离岸深水构筑物的自动监测新方法

喻志发，杨京方，解林博，朱耀庭

（中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222）

0 引言

近年来水运工程建设飞速发展，海上施工项目的水深越来越大，距离陆地越来越远，施工时受地质条件、气象条件的影响也逐步加大。如何实时、准确地获得该类工程的监测数据，一直是水运行业关注的焦点。

在监测项目实施过程中，会受到恶劣天气和施工的影响。如在大风浪、暴雨、雪、大雾等情况下，测量船不能及时到达测量位置并采集到现场数据，而恶劣天气恰恰对工程的稳定和安全极为不利，监测数据的缺失可能会造成在关键时刻无法掌握结构物的状态，不能充分发挥监测的重要作用。施工的干扰体现在施工船舶众多，作业船有可能就位于测量仪器的位置，如果要测量则需要暂停施工，这势必会影响到施工的进度。

传统的海上工程监测方式有两种，一种是通过有线电缆直接测读。在施工现场设大型浮标或测量平台，把电缆引到浮标或测量平台上，测量时用测量船到浮标或测量平台上采取；另一种是信号在空气中传播的无线传输，在浮标或测量平台上安设发射天线，通过天线发射信号到陆上。由于近年来施工位置距离陆地少则几公里，多则数十公里，这两种数据获得方式的缺点也逐渐显现：一是浮标、电缆、测量平台以及天线易被施工船舶或渔船破坏，还可能影响施工船舶的驻位；二是电缆从传感器到浮标或测量平台间如果距离过大，电缆的保护相当困难，一旦保护不到位，施工船舶在抛锚和起锚时极易挂断；三是无线传输也受到距离的限制，在网络覆盖范围之外无法进行传输；四是耗费大量人力物力，而且由于海洋环境复杂多变，难以保证数据及时获得。

本文所介绍的新监测方法为我院获得授权的专利技术——具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法[1]，该方法在离岸深水构筑物的自动监测中能很好地解决上述问题。

1 研究现状

国内外专门针对离岸深水构筑物自动监测技术方面的研究很少。在国内，高志义等人[2-3]于2007年发布了一个专利——水下地基原位自动监测成套技术方法，包括以下几个方面：多个固定测斜仪断面地表沉降监测法；多点液压差地表沉降监测法；土体分层沉降监测法；孔隙水压力监测法；水平与垂直向位移监测法；测控系统长期放在深水海底的自动监测技术。该专利的特点为：不论距岸远近，均能顺利而方便地进行水下地基原位监测，不需要水上设立基点，不需海上架设平台，不需穿过建筑物；在大风浪、台风期间仍可连续不间断地监测；自动化监测可节省监测人员和时间，省去往返船机；监测仪器全部在水下，对施工干扰小，减少仪器损坏率；做到准时准点测试，消除人为读数误差，准确、快捷、精度高。但该专利技术的缺点是监测数据都是事后传输，即不能在恶劣天气和施工干扰时即时传输数据。

2 自动监测新方法

从上述国内外研究现状可以看出，已有的离岸深水构筑物的自动监测技术存在着明显的缺陷，而本文所述新研究的自动监测新方法很好地弥补了这个缺陷。

该新方法的自动监测系统包括4个部分：监测传感器；自动采集系统；数据传输系统；数据处理系统（PC机）。

自动采集系统将传感器的监测数据采集、存储起来，再通过数据传输系统传到数据处理终端（PC机）。陆上传输的方式有着明显的缺点，而水下无线传输系统具有不可比拟的优点。

2.1 监测传感器

为了能在离岸远且水较深的水运工程中实施较长时间的施工期和使用期的水下自动监测，监测传感器应满足以下原则：

1） 适合于距岸较远且水较深的情况下，进行水下实时自动监测；

2）达到要求的精度；

3）仪器的长期稳定性好；

4）适合于恶劣环境下使用，抗施工干扰能力强。

常用的海上构筑物监测传感器包括：液体压差式地表沉降观测仪；土体分层沉降仪；孔隙水压力计；深层水平位移等。

2.2 水下自动采集系统

根据不同的监测传感器类型以及现场条件，可选用不同的自动采集系统。与陆上自动采集系统不同的是，水下自动采集系统应具有良好的水密性，能在海底数米甚至数十米深处正常工作。且带有大容量存储器以便存储采集的数据。图1为某自动采集系统的组成图。

为了在水下长期安全可靠地工作，需要采取多种防水措施。如采用高等级防水箱、并放置在内外两层密封缸里、导线穿越密封缸法兰上盖时，中间加灌环氧与硅胶，而后内外都设置一对密封锁头、箱内和内外密封缸之间放防潮剂等。

图1 某自动采集系统组成图

2.3 水下无线传输系统

本技术中的水下无线传输系统（见图2） 是基于水声通信原理的一套半双工通信系统，能够接收自动采集系统传来的不定时的监测数据，利用扩频通信算法，将数据调制到扩频信号，并发送到水声信道中，由上位机接收信号并解调数据。系统主要由水下和水上两部分组成，水下部分的作用主要是将自动采集系统的数据存储并转发，水上部分为PC机、收发合置换能器以及包含相应通信算法的上位机应用软件。利用该系统可以稳定、准确、方便地实现对海上构筑物监测数据的存储和水下无线传输，而不需要人员船只出海将设备捞起，而且本系统的数据存储功能可以在多日内进行一次数据回收，避免海洋环境对于上位机回收海底环境监测数据的影响。

图2 水下无线传输系统图

水下无线传输系统硬件平台主要包括基于MSP430F5438（A）单片机的值班模拟调理电路、ARM数字信号处理电路等电路板，并通过底板实现板间的互联，组合成一个完整的硬件平台。软件部分包括单片机中运行的唤醒信号识别算法（1 024点快速傅里叶变换等），ARM数字信号处理电路板中应用程序以及相关底层驱动程序，上位机（PC机）中应用软件程序的编写。

图3为本系统中的基于MSP430F5438（A） 单片机的值班模拟调理电路结构框图。

图3 值班模拟电路结构框图

本系统设计一款基于三星公司的S3C2440的ARM9数字控制电路，使用的操作系统为Windows CE嵌入式操作系统。通过对操作系统的修改和编写多串口、大容量SD卡（最高支持32G）、实时时钟等底层驱动，能够实现软件的开机自运行、数据的存储和转发功能。存储控制电路系统见图4。

2.4 数据处理系统

图4 存储控制电路系统结构框图

只需购买合适的PC机或笔记本电脑即可满足使用要求。

3 工程实例

南海某工程防波堤位置自然水深18～26 m，采用人工块体护面抛石斜坡堤结构。防波堤泥面下分布淤泥和淤泥质黏土，软土层平均厚度26 m，最大厚度32 m。防波堤内外坡度1∶1.5，堤顶高程7.5 m。软基处理采用开挖置换方式，挖泥深度20 m左右，底部高程-38.0～-43.0 m，挖泥底宽100～160 m，开挖边坡1∶3。开挖底面上首先回填2 m砂垫层、1 m碎石垫层，然后抛填堤心石。

为避免防波堤施工造成堤体失稳，要求堤心石分层抛填。

根据设计单位提出的监测技术要求，在本工程中，设置地表沉降、深层土体水平位移、孔隙水压力三方面的监测内容。该工程的监测系统如图5所示。现场实施照片见图6～图7。

图5 现场实施的自动监测系统简图

图6 自动采集系统水下无线传输发射机

图7 实时数据采集

根据采集数据绘制的曲线见图8。

图8 地表沉降监测曲线

从监测曲线可以看出，监测数据与现场工况对应，达到了监测的目的。

4 新自动监测方法的特点

1）监测、施工相互干扰少。数据采集和传输都不需要测量船只到施工位置，避免了监测、施工的相互干扰，机械船舶不会因为监测而停滞，从而为整个工程节约了时间。

2）自动监测可以节省费用，安全也更有保障。相比传统方法，可以节省测量船、潜水班组和测量人员等费用，且测量过程中人员、设备的安全更有保障。

3）采集的数据准确、可靠、连续性好，不受恶劣天气的影响。可以在码头上或者靠近码头的测量船上完成数据的采集，基本不受恶劣天气的影响，且由于自动采集系统和水下无线传输系统均具有长时间存储功能，采集的数据更准确、可靠，连续性也更好。

4）系统自身的安全更有保障。采用水下无线传输方式，不需要在监测位置留下醒目的标识，也不需要专门建造测量平台，不但节省了平台制作、安装费，而且系统自身的安全也更有保障。

5）数据传输不受网络信号的影响。当传统监测方法采用陆上无线传输方式时，如果离陆地太远，网络信号没有覆盖，传输时会出现丢包，或不能联通的情况。而本监测方法采用以水为信号传输的介质，避免了这个问题。

6）能实时或定时采集监测数据。通过控制水下无线传输系统，可以根据工程需要采用实时或定时传输的方式，随时掌握工程监测数据，真正做到信息化施工。设计单位也可以根据监测数据及时进行设计优化。

5 结语

本文介绍的离岸深水构筑物自动监测新方法包括了监测传感器、自动采集系统、水下无线传输系统、数据处理系统4个部分，该方法具有与施工相互干扰少、节省费用、安全有保障、不受网络信号及恶劣天气影响、能实时或定时采集等优点，保证了数据采集的连续性、准确性、可靠性。

[1]中交天津港湾工程研究院有限公司.具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法：中国，ZL201010149403.4[P].2011-07-27.

[2]天津港湾工程研究所.水下地基原位自动监测成套技术方法：中国，101037864[P].2007-09-19.

[3] 高志义，苗中海.水下地基形态自动监测控制系统[J].中国港湾建设，2007（5）：42-44，67.