潛水監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

段 宇，王志廣，薛延華

（海軍潛艇學(xué)院防險(xiǎn)救生系，山東 青島 266042）

潛水監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

段 宇，王志廣，薛延華

（海軍潛艇學(xué)院防險(xiǎn)救生系，山東 青島 266042）

通過研究和分析潛水過程中出現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)了一套針對空氣潛水的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)、視頻監(jiān)控、傳感器技術(shù)，對潛水員的氣源壓力、供氣壓力、潛水深度、潛水時(shí)間及潛水過程中拍攝圖像聲音進(jìn)行采集和記錄。整個(gè)系統(tǒng)分為氣源壓力監(jiān)測、潛水員深度監(jiān)測和水下圖像聲音采集3個(gè)模塊，可同時(shí)對4名潛水員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使水面人員可以準(zhǔn)確地掌握氣源壓力狀態(tài)、潛水員下潛和上升速度、潛水員出水減壓方案等多個(gè)指標(biāo)，保障潛水作業(yè)的安全，提高工作效率。

潛水；潛水作業(yè)；監(jiān)控

隨著海洋石油、天然氣工業(yè)，遠(yuǎn)洋運(yùn)輸業(yè)以及由此帶動(dòng)的海洋工程的快速發(fā)展，潛水技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，并在水下工程領(lǐng)域發(fā)揮出巨大的作用。目前，絕大多數(shù)工程潛水的深度在60 m以淺，并且主要以空氣潛水為主。

潛水作業(yè)是在水下特殊環(huán)境中進(jìn)行一項(xiàng)特殊作業(yè)，水面人員不僅要對水面氣源情況實(shí)時(shí)監(jiān)測，還要對潛水員水下狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，否則很容易造成嚴(yán)重的潛水事故。因此，為了確保潛水員水下作業(yè)的安全，根據(jù)潛水作業(yè)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)一套應(yīng)用于空氣潛水作業(yè)的潛水監(jiān)控系統(tǒng)，水面保障人員可以隨時(shí)對潛水作業(yè)中的主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，保證潛水作業(yè)的安全。

圖1 潛水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖

1 潛水監(jiān)控系統(tǒng)的組成

潛水監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要由氣源壓力監(jiān)測模塊、潛水員深度監(jiān)測模塊和水下圖像采集模塊三大部分組成，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

1.1 氣源壓力監(jiān)測模塊

一般空氣潛水作業(yè)中，水面供氣的壓力應(yīng)保持穩(wěn)定和充足。對于氣源突然中斷的情況水面保障人員一般可以馬上反應(yīng)，命令潛水員打開應(yīng)急氣源并出水。但在一些情況下，氣源壓力并不是突然變化（減小或增大），而是緩慢變化，這就容易麻痹水面保障人員和潛水員，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并做出反應(yīng)。因此，系統(tǒng)應(yīng)對氣源壓力值進(jìn)行嚴(yán)格的限定，并設(shè)定最低壓力值和最高壓力值，當(dāng)氣源壓力超出此壓力界限時(shí)應(yīng)及時(shí)報(bào)警，提醒水面保障人員和潛水員做出反應(yīng)。

氣源壓力監(jiān)測模塊顯示為圖1中的左半部分，主要利用壓力傳感器將氣源壓力和潛水員供氣壓力實(shí)時(shí)采集到集控計(jì)算機(jī)上。氣源壓力監(jiān)測模塊設(shè)有主氣源和備用氣源接口，輸入氣源通過主閥和備用閥通向壓力表，在此氣路上設(shè)置有氣源壓力傳感器，用以監(jiān)測氣源壓力狀態(tài)。氣體經(jīng)過壓力表后，通過減壓閥進(jìn)行減壓后可供給4名潛水員使用，每個(gè)潛水員的供氣管路上均設(shè)有減壓器、壓力表、壓力傳感器和潛水員供氣閥，以調(diào)節(jié)和監(jiān)測潛水員呼吸的氣體壓力。如果氣源壓力和各潛水員的呼吸氣體壓力有異常，集控計(jì)算機(jī)可以根據(jù)設(shè)定值發(fā)生報(bào)警，以提醒水面保障人員采取應(yīng)急措施。

1.2 潛水員深度監(jiān)測模塊

潛水員的深度是潛水員減壓出水的基本依據(jù)，水面保障人員可以根據(jù)潛水員的深度設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確的出水減壓程序。同時(shí)，潛水員在上升和下潛中速度掌握不好，容易造成氣壓傷，通過監(jiān)測潛水員單位時(shí)間的深度變化，可以很好地監(jiān)控潛水員的上升和下潛速度。

潛水員深度監(jiān)測模塊主要通過裝在潛水頭盔上的壓力傳感器實(shí)時(shí)采集潛水員所處的深度，并通過數(shù)據(jù)線將深度數(shù)據(jù)傳輸回集控計(jì)算機(jī)上（如圖1中的右半部分左側(cè)），顯示為時(shí)間-深度圖，以動(dòng)態(tài)的方式對潛水員深度進(jìn)行監(jiān)控。

1.3 水下圖像聲音采集模塊

水下圖像聲音采集模塊主要是利用潛水頭盔上安裝的微型攝像頭和頭盔內(nèi)的電話對潛水過程和潛水員通話進(jìn)行記錄（如圖1中的右半部分右側(cè)）。水面保障人員可利用頭盔上的攝像頭對潛水員周圍的情況進(jìn)行觀察，對潛水員水下工作進(jìn)行指導(dǎo)。攝像頭和水下燈在安裝時(shí)應(yīng)注意分別安裝在潛水員頭盔的兩側(cè)，以避免背向散射的影響，提高圖像的質(zhì)量。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用基于板卡的構(gòu)成形式，硬件主要包括傳感器、信號調(diào)理器、電纜、數(shù)據(jù)采集卡、集控計(jì)算機(jī)、聲光報(bào)警裝置及其它外圍設(shè)備，其原理框圖如圖2所示。

傳感器采用MPM4700型智能液位傳感器，該產(chǎn)品選用高穩(wěn)定、高可靠性壓力傳感器及高精度的信號調(diào)理電路，整個(gè)變送器采用全不銹鋼、全密封設(shè)計(jì)，具備RS485通訊接口，兩線制電流輸出，輸出規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)信號4～20 mA DC電流，基本量程70 m。

圖2 潛水監(jiān)控系統(tǒng)硬件原理框圖

數(shù)據(jù)采集卡采用華研公司的PCI-1710HG多功能板卡，此多功能數(shù)據(jù)采集卡具有16路模擬信號輸入，2路模擬信號輸出、12位A/D轉(zhuǎn)換器等功能,可以將傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)識別的數(shù)字信號，送往系統(tǒng)監(jiān)控軟件。當(dāng)壓力變化超出限定閾值時(shí)，程序?qū)⑾驍?shù)據(jù)采集卡的輸出端輸出模擬信號，從而觸發(fā)聲光報(bào)警裝置。

集控計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，它負(fù)責(zé)對全部采集數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行處理，并將整個(gè)過程和結(jié)果顯示到顯示屏上，并通過打印機(jī)等外圍設(shè)備進(jìn)行輸出。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潛水監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分主要對整個(gè)潛水過程的所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采取、監(jiān)測、整合和記錄。主要作用是通過實(shí)時(shí)監(jiān)測情況保證潛水員的安全，并記錄每一次潛水的信息。軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖3。

程序運(yùn)行后，對程序、傳感器和采集卡進(jìn)行初始化，并對每個(gè)潛水員的信息進(jìn)行讀取和記錄，接著程序?qū)⒆x取每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。開始實(shí)施潛水后，系統(tǒng)將分為氣源壓力監(jiān)測、潛水員深度監(jiān)測和水下圖像采集三個(gè)模塊分別實(shí)時(shí)顯示和記錄信息。在氣源壓力監(jiān)測模塊中，系統(tǒng)將分別記錄主氣源壓力和4名潛水員各自的供氣壓力，水面保障人員可以根據(jù)所使用潛水裝具的不同，設(shè)置各個(gè)潛水員供氣壓力的最大和最小閾值，嚴(yán)格保證供氣壓力符合標(biāo)準(zhǔn)。如果各監(jiān)測氣體壓力出現(xiàn)異常，系統(tǒng)將觸發(fā)聲光報(bào)警裝置。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖4 程序主要代碼

在潛水員深度監(jiān)測模塊中，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)顯示并記錄潛水員所處深度，并繪制出潛水員下潛時(shí)間-深度圖。同時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置合理的采樣時(shí)間間隔，程序?qū)⒏鶕?jù)時(shí)間間隔可自動(dòng)計(jì)算潛水員在此時(shí)間間隔內(nèi)的上升和下潛速度，以保證潛水員不會因此上升和下潛速度過快或過慢造成傷害。當(dāng)潛水員準(zhǔn)備上升出水時(shí)，水面保障人員可以調(diào)出潛水減壓表，控制潛水員上升速度和在各停留站停留時(shí)間，保證潛水員安全順利出水。如果潛水員下潛和上升速度超出安全范圍，程序?qū)⑦M(jìn)行報(bào)警以提醒潛水員注意上升或下潛速度。

在水下圖像聲音采集模塊中，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示和記錄潛水員頭盔攝像頭所觀察到的圖像，并將潛水員與水面人員通話聲音記錄下來，以便于日后評估。

程序的主要代碼如圖4所示。

4 結(jié)論

潛水監(jiān)控系統(tǒng)主要針對60 m以淺空氣潛水作業(yè)中日常出現(xiàn)的不安全因素設(shè)計(jì)而成，系統(tǒng)充分利用計(jì)算機(jī)、傳感器技術(shù)對潛水過程進(jìn)行比較精確的監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)可以同時(shí)保證4名潛水員進(jìn)行潛水作業(yè)，并對整個(gè)潛水過程進(jìn)行完全地記錄。如果在潛水員過程中，某項(xiàng)參數(shù)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)可以馬上報(bào)警，提高了整個(gè)潛水過程的安全性，減輕了水面保障人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了潛水員水下作業(yè)的效果和效率。

[1]范逸之，陳立元.Visual Basic與RS-232串行通信控制［M］.北京：中國青年出版社，2002：230.

[2]李江全.計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與編程實(shí)現(xiàn)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008：189.

[3]Mock，et al.Underwater Monitoring And Communication System：United States，5392771[P].1995-2-28.

[4]Hales.Field of View Underwater Diving Computer Monitoring And Display System:United States，5301668[P].1994-4-12.

Application Research of Diving Monitor System

DUAN Yu,WANG Zhi-guang,XUE Yan-hua
(Department of Rescue and Salvage,Navy Submarine Academy,Qingdao Shandong 266042,China)

A diving monitor system is designed according to research and analysis of problems for the air diving.Using computer,video monitoring and sensor technology,the system collect and record the data of air supply pressure,breathing gas pressure,diving depth,diving time,video and audio that took in diving process.The system includes air supply monitoring,diving depth monitoring and underwater video/audio collection,which could realize the real-time monitoring for four divers at the same time,so surface support personnel can control multi-parameter of diving process,such as the air supply pressure,velocity of ascending and descending,decompressing plan for diver,and so on.The system can assured diver’s safety and promote diving efficiency.

diving;diving operation;monitor

P715.5

B

1003-2029（2011）03-0029-04

2011-03-01

段宇（1974-），男，講師，碩士，主要從事水下作業(yè)技術(shù)。