水下礁石自动探测软件研发

王雪波，杨明远

（1.广东省广州航道局，广州510275；2.广东省航道局，广州510115）

水下礁石自动探测软件研发

王雪波1，杨明远2

（1.广东省广州航道局，广州510275；2.广东省航道局，广州510115）

针对当前水下礁石探测存在的工效低、准确度差的问题，依托科研项目研制了礁石探测设备，配合该设备开发了礁石自动探测软件。该软件由单片机程序和PC端程序组成，能够自动控制和实时监视钻机的运行。根据钻进速度与岩土坚固程度相对应的原理，自动判定水下礁石的存在，同时自动采集、记录礁石点的坐标和高程等数据。结果表明，软件测控功能多样、测控结果准确，成套设备的自动化程度高。

礁石探测;测控设备;单片机;软件开发

在港口、航道、水利工程中，常需对水下礁石进行探测，探明礁石的存在、测量礁石高程和平面坐标、计算礁石的体积，为工程的可行性分析、工程概算、施工设计等提供必要的资料。由于水下礁石探测点多、环境复杂（受水深、水流、覆盖层和通航等条件影响），因此就要求礁石探测应具有快速性、准确性和低成本［1］。目前，国内外用于探测水下礁石的设备和技术可分为两类，第一类是接触式探测技术，有人工钎探、工程地质钻探、坑探、标准贯入试验、动力触探等；第二类是非接触式探测技术，有超声波浅地层剖面探测、高密度电法物探、水下摄影、机器人水下成像［2］、水下地形遥测［3］等。接触式探测技术中，人工钎探难以应付礁石上方的覆盖层以及水深大、水流急等工况，而地质钻探、坑探、标贯试验、动力触探等主要存在速度慢、成本高的问题。非接触式探测技术中，浅地层剖面仪、高密度电法等虽然具有快速性，但由于受影响因素较多，且不能直接获得礁石的工程特性指标；而水下摄影、成像、地形测量等技术也难以探测埋于覆盖层下的礁石，更无法了解礁石的工程技术特性。这些方法对于礁石探测的目的和要求都存在明显不足。为此，依托广东省交通运输厅科技项目，专门研制了一套准确、快速、低成本、适用范围广的水下礁石探测设备。该设备主要包括能固定于河床上的船舶以及安装于船上的礁石探测钻机。探测作业时，以标准的钻进测试条件控制钻机运行，精确测定钻进速度（简称钻速），根据钻速与岩土坚固程度相对应的原理［1］，将实时的钻速与礁石的特征钻速相比较，判定水下礁石的存在，测定礁石点的坐标和高程等数据。要高效地完成上述探测工作，必须解决好钻机的自动控制和大量数据的实时处理等问题，这些问题将由计算机来完成。因此开发了本套软件，称为礁石自动探测软件。

图1 礁石自动探测硬件系统图Fig.1 Automatic detection hardware system of underwater reef

1 礁石自动探测软件开发

软件开发与所采用的硬件及被测控的对象密切相关，本硬件系统由数据采集模块、钻机控制板、通信控制板、电力执行模块、GPS设备、PC等组成（图1）［1］；根据各设备的接口特点，PC、GPS设备和单片机之间采用RS232通信。被测控的对象是4台相同的钻机，它主要由主机、升降卷扬机等组成（图2）。

为提高程序运行速度和可靠性，礁石自动探测软件由两部分组成：PC端软件和单片机软件，PC端软件又分主程序和数据库两部分。PC端软件可运行在Windows XP或Windows 7，单片机软件运行在钻机控制板和通信控制板上的嵌入式单片机上，单片机采用8位的AVR ATmega 88。PC端软件采用VB6语言编写，单片机软件采用C语言编写，数据库选用Microsoft Office Access。VB6是可视化面向对象的事件驱动的程序设计语言，适于开发工控领域的Windows应用程序。

图2 礁石探测钻机原理图Fig.2 Working principle of drilling rigs

1.1 需求分析

根据硬件配置情况、礁石识别原理以及礁石探测要求，对礁石自动探测的需求进行分析。

（1）监视（显示）功能。可在PC端主界面上，实时显示钻头行程（S）、高程（H）、钻速（V）；实时显示高程-时间（H⁃t）曲线，并在曲线上实时显示发现的礁石点；实时显示被监视对象的各种运行状态，包括钻头冲水压力、钻机行程开关、钻头转动、联机/脱机等状态；显示潮（水）位（Hc）、船位编号、钻机编号、钻杆长度等必要的参数。

（2）操作控制功能。可用鼠标点击按钮或用键盘快捷键控制钻机的运行、停止。

（3）参数设置功能。可设定礁石识别指标即礁石的特征钻速（V0）；潮（水）位（HC）；探测底标高（H0）；施工项目名称；船位编号；钻杆长度（L）；船纵轴线的方位角（θ）；钻机、GPS天线相对位置的修正参数等。确定V0有两个方法，一是先用配套的水下取芯钻具实地提取水下岩芯，找到并作为礁石样本，用本探测钻机测定其钻速，即为V0；二是直接取V0=0，因为取用了带特制锥头的钻头，试验证明，抗压强度fr≥25MPa的岩石其钻速都可视作为零［1］。HC可通过设置水位站（验潮站）取得数据，也可通过装于船上的RTK设备计算出实时的平均潮位。

（4）绘图功能。可绘制钻头高程-时间（H⁃t）曲线；在H⁃t图中绘制任意两点的直线，并显示该两点的高程差、时间差和该直线的斜率（即钻速平均值）；H⁃t曲线可在PC中回放。

（5）钻头高程测量功能。接收与钻头联动的位移变送器数据（包括大小和方向），转换为钻头离开初始位置的行程（S），再转换为钻头高程（H）。行程只与位移有关，可由单片机完成；高程与HC及钻机在船上相对位置有关，应由PC完成。

（6）钻速计算功能。实时计算连续T秒内的钻速平均值（Vt）。

2.3 净化条件的优化 选用3种不同的固相萃取柱Strata-X柱、HLB柱和C18柱进行净化效果分析比较，结果显示，Strata-X柱OA、DTX1、DTX2回收率都可以达到70%以上。HLB柱和C18柱3种DSP各目标组分的回收率都低于60%。因此综合考虑，最终选择的固相萃取柱为Strata-X柱。

（7）礁石识别功能。比较Vt和V0，当Vt≤V0时，判断为礁石。

（8）自动控制功能。控制4台钻机按次序且相隔5 s依次启动。如某台钻机遇到礁石，则控制钻机停止钻进并自动返回至初始点；如没有遇到礁石，则当达到设定的探测深度或达到钻机自身最大行程时，停止钻进并自动返回。控制指令应由PC发出，由单片机处理，最终由钻机驱动模块执行。

（9）采集GPS数据。船上有1根GPS天线，要求能采集GPS坐标数据，并将WGS84坐标转换成工程上常用的坐标系（如西安80坐标）；再根据方位角（θ）算出各钻孔坐标。

（10）数据存贮功能。探测过程的关键数据保存于数据库文件中。要求每0.5 s记录一次钻进测试数据（包括数据编号、记录时刻、船位编号、钻机号、钻孔坐标、钻头高程（即礁石或孔底高程）、钻机上下行方向、钻头状态（是否旋转）、钻速、是否遇到礁石等。

（11）数据导出功能。导出前述存贮的数据，可按条件筛选排列，以TXT或Excel格式导出。

（12）保护和报警功能。可设定钻机最大行程，当达到此值时停止钻进，代替下行程开关的作用；当钻头冲水压力不足、回转电机过载（如钻头卡死）时，自动停止回转，并以红色标示其运行状态。

图3 礁石自动探测PC端程序流程总图Fig.3 Flow chart of PC program of automatic detection software

图4 礁石自动探测单片机控制程序流程总图Fig.4 Flow chart of single chip microcomputer of automatic detection software

1.2 软件关键流程图

根据上述需求分析，设计、优化总体的数据结构和关键的算法。将PC端软件和单片机软件分为若干个结构模块（子程序），制定其程序流程总图。

（1）PC端软件的程序流程总图如图3所示。PC端软件主要有13个子程序：人机交互、定时器中断、回传数据、高程（H）计算、H⁃t曲线生成、平均钻速（Vt）计算、礁石识别（实时Vt与V0比较）、GPS坐标系转换、钻机运行控制指令、H⁃t分析、数据（含曲线）实时显示、参数设置、成果数据存贮生成与导出等。每个子程序都有各自的算法，其中GPS坐标系转换（七参数计算）采用矩阵最小二乘法和数学迭代法［4］。

（2）单片机分为控制单片机和通信单片机两种，对应地单片机软件分为两类：负责钻机运行的控制程序和负责通信的通信程序。图4为单片机控制程序流程总图。单片机软件主要有6个子程序：位移数据采集、行程计数、钻机运行状态采集、钻机运行（启动、停止）控制、单片机与GPS通信、单片机与PC通信等。

1.3 自动控制与礁石识别流程图

要求礁石探测作业准备就绪，包括船舶定好位、接妥钻杆、设定好各参数，4台钻机都升至最高点（初始位置）后，运行PC端的礁石自动探测程序，钻机能自动运行，自动识别礁石，自动返回。自动控制和礁石识别必须由PC和单片机协同完成。其中的自动控制与礁石识别程序是本套软件最重要的程序，其流程图如图5所示。

本程序设计采用面向对象、事件驱动的方式。通过增加定时器事件，使事件合理可控地发生。程序主要采取了以下一些算法：

（1）在自动运行模式下，单片机控制4台钻机相隔5 S依次启动，避免同时启动产生过大的电流。

（2）PC端主程序设置“定时器1”和“定时器2”，定时读取单片机上的钻头位移计数值（Sum），算出钻头行程S，再根据Hc和钻头初始高程值换算成钻头实时高程（H）。

（3）计算给定时间T秒内的平均钻速（Vtt）。

T可在参数设置窗口中在0～20 s任意设定。Vt值的计算周期取0.5 s。

（4）比较Vt与礁石特征钻速V0，判别礁石。判定为礁石时发出指令，控制钻机停止钻进并自动返回至初始点；如没遇到礁石，则当达到设定的探测深度（H0）或最大行程时，停止钻进并自动返回。

（5）实时绘制H⁃t曲线，每0.5 s更新一次，如钻到礁石，则在曲线上标记所认定的礁石点。

1.4 数据库

采用Microsoft Office Access数据库，将它分成11个表，分别为项目表、高程表、GPS参数表、船位参数表、系统参数表、其他参数表、登陆密码表、校正表、施工界限表、七参数表和礁石标记表。各子程序通过Active X对象（ADO）组件和结构化查询语言（SQL）操纵数据库。

图5 自动控制与礁石识别程序流程图Fig.5 Flow chart of automatic control and reef recognition procedure

2 礁石自动探测软件的应用效果

根据程序流程图和算法，用VB6.0语言编写程序代码，进行程序联机调试，经反复修改完善，完成礁石自动探测软件的开发。2012年4月和2013年4月，本套软件连同成套探测设备，两次投入广东省西江中游航道整治工程实施礁石探测作业。应用时，根据工况条件，先进入PC端各参数设置界面设好各参数（V0、Hc、H0、L、θ、坐标系等）；准备就绪后，点击“运行”按钮，4台钻机便依次自动运行；运行中测量钻头行程、高程，计算钻速（Vt），比较Vt、V0，自动判别礁石的存在，自动采集并转换GPS坐标，存贮所需数据。实现了钻机自动控制、自动监测和自动识别礁石的目标。

PC端主界面如图6所示，主界面上能够实时监视钻机运行的各种状态，包括联机、水压、行程开关、礁石判别、钻头回转等状态；能实时显示钻头行程（S）、高程（H）、钻速（Vt）、潮（水）位（Hc）、底标高（H0）等关键参数；主界面上右击H⁃t曲线即可打开其分析窗口，能进行H⁃t图放大、覆盖层厚度测量、任两点平均钻速计算等（图7）。

图6PC端主界面（原始截图)Fig.6 PC main interface

探测过程的重要数据都保存于数据库的相关表中，还可按条件进行数据筛选，列表导出所需要的成果数据。成果数据格式为TXT或Excel文档，以便与测量内业成图软件相兼容。图8是一个礁石探测成果例子。

应用表明，本套软件功能多样、操作简单、运行稳定。经与现场人工钎探和地质钻探对比，礁石认定准确、及时；与大地测量专业软件对比，坐标转换准确；经计量机构校准，位移测量分辨率达0.75 mm，位移测量精度达0.5%，钻速测量精度达2%，满足礁石自动探测的需要。

图7H⁃t曲线分析（原始截图）Fig.7 Curve analysis of H⁃t

图8 礁石探测成果导出（原始截图）Fig.8 Results of reef detection

3 结语

本套基于单片机和PC端的水下礁石自动探测软件，能自动控制和实时监视多台探测钻机的运行，能精确、实时地测定钻速，并与礁石的特征钻速进行比较，判别水下礁石的存在，同时采集、测定礁石点的平面坐标和高程，记录礁石测量的相关数据，很好地演绎了礁石的识别原理。软件功能多样，操作简便、运行稳定，大大提升了作业工效。本套软件和探测钻机、GPS配套使用，安装于带定位钢桩的船上，具有体积小、功耗低、钻进速度快、穿透力强，礁石判定准确、高效等特点，适用于内河、沿海水域带有覆盖层的水下礁石的快速探测，具有推广应用价值。

［1］杨明远.水下礁石快速探测设备的研制和应用［J］.广东水利水电，2014（5）：71-75. YANG M Y.Development and Application of Fast Underwater Reef Detector［J］.Guangdong Water Resources and Hydropower，2014（5）：71-75.

［2］Kawabata K，Takemura F，Futenma S，et al.On⁃line image gathering utilizing an operated underwater movable sensor node［J］.Jour⁃nal of Robotics and Mechatronics，2013，25（5）：772-777.

［3］Pizarro O，Williams S，Mahon I，et al.Advances in Underwater Surveying and Modelling from Robotic Vehicles on the Great Barri⁃er Reef［J］.EOS Trans.AGU Ocean Sci.Meet.，2006（S）：87.

［4］王解先，王军，陆彩萍.WGS⁃84与北京54坐标的转换问题［J］.大地测量与地球动力学，2003（8）：70-73. WANG J X，WANG J，LU C P.Problem of Coordinate Transformation Between WGS⁃84 and Beijing 54［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2003（8）：70-73.

Development of automatic detection software for underwater reef

WANG Xue⁃bo1，YANG Ming⁃yuan2
（1.Guangzhou Waterway Bureau of Guangdong Province，Guangzhou 510275，China；2.Guangdong Province Waterway Bureau，Guangzhou 510115，China）

On account of low efficiency and low accuracy in the current underwater reef detection,the underwa⁃ter reef detection equipment was developed,and a set of automatic reef detection software was programmed to match the equipments on the basis of the scientific research projects.The study shows that the software is composed of the single chip microcomputer and the PC program.It can automatically control and monitor the operation of drilling rigs.According to the correspondence of drilling speed and rock solidity,automatic determination of underwater reef is realized.Meanwhile,it can carry out automatic collection and record the data of coordinates and elevations of the reef points.Results show that the reef detection software has a variety of functions,and its result is accurate. The equipments have the characteristics of high automation degree.

reef detection；equipment of measurement and control；single chip microcomputer；software devel⁃opment

TP 311

A

1005-8443（2014）06-0647-06

长江中游戴家洲河段航道整治二期工程顺利通过交工验收

2014-06-09；

2014-08-08

广东省交通运输厅科研项目（2009-04-006）

王雪波（1965-），男，工程师，主要从事船舶、机电、计算机技术工作。

Biography：WANG Xue⁃bo（1965-），male，engineer.

本刊从交通运输部天津水运工程科学研究院获悉，2014年11月22日，长江航道工程建设指挥部在黄石主持召开了长江中游戴家洲河段航道整治二期工程交工验收会议。该工程是由交通运输部天津水运工程科学研究院和长江航道规划设计研究院联合设计的。会议通过现场踏勘、听取各参建单位汇报和查阅工程建设资料，经施工单位自检、监理评定、长航质监站核定，工程达到《水运工程质量检验标准》，顺利通过交工验收。据介绍，戴家洲河段由巴河水道和戴家洲水道组成，属于长江中游重点浅水道之一。工程整治目标为：以直水道为通航主汊，在一期工程和戴家洲右缘下段守护工程的基础上，通过工程措施，使戴家洲河段航道尺度达到4.5 m×200 m×1 050 m，保证率为98%。同时圆水道也保持为可通航汊道。工程主要建设内容包括：在戴家洲河段直水道右岸边滩中上段建设潜丁坝3条，在戴家洲右缘中上段建设护岸6 118 m，配套建设航道整治工程建筑物示位专用标4座。工程实施以来，4.5 m等深线已贯通，航槽稳定，航宽保证在200 m以上，航道条件得到显著改善，满足设计航道尺度，达到了预期整治目标，为明年的竣工验收奠定了坚实的基础。（殷缶，梅深）