沉管干舷监测系统及方法

技术领域

本发明属于沉管浮运技术领域，尤其涉及一种沉管干舷监测系统及方法。

背景技术

沉管干舷定义为：沉管位于水中时，其顶面与水面之间的高度差。在沉管浮运安装期间，需要测定沉管管节四周的干舷数据，从而保证沉管的抗浮系数达到要求，保证沉管浮运安装全周期的施工安全。

目前，沉管干舷是采用人工持卷尺测量的方式进行，这种测量方式不仅做不到数据实时传输，而且测量数据不准确，数据量测误差控制难度大，同时，测量人员暴露在沉管顶面上，临水测量作业存在较大的安全风险。

因而，如何实现沉管干舷的实时自动监测，以降低测量风险，是当前急需解决的一项技术问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种沉管干舷监测系统及方法，能够在沉管浮运过程中实时自动监测沉管干舷，测量精度高且测量风险低。

本发明提供一种沉管干舷监测系统，包括：

测量组件，安装于沉管的侧部，包括护筒和固定安装于护筒内的压力传感器，护筒开设有通孔以使海水进入护筒内与压力传感器相接触；

数据传输模块，安装于沉管的顶部，并电连接于压力传感器以传输压力传感器测得的压力数据；

服务器，设置于主控室，并与数据传输模块通信连接以接收压力传感器测得的压力数据；服务器上设有计算模块，计算模块用于根据压力传感器测得的压力数据计算沉管的干舷。

在其中一些实施例中，压力传感器位于护筒的中心位置，护筒的顶面和底面均开设有通孔。

在其中一些实施例中，护筒的顶面和底面均为朝向护筒内凹陷的球弧面，通孔位于球弧面的中心处。

在其中一些实施例中，数据传输模块包括水密盒和封装于水密盒内的电台，电台电连接于压力传感器并通信连接于服务器。

在其中一些实施例中，测量组件为四个，其中，两个测量组件对称设置于沉管的相对两侧面并靠近沉管的前端面设置，另外两个测量组件对称设置于沉管的相对两侧面并靠近沉管的后端面设置；数据传输模块也为四个，数据传输模块与测量组件一一对应设置。

在其中一些实施例中，对应连接的测量组件和数据传输模块通过一安装架固定安装于沉管，数据传输模块固定安装于安装架的顶部，测量组件固定安装于安装架的外侧。

本发明还提供了一种沉管干舷监测方法，采用上述任一项技术方案所述的沉管干舷监测系统进行监测，包括以下步骤：

压力传感器标定：在深坞区内，将测量组件分别沉放至水下3个不同深度的标定点处，记录测量组件中的压力传感器在3个标定点处对应的读数分别为y1、y2、y3，通过标尺测量3个标定点到同一参考点之间的距离分别为c1、c2、c3，计算得到压力传感器的比例系数K，比例系数K的计算公式如下：

K1＝(c2-c1)/(y2-y1) (1)

K2＝(c3-c2)/(y3-y2) (2)

K＝(K1+K2)/2 (3)；

测量组件安装标定：在深坞区内，使沉管漂浮在水面，将测量组件安装到沉管侧部的设计安装位置，量取沉管管顶与水面之间的高度差H

D＝H

沉管干舷实时监测：在沉管浮运过程中，压力传感器将实时测量的压力C通过数据传输模块传输至服务器，计算模块实时计算沉管的实时干舷H，实时干舷H的计算公式如下：

H＝H

在其中一些实施例中，压力传感器标定步骤中，需要判断压力传感器的精度是否达标；具体步骤为：计算K2与K1的差值ΔK，若ΔK/K小于1/200，则压力传感器的精度达标。

在其中一些实施例中，压力传感器标定步骤中，3个标定点的深度为入水0.5m、1.0m和1.5m。

在其中一些实施例中，测量组件安装标定步骤中，在安装测量组件时，压力传感器的入水深度大于0.5m。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明提供的沉管干舷监测系统，通过在沉管侧部设置压力传感器，并在沉管顶部设置数据传输模块以将压力传感器测得的压力数据传输至服务器，通过服务器设置的计算模块将压力传感器测得的压力数据转化为入水深度，进而根据压力传感器受压面与沉管顶面之间的高度差以及压力传感器的入水深度计算获得沉管的干舷，实现了沉管干舷的实时自动监测，且测量精度高；

2、本发明提供的沉管干舷监测系统中，压力传感器设置于护筒内，护筒起到消浪减流作用，能够减小水流冲击力以及水的流速产生的负压对压力传感器表面压力测量的影响，保障监测结果的准确性；

3、本发明提供的沉管干舷监测方法，实现了沉管干舷的实时自动监测，且测量精度高，测量风险低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的沉管干舷监测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的沉管干舷监测系统中一个测量组件及其对应的数据传输模块与沉管的装配结构示意图；

图3为本发明实施例提供的沉管干舷监测系统中测量组件的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的沉管干舷监测方法中测量组件安装标定的原理图。

图中：

1、沉管；2、测量组件；3、数据传输模块；4、安装架；

21、护筒；211、通孔；22、压力传感器；

41、底座；42、支架；421、水平支板；422、竖直支板；43、支撑杆；44、拉索。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如附图1-图3所示，本发明实施例提供了一种沉管干舷监测系统，包括测量组件2、数据传输模块3和服务器；测量组件2安装于沉管1的侧部，包括护筒21和固定安装于护筒21内的压力传感器22，护筒21开设有通孔211以使海水进入护筒21内与压力传感器22相接触；数据传输模块3安装于沉管1的顶部，并电连接于压力传感器22以传输压力传感器22测得的压力数据；服务器设置于沉管运输船舶的主控室内，并与数据传输模块3通信连接以接收压力传感器22测得的压力数据；服务器上设有计算模块，计算模块用于根据压力传感器22测得的压力数据计算压力传感器22的入水深度，并根据压力传感器22受压面与沉管1顶面之间的高度差以及压力传感器22的入水深度，计算获得沉管1的干舷。

上述沉管干舷监测系统，通过在沉管1侧部设置压力传感器22，并在沉管1顶部设置数据传输模块3以将压力传感器22测得的压力数据传输至服务器，通过服务器设置的计算模块将压力传感器22测得的压力数据转化为入水深度，进而根据压力传感器22受压面与沉管1顶面之间的高度差以及压力传感器22的入水深度计算获得沉管1的干舷，实现了沉管干舷的实时自动监测，且测量精度高。同时，上述沉管干舷监测系统中，压力传感器22设置于护筒21内，护筒21起到消浪减流作用，能够减小水流冲击力以及水的流速产生的负压对压力传感器22表面压力测量的影响，保障监测结果的准确性。

为了使护筒21更好地起到消浪减流作用，如图3所示，优选的，压力传感器22位于护筒21的中心位置，护筒21的顶面和底面均开设有通孔211。进一步的，护筒21的顶面和底面均优选为朝向护筒21内凹陷的球弧面，通孔211位于球弧面的中心处。需要说明的是，护筒21优选为不锈钢材质，且护筒21内的空腔体积越大越好。还需要说明的是，压力传感器22可采用固定架(图3中未示出)固定在护筒21内。

为了保障压力数据的传输，本实施例中，数据传输模块3具体包括水密盒和封装于水密盒内的电台，电台电连接于压力传感器22并通信连接于服务器。采用电台有利于保证与服务器之间的数据传输，设置的水密盒起防水作用，避免电台受到损坏。需要说明的是，电台优选为微功率电台，水密盒内设置12V直流电源以向电台供电，电台的天线要进行加高处理，以避免天线入水，影响数据传输。

由于沉管1在浮运时会发生倾斜，为了准确掌握沉管1四角处的干舷情况，如图1所示，测量组件2为四个，其中，两个测量组件2对称设置于沉管1的相对两侧面并靠近沉管1的前端面设置，另外两个测量组件2对称设置于沉管1的相对两侧面并靠近沉管1的后端面设置；数据传输模块3也为四个，数据传输模块3与测量组件2一一对应设置。需要说明的是，为了减小波浪和水流差异的影响，靠近沉管1前端面设置的测量组件2距离沉管1前端面至少2m，靠近沉管1后端面设置的测量组件2距离沉管1后端面至少2m。

为了便于将测量组件2及其对应的数据传输模块3安装于沉管1上，如图2所示，对应连接的测量组件2和数据传输模块3通过一安装架4固定安装于沉管1，数据传输模块3固定安装于安装架4的顶部，测量组件2固定安装于安装架4的外侧。需要说明的是，安装架4高出沉管1顶面至少0.5m，以尽可能避免数据传输模块3没入水中。还需要说明的是，本实施例中，安装架4具体包括固定安装于沉管1顶部的底座41和固定安装于底座41的支架42，支架42包括位于底座41上方的水平支板421以及连接于水平支板421外侧的竖直支板422，竖直支板422位于沉管1的侧部；水平支板421的内侧通过支撑杆43连接于底座41的内侧，竖直支板422的中部通过固定连接于底座41的外侧边缘，竖直支板422的底部通过拉索44连接于底座41的外侧边缘；数据传输模块3固定安装于水平支板421的顶部，测量组件2固定安装于竖直支板422的外侧。可以理解的是，本领域技术人员也可采用其他结构的安装架4，只要能够将数据传输模块3安装到沉管1顶部，同时将测量组件2安装到沉管1侧部即可。

基于上述的沉管干舷监测系统，本发明实施例还提供一种沉管干舷监测方法，包括以下步骤：

S1压力传感器标定：在深坞区内，将测量组件2分别沉放至水下3个不同深度的标定点处，记录测量组件2中的压力传感器22在3个标定点处对应的读数分别为y1、y2、y3，通过标尺测量3个标定点到同一参考点之间的距离分别为c1、c2、c3，计算得到压力传感器22的比例系数K，比例系数K的计算公式如下：

K1＝(c2-c1)/(y2-y1) (1)

K2＝(c3-c2)/(y3-y2) (2)

K＝(K1+K2)/2 (3)。

本步骤中，需要说明的是，压力传感器22的比例系数K用于将压力传感器22的压力读数转化为入水深度，以便于后续计算沉管1的干舷。由于压力传感器22的比例系数K在不同的水密度环境中有较大变化，而且，比例系数K也会随着压力传感器22的使用时间产生一定程度变化，因而，在每次使用前，都需要在实际使用水域进行标定。

由于沉管干舷监测过程中，压力传感器22的入水深度一般小于1m，因而，本步骤中，3个标定点的深度优选为入水0.5m、1.0m和1.5m，以使标定获得的比例系数K更符合实际。

还需要说明的是，对压力传感器22进行标定时，需要将测量组件2从安装架4上拆下来，测量组件2的沉放可采用吊绳吊着护筒21，使护筒21呈自然下垂状态投入水中；采用的标尺可以为软尺，软尺可固定在吊绳上。

此外，本步骤中，还需要判断压力传感器22的精度是否达标，以确保压力传感器22的精度能够达到测量要求。具体步骤为：计算K2与K1的差值ΔK，若ΔK/K小于1/200，则压力传感器22的精度达标。

S2测量组件安装标定：在深坞区内，使沉管1漂浮在水面，将测量组件2安装到沉管1侧部的设计安装位置，量取沉管1管顶与水面之间的高度差H

D＝H

式(4)中，H

本步骤中，需要说明的是，压力传感器22的底面为受压面，压力传感器22的零点理论上应该在压力传感器22的受压面上，但在压力传感器22使用一段时间后可能会产生零点漂移，因而，本步骤中，将压力传感器22的零点偏离受压面的距离作为安装常数D，在测量组件2安装后通过标定来获取，以确保监测准确性。

还需要说明的是，为了在沉管1浮运过程中保证压力传感器22始终位于水中，本步骤中，在安装测量组件2时，压力传感器22的入水深度优选为大于0.5m。

S3沉管干舷实时监测：在沉管1浮运过程中，压力传感器22将实时测量的压力C通过数据传输模块3传输至服务器，计算模块实时计算沉管1的实时干舷H，实时干舷H的计算公式如下：

H＝H

本步骤中，根据标定的压力传感器22的比例系数K和安装常数D，将压力传感器22实时测量的压力数据转化为压力传感器22的入水深度，进而结合压力传感器22受压面与沉管1顶面之间的高度差，即可获得沉管1的实时干舷。

需要说明的是，在沉管1浮运过程中，沉管1四角设置的四组测量组件2分别独立的进行监测，综合四组测量组件2的沉管干舷监测数据，可以获知沉管1的倾斜情况，为沉管浮运控制提供参考数据。

最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。