橋梁水下基礎附近瞬時沖淤地形數(shù)據(jù)自動獲取智能系統(tǒng)研制

陳亞東，張清，丁兵

（1.江蘇航運職業(yè)技術學院，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)濟社會的快速發(fā)展，跨水域橋梁等涉水工程大量興建。針對涉水工程的健康監(jiān)測與安全評價在工程技術領域受到人們越來越多的重視，橋梁等涉水工程的病害診斷和防災減災也成為一個應運而生的新研究領域。橋梁由于特殊的服役環(huán)境極易受到水下基礎沖刷，水下基礎沖刷導致的橋梁移位變形乃至坍塌水毀均具有突然性，會造成人民生命財產(chǎn)的重大損失。為了保證橋梁的正常運營和過往船舶的通航安全，開發(fā)橋梁水下基礎沖刷險情監(jiān)測預警系統(tǒng)是當前全世界范圍內(nèi)的普遍做法。但是，模型驗證和原型應用均表明，已有的橋梁水下基礎沖刷地形測繪裝備均有使用局限和適用范圍，還不能實現(xiàn)動態(tài)沖刷地形的實時監(jiān)測和局部沖刷險情的適時預警。基于上述考慮，本文研制了橋梁水下基礎附近瞬時沖淤地形數(shù)據(jù)自動獲取智能系統(tǒng)，此方法不僅實現(xiàn)了橋梁水下基礎周圍地形的無線遠程監(jiān)控和動態(tài)地形數(shù)據(jù)的實時獲取，也不再需要施測現(xiàn)場的人為操作，大幅減小了沖刷監(jiān)測的中間環(huán)節(jié)，削減了監(jiān)測成本，縮短了監(jiān)測時間，提高了監(jiān)測的精度，具有重要的現(xiàn)實意義和較大的工程應用價值。

1 智能系統(tǒng)及測繪方法

1.1 智能系統(tǒng)研制

為解決現(xiàn)有橋梁水下基礎附近沖淤地形測繪裝備和測繪作業(yè)方法的弊端，研制設計出了一種能夠自動獲取橋梁水下基礎附近瞬時沖淤地形數(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 橋梁水下基礎附近瞬時沖淤地形數(shù)據(jù)自動獲取智能系統(tǒng)整體布置圖

支撐平臺主要對整個系統(tǒng)起到重力支撐作用，由四根矩形空心型鋼、螺栓和螺母構成，如圖2所示。

圖2 支撐平臺結構圖

操作平臺能夠為傳動裝置安裝、測繪裝置空間位置調(diào)整、系統(tǒng)構建、檢修維護等工作提供操作空間，由外挑式水平鋼板、接頭鋼板、緊固螺栓等部件構成，如圖3所示。

圖3 操作平臺結構圖

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

測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 瞬時沖淤地形數(shù)據(jù)自動獲取智能系統(tǒng)傳動裝置結構圖

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

圖5 升降機構結構圖

橋梁水下基礎附近瞬時沖淤地形數(shù)據(jù)自動獲取智能系統(tǒng)研制的原理是：遠程終端計算機發(fā)出指令，令步進電機按設定步進角旋轉(zhuǎn)，步進電機帶動長直鋼軸轉(zhuǎn)動，長直鋼軸通過蝸桿和同心渦輪傳動，帶動內(nèi)置圓管轉(zhuǎn)動，固定于內(nèi)置圓管側壁上的超聲換能器對三維水下地形進行掃描，然后將超聲換能器采集到的三維地形數(shù)據(jù)無線傳輸至遠程終端計算機，再利用軟件平臺繪制出橋梁水下基礎周圍沖淤發(fā)展過程中任一瞬時的三維地形。

控制裝置主要包括電纜、電機自動控制模塊、串口模塊、GPRS 模塊、終端計算機、數(shù)據(jù)采集存儲模塊、數(shù)據(jù)線和軟件平臺，電纜一端與步進電機相連，另一端與電機自動控制模塊相連，電機自動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)采集存儲模塊相連，水下地形數(shù)據(jù)的采集及存儲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)絡與終端計算機通訊，基于上述連接，終端計算機能夠發(fā)出指令，令步進電機按照預先設定好的步進角度旋轉(zhuǎn)并帶動絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿上的絲桿套按一定速度帶動單波束微型超聲換能器移動，進而實現(xiàn)對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)無線傳輸至終端計算機，軟件平臺可繪制出三維地形圖。

1.2 測繪實施方式

為了進一步闡述橋梁水下基礎附近瞬時沖淤地形數(shù)據(jù)自動獲取智能系統(tǒng)的構成要素、結構特點及應用效果，結合圖1至圖5對智能系統(tǒng)測繪瞬時水下地形的具體實施方式進行論述。

橋梁水下基礎附近瞬時沖淤地形實時測繪開始之后，即為河流某一洪水事件開始之時，終端計算機發(fā)出指令，讓步進電機帶動內(nèi)置圓管正傳，超聲換能器從起始位置處的測點向遠離水下基礎的各位置處掃描，并將采集到的瞬時沖淤地形數(shù)據(jù)無線傳輸給終端計算機，當超聲換能器到達遠端極限處，該處與橋梁水下基礎側面之間的水平距離為1.5 倍水下基礎寬度，即完成一次地形掃描；讓步進電機帶動內(nèi)置圓管反傳，內(nèi)置圓管帶動超聲換能器向靠近水下基礎方向運動，并將采集到的瞬時沖淤地形數(shù)據(jù)無線傳輸給終端計算機，當?shù)竭_近端極限處（初始位置處的測點），完成又一次掃描；不斷重復上述步驟，直至洪水事件結束，瞬時沖淤地形數(shù)據(jù)自動獲取智能系統(tǒng)完成橋梁水下基礎周圍動態(tài)沖淤全過程地形圖的繪制。

2 結論

（1）研制的橋梁水下基礎周圍地形遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)結構構造簡單，吊裝運輸方便，工程應用成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)對水下基礎周圍地形的實時獲取。

（2）提出的橋梁水下基礎周圍地形監(jiān)測方法，操作使用簡便，能夠直接進行遠程操控，不再需要現(xiàn)場人工操作，避免了監(jiān)測工作中很多復雜的中間環(huán)節(jié)，使得地形監(jiān)測效率大幅提高，也能夠通過實時獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時準確判斷洪水過程中水下基礎周圍的沖刷險情，為制定合理的排險措施提供科學依據(jù)。