文｜周忠會(huì) 方玉平 高峰 戴文迪 周建玲 盧恩光

一、引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求與日俱增，海底鋪設(shè)的原油管道逐年增多，對(duì)受損管道的形變?nèi)毕轀y(cè)繪并實(shí)施管道加固修復(fù)越來越重要。對(duì)海底管道的外部檢測(cè)方法，目前普遍的技術(shù)適用于水流速度小、能見度高的水域，在海況復(fù)雜、海流速度快、能見度極低的海域能否正常工作存在極大不確定性。同樣的，在類似海域下，研制在管道上進(jìn)行直接測(cè)量的裝置，則不可避免地面臨在急水流、低能見度的情況下維持裝備穩(wěn)定性的問題，以及因?yàn)榇罅侩s質(zhì)下導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)信噪比低的問題。對(duì)此，我們通過空腔營(yíng)造干式環(huán)境并在可視化的干式環(huán)境中對(duì)管道形變?nèi)毕葸M(jìn)行快速精準(zhǔn)三維測(cè)繪，將測(cè)繪的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，同時(shí)也解決了海況復(fù)雜、海流速度快、能見度極低對(duì)管道檢測(cè)造成的干擾問題。

二、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

海底管道測(cè)繪裝置監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由控制及測(cè)繪上位機(jī)單元、配電單元、水上光端機(jī)單元、水下光端機(jī)單元、電源單元、串口服務(wù)器單元、三維掃描儀單元、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)單元、水下照明單元、姿態(tài)傳感器單元、深度計(jì)單元、閥箱單元、張力位置及液位傳感器單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元組成。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

三、系統(tǒng)單元設(shè)計(jì)

（一）電源分配單元設(shè)計(jì)

海底管道測(cè)繪裝置監(jiān)控系統(tǒng)配備有多種型號(hào)電源為12V、24V和48V的外部設(shè)備，且單個(gè)設(shè)備要求電源獨(dú)立，確保在外部設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)能夠單獨(dú)隔離且不影響其它設(shè)備的正常使用。船電AC220V通過安全保護(hù)裝置直接給水下交流伺服電機(jī)供電，AC220V轉(zhuǎn)DC48V電源模塊為水下步進(jìn)電機(jī)提供隔離電源，AC220V轉(zhuǎn)DC24V電源模塊和DC24V轉(zhuǎn)DC12V電源轉(zhuǎn)換模塊分別為水下DC24V及DC12V外設(shè)提供隔離電源，同時(shí)DC24V電池與交流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換模塊通過船電自檢繼電器來切換水下DC24V及DC12V外設(shè)負(fù)載的供電電源，當(dāng)檢測(cè)到船電故障時(shí)自動(dòng)切換至水下直流電池供電，確保必要的外設(shè)負(fù)載在應(yīng)急情況下能夠正常工作。

（二）模擬量采集單元設(shè)計(jì)

海底管道測(cè)繪裝置監(jiān)控系統(tǒng)需要配備姿態(tài)、壓力、深度及液位等多種型號(hào)的傳感器，用來對(duì)測(cè)繪裝置的水下吊裝姿態(tài)、水下空艙及部分主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)壓力、工作海水深度和艙體內(nèi)的液位實(shí)施信號(hào)采集，通過通訊單元實(shí)時(shí)向甲板操作上位機(jī)傳輸信號(hào)，用于監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握設(shè)備水下運(yùn)行情況并指導(dǎo)甲板作業(yè)人員實(shí)施作業(yè)。測(cè)繪裝置的傳感器有電壓輸出和電流輸出兩種形式，為了減小電路占用的空間，故在一塊電路板上集成兩塊分別用來采集電壓和電流信號(hào)的采集模塊，芯片之間通過通訊口實(shí)現(xiàn)兩者的信息傳遞。此外兩路漏水檢測(cè)電路用于檢測(cè)測(cè)繪裝置接口箱是否漏水，并實(shí)時(shí)上傳狀態(tài)信息。

（三）電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

海底管道測(cè)繪裝置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的掃描儀單元由兩個(gè)直軌電機(jī)控制，用以其實(shí)現(xiàn)首尾方向的移動(dòng)，兩個(gè)環(huán)軌電機(jī)驅(qū)動(dòng)掃描儀實(shí)現(xiàn)圓周方向的360O旋轉(zhuǎn)，掃描儀角度電機(jī)通過減速機(jī)及齒輪齒條實(shí)現(xiàn)其自身小角度回轉(zhuǎn)，由于5套驅(qū)動(dòng)器的通信接口有RS485和CAN兩種形式，且其通訊數(shù)據(jù)格式相差較大，此處配置兩個(gè)RS485轉(zhuǎn)CAN模塊，第一次轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)從控制RS485總線到CAN總線的轉(zhuǎn)換，第二個(gè)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)CAN總線到驅(qū)動(dòng)RS485總線的轉(zhuǎn)換，通過此種配置，有利于簡(jiǎn)化上位機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間的通信數(shù)據(jù)幀格式，提高了通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

四、系統(tǒng)調(diào)試

基于設(shè)計(jì)并加工好的測(cè)繪裝置，開展了整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的調(diào)試，全部功能模塊正常工作。穩(wěn)定性和防水密封是調(diào)試的重點(diǎn)，嚴(yán)苛的海洋環(huán)境對(duì)電控系統(tǒng)的接口穩(wěn)定性、防水密封性提出了非常高的要求，尤其在測(cè)試海域，海水中攜帶大量泥沙，進(jìn)一步提升了難度，整個(gè)調(diào)試周期達(dá)到了30天。系統(tǒng)調(diào)試完善了上位機(jī)界面、增強(qiáng)了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)艙體漏水等情況的保護(hù)能力，提升了安全性和穩(wěn)定性。

現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)調(diào)試分為三個(gè)主要階段，第一步是在陸地上實(shí)現(xiàn)全部功能，第二步是針對(duì)海洋環(huán)境出現(xiàn)的新問題進(jìn)行設(shè)計(jì)修復(fù)，實(shí)現(xiàn)在碼頭的水下測(cè)控，最后將整個(gè)系統(tǒng)帶到目標(biāo)海域進(jìn)行實(shí)際測(cè)控，驗(yàn)證其真實(shí)的能力。通過三個(gè)階段的實(shí)際考核與驗(yàn)證，整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)可以有效地給海底測(cè)繪裝置供電、提供監(jiān)控與照明、控制運(yùn)動(dòng)部件、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳并監(jiān)測(cè)測(cè)繪裝置的姿態(tài)與各部分狀態(tài)。

經(jīng)過多次下水驗(yàn)證，測(cè)繪裝置自身密封性能良好，營(yíng)造了空艙環(huán)境，為三維測(cè)繪提供了必要的條件。利用干式艙環(huán)境，攝像機(jī)和水下照明燈相互配合操控艙內(nèi)三維掃描儀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，操控中心控制掃描儀運(yùn)動(dòng)到相對(duì)應(yīng)的位置，以滿足三維掃描儀的成像要求。

五、總結(jié)

本系統(tǒng)的成功研制為海底管道測(cè)繪裝置的實(shí)際運(yùn)用提供了基礎(chǔ)條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)作業(yè)全過程的有效監(jiān)控，通過實(shí)時(shí)地?cái)?shù)據(jù)傳輸，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取和保存，為后續(xù)數(shù)據(jù)的處理和分析提供了可能。系統(tǒng)化規(guī)?；膽?yīng)用將進(jìn)一步提升中國在海底管道外檢測(cè)精準(zhǔn)測(cè)繪上的能力，填補(bǔ)了一定的技術(shù)和裝備空白。