海底管道测绘装置监控系统设计

文｜周忠会 方玉平 高峰 戴文迪 周建玲 卢恩光

一、引言

随着我国经济的发展，对能源的需求与日俱增，海底铺设的原油管道逐年增多，对受损管道的形变缺陷测绘并实施管道加固修复越来越重要。对海底管道的外部检测方法，目前普遍的技术适用于水流速度小、能见度高的水域，在海况复杂、海流速度快、能见度极低的海域能否正常工作存在极大不确定性。同样的，在类似海域下，研制在管道上进行直接测量的装置，则不可避免地面临在急水流、低能见度的情况下维持装备稳定性的问题，以及因为大量杂质下导致检测数据信噪比低的问题。对此，我们通过空腔营造干式环境并在可视化的干式环境中对管道形变缺陷进行快速精准三维测绘，将测绘的数据实时上传，同时也解决了海况复杂、海流速度快、能见度极低对管道检测造成的干扰问题。

二、系统整体设计

海底管道测绘装置监控系统整体结构框图如图1所示。该系统主要由控制及测绘上位机单元、配电单元、水上光端机单元、水下光端机单元、电源单元、串口服务器单元、三维扫描仪单元、网络摄像机单元、水下照明单元、姿态传感器单元、深度计单元、阀箱单元、张力位置及液位传感器单元、电机驱动单元组成。

图2 监控系统测试现场图

三、系统单元设计

（一）电源分配单元设计

海底管道测绘装置监控系统配备有多种型号电源为12V、24V和48V的外部设备，且单个设备要求电源独立，确保在外部设备出现故障时能够单独隔离且不影响其它设备的正常使用。船电AC220V通过安全保护装置直接给水下交流伺服电机供电，AC220V转DC48V电源模块为水下步进电机提供隔离电源，AC220V转DC24V电源模块和DC24V转DC12V电源转换模块分别为水下DC24V及DC12V外设提供隔离电源，同时DC24V电池与交流转直流转换模块通过船电自检继电器来切换水下DC24V及DC12V外设负载的供电电源，当检测到船电故障时自动切换至水下直流电池供电，确保必要的外设负载在应急情况下能够正常工作。

（二）模拟量采集单元设计

海底管道测绘装置监控系统需要配备姿态、压力、深度及液位等多种型号的传感器，用来对测绘装置的水下吊装姿态、水下空舱及部分主要执行机构的系统压力、工作海水深度和舱体内的液位实施信号采集，通过通讯单元实时向甲板操作上位机传输信号，用于监控系统实时掌握设备水下运行情况并指导甲板作业人员实施作业。测绘装置的传感器有电压输出和电流输出两种形式，为了减小电路占用的空间，故在一块电路板上集成两块分别用来采集电压和电流信号的采集模块，芯片之间通过通讯口实现两者的信息传递。此外两路漏水检测电路用于检测测绘装置接口箱是否漏水，并实时上传状态信息。

（三）电机驱动单元设计

海底管道测绘装置监测系统的扫描仪单元由两个直轨电机控制，用以其实现首尾方向的移动，两个环轨电机驱动扫描仪实现圆周方向的360O旋转，扫描仪角度电机通过减速机及齿轮齿条实现其自身小角度回转，由于5套驱动器的通信接口有RS485和CAN两种形式，且其通讯数据格式相差较大，此处配置两个RS485转CAN模块，第一次转换模块实现从控制RS485总线到CAN总线的转换，第二个转换模块实现CAN总线到驱动RS485总线的转换，通过此种配置，有利于简化上位机与驱动器之间的通信数据帧格式，提高了通信系统的稳定性。

四、系统调试

基于设计并加工好的测绘装置，开展了整个监测系统的调试，全部功能模块正常工作。稳定性和防水密封是调试的重点，严苛的海洋环境对电控系统的接口稳定性、防水密封性提出了非常高的要求，尤其在测试海域，海水中携带大量泥沙，进一步提升了难度，整个调试周期达到了30天。系统调试完善了上位机界面、增强了系统应对舱体漏水等情况的保护能力，提升了安全性和稳定性。

现场的系统调试分为三个主要阶段，第一步是在陆地上实现全部功能，第二步是针对海洋环境出现的新问题进行设计修复，实现在码头的水下测控，最后将整个系统带到目标海域进行实际测控，验证其真实的能力。通过三个阶段的实际考核与验证，整个测控系统可以有效地给海底测绘装置供电、提供监控与照明、控制运动部件、实现远程数据上传并监测测绘装置的姿态与各部分状态。

经过多次下水验证，测绘装置自身密封性能良好，营造了空舱环境，为三维测绘提供了必要的条件。利用干式舱环境，摄像机和水下照明灯相互配合操控舱内三维扫描仪驱动机构进行转动，操控中心控制扫描仪运动到相对应的位置，以满足三维扫描仪的成像要求。

五、总结

本系统的成功研制为海底管道测绘装置的实际运用提供了基础条件，实现了对作业全过程的有效监控，通过实时地数据传输，最终实现测量数据的获取和保存，为后续数据的处理和分析提供了可能。系统化规模化的应用将进一步提升中国在海底管道外检测精准测绘上的能力，填补了一定的技术和装备空白。