陳亞東，張清，丁兵

（1.江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226000；2.南通龍琳水利科技有限公司，江蘇 南通 226000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，跨水域橋梁等涉水工程大量興建。針對(duì)涉水工程的健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)在工程技術(shù)領(lǐng)域受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾?，橋梁等涉水工程的病害診斷和防災(zāi)減災(zāi)也成為一個(gè)應(yīng)運(yùn)而生的新研究領(lǐng)域。橋梁由于特殊的服役環(huán)境極易受到水下基礎(chǔ)沖刷，水下基礎(chǔ)沖刷導(dǎo)致的橋梁移位變形乃至坍塌水毀均具有突然性，會(huì)造成人民生命財(cái)產(chǎn)的重大損失。為了保證橋梁的正常運(yùn)營和過往船舶的通航安全，開發(fā)橋梁水下基礎(chǔ)沖刷險(xiǎn)情監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是當(dāng)前全世界范圍內(nèi)的普遍做法。但是，模型驗(yàn)證和原型應(yīng)用均表明，已有的橋梁水下基礎(chǔ)沖刷地形測(cè)繪裝備均有使用局限和適用范圍，還不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)沖刷地形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和局部沖刷險(xiǎn)情的適時(shí)預(yù)警。基于上述考慮，本文研制了橋梁水下基礎(chǔ)附近瞬時(shí)沖淤地形數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取智能系統(tǒng)，此方法不僅實(shí)現(xiàn)了橋梁水下基礎(chǔ)周圍地形的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控和動(dòng)態(tài)地形數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，也不再需要施測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的人為操作，大幅減小了沖刷監(jiān)測(cè)的中間環(huán)節(jié)，削減了監(jiān)測(cè)成本，縮短了監(jiān)測(cè)時(shí)間，提高了監(jiān)測(cè)的精度，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和較大的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 智能系統(tǒng)及測(cè)繪方法

1.1 智能系統(tǒng)研制

為解決現(xiàn)有橋梁水下基礎(chǔ)附近沖淤地形測(cè)繪裝備和測(cè)繪作業(yè)方法的弊端，研制設(shè)計(jì)出了一種能夠自動(dòng)獲取橋梁水下基礎(chǔ)附近瞬時(shí)沖淤地形數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，并開發(fā)了適用于上述智能系統(tǒng)的測(cè)繪方法，該系統(tǒng)的整體布置如圖1所示。

圖1 橋梁水下基礎(chǔ)附近瞬時(shí)沖淤地形數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取智能系統(tǒng)整體布置圖

支撐平臺(tái)主要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到重力支撐作用，由四根矩形空心型鋼、螺栓和螺母構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

操作平臺(tái)能夠?yàn)閭鲃?dòng)裝置安裝、測(cè)繪裝置空間位置調(diào)整、系統(tǒng)構(gòu)建、檢修維護(hù)等工作提供操作空間，由外挑式水平鋼板、接頭鋼板、緊固螺栓等部件構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 操作平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

傳動(dòng)裝置包括鋁合金圓管、絲扣管件、同心軸承、長直鋼軸、步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、橫向轉(zhuǎn)軸等構(gòu)件，如圖4所示。

測(cè)繪裝置包括三通圓管、同心軸承、內(nèi)置圓管、封堵蓋板、同心渦輪、超聲換能器、條帶狀孔洞等部分，如圖4所示。

圖4 瞬時(shí)沖淤地形數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取智能系統(tǒng)傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

升降機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、轉(zhuǎn)輪、吊架、吊環(huán)、吊索、套環(huán)、固定鉸支座等構(gòu)件組成，如圖5所示。

圖5 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

橋梁水下基礎(chǔ)附近瞬時(shí)沖淤地形數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取智能系統(tǒng)研制的原理是：遠(yuǎn)程終端計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，令步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定步進(jìn)角旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)長直鋼軸轉(zhuǎn)動(dòng)，長直鋼軸通過蝸桿和同心渦輪傳動(dòng)，帶動(dòng)內(nèi)置圓管轉(zhuǎn)動(dòng)，固定于內(nèi)置圓管側(cè)壁上的超聲換能器對(duì)三維水下地形進(jìn)行掃描，然后將超聲換能器采集到的三維地形數(shù)據(jù)無線傳輸至遠(yuǎn)程終端計(jì)算機(jī)，再利用軟件平臺(tái)繪制出橋梁水下基礎(chǔ)周圍沖淤發(fā)展過程中任一瞬時(shí)的三維地形。

控制裝置主要包括電纜、電機(jī)自動(dòng)控制模塊、串口模塊、GPRS 模塊、終端計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)線和軟件平臺(tái)，電纜一端與步進(jìn)電機(jī)相連，另一端與電機(jī)自動(dòng)控制模塊相連，電機(jī)自動(dòng)控制模塊通過串口模塊和GPRS 模塊相連，數(shù)據(jù)線一端與單波束微型超聲換能器相連，另一端與數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊相連，水下地形數(shù)據(jù)的采集及存儲(chǔ)模塊也通過串口模塊與GPRS 模塊連接，然后GPRS 模塊再通過無線網(wǎng)絡(luò)與終端計(jì)算機(jī)通訊，基于上述連接，終端計(jì)算機(jī)能夠發(fā)出指令，令步進(jìn)電機(jī)按照預(yù)先設(shè)定好的步進(jìn)角度旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿上的絲桿套按一定速度帶動(dòng)單波束微型超聲換能器移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)三維水下地形的掃描，然后將超聲換能器采集到的三維地形數(shù)據(jù)無線傳輸至終端計(jì)算機(jī)，軟件平臺(tái)可繪制出三維地形圖。

1.2 測(cè)繪實(shí)施方式

為了進(jìn)一步闡述橋梁水下基礎(chǔ)附近瞬時(shí)沖淤地形數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取智能系統(tǒng)的構(gòu)成要素、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用效果，結(jié)合圖1至圖5對(duì)智能系統(tǒng)測(cè)繪瞬時(shí)水下地形的具體實(shí)施方式進(jìn)行論述。

橋梁水下基礎(chǔ)附近瞬時(shí)沖淤地形實(shí)時(shí)測(cè)繪開始之后，即為河流某一洪水事件開始之時(shí)，終端計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，讓步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)置圓管正傳，超聲換能器從起始位置處的測(cè)點(diǎn)向遠(yuǎn)離水下基礎(chǔ)的各位置處掃描，并將采集到的瞬時(shí)沖淤地形數(shù)據(jù)無線傳輸給終端計(jì)算機(jī)，當(dāng)超聲換能器到達(dá)遠(yuǎn)端極限處，該處與橋梁水下基礎(chǔ)側(cè)面之間的水平距離為1.5 倍水下基礎(chǔ)寬度，即完成一次地形掃描；讓步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)置圓管反傳，內(nèi)置圓管帶動(dòng)超聲換能器向靠近水下基礎(chǔ)方向運(yùn)動(dòng)，并將采集到的瞬時(shí)沖淤地形數(shù)據(jù)無線傳輸給終端計(jì)算機(jī)，當(dāng)?shù)竭_(dá)近端極限處（初始位置處的測(cè)點(diǎn)），完成又一次掃描；不斷重復(fù)上述步驟，直至洪水事件結(jié)束，瞬時(shí)沖淤地形數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取智能系統(tǒng)完成橋梁水下基礎(chǔ)周圍動(dòng)態(tài)沖淤全過程地形圖的繪制。

2 結(jié)論

（1）研制的橋梁水下基礎(chǔ)周圍地形遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，吊裝運(yùn)輸方便，工程應(yīng)用成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水下基礎(chǔ)周圍地形的實(shí)時(shí)獲取。

（2）提出的橋梁水下基礎(chǔ)周圍地形監(jiān)測(cè)方法，操作使用簡便，能夠直接進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，不再需要現(xiàn)場(chǎng)人工操作，避免了監(jiān)測(cè)工作中很多復(fù)雜的中間環(huán)節(jié)，使得地形監(jiān)測(cè)效率大幅提高，也能夠通過實(shí)時(shí)獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)準(zhǔn)確判斷洪水過程中水下基礎(chǔ)周圍的沖刷險(xiǎn)情，為制定合理的排險(xiǎn)措施提供科學(xué)依據(jù)。