力平緩變化

2019年4月18日，胡家灘淺灘投放GPVS觀測(cè)設(shè)備1周，卵礫石在平緩增加后堆積在GPVS表面，且在新一批卵礫石輸移來的同時(shí)堆積卵石也輸移離開。4月18日測(cè)圖顯示，5：00—7：00卵石重量由43.1 kg增加至49.8 kg，并逐漸增加，于14：00達(dá)到最大重量 52.9 kg，然后緩慢下降至48.9 kg。據(jù)壓力變化可知，輸移量不大，堆積量不多(見圖5)。

圖5 4月18日卵石輸移壓力變化示意

2) 壓力陡增變化

2019年4月22日，胡家灘GPVS觀測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)到新的卵石輸移壓力變化，卵礫石在陡然增加后堆積在GPVS表面，而后呈線性變化逐漸輸移離開。對(duì)4月22日測(cè)圖進(jìn)行分析知，6：00—7：00卵石重量由52.5 kg陡然增加至64.5 kg，接著線性減少到53.4 kg，然后平緩增加至63.5 kg。據(jù)壓力變化可知，存在卵石移動(dòng)沙體迅速輸移至GPVS來又逐漸離開的現(xiàn)象(見圖6)。

圖6 4月22日卵石輸移壓力變化示意

3) 壓力線性減少

2019年4月23日，胡家灘淺灘整體壓力變化不大，堆積在GPVS表面的卵礫石呈線性減少變化逐漸輸移離開。對(duì)4月23日測(cè)圖進(jìn)行分析知，0：00—23：00卵石重量由64.7 kg線性減少至58.1 kg，據(jù)壓力變化可知，卵石移動(dòng)沙體輸移呈現(xiàn)線性減少現(xiàn)象(見圖7)。

圖7 4月23日卵石輸移壓力變化示意

4) 壓力陡降變化

2019年4月24日，胡家灘淺灘投放GPVS觀測(cè)設(shè)備2周，堆積在GPVS表面卵礫石首先線性減少，而后陡然減少輸移離開趨于平緩。對(duì)4月24日測(cè)圖進(jìn)行分析知，0：00—6：00卵石重量由56.8 kg線性減少至52.2 kg，6：00—7：00又陡然減少到38.8 kg，然后卵石重量上下浮動(dòng)不大。據(jù)壓力變化可知，存在堆積在GPVS表面卵礫石突然輸移離開的現(xiàn)象(見圖8)。

圖8 4月24日卵石輸移壓力變化示意

3.2 卵礫石輸移狀態(tài)

根據(jù)實(shí)際調(diào)查收集的資料以及現(xiàn)場(chǎng)壓力數(shù)據(jù)情況，概化出了胡家灘4月卵礫石輸移狀態(tài)示意(見圖9)。從圖9可以看出，自胡家灘淺灘投放GPVS觀測(cè)設(shè)備以后，隨時(shí)間的變化卵石沖淤狀態(tài)不斷發(fā)生改變，卵石移動(dòng)沙體在GPVS表面進(jìn)行多次推移。圖9中所展示的僅為典型灘險(xiǎn)觀測(cè)的一小部分，要了解整個(gè)消落期各淺灘卵礫石輸移狀態(tài)還需進(jìn)行更多的觀測(cè)及分析。

圖9 胡家灘卵石輸移狀態(tài)示意

4 結(jié)語

三峽水庫175 m蓄水后，卵礫石推移質(zhì)消落期在枯水航槽集中輸移，極易出現(xiàn)卵礫石沙波運(yùn)動(dòng)礙航和航槽淤積礙航，但受限于卵礫石運(yùn)動(dòng)原型觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有觀測(cè)技術(shù)在對(duì)卵石運(yùn)動(dòng)過程以及強(qiáng)度的實(shí)時(shí)跟蹤觀測(cè)方面仍有一定困難，不能有效、實(shí)時(shí)的反映卵石運(yùn)動(dòng)過程。重慶交通大學(xué)研發(fā)了卵礫石輸移壓力與音頻實(shí)時(shí)觀測(cè)設(shè)備(GPVS)，本文基于MATLAB平臺(tái)GUI設(shè)計(jì)串口通訊網(wǎng)絡(luò)，配合觀測(cè)設(shè)備GPVS，開發(fā)卵礫石輸移壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：一是系統(tǒng)可直接應(yīng)用于航道泥沙原型觀測(cè)中，為航道泥沙研究的發(fā)展提供重要的技術(shù)支撐；二是能實(shí)時(shí)了解水下卵石輸移狀態(tài)，大大提高推移質(zhì)輸移觀測(cè)精度和時(shí)效性；三是可實(shí)現(xiàn)河道橫斷面多點(diǎn)、多區(qū)域長期的同步實(shí)時(shí)顯示。